Принципы различия симметричной и асимметричной криптографии. Асимметричное шифрование. Как это работает? А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

В этой части рассмотрены следующие вопросы:

• Типы шифров
• Шифры подстановки
• Шифры перестановки
• Методы шифрования
• Симметричные и асимметричные алгоритмы
• Симметричная криптография
• Асимметричная криптография
• Блочные и поточные шифры
• Векторы инициализации
• Гибридные методы шифрования

Симметричные шифры делятся на два основных типа: подстановки (substitution) и перестановки (transposition, permutation). Шифры подстановки заменяют биты, символы или блоки на другие биты, символы или блоки. Шифры перестановки не меняют исходный текст, вместо этого они перемещают исходные значения внутри исходного текста – они переставляют биты, символы или блоки символов для скрытия первоначального смысла.

Шифры подстановки используют ключ, который указывает, как следует выполнять подстановку. В шифре Цезаря каждый символ заменялся символом, расположенным на три позиции дальше него в алфавите. Алгоритмом был алфавит, а ключом – инструкция «сдвигать на три символа».

Подстановка используется современными симметричными алгоритмами, но это сложно сравнить с таким простейшим методом, как шифр Цезаря. Однако шифр Цезаря является простым и наглядным примером концепции работы шифра подстановки.

В шифре перестановки значение перемешивается (scrambled) или ставится в другом порядке. Ключ определяет позицию, на которую следует переместить значение, как показано на Рисунке 6-6.

Рисунок 6-6. Шифр перестановки

Это простейший пример шифра перестановки, он показывает только способ выполнения перестановки. Если применяются сложные математические функции, перестановка может стать достаточно сложной для взлома. Современные симметричные алгоритмы используют одновременно и длинные последовательности сложных подстановок и перестановок символов шифруемого сообщения. Алгоритм содержит возможные способы для процессов подстановки и перестановки (представленные в математических формулах). Ключ является инструкциями для алгоритма, точно указывая, как должна происходить обработка и в какой последовательности. Чтобы понять связь между алгоритмом и ключом, взгляните на Рисунок 6-7. Образно говоря, алгоритм создает различные ящики, каждый из которых имеет свой (отличный от других) набор математических формул, указывающих шаги подстановки и перестановки, которые должны быть совершены над попадающими в этот ящик битами. Для шифрования сообщения, значение каждого бита должно пройти через различные ящики. Однако если каждое наше сообщение будет проходить через один и тот же набор ящиков в одинаковой последовательности, злоумышленник легко сможет провести обратный инжиниринг этого процесса, взломать шифр и получить открытый текст нашего сообщения.

Рисунок 6-7. Связь ключа и алгоритма

Чтобы помешать злоумышленнику, используется ключ, представляющий из себя набор значений, которые указывают, какие ящики должны использоваться, в какой последовательности и с какими значениями. Так, если сообщение А шифруется ключом 1, ключ требует, чтобы сообщение прошло через ящики 1, 6, 4 и 5. Когда нам нужно зашифровать сообщение В, мы используем ключ 2, который требует, чтобы сообщение прошло через ящики 8, 3, 2 и 9. Ключ добавляет случайность и секретность в процесс шифрования.

Простые шифры подстановки и перестановки уязвимы к атакам, выполняющим частотный анализ (frequency analysis). В каждом языке некоторые слова и шаблоны используются чаще, чем другие. Например, в тексте на английском языке обычно чаще используется буква «е». При выполнении частотного анализа сообщения, взломщик ищет самые часто повторяющиеся шабоны из 8 бит (составляющих символ). Если в коротком сообщении он нашел, например, 12 восьмибитных шаблонов, он может сделать вывод, что это вероятнее всего буква «е» - самая часто используемая буква в языке. Теперь взломщик может заменить эти биты на букву «е». Это даст ему опору в процессе, который позволит ему провести обратный инжиниринг и восстановить исходное сообщение.

Современные симметричные алгоритмы используют в процессе шифрования методы подстановки и перестановки, но при этом используется (должна использоваться) слишком сложная математика, чтобы позволить быть успешной такой простейшей атаке частотного анализа.

Функции генерации ключей. Для генерации сложных ключей обычно сначала создается мастер-ключ, на основе которого затем генерируются симметричные ключи. Например, если приложение отвечает за создание сеансового ключа для каждого обратившегося к нему субъекта, оно не должно просто раздавать экземпляры одного и того же ключа. Различным субъектам при каждом соединении нужны различные симметричные ключи, чтобы минимизировать продолжительность времени их использования. Даже если атакующий перехватит трафик и взломает ключ, он сможет ознакомиться с переданной информацией только в пределах соответствующего сеанса. В новом сеансе будет использоваться другой ключ. Если два или более ключей формируются на основе мастер-ключа, они называются субключами (subkey).

Функции генерации ключей (KDF – key derivation function) используется для генерации ключей, состоящих из случайных значений. Различные значения могут использоваться независимо или совместно в качестве случайного ключевого материала. Созданы алгоритмы, использующие определенные хэши, пароли и/или «соль», которые много раз проходят через математические функции, указанные алгоритмом. Чем больше раз этот ключевой материал пройдет через указанные функции, тем больший уровень уверенности и безопасности сможет обеспечить криптосистема в целом.


ПРИМЕЧАНИЕ . Помните, что алгоритм остается статичным. Случайность процессов криптографии обеспечивается в основном за счет ключевого материала.

Хотя процесс шифрования состоит из множества частей, можно выделить две его основные части, которыми являются алгоритмы и ключи. Как было сказано ранее, алгоритмы, используемые в компьютерных системах, являются сложными математическими формулами, диктующими правила преобразования открытого текста в шифротекст. Ключ является строкой случайных битов, которая используется алгоритмом для добавления случайности в процесс шифрования. Чтобы два субъекта могли взаимодействовать с использованием шифрования, они должны использовать один и тот же алгоритм и, в ряде случаев, один и тот же ключ. В некоторых технологиях шифрования получатель и отправитель используют один и тот же ключ, тогда как в других технологиях они должны использовать различные, но связанные ключи для зашифрования и расшифрования информации. Следующие разделы объясняют различия двумя этими типами методов шифрования.

Криптографические алгоритмы делятся на симметричные алгоритмы , которые используют симметричные ключи (также называемые секретными ключами (secret key)), и асимметричные алгоритмы , которые используют асимметричные ключи (называемые также открытыми (public key) и закрытыми ключами (private key)).

В криптосистеме, в которой применяется симметричная криптография, отправитель и получатель используют два экземпляра одного и того же ключа для зашифрования и расшифрования информации, как показано на Рисунке 6-8. Таким образом, ключ имеет двойную функциональность и применяется как в процессе зашифрования, так и в процессе расшифрования. Симметричные ключи также называют секретными ключами , т.к. этот тип шифрования предполагает, что каждый из пользователей хранит ключ в секрете и надлежащим образом защищает его. Если атакующий получит этот ключ, он сможет расшифровать с его помощью любое перехваченное зашифрованное на нем сообщение.

Рисунок 6-8. При использовании симметричного алгоритма, отправитель и получатель используют один и тот же ключ для зашифрования и расшифрования данных

Каждой паре пользователей, для защищенного с помощью симметричной криптографии обмена данными, требуется два экземпляра одного и того же ключа. Например, если Дену и Ирине нужно обмениваться данными, им обоим нужно получить копию одного ключа. Если Ден хочет также с использованием симметричной криптографии взаимодействовать с Нормом и Дейвом, ему нужно иметь три отдельных ключа – по одному на каждого друга. Это не является большой проблемой, пока Дену не потребуется взаимодействовать с сотней других людей за несколько месяцев и сохранять историю переписки. Ведь это потребует использования соответствующего ключа для переписки с каждым конкретным получателем. В таком случае это может стать сложнейшей задачей. Если десяти людям необходимо безопасно обмениваться данными друг с другом с использованием симметричной криптографии, им потребуется 45 ключей. Если же взаимодействовать нужно ста людям, им потребуется 4950 ключей. Формула для расчета необходимого количества симметричных ключей выглядит следующим образом:

Число ключей = N(N – 1)/2, где N – число абонентов

При использовании симметричных алгоритмов отправитель и получатель используют один и тот же ключ для процессов зашифрования и расшифрования информации. Безопасность таких алгоритмов полностью зависит от того, насколько хорошо пользователи защищают ключи. В таком случае безопасность полностью зависит от персонала, который должен хранить свои ключи в секрете. Если ключ скомпрометирован, все сообщения, зашифрованные на этом ключе, могут быть расшифрованы и прочитаны злоумышленником. В действительности, это еще больше усложняется, поскольку ключи необходимо безопасно распространять и обновлять их при необходимости. Если Дену нужно взаимодействовать с Нормом впервые, Ден должен решить, каким образом безопасно передать Норму ключ. Если он сделает это небезопасно, например, просто отправив ключ по электронной почте, этот ключ может быть легко перехвачен и использован злоумышленником. Поэтому Ден должен передать ключ Норму нестандартным способом. К примеру, Ден может записать ключ на флеш-накопитель и положить его на стол Норму или отправить его Норму с доверенным курьером. Процесс распространения симметричных ключей может стать очень сложной и громоздкой задачей.

Поскольку оба пользователя используют один и тот же ключ для зашифрования и расшифрования сообщений, симметричные криптосистемы могут обеспечить конфиденциальность, но не аутентификацию или неотказуемость . Такой криптографический алгоритм не позволит доказать, кто реально отправил сообщение, т.к. оба пользователя используют один и тот же ключ.

Но если симметричные криптосистемы имеют столько недостатков и проблем, почему они используются почти повсеместно? Потому что они обеспечивают очень высокую скорость обработки данных и их очень трудно взломать. Симметричные алгоритмы гораздо быстрее асимметричных. Они могут сравнительно быстро зашифровывать и расшифровывать большие объемы данных. Кроме того, данные, зашифрованные симметричным алгоритмом с использованием длинного ключа, очень сложно вскрыть.

Следующий список описывает сильные и слабые стороны криптосистем с симметричными ключами:

Сильные стороны:

• Гораздо быстрее асимметричных систем
• При использовании длинного ключа сложно взломать

Слабые стороны:

• Требует безопасного механизма передачи ключей
• Каждой паре пользователей нужен уникальный ключ; по мере увеличении количества пользователей, возрастающее число ключей может сделать управление ими просто нереальной задачей
• Обеспечивает конфиденциальность, но не обеспечивает аутентификацию или неотказуемость

Ниже приведены некоторые примеры симметричных алгоритмов, которые будут подробно рассмотрены позднее в разделе «Блочные и поточные шифры».

• RC4 , RC5 и RC6

Ссылки по теме:

• Security in Open Systems, Node 208, “Symmetric Key Cryptography,” by Paul Markovitz, NIST Special Publication 800-7 (July 1994)

В криптографии с симметричными ключами для зашифрования и расшифрования используется один и тот же секретный ключ, тогда как в системах с открытыми ключами для этих целей используются различные (асимметричные ) ключи. При этом два отличающихся асимметричных ключа связаны между собой математически. Если сообщение зашифровано одним ключом, для его расшифрования требуется другой ключ.

В системах с открытыми ключами, создается пара ключей, один из которых является закрытым, другой – открытым. Открытый ключ (public key) может быть известен всем, а закрытый ключ (private key) должен знать только его владелец. Часто открытые ключи хранятся в каталогах и базах данных адресов электронной почты, общедоступных всем желающим использовать эти ключи для зашифрования и расшифрования данных при взаимодействии с отдельными людьми. Рисунок 6-9 иллюстрирует использование отличающихся асимметричных ключей.
Открытый и закрытый ключи асимметричной криптосистемы математически связаны, однако наличие у кого-то открытого ключа другого человека не позволяет узнать соответствующий ему закрытый ключ. Таким образом, если злоумышленник получит копию открытого ключа Боба, это вовсе не значит, что он с помощью какого-то математического волшебства сможет получить соответствующий ему закрытый ключ Боба. Однако, если кто-то получит закрытый ключ Боба, возникнет большая проблема. Поэтому никто кроме владельца не должен иметь доступа к закрытому ключу.

Рисунок 6-9. Асимметричная криптосистема

Если Боб зашифровал данные на своем закрытом ключе, получателю потребуется открытый ключ Боба, чтобы расшифровать их. Получатель может не только расшифровать сообщение Боба, но и ответить Бобу зашифрованным сообщением. Для этого ему нужно зашифровать свой ответ на открытом ключе Боба, тогда Боб сможет расшифровать этот ответ с помощью своего закрытого ключа. При использовании асимметричного алгоритма, невозможно зашифровывать и расшифровывать сообщение одним и тем же ключом, эти ключи, хотя и связаны математически, они не совпадают (в отличие от симметричных алгоритмов). Боб может зашифровать данные на своем закрытом ключе, тогда получатель сможет расшифровать их на открытом ключе Боба. Расшифровывая сообщение на открытом ключе Боба, получатель может быть уверен, что сообщение действительно исходит от Боба, ведь сообщение может быть расшифровано на открытом ключе Боба только в том случае, если оно было зашифровано на соответствующем закрытом ключе Боба. Это обеспечивает возможность аутентификации, т.к. Боб является (предположительно) единственным, кто имеет этот закрытый ключ. Если получатель хочет быть уверен, что единственным, кто сможет прочитать его ответ, будет Боб, он должен зашифровать свое сообщение Бобу на его открытом ключе. Тогда только Боб сможет расшифровать это сообщение, поскольку только у него есть необходимый для этого закрытый ключ.

