Симметричные алгоритмы шифрования

Шифрование

Лекция 4. Основные понятия криптографии

Шифрование — это краеугольный камень всех служб информационной безопасности, будь то система аутентификации или авторизации, средства создания защищенного канала или способ безопасного хранения данных.

Любая процедура шифрования, превращающая информацию из обычного «понятного» вида в «нечитабельный» зашифрованный вид, естественно, должна быть дополнена процедурой дешифрирования, которая, будучи примененной к зашифрованному тексту, снова приводит его в понятный вид. Пара процедур — шифрование и дешифрирование — называется криптосистемой.

Информацию, над которой выполняются функции шифрования и дешифрирования, будем условно называть «текст», учитывая, что это может быть также числовой массив или графические данные.

В современных алгоритмах шифрования предусматривается Наличие параметра — секретного ключа. В криптографии принято правило Керкхоффа: «Стойкость шифра должна определяться только секретностью ключа». Так, все стандартные алгоритмы шифрования (например, DES, PGP) широко известны, их детальное описание содержится в легко доступных документах, но от этого их эффективность не снижается. Злоумышленнику может быть все известно об алгоритме шифрования, кроме секретного ключа (следует отметить, однако, что существует немало фирменных алгоритмов, описание которых не публикуется).

Алгоритм шифрования считается раскрытым, если найдена процедура, позволяющая подобрать ключ за реальное время. Сложность алгоритма раскрытия является одной из важных характеристик криптосистемы и называется криптостойкостъю.

Существуют два класса криптосистем — симметричные и асимметричные. В симметричных схемах шифрования (классическая криптография) секретный ключ зашифровки совпадает с секретным ключом расшифровки. В асимметричных схемах шифрования (криптография с открытым ключом) открытый ключ зашифровки не совпадает с секретным ключом расшифровки.

На рис. 1 приведена классическая модель симметричной криптосистемы, теоретические основы которой впервые были изложены в 1949 году в работе Клода Шеннона. В данной модели три участника: отправитель, получатель, злоумышленник. Задача отправителя заключается в том, чтобы по открытому каналу передать некоторое сообщение в защищенном виде. Для этого он на ключе k зашифровывает открытый текст X и передает шифрованный текст Y. Задача получателя заключается в том, чтобы расшифровать Y и прочитать сообщение X. Предполагается, что отправитель имеет свой источник ключа. Сгенерированный ключ заранее по надежному каналу передается получателю. Задача злоумышленника заключается в перехвате и чтении передаваемых сообщений, а также в имитации ложных сообщений.

Рис. 1. Модель симметричного шифрования

Модель является универсальной — если зашифрованные; данные хранятся в компьютере и никуда не передаются, отправитель и получатель совмещаются в одном лице, а в роли злоумышленника выступает некто, имеющий доступ к компьютеру в ваше отсутствие.

Наиболее популярным стандартным симметричным алгоритмом шифрования данных является DES (Data Encryption Standard). Алгоритм разработан фирмой IBM и в 1976 году был рекомендован Национальным бюро стандартов к использованию в открытых секторах экономики. Суть этого алгоритма заключается в следующем (рис. 4.2).

Данные шифруются поблочно. Перед шифрованием любая форма представления данных преобразуется в числовую. Эти числа получают путем любой открытой процедуры преобразования блока текста в число. Например, ими могли бы быть значения двоичных чисел, полученных слиянием ASCII-кодов последовательных символов соответствующего блока текста. На вход шифрующей функции поступает блок данных размером 64 бита, он делится пополам на левую (L) и правую (R) части. На первом этапе на место левой части результирующего блока помещается правая часть исходного блока. Правая часть результирующего блока вычисляется как сумма по модулю 2 (операция XOR) левой и правой частей исходного блока. Затем на основе случайной двоичной последовательности по определенной схеме в полученном результате выполняются побитные замены и перестановки. Используемая двоичная последовательность, представляющая собой ключ данного алгоритма, имеет длину 64 бита, из которых 56 действительно случайны, а 8 предназначены для контроля ключа.

Рис. 2. Схема шифрования по алгоритму DES

Вот уже в течение двух десятков лет алгоритм DES испытывается на стойкость. И хотя существуют примеры успешных попыток «взлома» данного алгоритма, в целом можно считать, что он выдержал испытания. Алгоритм DES широко используется в различных технологиях и продуктах безопасности информационных систем. Для того чтобы повысить криптостойкость алгоритма DES, иногда применяют его усиленный вариант, называемый «тройным DES», который включает троекратное шифрование с использованием двух разных ключей. При этом можно считать, что длина ключа увеличивается с 56 бит до 112 бит, а значит, криптостойкость алгоритма существенно повышается. Но за это приходится платить производительностью — «тройной DES» требует в три раза больше времени, чем «обычный» DES.

В симметричных алгоритмах главную проблему представляют ключи. Во-первых, криптостойкость многих симметричных алгоритмов зависит от качества ключа, это предъявляет повышенные требования к службе генерации ключей. Во-вторых, принципиальной является надежность канала передачи ключа второму участнику секретных переговоров. Проблема с ключами возникает даже в системе с двумя абонентами, а в системе с п абонентами, желающими обмениваться секретными данными по принципу «каждый с каждым», потребуется их(и-1)/2 ключей, которые должны быть сгенерированы и распределены надежным образом. То есть количество ключей пропорционально квадрату количества абонентов, что при большом числе абонентов делает задачу чрезвычайно сложной. Несимметричные алгоритмы, основанные на использовании открытых ключей, снимают эту проблему.