Кроме того, получатель может решить зашифровать данных на своем закрытом ключе, а не на открытом ключе Боба. Что это ему даст? Аутентификацию. Боб будет знать, что сообщение пришло от него и не могло придти ни от кого другого. Если он зашифровывает данные на открытом ключе Боба, это не обеспечит аутентификацию, т.к. кто угодно может получить открытый ключ Боба. Если он использует свой закрытый ключ для зашифрования данных, тогда Боб может быть уверен, что сообщение исходит именно от него. Симметричные ключи не обеспечивают аутентификацию, т.к. обе стороны используют один и тот же ключ, что не может гарантировать, что сообщение исходит от конкретного человека.

Если отправителю в большей степени важна конфиденциальность передаваемой информации, ему следует зашифровать свое сообщение на открытом ключе получателя. Это называют безопасным форматом сообщения (secure message format), поскольку только человек, имеющий соответствующий закрытый ключ, сможет расшифровать это сообщение.

Если же отправителю в большей степени важна аутентификация, ему следует зашифровывать передаваемые данные на своем закрытом ключе. Это позволит получателю быть уверенным в том, что зашифровал данные именно тот человек, который имеет соответствующий закрытый ключ. Если отправитель шифрует данные на открытом ключе получателя, это не обеспечивает возможность аутентификации, т.к. открытый ключ доступен всем.

Шифрование данных на закрытом ключе отправителя называют открытым форматом сообщения (open message format), т.к. любой человек может расшифровать эти данные с помощью общедоступного открытого ключа отправителя. Конфиденциальность при этом не обеспечивается.

Оба ключа, как закрытый, так и открытый, могут использоваться и для зашифрования, и для расшифрования данных. Не подумайте, что открытый ключ нужен только для зашифрования, а закрытый – только для расшифрования. При этом следует понимать, что если данные зашифрованы на закрытом ключе, они не могут быть расшифрованы на нем же. Зашифрованные на закрытом ключе данные могут быть расшифрованы на соответствующем ему открытом ключе. И наоборот.

Асимметричный алгоритм работает медленнее, чем симметричный алгоритм, т.к. симметричные алгоритмы выполняют относительно простые математические функции над битами в процессах зашифрования и расшифрования. Они заменяют и перемешивают (перемещают) биты, что не очень сложно и не сильно загружает процессор. Причина их устойчивости к взлому заключается в том, что они выполняют эти функции много раз. Таким образом, в симметричных алгоритмах набор битов проходит более длинную серию замен и перестановок.

Асимметричные алгоритмы медленнее симметричных алгоритмов, т.к. они используют гораздо более сложную математику для выполнения своих функций, что требует больше процессорного времени. Однако асимметричные алгоритмы могут обеспечить аутентификацию и неотказуемость в зависимости от используемого алгоритма. Кроме того, асимметричные системы позволяют использовать более простой и управляемый процесс распространения ключей, по сравнению с симметричными системами и не имеют проблем с масштабируемостью, которые есть у симметричных систем. Причина этих различий в том, что при использовании асимметричных систем вы можете отправлять свой открытый ключ всем людям, с которыми вы хотите взаимодействовать, а не использовать для каждого из них отдельный секретный ключ. Далее, в разделе «Гибридные методы шифрования» в этом Домене мы рассмотрим, как эти две системы могут использоваться совместно для получения наилучшего результата.

ПРИМЕЧАНИЕ. Криптография с открытым ключом – это асимметричная криптография. Эти термины взаимозаменяемы.

Ниже указаны сильные и слабые стороны алгоритмов с асимметричными ключами:

Сильные стороны

• Лучше процесс распространения ключей, чем в симметричных системах
• Лучше масштабируемость, чем в симметричных системах
• Могут обеспечить аутентификацию и неотказуемость

Слабые стороны

• Работают гораздо медленнее симметричных систем
• Выполняют сложные математические преобразования

Ниже приведены примеры алгоритмов с асимметричными ключами.

• Криптосистема на основе эллиптических кривых (ECC – Elliptic curve cryptosystem)
• Алгоритм Диффи-Хеллмана Diffie-Hellman
• Эль Гамаль (El Gamal)
• Алгоритм цифровой подписи (DSA – Digital Signature Algorithm)
• Knapsack

Эти алгоритмы мы рассмотрим далее в этом Домене, в разделе «Типы асимметричных систем».

В Таблице 6-1 приведено краткое резюме основных отличий между симметричными и асимметричными системами.

Таблица 6-1. Различия между симметричными и асимметричными системами

ПРИМЕЧАНИЕ . Цифровые подписи будут рассмотрены позднее в разделе «Цифровые подписи».

Ссылки по теме:

• Security in Open Systems, Node 210, “Asymmetric Key Cryptography,” by Paul Markovitz, NIST Special Publication 800-7 (July 1994)
• Frequently Asked Questions About Today’s Cryptography, Version 4.1, Section 2.1.4.5, “What Is Output Feedback Mode?” by RSA Laboratories

Существует два основных типа симметричных алгоритмов: блочные шифры, которые работают с блоками битов, и потоковые шифры, которые обрабатывают по одному биту за раз.

Если для зашифрования и расшифрования данных используется блочный шифр , сообщение делится на блоки битов. Затем эти блоки передаются на обработку математическим функциям, по одному блоку за раз. Представьте, что вам нужно зашифровать сообщение для мамы с помощью блочного шифра, который работает с блоками по 64 бита. Длина вашего сообщения составляет 640 бит, поэтому оно делится на 10 отдельных блоков по 64 бита. Каждый блок последовательно передается на вход математической функции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока каждый блок не будет преобразован в шифротекст. После этого вы отправляете зашифрованное сообщение вашей маме. Она использует такой же блочный шифр и тот же ключ. Эти 10 блоков шифротекста последовательно передаются в алгоритм в обратной последовательности до тех пор, пока не будет получен исходный открытый текст.

Для обеспечения стойкости шифра, в нем должны в достаточной степени использоваться два основных метода: перемешивание (confusion) и рассеивание (diffusion). Перемешивание обычно выполняется с помощью подстановки, тогда как рассеивание – с помощью перестановки. Чтобы шифр был действительно стойким, он должен использовать оба эти метода, чтобы сделать процесс обратного инжиниринга практически невозможным. На уровень перемешивания и рассеивания указывают случайность значения ключа и сложность применяемых математических функций.

В алгоритмах рассеивание может происходить как на уровне отдельных битов в блоках, так и на уровне самих блоков. Перемешивание выполняется с помощью сложных функций подстановки, чтобы злоумышленник не мог понять, каким образом заменялись исходные значения и получить оригинальный открытый текст. Представьте, что у меня есть 500 деревянных блоков, на каждый их которых нанесена буква. Я выстраиваю их в линию, чтобы составить из них сообщение (открытый текст). Затем я заменяю 300 из этих блоков блоками из другого набора (перемешивание путем подстановки). Затем я переставляю все эти блоки (рассеивание посредством перемешивания) и оставляю эту кучу. Чтобы вы смогли восстановить мое исходное предложение, вам нужно заменить блоки правильными и расставить их в правильной последовательности. Удачи!

Перемешивание выполняется для создания взаимосвязи между ключом и получаемым в результате шифротекстом. Эта взаимосвязь должна быть максимально сложной, чтобы невозможно было вскрыть ключ на основе анализа шифротекста. Каждое значение в шифротексте должно зависеть от нескольких частей ключа, но для наблюдателя эта связь между значениями ключа и значениями шифротекста должна выглядеть полностью случайной.

Рассеивание, с другой стороны, означает, что один бит открытого текста оказывает влияние на несколько бит шифротекста. Замена значения в открытом тексте должна приводить к замене нескольких значений в шифротексте, а не одного. Фактически, в действительно стойком блочном шифре, при замене одного бита в открытом тексте, должны изменяться около 50% битов в шифротексте. Т.е. при изменении всего одного бита в открытом тексте, изменится около половины шифротекста.

Блочные шифры в своих методах работы используют и перемешивание, и рассеивание. На Рисунке 6-10 показан концептуальный пример простого блочного шифра. Ему передано для обработки четыре блока длиной по четыре бита каждый. Рассматриваемый блочный алгоритм имеет два уровня четырехбитных боксов замещения, называемых S-боксами. Каждый S-бокс содержит таблицы подстановки, используемые алгоритмом в качестве инструкций по шифрованию битов.

Рисунок 6-10. Сообщение разделяется на блоки битов, над которыми выполняются функции замещения и рассеивание

Ключ указывает (см. Рисунок 6-10), какие должны использоваться S-боксы в процесе перемешивания исходного сообщения из читаемого открытого текста в нечитаемый шифротекст. Каждый S-бокс содержит различные методы подстановки и перестановки, которые могут быть выполнены над каждым блоком. Это очень простой пример. В реальности большинство блочных шифров работает с блоками размером по 32, 64 или 128 бит и может использовать гораздо больше S-боксов.

Как было сказано ранее, блочные шифры выполняют математические функции над блоками битов. В отличие от них, поточные шифры (stream cipher) не делят сообщение на блоки. Они обрабатывют сообщение, как поток битов, и выполняют математические функции над каждым битом отдельно.

При использовании поточного шифра, в процессе шифрования каждый бит открытого текста преобразуется в бит шифротекста. Поточные шифры используют генератор ключевого потока, который производит поток битов, объединяемых с помощью операции XOR с битами открытого текста, с целью получения шифротекста. Это показано на Рисунке 6-11.

Рисунок 6-11. В поточном шифре биты, сгенерированные генератором ключевого потока, объединяются посредством XOR с битами открытого текста сообщения

ПРИМЕЧАНИЕ . Этот процесс очень похож на использование одноразовых шифровальных блокнотов, описанных ранее. Отдельные биты в одноразовом блокноте используются для шифрования отдельных битов сообщения с помощью операции XOR, а в поточном алгоритме отдельные биты создаются генератором ключевого потока, также используемым для шифрования битов сообщения с использованием операции XOR.

Если криптосистема зависит только от симметричного поточного алгоритма, атакующий может получить копию открытого текста и результирующий шифротекст, объединить их вместе с помощью операции XOR и получить в результате использованный ключевой поток, которым он может воспользоваться в дальнейшем для расшифрования других сообщений. Поэтому умные люди решили вставлять ключ в этот поток.

В блочных шифрах ключ определяет, какие функции применяются к открытому тексту и в каком порядке. Ключ обеспечивает случайность процесса шифрования. Как было сказано ранее, большинство алгоритмов шифрования является открытыми, поэтому люди знают, как они работают. Секретом является только ключ. В поточных шифрах случайность также обеспечивается с помощью ключа, делая максимально случайным поток битов, с которыми объединяется открытый текст. Эта концепция показана на Рисунке 6-12. Как вы можете увидеть на этом рисунке, и отправитель, и получатель должны иметь один и тот же ключ для генерации одинакового ключевого потока, чтобы иметь возможность правильно зашифровывать и расшифровывать информацию.

Рисунок 6-12. Отправитель и получатель должны иметь один и тот же ключ для генерации одинакового ключевого потока

Векторы инициализации (IV – Initialization vectors) – это случайные значения, которые используются алгоритмом для обеспечения отсутствия шаблонов в процессе шифрования. Они используются совместно с ключами и их не нужно шифровать при отправке получателю. Если вектор инициализации не используется, два одинаковых открытых текста, зашифрованные на одном и том же ключе, дадут в результате один и тот же шифротекст. Такой шаблон существенно упростит задачу атакующего по взлому метода шифрования и вскрытию ключа. Если в вашем сообщении есть повторяющаяся часть (фраза или слово), вам нужно убедиться, что при шифровании каждой повторяющейся части открытого текста сообщения, создается различный шифротекст, т.е. не будет создаваться шаблон. Именно для обеспечения большей случайности в процессе шифрования и используется вектор инициализации совместно с ключом.

Стойкие и эффективные поточные шифры имеют следующие характеристики:

• Длинные периоды неповторяющихся шаблонов в значениях ключевого потока . Биты, генерируемые ключевым потоком должны быть случайны.
• Статистически непредсказуемый ключевой поток . Биты, получаемые на выходе генератора ключевого потока, не должны быть предсказуемы.
• Ключевой поток не имеет линейной связи с ключом . Если кто-то получил значения ключевого потока, это не должно привести к получению им значения ключа.
• Статистически равномерный ключевой поток (примерно равное количество нулей и единиц) . В ключевом потоке не должны преобладать нули или единицы.

Поточные шифры требуют обеспечения случайности и шифруют по одному биту за раз. Это требует больше ресурсов процессора, чем при использовании блочного шифра, поэтому поточные шифры больше подходят для реализации на аппаратном уровне. А блочные шифры, поскольку они не требуют столько ресурсов процессора, проще реализовывать на программном уровне.

ПРИМЕЧАНИЕ . Конечно, существуют и блочные шифры, реализованные на аппаратном уровне, и поточные шифры, работающие на программном уровне. Указанное выше утверждение просто является «лучшей практикой», рекомендациями по разработке и внедрению.


Поточные шифры и Одноразовые шифровальные блокноты. Поточные шифры обеспечивают тот же тип защиты, что и одноразовые шифровальные блокноты , поэтому они работают похожим образом. Поточные шифры в действительности не могут обеспечить такой же уровень защиты, как одноразовые шифровальные блокноты, т.к. они реализуются в виде программного обеспечения и автоматизированных средств. Однако за счет этого поточные шифры более практичны.

Ранее мы рассмотрели симметричные и асимметричные алгоритмы и отметили, что симметричные алгоритмы работают быстро, но имеют некоторые недостатки (плохая масштабируемость, сложное управление ключами, обеспечение только конфиденциальности), а асимметричные алгоритмы не имеют этих недостатков, но они очень медленные. Теперь рассмотрим гибридные системы, которые используют одновременно симметричные и ассиметричные методы шифрования.

Совместное использование асимметричных и симметричных алгоритмов

Криптография с открытым ключом использует два ключа (открытый и закрытый), сгенерированные асимметричным алгоритмом, она применяется для защиты ключей шифрования и их распространения. Секретный ключ генерируется симметричным алгоритмом и используется для основного процесса шифрования. В этом и заключается гибридное использование двух различных алгоритмов: симметричного и асимметричного. Каждый алгоритм имеет свои преимущества и недостатки, а их совместное использование позволяет взять лучшее от каждого из них.

В гибридном подходе две эти технологии дополняют друг друга, каждая выполняет свои функции. Симметричный алгоритм создает ключи, используемые для шифрования основного объема данных, а асимметричный алгоритм создает ключи, используемые для автоматизированного распространения симметричных ключей.

Симметричный ключ используется для шифрования отправляемых вами сообщений. Когда ваш друг получает зашифрованное вами сообщение, ему нужно расшифровать его, для чего ему требуется симметричный ключ, на котором зашифровано ваше сообщение. Но вы не хотите отправлять этот ключ незащищенным образом, т.к. сообщение может быть перехвачено и незащищенный ключ может быть извлечен из него злоумышленником для последующего использования в целях расшифрования и ознакомления с вашими сообщениями. Не следует использовать для шифрования сообщений симметричный ключ, если для него не обеспечена надлежащая защита. Для обеспечения защиты симметричного ключа можно использовать асимметричный алгоритм, с помощью которого он может быть зашифрован (см. Рисунок 6-13). Но зачем нам использовать симметричный ключ для шифрования сообщений, а асимметричный ключ для шифрования симметричного ключа? Как было сказано ранее, асимметричный алгоритм работает медленно, т.к. он использует более сложную математику. А поскольку ваше сообщение, скорее всего, будет длиннее ключа, для его шифрования разумнее использовать более быстрый алгоритм (симметричный), а для шифрования ключа подойдет медленный (асимметричный), но обеспечивающий дополнительные сервисы безопасности.

Рисунок 6-13. В гибридной системе асимметричный ключ используется для шифрования симметричного ключа, а симметричный ключ используется для шифрования сообщений

Как это работает в реальности? Предположим, что Билл отправляет Полу сообщение и хочет, чтобы только Пол мог прочитать его. Билл зашифровывает сообщение на секретом ключе, теперь он имеет шифротекст и симметричный ключ. Ключ должен быть защищен, поэтому Билл зашифровывает симметричный ключ на асимметричном ключе. Асимметричные алгоритмы используют закрытый и открытый ключи, поэтому Билл зашифровывает симметричный ключ на открытом ключе Пола. Теперь у Билла есть шифротекст сообщения и шифротекст симметричного ключа. Почему Билл зашифровал симметричный ключ на открытом ключе Пола, а не на своем закрытом ключе? Если бы Билл зашифровал его на собственном закрытом ключе, кто угодно мог бы расшифровать его на открытом ключе Билла и получить симметричный ключ. Однако Биллу не нужно, чтобы любой, имеющий его открытый ключ, мог читать его сообщения Полу. Биллу нужно, чтобы такая возможность была только у Пола. Итак, Билл зашифровал симметричный ключ на открытом ключе Пола. Если Пол хорошо защищал свой закрытый ключ, только он один сможет прочитать сообщение Билла.

Пол получает сообщение Билла и использует свой закрытый ключ, чтобы расшифровать симметричный ключ. Затем Пол использует симметричный ключ, чтобы расшифровать сообщение. Теперь Пол может прочитать важное и конфиденциальное сообщение от Билла.

Когда мы говорим, что Билл использует ключ для зашифрования сообщения, а Пол использует тот же ключ для расшифрования, это не значит, что они выполняют все эти операции вручную. Современное программное обеспечение делает все это за нас, не требуя от нас особых знаний для его использования.

Здесь все достаточно просто, вам нужно запомнить следующие аспекты:

• Асимметричный алгоритм выполняет зашифрование и расшифрование, используя закрытый и открытый ключи, которые математически связаны между собой.
• Симметричный алгоритм выполняет зашифрование и расшифрование с использованием общего секретного ключа.
• Симметричный (секретный) ключ используется для шифрования реальных сообщений.
• Открытый ключ используются для зашифрования симметричного ключа с целью его безопасной передачи.
• Секретный ключ – это то же самое, что симметричный ключ.
• Асимметричный ключ может быть закрытым или открытым.

Итак, при использовании гибридной системы, симметричный алгоритм создает секретный ключ, используемый для шифрования данных или сообщений, а асимметричный ключ шифрует секретный ключ.

Сеансовый ключ (session key) – это симметричный ключ, используемый для шифрования сообщений, которыми обмениваются два пользователя. Сеансовый ключ ничем не отличается от симметричного ключа, описанного ранее, но он действителен только в рамках одного коммуникационного сеанса между пользователями.

Если у Тани есть симметричный ключ, который она постоянно использует для шифрования сообщений между ней и Лансом, этот симметричный ключ не нужно перегенерировать или изменять. Они просто используют один и тот же ключ каждый раз при взаимодействии с использованием шифрования. Однако длительное повторное использование одного и того же ключа повышает вероятность его перехвата и компрометации безопаных коммуникаций. Чтобы избежать этого, следует генерировать новый симметричный ключ каждый раз, когда Тане и Лансу нужно взаимодействовать, и использовать его лишь на протяжении одного сеанса связи, а затем уничтожать (см. Рисунок 6-14). Даже если им потребуется снова взаимодействовать всего через час, будет сгенерирован новый сеансовый ключ.

Рисунок 6-14. Сеансовый ключ генерируется для каждого сеанса взаимодействия пользователей и действует только в рамках этого сеанса

Цифровые конверты. При первом знакомстве людей с вопросами криптографии, совместное использование симметричных и асимметричных алгоритмов может вызвать непонимание. Однако эти концепции очень важно понять, поскольку они действительно являются ядром, фундаментальными концепциями криптографии. Этот процесс используется не только в почтовом клиенте или в нескольких продуктах, он определяет весть порядок обработки данных и симметричных ключей при их передаче.
Совместное использование этих двух технологий называется гибридным подходом, но у него есть и более общее название – цифровой конверт (digital envelope).

Сеансовый ключ обеспечивает более высокий уровень защиты, по сравнению со статичным симметричным ключом, т.к. он действителен только на один сеанс связи между двумя компьютерами. Если атакующий сможет перехватить сеансовый ключ, он сможет использовать его для несанкционированного доступа к передаваемой информации только в течение небольшого периода времени.

Если двум компьютерам нужно взаимодействовать с применением шифрования, сначала они должны пройти процесс «рукопожатия», в рамках которого они договариваются об алгоритме шифрования, который будет использоваться для передачи сеансового ключа, предназначенного для дальнейшего шифрования данных в процессе взаимодействия компьютеров. По сути, два компьютера устанавливают виртуальное соединение друг с другом, которое называют сеансом. После завершения сеанса, каждый компьютер уничтожает любые структуры данных, созданные для этого сеанса, освобождает ресурсы и, в том числе, уничтожает использованный сеансовый ключ. Эти вещи операционная система и приложения выполняют в фоновом режиме и пользователю не нужно заботиться об этом. Однако специалист по безопасности должен понимать различия между типами ключей и связанные с ними вопросы.

ПРИМЕЧАНИЕ. Закрытые и симметричные ключи не должны храниться и/или передаваться в виде открытого текста. Хотя это кажется очевидным, уже множество программных продуктов было скомпрометировано именно по этой причине.

Проблемы беспроводной безопасности. Мы рассматривали различные стандарты 802.11 и протокол WEP в Домене 05 . Среди обширного списка проблем WEP, есть проблема, связанная с шифрованием данных. Если для шифрования беспроводного трафика используется только WEP, в таком случае в большинстве реализаций используется только один статистический симметричный ключ для шифрования пакетов. Одним из изменений и преимуществ стандарта 802.11i является то, что он обеспечивает шифрование каждого пакета уникальным сеансовым ключом.

ТЕРЕНИН Алексей Алексеевич, кандидат технических наук

Криптографические алгоритмы, применяемые для обеспечения информационной безопасности при взаимодействии в ИНТЕРНЕТ

Представлены краткий обзор самых распространенных алгоритмов шифрования на сегодняшний день, их описание, а также возникающие проблемы при их реализации и значимые аспекты при практическом использовании.

Защита информации методами криптографического преобразования заключается в изменении ее составных частей (слов, букв, слогов, цифр) с помощью специальных алгоритмов либо аппаратных решений и кодов ключей, то есть в приведении ее к неявному виду. Для ознакомления с шифрованной информацией применяется обратный процесс: декодирование (дешифрование). Использование криптографии является одним из распространенных методов, значительно повышающих безопасность передачи данных в сетях ЭВМ, данных, хранящихся в удаленных устройствах памяти, а также при обмене информацией между удаленными объектами.

Для преобразования (шифрования) обычно используются некоторый алгоритм или устройство, реализующее заданный алгоритм, который может быть известен широкому кругу лиц. Управление процессом шифрования осуществляется с помощью периодически меняющегося кода ключа, обеспечивающего каждый раз оригинальное представление информации при использовании одного и того же алгоритма или устройства. Знание ключа позволяет просто и надежно расшифровать текст. Однако без знания ключа эта процедура может быть практически невыполнима даже при известном алгоритме шифрования.

Даже простое преобразование информации является весьма эффективным средством, дающим возможность скрыть ее смысл от большинства неквалифицированных нарушителей.

Краткий исторический обзор развития шифрования

Появление криптографии восходит к египетским иероглифам. Еще с древнейших времен, когда процветали Египет и Персия, для важнейших государственных и военных поручений использовались посыльные, которые несли текст послания либо на пергаменте, либо у себя в голове, чтобы передать его на словах, последний способ был более предпочтителен. Уже тогда появлялись более или менее успешные способы защиты передаваемой информации от посягательств перехватчиков. Приведем известную легенду из Древнего мира. Некий царь, попав в плен, сделал татуировку на голове раба – сообщение союзникам. Когда отросли волосы, раб перебрался к адресатам сообщения и царь был освобожден. Прообраз нынешней стеганографии.

Древние греки применяли круглые палочки одинакового диаметра, на которые наматывались полоски пергамента. Надпись производилась продольно по длине палочки. Сложить текст в читаемый можно было, только обладая палочкой такого же диаметра.

В Древнем Риме уже начинает явно формироваться наука криптография, переводимая с латыни, как тайнопись. Появляется шифр Цезаря, когда каждая буква заменяется на букву, отстоящую на три по алфавиту.

В средневековой интриганской Европе и Средней Азии, происходит бурное развитие криптографии, и криптоанализа – методов вскрытия шифрованных текстов. Первой систематической работой по криптографии считают книгу архитектора Леона Баттисти Альберти (1404 - 1472). Одним из первых криптоаналитиков был Франсуа Виет (1540 - 1603), при дворе короля Франции Генриха IV. В то же время при дворе папы римского служили советники из семейства Аддженти, которых также можно назвать криптоаналитиками. Весь период до середины XVII в. насыщен работами по криптографии и криптоанализу.

В XIX и в первой половине XX в. для тайной дипломатической переписки многими странами, в том числе и Россией, применяются методы шифрования, ключи для которых составлялись из отрывков определенных текстов обычных книг (шифровальные книги).

С начала ХХ в. - с Первой мировой войны - начинают применяться специальные шифровальные машины.

Широко известна немецкая машина Enigma, код которой был раскрыт англичанами. Чтобы не выдавать факта раскрытия немецкого шифра, английское правительство пошло на большие жертвы среди мирного населения, не предупредив жителей двух крупных городов о готовящихся бомбардировках. Но это помогло затем получить существенный перевес в северных морских сражениях с Германией, когда уничтожались непобедимые немецкие подводные лодки и крейсеры.

После Второй мировой войны криптографией занялись вычислительные машины. Долгое время это был удел мощнейших для своего времени суперкомпьютеров.

Публикации по этой теме были строго засекреченными и использование научных исследований в данной области являлись внутригосударственной прерогативой. Общедоступной была только хрестоматийная работа Фон-Неймана 40-х гг., описывающая, кроме принципов построения вычислительных систем, еще некоторые возможные злоумышленные методы воздействия для нарушения “легального” вычислительного процесса, а также классическая работа Шеннона, заложившая основы компьютерной криптографии.

С 70-х гг. появляются открытые публикации: Хэффи-Дилман в 1976 г. В 1970 г. существовало засекреченное изобретение Джеймса Эллиса (Великобритания) в области криптографии. Наиболее известный алгоритм асимметричной криптографии – RSA, разработанный Рональдом Ривестом, Эдди Шамиром и Леном Эдлеманом в 1977 г. Алгоритм RSA имеет большое значение, т.к. может использоваться как для шифрования с открытым ключом, так и для создания электронной цифровой подписи.

Это был революционный период в развитии криптографической науки. Появились новейшие методы секретного распространения ключевой информации в открытых вычислительных системах, а также родилась несимметричная криптография.

Но и после этого долгое время прерогатива использования криптографии в защите данных была у государственных служб и крупных корпораций. Вычислительная техника того времени, обладающая мощностью, необходимой для криптографических преобразований была очень дорогостоящей.

В то время появляются основные государственные стандарты криптографических алгоритмов (США и некоторые европейские страны), использование которых предписывалось при работе с информацией, отнесенной к государственной тайне.

Завеса секретности вокруг этих технологий привела даже к тому, что в США криптографические алгоритмы были приравнены к вооружению, был введен запрет на вывоз шифровальных аппаратных и программных средств. Затем были введены экспортные ограничения на длину используемого ключа в алгоритмах шифрования за пределами США, что позволяло американским спецслужбам производить дешифрацию сообщений на имеющихся вычислительных мощностях без знания укороченного ключа. С 1 марта 2001 г. экспортные ограничения были сняты. Из-за событий, произошедших 11 сентября того же года, наблюдается ужесточение государственного контроля. Правительство США рассматривает варианты обратного введения экспортного контроля над средствами шифрования.

Вернемся в 70-е гг. С того времени ни научные изыскания, ни развитие вычислительных средств не останавливались. Вычислительные мощности суперкомпьютеров возрастают в несколько раз каждые несколько лет. Появляется персональный компьютер. Мощность персонального компьютера приблизительно равна мощности суперкомпьютера десятилетней давности. Сейчас персональные компьютеры стали еще мощнее.

С 80-х гг. у простых пользователей появляется возможность использовать криптографические средства на своих компьютерах, чему яростно препятствуют государственные органы, становится сложнее осуществлять наблюдение за деятельностью граждан страны, в том числе и за преступными элементами.

Выход в свет программы PGP (Pretty Good Privacy) Фила Циммерманна (версия 1.0 вышла в 1991 г.) и предоставление ее в открытое и бесплатное использование дали большие возможности рядовым компьютерным пользователям. Фила Циммерманна даже объявили врагом государства, он был приговорен к лишению свободы.

Постоянно возрастающие вычислительные мощности заставляли использовать все более сложные алгоритмы криптопреобразования или увеличивать длину ключей, используемых при шифровании.

Стандарты на криптографические алгоритмы устаревали, становились ненадежными. Информация, закрытая на некотором ключе, уже не могла храниться конфиденциально достаточно долго - столько, сколько полагалось по государственным нормам. Например, хранение информации в полном секрете в зашифрованном виде в течение 5 лет означало, что противник, обладая самыми мощными вычислительными средствами, постоянно перебирая возможные ключи, за этот срок с достаточно большой вероятностью не подобрал бы нужный ключ для расшифрования хранимой информации.

Стали проводиться конкурсы на вскрытие некоторой информации, зашифрованной по алгоритму одного из стандартов. Победителю назначался солидный денежный приз, а также всемирная слава в информационном сообществе. Объединяя обыкновенные компьютеры в вычислительной сети для параллельной работы над решением данной задачи, пользователи собирались в группы и подбирали ключ сообща.

Длина ключа 48 бит означает, что необходимо сделать 2 48 переборов. Увеличение длины ключа, например, всего на 16 бит, означает, что перебрать необходимо в 2 16 раз больше.

Но даже такой размер ключа позволял решить проблему вскрытия шифра объединенным группам за дни и даже за часы параллельной работы. В дальнейшем потребовался переход на ключи, которые в несколько раз длиннее упомянутых. Но и это была только временная мера, и недавно были приняты новые стандарты на алгоритмы криптопреобразований (AES в США).

В настоящее время в прессе появилось множество публикаций, посвященных этой проблеме. Издаются многочисленные книги, как переводные, так и российских авторов. Задачу защиты информации от раскрытия и модификации позволяет решать криптография. Математический аппарат современной криптографии по сложности превосходит тот, который используется для разработки ядерного оружия и космических систем.

Современная криптография делится на симметричную и асимметричную. Симметричная – на потоковый шифр, блочный и составной. Асимметричная криптография более ресурсоемкая, а в симметричной существует проблема эффективного распределения ключей. Современные системы безопасного обмена основаны на применении смешанной криптографии. В начале сеанса обмена стороны пересылают друг другу посредством асимметричной криптографии секретные сеансовые ключи, которые используются далее для симметричного шифрования пересылаемых данных. Система асимметричной криптографии позволяет распределять ключи в симметричных системах шифрования.

В правительственных и военных телекоммуникационных системах используется исключительно симметричное шифрование (чаще всего с использованием одноразовых ключей). Это обусловлено тем, что строго математически не доказана стойкость систем с открытыми ключами, но не доказано и обратное.

Шифрование информации не следует принимать как панацею от всех информационных угроз. Его следует воспринимать как одну из обязательных мер защиты информации в составе комплексной системы обеспечения информационной безопасности. Применение шифрования следует сочетать с законодательными, организационными и другими мерами защиты.

Симметричные алгоритмы шифрования

Алгоритмы шифрования предназначены для решения задачи обеспечения конфиденциальности информации. В настоящее время для закрытия информации интенсивно используются криптографические методы. С древнейших времен наиболее эффективной формой защиты было и остается шифрование.

Шифрование определяется как взаимообратное преобразование незащищенной (открытой) информации в зашифрованную (закрытую) форму – шифртекст , в которой она не представлена полностью доступной для злоумышленника. При шифровании используются ключи, наличие которых означает возможность зашифрования и/или расшифрования информации. Важно отметить, что сам метод шифрования не требуется держать в секрете, т. к. знание только его не позволит расшифровать шифртекст.

Современные криптосистемы можно однозначно разделить по способу использования ключей на криптосистемы с секретным ключом (симметричные) и с открытым ключом (асимметричные). Если для зашифрования и расшифрования используется один и тот же ключ, такая криптосистема называется симметричной.

К симметричным криптосистемам относятся DES , AES, ГОСТ 28147-89 и т.д. Новым направлением в криптографии стало изобретение асимметричных криптосистем с открытым ключом, таких, как RSA, DSA или Эль-Гамаль .

В асимметричных криптосистемах для зашифрования и расшифрования применяют различные, практически не выводимые друг из друга ключи, один из которых (ключ расшифрования) делается секретным, а другой (ключ зашифрования) - открытым. Этим достигается возможность передавать секретные сообщения по незащищенному каналу без предварительной передачи секретного ключа. Именно криптография с открытым ключом разорвала порочный круг симметричных шифров, когда для организации обмена секретной информацией надо было сначала произвести распределение секретных ключей.

Детально криптосистемы с открытым ключом будут рассмотрены далее, а сейчас вернемся к симметричным криптосистемам (КС).

Важнейшей составной частью КС являются шифры или процедуры взаимообратного преобразования открытого текста M в шифртекст M":

M’ = E(M),
M = D(M’),

где E - функция зашифрования и D - функция расшифрования.

Общепринятым подходом в криптографии считается такое построение шифра, при котором его секретность определяется только секретностью ключа K S (правило Керкоффа). Таким образом, шифр должен быть устойчивым к взлому, даже если потенциальному криптоаналитику известен весь алгоритм шифрования, кроме значения используемого ключа, и он располагает полным текстом перехваченной шифрограммы.

Практика показала, что чем больше известен алгоритм, чем больше людей работало с ним, тем более проверенным, а значит, и надежным он становится. Так, публично известные алгоритмы сейчас выдерживают борьбу со временем, а вот засекреченные государственные шифры обнаруживают в себе множество ошибок и недочетов, т. к. всего учесть невозможно.

Общепринятая схема построения симметричных криптосистем представляет собой циклические перестановки и подстановки битов в блоке фиксированной длины, алгоритм которых определяется секретным ключом.

Алгоритм шифрования считается стойким, если, имея закрытые данные, и зная секретный ключ, невозможно получить информацию об открытых данных. Строго доказана невозможность построения абсолютно стойкого шифра, за исключением случая, когда размер секретного ключа равен (или больше) размеру шифруемых данных . Этот случай трудно реализуем на практике, т.к. реально применяемые и доступные на рынке средства криптографической защиты используют шифры, для которых задача восстановления открытого текста по закрытому является трудно вычислимой, то есть требует настолько больших ресурсов, что атака становится экономически нецелесообразной.

Среди симметричных шифров наиболее известны и часто используемы следующие (размер блока в битах обозначен как b, число циклов- r, а длина ключа - l):

DES - государственный стандарт США (b = 64, r = 16, l = 56). В настоящее время доказана недостаточная стойкость DES против атаки методом простого перебора .
Triple DES и DESX (b = 64, r = 16, l = 168;112) - последовательное применение алгоритма DES с разными ключами, что обеспечивает значительную устойчивость к взлому .
IDEA - (b = 64, r = 8, l = 128) . Активные исследования его стойкости выявили в нем ряд слабых ключей, однако вероятность их использования пренебрежимо мала.
RC5 - параметризованный шифр с переменными размером блока (b I ), количеством циклов (r Ј 255) и числом битов ключа (l Ј 2040) . Исследования его стойкости показали, что при b = 64 он недоступен для дифференциального криптоанализа при r і 12 и для линейного криптоанализа при r і 7.
ГОСТ 28147-89 - российский стандарт шифрования данных (b = 64, r = 32, l = 256). Для ГОСТа было найдено множество слабых ключей, значительно снижающих его эффективную стойкость в простых режимах шифрования . Оценка криптостойкости ГОСТа затруднена также тем фактом, что важнейшая часть алгоритма - узлы замены или S-боксы в терминологии шифра DES - не описана в стандарте и законы ее генерации остаются неизвестными. В то же время доказано, что высока вероятность получения слабых узлов замены, упрощающих криптоанализ данного шифра.
Blowfish - это 64-битовый блочный шифр, разработанный Шнайером (Schneier) в 1993 г., реализуется посредством перестановок и замен, зависимых от ключа. Все операции основаны на операциях XOR и прибавлениях к 32-битовым словам (XORs and additions on 32-bit words). Ключ имеет переменную длину (максимально 448 бит) и используется для генерации нескольких подключевых массивов (subkey arrays). Шифр был создан специально для 32-битовых машин и существенно быстрее DES .

Сейчас в США принят новый стандарт шифрования AES. Был проведен конкурс среди алгоритмов шифрования, в котором победил и лег в основу AES – Rijndael. Rijndael представляет собой итеративный блочный шифр, имеющий переменную длину блоков и различные длины ключей. Более подробное описание этого алгоритма и итогов проведения конкурса дано в .

В мире разработано, опубликовано и исследовано достаточно большое число симметричных алгоритмов (табл. 1), из которых лишь DES и его модификация Triple DES были достаточно проверены временем. В таблицу не включены малоизвестные и слабоизученные алгоритмы, такие, как Safer, и т.д.

Таблица 1. Обзор симметричных методов шифрования

	Длина ключа, бит	Размер блока, бит	Затраты на подбор ключа, MIPS x лет	Примечание
DES				Разработан в 1977 г. фирмой IBM по заказу правительства США. За 20 лет не найдено способа взломать шифр, кроме полного перебора в среднем 25% всех ключей, но при современных возможностях он позволяет достичь успеха
Triple DES				Трехкратное повторение алгоритма DES с разными ключами. Эффективная длина ключа 112 бит.
IDEA				Разработан в 1992 г. Lai и Massey. Не взломан до настоящего времени
ГОСТ 28147-89			нет данных	Является Государственным стандартом в России
RC5			10 3 и выше	40-битовый ключ был взломан перебором в 1997 г. за 3,5 ч, 48-битовый ключ - за 313 ч
Blowfish			нет данных	Разработан Шнайером (Schneier) в 1993 г. Это шифр Файстела (Feistel) был создан специально для 32-битовых машин и существенно быстрее DES
AES (Rijndael)	Длина ключа и длина блока могут быть 128, 192 или 256 бит, независимо друг от друга			Предложен криптоаналитиками Joan Daemen и Vincent Rijmen. Алгоритм не имеет известных слабостей в защите (по данным NIST).

В настоящее время симметричные алгоритмы с длиной ключа более 100 бит (Triple DES и IDEA и т.д.) не являются невскрываемыми. Отечественный алгоритм ГОСТ по сравнению с ними отличается повышенной сложностью как при генерации узлов замены, так и при генерации ключей. Также для алгоритма ГОСТ существует большая вероятность генерации нестойкого ключа, что в некоторых режимах шифрования снижает его эффективную длину ключа с 2 256 до 2 62 .

Triple DES является более проверенным, чем IDEA алгоритмом и обеспечивает приемлемую скорость работы. Алгоритм Triple DES представляет собой трехкратное применение алгоритма DES к одним данным, но с разными ключами.

В Россию DES проник и достаточно широко практически используется как неотъемлемая деталь различных программных и аппаратных средств, из которых наиболее широко известны система S.W.I.F.T., секретные модули VISA и EUROPAY, секретные модули банкоматов и торговых терминалов и, наконец, смарт-карты. Особенно напряженные дискуссии вокруг алгоритмов шифрования данных вызваны именно смарт-картами. При этом есть серьезные основания считать, что надежность отечественных криптосистем конверсионного происхождения будет превосходить зарубежные аналоги .

Однако российское законодательство, впрочем, как и законодательства многих других стран, разрешает лишь использование национальных стандартов шифрования.

Алгоритм ГОСТ 28147-89 построен по тому же принципу, что и DES, это классический блочный шифр с секретным ключом, однако отличается от DES большей длиной ключа, большим количеством раундов и более простой схемой построения самих раундов. В табл. 2 приведены его основные параметры, для удобства - в сравнении с параметрами DES .

Таблица 2. Сравнение параметров шифров DES и ГОСТ

Если секретной информацией требуется обмениваться лицам, доверяющим друг другу, т.е. входящим в одну организацию, можно применять средства симметричной криптографии. Конечно, при этом обе (или более) стороны должны уже обладать ключами шифрования для взаимодействия.

Если кратко описать сценарий обмена информации, то он заключается в следующем:

• создается или используется уже существующий файл, содержащий секретную информацию;
• файл зашифровывается на известном обеим сторонам ключе, определенном алгоритмом шифрования;
• зашифрованный файл передается абоненту, носитель информации не так важен, это могут быть дискета, электронная почта, сообщение в сети или связь по модему, очень удобно, для снижения риска, также хранить все файлы, содержащие секретную информацию в зашифрованном виде. Тогда, если, компьютер, ноутбук командированного сотрудника, или жесткий диск попадет в руки злоумышленника, файлы, закрытые ключом, будут недоступны для прямого прочтения. Сейчас в мире используются системы, которые автоматически шифруют всю информацию, хранящуюся в ноутбуке, в них также предусмотрен режим входа по принуждению, если сотрудника заставляют загрузить ноутбук, то, введя специальный пароль, вместо обычного, можно уничтожить всю информацию, естественно, предусмотрен режим восстановления после данного действия. Жесткий диск можно просто демонтировать из компьютера, его не так сложно вынести из охраняемой территории (по сравнению с целым компьютером);
• на приемной стороне законный получатель, обладая ключом, открывает зашифрованные файлы для дальнейшего использования.

Множество современных методов защитных преобразований можно классифицировать на четыре большие группы: перестановки, замены (подстановки), аддитивные и комбинированные методы. Методы перестановки и подстановки обычно характеризуются короткой длиной ключа, а надежность их защиты определяется сложностью алгоритмов преобразования. Для аддитивных методов характерны простые алгоритмы преобразования, а их криптостойкость основана на увеличении длины ключа.

Вскрытие шифра

Существует способ вскрытия шифра, основанный на переборе всех вариантов ключа. Критерием правильности варианта служит наличие в тексте “вероятного слова”.

Перебирается множество всех возможных ключей, шифрованный текст расшифровывается на каждом ключе. В получившемся “псевдооткрытом” тексте ищется вероятное слово. Если такого слова нет, текущий текст бракуется, осуществляется переход к следующему ключу. Если такое слово найдено, на экран выводится вариант ключа. Затем перебор ключей продолжается до тех пор, пока не исчерпается все множество вариантов. Возможно обнаружение нескольких ключей, при которых в “псевдооткрытых текстах” имеется вероятное слово.

После завершения перебора необходимо расшифровать текст на найденных ключах. “Псевдооткрытый текст” выводится на экран для визуального контроля. Если оператор признает текст открытым, то работа по вскрытию заканчивается. Иначе данный вариант ключа бракуется и осуществляется переход к следующему ключу.

Бороться с методом полного перебора позволяет увеличение длины используемого ключа шифрования. Причем, увеличение его длины всего на 8 бит увеличивает число вариантов перебора в 2 8 раз, соответственно на 64 бита – в 2 64 раз.

Среди проблем, присущих использованию криптографических алгоритмов шифрования, необходимо выделить проблему распределения ключей. Перед тем как взаимодействующие стороны смогут посылать друг другу зашифрованные сообщения, они должны обменяться ключами шифрования по некоторому секретному каналу. Кроме этого, в системе информационного обмена необходимо поддерживать в актуальном состоянии огромное количество ключей.

Алгоритмы криптографического шифрования не позволяют установить целостность полученного сообщения (т.е. убедиться в том, что при передаче сообщение не было модифицировано). Авторство может быть подтверждено только обладанием определенного ключа, таким образом, любой, кто станет обладателем чужого ключа, сможет выдавать свои сообщения за сообщения, посланные от другого пользователя.

Проблему распределения секретных ключей по общедоступному каналу связи позволяет разрешить алгоритм Диффи-Хелмана. Но данный алгоритм относится к асимметричным криптографическим алгоритмам. В них используются два ключа: открытый и закрытый.

Бурное развитие асимметричные криптоалгоритмы получили в 70-е гг. прошлого столетия. Подобные алгоритмы способны также решить проблемы подтверждения авторства, подлинности, позволяя организовать обмен шифрованной информацией между сторонами, недоверяющими друг другу. Кроме этого, использование асимметричных алгоритмов снижает на порядок количество ключей, которые должны быть распределены между взаимодействующими сторонами. Системы асимметричного шифрования включают общедоступную базу данных открытых ключей, которые могут распределяться по открытым каналам связи и их раскрытие никоим образом не приведет к компрометации системы, поэтому они и называются открытыми.

Асимметричные алгоритмы шифрования

Криптосистемы с открытым ключом строятся, как правило, на основе сложной математической задачи вычисления функции, обратной заданной. Такие функции называются однонаправленными, т.е. их обращение представляет собой практически неразрешимую задачу. Суть метода шифрования в том, что вычисление функции от зашифрованного сообщения в прямом направлении проходит с использованием открытого ключа принимающего абонента, а при расшифровке (вычислении обратной функции) применяется его секретный ключ. Как и следовало ожидать, математических задач, удовлетворяющих перечисленным требованиям, известно немного, и лишь на некоторых из них были построены используемые на практике шифры. Рассмотрим ряд наиболее известных криптосистем с открытым ключом.

• RSA . Используется задача факторизации (вычисления простых сомножителей) большого целого числа. Построен на основе перемножения двух простых чисел большой разрядности . Широко применяется в криптографических протоколах закрытия информации и аутентификации.
• Эль-Гамаль (El-Gamal) . Основан на задаче дискретного логарифмирования в конечном поле . Используется в стандартах электронной цифровой подписи (ЭЦП) DSS , ГОСТ Р34.10-94 и т.д.
• Эллиптические кривые (elliptic curve) . Основан на задаче дискретного логарифмирования на эллиптических кривых в конечном поле.

Обратные задачи разложения на множители и дискретного логарифмирования решаются методами, близкими к полному перебору, и при большой разрядности чисел являются трудновычислимыми.
Криптосистемы с открытым ключом используются в основном в трех направлениях:

• закрытие информации;
• аутентификация с использованием ЭЦП;
• защищенное от перехвата распределение открытых ключей (криптосистема Диффи – Хеллмана (Diffie – Hellman)) .

Более подробно преимущества и недостатки асимметричных криптосистем рассмотрены в .

Хэш-функции

Протоколы защиты целостности и аутентичности при формировании имитовставок и ЭЦП используют криптографические «сжимающие» хэш-функции, позволяющие получить из блока данных произвольной длины значение с фиксированным количеством бит .
В целях уменьшения объема ЭЦП и снижения времени на ее формирование и проверку она применяется к хэш-значениям, которые обычно значительно короче исходных сообщений. К криптографическим хэш-функциям предъявляется ряд требований, направленных на затруднение подделки ЭЦП путем нахождения такой модификации блока данных, при которой значение хэш-функции и, следовательно, ЭЦП остаются неизменными.
Наиболее широкое распространение получили следующие хэш-функции, построенные на системе циклически повторяемых перестановок и подстановок (в скобках указана длина вырабатываемого хэш-значения в битах):

• MD5 (128);
• SHA-1 (160);
• ГОСТ (256).

Таблица 1. Перечень и параметры хэш-функций

Хэш-функция	Длина значения, бит	Размер блока, бит	Производительность, Мб/с	Примечание
			нет данных	Разработана Роном Ривестом в 1989 г. Обнаружены коллизии в упрощенной функции компрессии
				Разработана Роном Ривестом в 1990 г. Обнаружены коллизии
				Разработана Роном Ривестом в 1991 г. Обнаружены коллизии в функции компрессии
				Разработана в 1995 г. в Европейском проекте RIPE
				Разработана в 1995 г. в NIST
				ГОСТ России

В табл. 1 не приведены редко используемые и экзотические хэш-функции, а также хэш-функции, построенные на симметричных блочных шифрах по схемам Мейера – Матиаса (Meyer – Matyas) и Девиса – Прайса (Davies – Price) .
Подробнее упомянутые хэш-функции описаны в .
Хотя средства криптографической защиты с «открытым ключом» или асимметричные криптосистемы особенно широко используются начиная с конца 70-х гг. , они обладают очень серьезным недостатком – крайне низким быстродействием. В связи с этим на практике обычно используется комбинированная схема криптографической защиты . При установлении соединения и аутентификации сторон используется криптография с «открытым ключом», затем генерируется сеансовый ключ для симметричного шифрования, на котором закрывается весь трафик между абонентами. Сеансовый ключ также распространяется с использованием открытого ключа.

Рис. 2. Схема алгоритма асимметричной криптосистемы

Таблица 2. Асимметричные криптосистемы

Название метода	Метод взлома (мат. проблема)	Криптостойкость, MIPS	Примечание
		2,7 1028 для ключа 1300 бит	Разработан в 1977 г. Роном Ривестом, Ади Шамиром и Леонардом Эйдельманом. Включен во многие стандарты
	факторизация больших простых чисел
El-Gamal (Эль-Гамаль)	нахождение дискретного логарифма в конечном поле	при одинаковой длине ключа криптостойкость равная RSA	Разработан Эль-Гамалем. Используется в алгоритме цифровой подписи DSA-стандарта DSS
Эллиптические уравнения	решение эллиптических уравнений	криптостойкость и скорость работы выше, чем у RSA	Современное направление. Разрабатывается многими ведущими математиками

Метод RSA в настоящее время является стандартом де-факто в системах информационной безопасности и рекомендован CCITT (Consultative Committee in International Telegraphy and Telephony – Международным консультативным комитетом в области телеграфии и телефонии, МККТТ) в стандарте X.509 . RSA используется во многих международных стандартах (S-HTTP, PEM, S-MIME, S/WAN, STT, SSL, PCT, SWIFT, ANSI X.9.31 и т.д.) , в системах обслуживания кредитных карточек, в операционных системах для защиты сетевых протоколов.
Для методов RSA и Эль-Гамаля проведено огромное количество научных исследований, изучено большое количество методов их криптоанализа, защиты от атак, детально рассчитана криптостойкость в зависимости от длины ключа и других параметров. Оба метода обладают одинаковой криптостойкостью (при одинаковой длине ключа) и примерно одинаковой скоростью работы. Учитывая, что метод эллиптических уравнений (elliptic curve) проходит стадию апробации и не был подвергнут до настоящего времени такому большому количеству попыток взлома, как методы RSA и Эль-Гамаля, использование в системах шифрования двух последних выглядит предпочтительнее.
Подробное описание данных алгоритмов приведено в .

Электронная цифровая подпись

Если информацией обмениваются стороны, не доверяющие друг другу или заинтересованные в проведении действий, направленных друг против друга (банк и клиент, магазин и покупатель), необходимо применять асимметричные методы шифрования, а также метод ЭЦП.
Необходимо обеспечить не только конфиденциальность, но и целостность сообщения (невозможность подменить сообщение или что-то в нем изменить), а также авторство. Кроме этого, необходимо не допустить возможности отказа автора послания от факта отправления подписанного сообщения.
Электронная подпись документа позволяет установить его подлинность. Кроме того, криптографические средства обеспечивают защиту от следующих злоумышленных действий:

• отказ (ренегатство) – абонент А заявляет, что не посылал сообщения Б, хотя на самом деле посылал;
• модификация (переделка) – абонент Б изменяет документ и утверждает, что данный документ (измененный) получил от абонента А;
• подмена – абонент Б формирует документ (новый) и заявляет, что получил его от абонента А;
• активный перехват – нарушитель (подключившийся к сети) перехватывает документы (файлы) и изменяет их;
• «маскарад» – абонент В посылает документ от имени абонента А;
• повтор – абонент В повторяет ранее переданный документ, который абонент А послал абоненту Б.

Все перечисленный виды злоумышленных действий наносят существенный ущерб. Кроме того, возможность злоумышленных действий подрывает доверие к компьютерной технологии . Проблему аутентификации можно решить на основе криптографического подхода, разработав специальные алгоритмы и программы.
При выборе алгоритма и технологии аутентификации необходимо предусмотреть надежную защиту от всех вышеперечисленных видов злоумышленных действий (угроз). Однако в рамках классической (одноключевой) криптографии тяжело защититься от всех приведенных видов угроз, поскольку имеется принципиальная возможность злоумышленных действий одной из сторон, владеющей секретным ключом.
Никто не может помешать абоненту, например, сгенерировать любой документ, зашифровать его на имеющемся ключе, общем для клиента и банка, потом заявить, что он получил этот документ от законного передатчика.
Эффективным является использование схем, основанных на двухключевой криптографии . В этом случае каждый передающий абонент имеет свой секретный ключ подписи, а у всех абонентов есть несекретные открытые ключи передающих абонентов.
Эти открытые ключи можно трактовать как набор проверочных соотношений, позволяющих судить об истинности подписи передающего абонента, но не позволяющих восстановить секретный ключ подписи. Передающий абонент несет единоличную ответственность за свой секретный ключ. Никто, кроме него, не в состоянии сгенерировать корректную подпись. Секретный ключ передающего абонента можно рассматривать как личную печать, и владелец должен всячески ограничивать доступ к нему посторонних лиц. .
Для практического воплощения идеи открытого шифрования требовалось найти конкретные и конструктивные ответы на следующие вопросы:

• как «замешивать» индивидуальный ключ пользователя с содержимым документа, чтобы они стали неразделимы?
• как проверить, что содержание подписываемого документа и индивидуальный ключ пользователя подлинны, не зная заранее ни того, ни другого?
• как обеспечить возможность многократного использования автором одного и того же индивидуального ключа для цифровой подписи большого количества электронных документов?
• как гарантировать невозможность восстановления индивидуального ключа пользователя по любому количеству подписанных с его помощью электронных документов?
• как гарантировать подлинность проверки цифровой подписи и содержимого электронного документа?
• как обеспечить юридическую полноправность электронного документа с цифровыми подписями, существующего без бумажного дубликата или другого заменителя?

Для ответа на все эти вопросы потребовалось около 20 лет с того момента, как эта идея была впервые сформулирована в 1976 г. в статье Уитфилда Диффи и Мартина Хеллмана. Сейчас уже можно определенно сказать, что все эти вопросы решены: есть полный арсенал технических средств авторизации электронных документов, называемых цифровой подписью. Современные принципы построения системы цифровой подписи просты и изящны:

• методы вычисления и проверки цифровых подписей всех пользователей системы одинаковы и основываются на широко известных математических задачах;
• методы вычисления ключей проверки цифровых подписей и индивидуальных ключей генерации цифровых подписей также одинаковы для всех и хорошо известны;
• индивидуальные ключи генерации цифровых подписей выбираются самими пользователями по случайному закону из большого множества всех возможных ключей;
• при конкретном алгоритме цифровой подписи его стойкость может быть оценена без привлечения какой-либо «закрытой» информации на основе только известных математических результатов и разумных допущений о вычислительных мощностях потенциального взломщика.

Средства криптографической защиты обеспечивают подлинность и аутентичность информации, кроме решения проблемы сохранения ее конфиденциальности. Данные функции выполняет технология цифровой подписи .
Схема работы цифровой подписи изображена на рис. 3.

Рис. 3. Алгоритм электронной цифровой подписи

На вход алгоритма поступает файл, необязательно текстовый, основное требование, предъявляемое к входным параметрам ЭЦП, – фиксированная длина, для этого используется хэш-функция.
Теоретически применение различных средств шифрования сулит радужные перспективы всем компаниям, использующим в своей деятельности Интернет, но тут возникает новая проблема – найти компромисс с государством и его законами, данная проблема подробно освещена в .
В соответствии с Федеральным законом «Об электронной цифровой подписи» № 1-Ф3 от 10 января 2002 г. электронная цифровая подпись в электронном документе признается равнозначной собственноручной подписи в документе на бумажном носителе. Также обеспечивается правовое регулирование для организации электронного документооборота, распределения открытых и закрытых ключей, построения центров сертификации, определяются ответственности сторон.
Принятие данного закона, хотя в нем есть некоторые неопределенности, позволил регламентировать использование асимметричных средств шифрования, в данном случае ЭЦП, для защиты данных в Интернете.

Литература

1. Shannon C.E. Communication Theory of Secrecy Systems. Bell Systems Technical Journal 28, 1949, p. 656 - 715.
2. Federal Information Processing Standards Publication 46-2. Data Encryption Standard (DES). NIST, US Department of Commerce, Washington D.C, 1993.
3. ГОСТ 28147-89. Системы обработки информации. Защита криптографическая. Алгоритм криптографического преобразования.
4. Bruce Schneier, Applied Cryptography: Protocols, Algorithms and Source Code in C. John Willey & Sons, 1994.
5. Nechvatal James. Public-Key Cryptography. NIST, Gaithersburg, 1990.
6. Weiner M. Efficient DES key search: Technical Report TR-244, School of Computer Science, Carleton University, 1994.
7. Odlyzko A.M. The Future of Integer Factorization. Cryptobytes, RSA Laboratories.- vol. 1, N 2, 1995, p. 5 - 12.
8. Rogaway P. The security of DESX. Cryptobytes, RSA Laboratories, vol. 2, N 2, 1996, p. 8 - 11.
9. Kaliski B., Robshaw M. Multiple encryption: weighing security and perfomance. // Dr. Dobb’s Journal, January 1996, p. 123 - 127.
10. Rivest R.L. The RC5 Encryption Algorithm. Cryptobytes, RSA Laboratories, vol. 1, N 1, 1995, p. 9 - 11.
11. Kaliski B., Yiqun Lisa Yin. On the Security of the RC5 Algorithm. Cryptobytes, RSA Laboratories, vol. 1, N 2, 1995, p. 12.
12. Олейник В. Циклы в алгоритме криптографического преобразования данных ГОСТ 28147-89. http://www.dekart.ru
13. Андрей Винокуров. Алгоритм шифрования ГОСТ 28147-89, его использование и реализация для компьютеров платформы Intel x86.
14. Что такое Blowfish? http://www.halyava.ru/aaalexey/CryptFAQ.html.
15. Linn J. Privacy Enhancement for Internet Electronic Mail: Part I: Message Encryption and Authentication Procedures. RFC 1421, 1993.
16. Евтушенко Владимир. Тройной DES. Новый стандарт? http://www.bgs.ru/russian/security05.html.
17. Что такое ГОСТ28147-89? http://www.halyava.ru/aaalexey/GOST.html.
18. Andrew Jelly. /Криптографический стандарт в новом тысячелетии/, http://www.baltics.ru/~andrew/AES_Crypto.html.
19. Алгоритм шифрования Rijndael. http://www.stophack.ru/spec/rijndael.shtml.

Чтобы обмениваться посланиями и скрыть содержание от третьих лиц, применяют шифрование. Оно используется там, где необходим повышенный уровень защиты. Есть две схемы шифрования: симметричная и асимметричная.

Что такое шифрование

Шифрование будет полезно тогда, когда нужно скрыть некоторую информацию от посторонних лиц и предоставить секретные данные авторизованным пользователям.

Особенностью такого вида передачи данных является использование ключа.

Есть три состояния безопасности:

• скрытие информации от посторонних;
• предотвращение изменений;
• сохранение целостности информации;
• идентификация отправителя.

Для чтения информации, кроме ключа, требуется дешифратор. Именно это обеспечивает невозможность получения данных злоумышленниками, ведь перехватив данные, но не имея ключа, прочесть их невозможно.

Бывают два вида шифрования: симметричный и асимметричный.

Главной целью шифрования является хранение информации. Это позволяет работать с некоторыми данными из ненадежных источников, передавать сообщения по незащищенным каналам. Отправка информации происходит так:

• отправитель шифрует данные;
• получатель расшифровывает.

Каждое преобразование реализуется с помощью алгоритмов, для решения которых используются ключи. Симметричные и асимметричные методы шифрования отличаются криптостойкостью.

Криптостойкость

Симметричные и асимметричные системы шифрования имеют такую характеристику, которая отвечает за сложность получения несанкционированного доступа.

Существует 2 основных типа криптостойкости системы шифрования.

1. Абсолютно стойкая система не может быть раскрыта, даже при наличии бесконечно больших вычислительных ресурсов. Характеризуется тем, что для каждого сообщения генерируется свой отдельный ключ. Его длина равна или больше длины сообщения.
2. Достаточно стойкие системы применяются в криптографической системе гражданского назначения. Такой алгоритм сложно расшифровать, но при наличии соответствующих ресурсов это становится возможным.

Сравнение криптостойкости некоторых систем шифрования

Максимальный размер ключа RSA - 4096 бит.

Он используется для шифрования и подписи. Криптостойкость можно описать как 2,7.1028 для ключа 1300 Бит. Схема применяется во многих стандартах, принцип шифрования RSA один из первых асимметричных алгоритмов.

Размер ключа схемы Эль-Гамаля равен RSA - 4096 Бит. Он используется и для шифрования, и для цифровой подписи. Криптостойкость этой системы не отличается от RSA при одинаковом размере ключа.

В методе DSA используется значительно меньшей ключ - 1024 бита. Применяется он исключительно для цифровой подписи.

Симметричное и асимметричное шифрование

Эти два вида шифрования отличаются количеством ключей и уровнем устойчивости к взлому.

Если для кодирования и раскодирования используется один ключ, то это шифрование симметричное. Асимметричное шифрование подразумевает использование одного ключа для каждого алгоритма.

1. Открытым ключом шифруется некоторый код, который представляет собой определенное послание. Ключ известен обеим сторонам, он передается по незащищенному каналу, может быть перехвачен. Важнейшей задачей сохранения информации является защита ключа от перехвата.
2. Закрытый используется для расшифровывания. Известен только одной стороне. Не может быть перехвачен, так как все время находится у одного собеседника.

Цель шифрования определяет метод сохранения конфиденциальности. Одним из первых было симметричное, асиметричное шифрование изобретено позже для обеспечения большей надежности.

Особенности симметричного шифрования

Симметричная система защита имеет следующие достоинства.

К недостаткам относится следующее:

• сложность управления ключами в большой сети;
• сложность обмена ключами;
• потребность в поиске надежного канала для передачи ключа сторонам;
• невозможность использования для цифровой подписи, сертификатов.

Для компенсации недостатков используется комбинированная схема, в которой с помощью асимметричного шифрования передается ключ, используемый для дешифровки. Он передается при помощи симметричного шифрования.

Особенности асимметричного шифрования

Применение пары открытый-закрытый ключ можно использовать как:

• самостоятельное средство защиты информации;
• средство распределения ключей;
• средства аутентификации пользователей.

Имеет такие преимущества:

• сохранение секретного ключа в надежном месте, вместо которого по открытому каналу передается открытый;
• ключ дешифрования известен только одной стороне;
• в большой асимметричной системе используйте меньшее количество ключей в отличие от симметричной.

В таких алгоритмах сложно внести какие-либо изменения. Подобная система имеет длинные ключи. Если симметричный ключ имеет размер 128 Бит, то ключ RSA - 2304 Бит. Из-за этого страдает скорость расшифровывания - она в 2-3 раза медленнее. Для расшифровки требуются большие вычислительные ресурсы.

Существует очень много примеров симметричной и асимметричной систем шифрования.

Симметричное шифрование - как выглядит?

Пример симметричного шифрования и схема реализации ниже.

1. Есть два собеседника, которые планируют обменяться конфиденциальной информацией.
2. Первый собеседник генерирует ключ d, алгоритмы шифрования E и дешифрования D. Затем посылает эту информацию второму собеседнику.
3. Сообщение дешифруется ключом d.

Главным недостатком является невозможность установить подлинность текста. В случае перехвата ключа злоумышленник расшифрует секретную информацию.

Существуют классические методы.

1. Простая и двойная перестановка.
2. Магический квадрат.
3. Одиночная перестановка.

Первый метод является одним из простейших, в схеме которого не используется ключ. Отправитель и получатель договариваются о некотором ключе, представленным в виде размера таблицы. Передаваемое сообщение записывается в столбцы таблицы, но считывается по строкам. Зная размер таблицы, получатель расшифровывает сообщение.

Для обеспечения большей скрытности используется двойная перестановка. Таким образом происходит шифрование ранее зашифрованного текста. Для этого таблицы должны отличаться количеством строк и столбцов. Они заполняются вертикально, горизонтально, змейкой, по спирали. Этот способ не усиливает шифрование, но процесс взлома становится более длительным.

“Магический квадрат” - более сложная структура, которая представляет собой матрицу. В клетки вписываются натуральные числа таким образом, чтобы сумма чисел по каждому столбцу, строке, диагонали была одинаковой. Каждое число соответствует букве сообщения. Полученный текст выписывается в строку, сопоставляя числа и символы.

Примеры асимметричного шифрования

В данном случае открытый ключ отправляется по открытому каналу и теоретически может быть перехвачен злоумышленниками.

В отличие от симметричных, асимметричные ключи шифрования разные. Для шифровки применяется открытый ключ, для расшифровки послания - закрытый. Использование двух ключей решает проблему возможности перехвата, которая была в симметричном методе. Реализуется так.

1. Первый собеседник выбирает алгоритмы шифрования и дешифрования, пару ключей. Открытый ключ посылает второму собеседнику.
2. Второй собеседник шифрует информацию с помощью полученного ключа. Отправляет информацию первому собеседнику, который расшифровывает сообщение с помощью закрытого ключа.

Существует такие основные методы асинхронного шифрования.

1. Шифр Эль-Гамаля.

RSA

RSA - первый криптографический алгоритм, используемый и для шифрования, и для цифровой подписи.

Описывается так.

1. Выбирается два простых числа, например, 3 и 7.
2. Вычисляется модуль n - произведение двух чисел. Получается 21.
3. Вычисляется функция Эйлера φ=(p-1)×(q-1)=2×6=12 .
4. Вычисляется любое простое число e меньше φ и простое с φ. Доступные варианты: 5, 7, 11.

Пара чисел e, n (5, 21) - открытый ключ. Теперь вычисляются числа d и n закрытого ключа. Число d удовлетворяет условие (d×е) mod φ=1 и равняется 17. В итоге вторая пара чисел 17 и 21 - закрытый ключ. Шифрование выполняется следующим образом: сообщение возводится в степень e, берется остаток от деления на n, при этом результат должен быть меньше числа n. Получается 10 - это будут закодированные данные. Для раскодировки e возводится в степень d, вычисляется остаток от деления на n.

DSA

DSA (в отличие от RSA) используется только для цифровой подписи, но не для шифрования. Заданная подпись может быть проверена публично. Есть два алгоритма для создания подписи и проверки. Шифруется именно хеш-сообщение, которое представляет текст в цифровом виде. Поэтому для избежания коллизий выбирается сложная хэш-функция. Построение цифровой подписи состоит из следующих шагов.

1. Выбор криптографической хэш-функции H(x).
2. Битность простого числа q должна равняться значению хэш-функции H(x).
3. Подбор такого простого числа p, чтобы p-1 делился без остатка на q.
4. Вычисление числа g = h (p-1)/q mod p . h должно быть произвольным числом в диапазоне от 1 до p-1.
5. Выбирается случайное число k от 0 до q.
6. Вычисляется r = (g k mod p) mod q .
7. Затем s = k-1(H(m) + xr)) mod q .
8. Если r=0 или s=0, выбирается другое число k.

Схема Эль-Гамаля

Шифрование по схеме Эль-Гамаля используется для цифровых подписей. Является продолжением алгоритма Диффи-Хеллмана.

При работе по этой схеме важно учитывать следующую особенность. Шифрование Эль-Гамаля не является алгоритмом цифровой подписи по схеме с одноименным названием. При шифровке текст преобразовывается в шифр, который длиннее исходного сообщения в 2 раза.

Генерация ключей происходит следующим образом.

1. Выбирается случайное простое число p.
2. Число g должно быть первообразным корнем p.
3. Число x должно быть больше 1 и меньше p-1. Это будет закрытый ключ.
4. Затем вычисляется открытый ключ y по формуле g^x mod p .

При шифровании текста M выбирается системный ключ K. Он больше единицы и меньше p-1. Затем вычисляются числа a и b, которые являются шифротекстом, a = g^k mod p и b = y^k M mod p .

Разработка веб-сайтов ,

Алгоритмы

• Перевод

Как же все-таки работает HTTPS? Это вопрос, над которым я бился несколько дней в своем рабочем проекте.

Будучи Web-разработчиком, я понимал, что использование HTTPS для защиты пользовательских данных – это очень и очень хорошая идея, но у меня никогда не было кристального понимания, как HTTPS на самом деле устроен.

Как данные защищаются? Как клиент и сервер могут установить безопасное соединение, если кто-то уже прослушивает их канал? Что такое сертификат безопасности и почему я должен кому-то платить, чтобы получить его?

Трубопровод

Перед тем как мы погрузимся в то, как это работает, давайте коротко поговорим о том, почему так важно защищать Интернет-соединения и от чего защищает HTTPS.

Когда браузер делает запрос к Вашему любимому веб-сайту, этот запрос должен пройти через множество различных сетей, любая из которых может быть потенциально использована для прослушивания или для вмешательства в установленное соединение.

С вашего собственного компьютера на другие компьютеры вашей локальной сети, через роутеры и свитчи, через вашего провайдера и через множество других промежуточных провайдеров – огромное количество организаций ретранслирует ваши данные. Если злоумышленник окажется хотя бы в одной из них - у него есть возможность посмотреть, какие данные передаются.

Как правило, запросы передаются посредством обычного HTTP, в котором и запрос клиента, и ответ сервера передаются в открытом виде. И есть множество весомых аргументов, почему HTTP не использует шифрование по умолчанию:

Для этого требуется больше вычислительных мощностей
Передается больше данных
Нельзя использовать кеширование

Но в некоторых случаях, когда по каналу связи передается исключительно важная информация (такая как, пароли или данные кредитных карт), необходимо обеспечить дополнительные меры, предотвращающие прослушивание таких соединений.

Transport Layer Security (TLS)

Сейчас мы собираемся погрузиться в мир криптографии, но нам не потребуется для этого какого-то особенного опыта - мы рассмотрим только самые общие вопросы. Итак, криптография позволяет защитить соединение от потенциальных злоумышленников, которые хотят воздействовать на соединение или просто прослушивать его.

TLS - наследник SSL - это такой протокол, наиболее часто применяемый для обеспечения безопасного HTTP соединения (так называемого HTTPS). TLS расположен на уровень ниже протокола HTTP в модели OSI . Объясняя на пальцах, это означает, что в процессе выполнения запроса сперва происходят все “вещи”, связанные с TLS-соединением и уже потом, все что связано с HTTP-соединением.

TLS – гибридная криптографическая система. Это означает, что она использует несколько криптографических подходов, которые мы и рассмотрим далее:

1) Асиметричное шифрование (криптосистема с открытым ключом) для генерации общего секретного ключа и аутентификации (то есть удостоверения в том, что вы – тот за кого себя выдаете).
2) Симметричное шифрование , использующее секретный ключ для дальнейшего шифрования запросов и ответов.

Криптосистема с открытым ключом

Криптосистема с открытым ключом – это разновидность криптографической системы, когда у каждой стороны есть и открытый, и закрытый ключ, математически связанные между собой. Открытый ключ используется для шифрования текста сообщения в “тарабарщину”, в то время как закрытый ключ используется для дешифрования и получения исходного текста.

С тех пор как сообщение было зашифровано с помощью открытого ключа, оно может быть расшифровано только соответствующим ему закрытым ключом. Ни один из ключей не может выполнять обе функции. Открытый ключ публикуется в открытом доступе без риска подвергнуть систему угрозам, но закрытый ключ не должен попасть к кому-либо, не имеющему прав на дешифровку данных. Итак, мы имеем ключи – открытый и закрытый. Одним из наиболее впечатляющих достоинств ассиметричного шифрования является то, что две стороны, ранее совершенно не знающие друг друга, могут установить защищенное соединение, изначально обмениваясь данными по открытому, незащищенному соединению.
Клиент и сервер используют свои собственные закрытые ключи (каждый – свой) и опубликованный открытый ключ для создания общего секретного ключа на сессию.

Это означает, что если кто-нибудь находится между клиентом и сервером и наблюдает за соединением – он все равно не сможет узнать ни закрытый ключ клиента, ни закрытый ключ сервера, ни секретный ключ сессии.

Как это возможно? Математика!

Алгоритм Ди́ффи - Хе́ллмана

Одним из наиболее распространенных подходов является алгоритм обмена ключами Ди́ффи - Хе́ллмана (DH). Этот алгоритм позволяет клиенту и серверу договориться по поводу общего секретного ключа, без необходимости передачи секретного ключа по соединению. Таким образом, злоумышленники, прослушивающие канал, не смогу определить секретный ключ, даже если они будут перехватывать все пакеты данных без исключения.

Как только произошел обмен ключами по DH-алгоритму, полученный секретный ключ может использоваться для шифрования дальнейшего соединения в рамках данной сессии, используя намного более простое симметричное шифрование.

Немного математики…

Математические функции, лежащие в основе этого алгоритма, имею важную отличительную особенность - они относительно просто вычисляются в прямом направлении, но практически не вычисляются в обратном. Это именно та область, где в игру вступают очень большие простые числа.

Пусть Алиса и Боб – две стороны, осуществляющие обмен ключами по DH-алгоритму. Сперва они договариваются о некотором основании root (обычно маленьком числе, таком как 2,3 или 5) и об очень большом простом числе prime (больше чем 300 цифр). Оба значения пересылаются в открытом виде по каналу связи, без угрозы компрометировать соединение.

Напомним, что и у Алисы, и у Боба есть собственные закрытые ключи (из более чем 100 цифр), которые никогда не передаются по каналам связи.

По каналу связи же передается смесь mixture , полученная из закрытых ключей, а также значений prime и root .

Таким образом:
Alice’s mixture = (root ^ Alice’s Secret) % prime
Bob’s mixture = (root ^ Bob’s Secret) % prime
где % - остаток от деления

Таким образом, Алиса создает свою смесь mixture на основе утвержденных значений констант (root и prime ), Боб делает то же самое. Как только они получили значения mixture друг друга, они производят дополнительные математические операции для получения закрытого ключа сессии. А именно:

Вычисления Алисы
(Bob’s mixture ^ Alice’s Secret) % prime

Вычисления Боба
(Alice’s mixture ^ Bob’s Secret) % prime

Результатом этих операций является одно и то же число, как для Алисы, так и для Боба, и это число и становится закрытым ключом на данную сессию. Обратите внимание, что ни одна из сторон не должна была пересылать свой закрытый ключ по каналу связи, и полученный секретный ключ так же не передавался по открытому соединению. Великолепно!

Для тех, кто меньше подкован в математическом плане, Wikipedia дает прекрасную картинку , объясняющую данный процесс на примере смешивания цветов:

Обратите внимание как начальный цвет (желтый) в итоге превращается в один и тот же “смешанный” цвет и у Боба, и у Алисы. Единственное, что передается по открытому каналу связи так это наполовину смешанные цвета, на самом деле бессмысленные для любого прослушивающего канал связи.

Симметричное шифрование

Обмен ключами происходит всего один раз за сессию, во время установления соединения. Когда же стороны уже договорились о секретном ключе, клиент-серверное взаимодействие происходит с помощью симметричного шифрования, которое намного эффективнее для передачи информации, поскольку не требуется дополнительные издержки на подтверждения.

Используя секретный ключ, полученный ранее, а также договорившись по поводу режима шифрования, клиент и сервер могут безопасно обмениваться данными, шифруя и дешифруя сообщения, полученные друг от друга с использованием секретного ключа. Злоумышленник, подключившийся каналу, будет видеть лишь “мусор”, гуляющий по сети взад-вперед.

Аутентификация

Алгоритм Диффи-Хеллмана позволяет двум сторонам получить закрытый секретный ключ. Но откуда обе стороны могут уверены, что разговаривают действительно друг с другом? Мы еще не говорили об аутентификации.

Что если я позвоню своему приятелю, мы осуществим DH-обмен ключами, но вдруг окажется, что мой звонок был перехвачен и на самом деле я общался с кем-то другим?! Я по прежнему смогу безопасно общаться с этим человеком – никто больше не сможет нас прослушать – но это будет совсем не тот, с кем я думаю, что общаюсь. Это не слишком безопасно!

Для решения проблемы аутентификации, нам нужна Инфраструктура открытых ключей , позволяющая быть уверенным, что субъекты являются теми за кого себя выдают. Эта инфраструктура создана для создания, управления, распространения и отзыва цифровых сертификатов. Сертификаты – это те раздражающие штуки, за которые нужно платить, чтобы сайт работал по HTTPS.

Но, на самом деле, что это за сертификат, и как он предоставляет нам безопасность?

Сертификаты

В самом грубом приближении, цифровой сертификат – это файл, использующий электронной-цифровую подпись (подробнее об этом через минуту) и связывающий открытый (публичный) ключ компьютера с его принадлежностью. Цифровая подпись на сертификате означает, что некто удостоверяет тот факт, что данный открытый ключ принадлежит определенному лицу или организации.

По сути, сертификаты связывают доменные имена с определенным публичным ключом. Это предотвращает возможность того, что злоумышленник предоставит свой публичный ключ, выдавая себя за сервер, к которому обращается клиент.

В примере с телефоном, приведенном выше, хакер может попытаться предъявить мне свой публичный ключ, выдавая себя за моего друга – но подпись на его сертификате не будет принадлежать тому, кому я доверяю.

Чтобы сертификату доверял любой веб-браузер, он должен быть подписан аккредитованным удостоверяющим центром (центром сертификации, Certificate Authority, CA). CA – это компании, выполняющие ручную проверку, того что лицо, пытающееся получить сертификат, удовлетворяет следующим двум условиям:

1. является реально существующим;
2. имеет доступ к домену, сертификат для которого оно пытается получить.

Как только CA удостоверяется в том, что заявитель – реальный и он реально контролирует домен, CA подписывает сертификат для этого сайта, по сути, устанавливая штамп подтверждения на том факте, что публичный ключ сайта действительно принадлежит ему и ему можно доверять.

В ваш браузер уже изначально предзагружен список аккредитованных CA. Если сервер возвращает сертификат, не подписанный аккредитованным CA, то появится большое красное предупреждение. В противном случае, каждый мог бы подписывать фиктивные сертификаты.

Так что даже если хакер взял открытый ключ своего сервера и сгенерировал цифровой сертификат, подтверждающий что этот публичный ключ, ассоциирован с сайтом facebook.com, браузер не поверит в это, поскольку сертификат не подписан аккредитованным CA.

Прочие вещи которые нужно знать о сертификатах

Расширенная валидация

В дополнение к обычным X.509 сертификатам, существуют Extended validation сертификаты, обеспечивающие более высокий уровень доверия. Выдавая такой сертификат, CA совершает еще больше проверок в отношении лица, получающего сертификат (обычно используя паспортные данные или счета).

При получение такого сертификата, браузер отображает в адресной строке зеленую плашку, в дополнение к обычной иконке с замочком.

Обслуживание множества веб-сайтов на одном сервере

Поскольку обмен данными по протоколу TLS происходит еще до начала HTTP соединения, могут возникать проблемы в случае, если несколько веб-сайтов расположены на одном и том же веб-сервере, по тому же IP-адресу. Роутинг виртуальных хостов осуществляется веб-сервером, но TLS-соединение возникает еще раньше. Единый сертификат на весь сервер будет использоваться при запросе к любому сайту, расположенному на сервере, что может вызвать

Чтобы обмениваться посланиями и скрыть содержание от третьих лиц, применяют шифрование. Оно используется там, где необходим повышенный уровень защиты. Есть две схемы шифрования: симметричная и асимметричная.

Что такое шифрование

Шифрование будет полезно тогда, когда нужно скрыть некоторую информацию от посторонних лиц и предоставить секретные данные авторизованным пользователям.

Особенностью такого вида передачи данных является использование ключа.

Есть три состояния безопасности:

• скрытие информации от посторонних;
• предотвращение изменений;
• сохранение целостности информации;
• идентификация отправителя.

Для чтения информации, кроме ключа, требуется дешифратор. Именно это обеспечивает невозможность получения данных злоумышленниками, ведь перехватив данные, но не имея ключа, прочесть их невозможно.

Бывают два вида шифрования: симметричный и асимметричный.

Главной целью шифрования является хранение информации. Это позволяет работать с некоторыми данными из ненадежных источников, передавать сообщения по незащищенным каналам. Отправка информации происходит так:

• отправитель шифрует данные;
• получатель расшифровывает.

Каждое преобразование реализуется с помощью алгоритмов, для решения которых используются ключи. Симметричные и асимметричные методы шифрования отличаются криптостойкостью.

Криптостойкость

Симметричные и асимметричные системы шифрования имеют такую характеристику, которая отвечает за сложность получения несанкционированного доступа.

Существует 2 основных типа криптостойкости системы шифрования.

Абсолютно стойкая система не может быть раскрыта, даже при наличии бесконечно больших вычислительных ресурсов. Характеризуется тем, что для каждого сообщения генерируется свой отдельный ключ. Его длина равна или больше длины сообщения.

Достаточно стойкие системы применяются в криптографической системе гражданского назначения. Такой алгоритм сложно расшифровать, но при наличии соответствующих ресурсов это становится возможным.

Сравнение криптостойкости некоторых систем шифрования

Максимальный размер ключа RSA — 4096 бит.

Он используется для шифрования и подписи. Криптостойкость можно описать как 2,7.1028 для ключа 1300 Бит. Схема применяется во многих стандартах, принцип шифрования RSA один из первых асимметричных алгоритмов.

Размер ключа схемы Эль-Гамаля равен RSA — 4096 Бит. Он используется и для шифрования, и для цифровой подписи. Криптостойкость этой системы не отличается от RSA при одинаковом размере ключа.

В методе DSA используется значительно меньшей ключ — 1024 бита. Применяется он исключительно для цифровой подписи.

Симметричное и асимметричное шифрование

Эти два вида шифрования отличаются количеством ключей и уровнем устойчивости к взлому.

Если для кодирования и раскодирования используется один ключ, то это шифрование симметричное. Асимметричное шифрование подразумевает использование одного ключа для каждого алгоритма.

Открытым ключом шифруется некоторый код, который представляет собой определенное послание. Ключ известен обеим сторонам, он передается по незащищенному каналу, может быть перехвачен. Важнейшей задачей сохранения информации является защита ключа от перехвата.

Закрытый используется для расшифровывания. Известен только одной стороне. Не может быть перехвачен, так как все время находится у одного собеседника.

Цель шифрования определяет метод сохранения конфиденциальности. Одним из первых было симметричное, асиметричное шифрование изобретено позже для обеспечения большей надежности.

Особенности симметричного шифрования

Симметричная система защита имеет следующие достоинства.

Высокая скорость и простота реализации.

Для обеспечения стойкости шифра используется малая длина ключа.

К недостаткам относится следующее:

• сложность управления ключами в большой сети;
• сложность обмена ключами;
• потребность в поиске надежного канала для передачи ключа сторонам;
• невозможность использования для цифровой подписи, сертификатов.

Для компенсации недостатков используется комбинированная схема, в которой с помощью асимметричного шифрования передается ключ, используемый для дешифровки. Он передается при помощи симметричного шифрования.

Особенности асимметричного шифрования

Применение пары открытый-закрытый ключ можно использовать как:

• самостоятельное средство защиты информации;
• средство распределения ключей;
• средства аутентификации пользователей.

Имеет такие преимущества:

• сохранение секретного ключа в надежном месте, вместо которого по открытому каналу передается открытый;
• ключ дешифрования известен только одной стороне;
• в большой асимметричной системе используйте меньшее количество ключей в отличие от симметричной.

В таких алгоритмах сложно внести какие-либо изменения. Подобная система имеет длинные ключи. Если симметричный ключ имеет размер 128 Бит, то ключ RSA — 2304 Бит. Из-за этого страдает скорость расшифровывания — она в 2-3 раза медленнее. Для расшифровки требуются большие вычислительные ресурсы.

Существует очень много примеров симметричной и асимметричной систем шифрования.

Симметричное шифрование — как выглядит?

Пример симметричного шифрования и схема реализации ниже.

Есть два собеседника, которые планируют обменяться конфиденциальной информацией.

Первый собеседник генерирует ключ d, алгоритмы шифрования E и дешифрования D. Затем посылает эту информацию второму собеседнику.

Сообщение дешифруется ключом d.

Главным недостатком является невозможность установить подлинность текста. В случае перехвата ключа злоумышленник расшифрует секретную информацию.

Существуют классические методы.

Простая и двойная перестановка.

Магический квадрат.

Одиночная перестановка.

Первый метод является одним из простейших, в схеме которого не используется ключ. Отправитель и получатель договариваются о некотором ключе, представленным в виде размера таблицы. Передаваемое сообщение записывается в столбцы таблицы, но считывается по строкам. Зная размер таблицы, получатель расшифровывает сообщение.

Для обеспечения большей скрытности используется двойная перестановка. Таким образом происходит шифрование ранее зашифрованного текста. Для этого таблицы должны отличаться количеством строк и столбцов. Они заполняются вертикально, горизонтально, змейкой, по спирали. Этот способ не усиливает шифрование, но процесс взлома становится более длительным.

“Магический квадрат” — более сложная структура, которая представляет собой матрицу. В клетки вписываются натуральные числа таким образом, чтобы сумма чисел по каждому столбцу, строке, диагонали была одинаковой. Каждое число соответствует букве сообщения. Полученный текст выписывается в строку, сопоставляя числа и символы.

Примеры асимметричного шифрования

В данном случае открытый ключ отправляется по открытому каналу и теоретически может быть перехвачен злоумышленниками.

В отличие от симметричных, асимметричные ключи шифрования разные. Для шифровки применяется открытый ключ, для расшифровки послания — закрытый. Использование двух ключей решает проблему возможности перехвата, которая была в симметричном методе. Реализуется так.

Первый собеседник выбирает алгоритмы шифрования и дешифрования, пару ключей. Открытый ключ посылает второму собеседнику.

Второй собеседник шифрует информацию с помощью полученного ключа. Отправляет информацию первому собеседнику, который расшифровывает сообщение с помощью закрытого ключа.

Существует такие основные методы асинхронного шифрования.

Шифр Эль-Гамаля.

RSA

RSA — первый криптографический алгоритм, используемый и для шифрования, и для цифровой подписи.

Описывается так.

Выбирается два простых числа, например, 3 и 7.

Вычисляется модуль n — произведение двух чисел. Получается 21.

Вычисляется функция Эйлера φ=(p-1)×(q-1)=2×6=12.

Вычисляется любое простое число e меньше φ и простое с φ. Доступные варианты: 5, 7, 11.

Пара чисел e, n (5, 21) — открытый ключ. Теперь вычисляются числа d и n закрытого ключа. Число d удовлетворяет условие (d×е) mod φ=1 и равняется 17. В итоге вторая пара чисел 17 и 21 — закрытый ключ. Шифрование выполняется следующим образом: сообщение возводится в степень e, берется остаток от деления на n, при этом результат должен быть меньше числа n. Получается 10 — это будут закодированные данные. Для раскодировки e возводится в степень d, вычисляется остаток от деления на n.

DSA

DSA (в отличие от RSA) используется только для цифровой подписи, но не для шифрования. Заданная подпись может быть проверена публично. Есть два алгоритма для создания подписи и проверки. Шифруется именно хеш-сообщение, которое представляет текст в цифровом виде. Поэтому для избежания коллизий выбирается сложная хэш-функция. Построение цифровой подписи состоит из следующих шагов.

Выбор криптографической хэш-функции H(x).

Битность простого числа q должна равняться значению хэш-функции H(x).

Подбор такого простого числа p, чтобы p-1 делился без остатка на q.

Вычисление числа g = h (p-1)/q mod p. h должно быть произвольным числом в диапазоне от 1 до p-1.

Выбирается случайное число k от 0 до q.

Вычисляется r = (gk mod p) mod q.

Затем s = k-1(H(m) + xr)) mod q.

Если r=0 или s=0, выбирается другое число k.

Схема Эль-Гамаля

Шифрование по схеме Эль-Гамаля используется для цифровых подписей. Является продолжением алгоритма Диффи-Хеллмана.

При работе по этой схеме важно учитывать следующую особенность. Шифрование Эль-Гамаля не является алгоритмом цифровой подписи по схеме с одноименным названием. При шифровке текст преобразовывается в шифр, который длиннее исходного сообщения в 2 раза.

Генерация ключей происходит следующим образом.

Выбирается случайное простое число p.

Число g должно быть первообразным корнем p.

Число x должно быть больше 1 и меньше p-1. Это будет закрытый ключ.

Затем вычисляется открытый ключ y по формуле g^x mod p.

При шифровании текста M выбирается системный ключ K. Он больше единицы и меньше p-1. Затем вычисляются числа a и b, которые являются шифротекстом, a = g^k mod p и b = y^k M mod p.