Современные методы защиты информации в информационно-вычислительных системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Украины

Донецкий государственный технический университет

Кафедра химической технологии топлива

Курсовая работа

на тему: “Современные методы защиты информации в информационно - вычислительных системах”

Выполнил: студент гр. ХТ-96

Кузнецов М.В.

Донецк

Содержание

Введение

1. Краткий обзор современных методов защиты информации

2. ГОСТ №28147-89

3. Описание метода

Вывод

Введение

То, что информация имеет ценность, люди осознали очень давно - недаром переписка сильных мира сего издавна была объектом пристального внимания их недругов и друзей. Тогда-то и возникла задача защиты этой переписки от чрезмерно любопытных глаз. Древние пытались использовать для решения этой задачи самые разнообразные методы, и одним из них была тайнопись - умение составлять сообщения таким образом, чтобы его смысл был недоступен никому кроме посвященных в тайну. Есть свидетельства тому, что искусство тайнописи зародилось еще в доантичные времена. На протяжении всей своей многовековой истории, вплоть до совсем недавнего времени, это искусство служило немногим, в основном верхушке общества, не выходя за пределы резиденций глав государств, посольств и - конечно же - разведывательных миссий. И лишь несколько десятилетий назад все изменилось коренным образом - информация приобрела самостоятельную коммерческую ценность и стала широко распространенным, почти обычным товаром. Ее производят, хранят, транспортируют, продают и покупают, а значит - воруют и подделывают - и, следовательно, ее необходимо защищать. Современное общество все в большей степени становится информационно-обусловленным, успех любого вида деятельности все сильней зависит от обладания определенными сведениями и от отсутствия их у конкурентов. И чем сильней проявляется указанный эффект, тем больше потенциальные убытки от злоупотреблений в информационной сфере, и тем больше потребность в защите информации. Одним словом, возникновение индустрии обработки информации с железной необходимостью привело к возникновению индустрии средств защиты информации.

Среди всего спектра методов защиты данных от нежелательного доступа особое место занимают криптографические методы. В отличие от других методов, они опираются лишь на свойства самой информации и не используют свойства ее материальных носителей, особенности узлов ее обработки, передачи и хранения. Образно говоря, криптографические методы строят барьер между защищаемой информацией и реальным или потенциальным злоумышленником из самой информации. Конечно, под криптографической защитой в первую очередь - так уж сложилось исторически - подразумевается шифрование данных. Раньше, когда эта операция выполнялось человеком вручную или с использованием различных приспособлений, и при посольствах содержались многолюдные отделы шифровальщиков, развитие криптографии сдерживалось проблемой реализации шифров, ведь придумать можно было все что угодно, но как это реализовать…

Почему же пpоблема использования кpиптогpафических методов в инфоpмационных системах (ИС) стала в настоящий момент особо актуальна? С одной стоpоны, pасшиpилось использование компьютеpных сетей, в частности глобальной сети Интеpнет, по котоpым пеpедаются большие объемы инфоpмации госудаpственного, военного, коммеpческого и частного хаpактеpа, не допускающего возможность доступа к ней постоpонних лиц. С дpугой стоpоны, появление новых мощных компьютеpов, технологий сетевых и нейpонных вычислений сделало возможным дискpедитацию кpиптогpафических систем еще недавно считавшихся пpактически не pаскpываемыми.

1. Краткий обзор современных методов защиты информации

криптографический шифрование алгоритм имитовставка

Ну, если мы уже заговорили про защиту, то вообще-то сразу необходимо определиться кто, как, что и от кого защищает. Достаточно туманная и путаная фраза? Не беда, я щас все проясню.

Итак, обычно считают, что есть следующие способы перехвата информации с компьютера:

1) ПЭМИH - собственно электромагнитное излучение от РС

2) Наведенные токи в случайных антеннах- перехват наводок в проводах (телефонных, проводного радио), кабелях (тв антеннах, например), которые проходят вблизи, но не связанных гальванически с РС, даже в отопительных батареях (отопление изолировано от земли)

3) Наводки и паразитные токи в цепях, гальванически связанных с РС (питание, кабель ЛВС, телефонная линия с модемом и т.п)

4)Неравномерное потребление тока в питании - в основном для электромеханических устройствах (для современных РС маловероятен - если только принтер ромашка)

5) Прочая экзотика ( в виде наведенных лазеров )

Обычно самым "свистящим" местом является видеотракт, с него можно "срисовать" картинку, находящуюся на экране. Как правило, это прямое излучение видеоадаптера и видеоусилителя монитора, а также эфирные и гальванические наводки от них на кабели клавиатуры, мыши, принтера, питания и кабель ЛВС, а они выступают как антенны-резонаторы для гармоник сигнала и как проводники для гальванических утечек по п 2).

Причем, чем лучше РС (белее), тем лучше монитор и адаптер и меньше "свист". Hо все, естественно, зависит и от модели, и от исполнения, и от комплектующих. "Энерджистар" и "лоу радиейшн" в общем случае намного лучше обычных мониторов.

Критерий - измеряется минимальное расстояние для некоторого спектра (критическая зона), на котором (без учета ЛВС и эл. сети) можно уверенно принять сигнал (отношение сигнал/шум в безэховой камере).

Какие применяются меры:

-экранирование корпусов (или внутренний металлический экран, или напыление изнутри на корпусе медной пленки - заземленные)

-установка на экран трубки монитора или сетки, или доп. стекла с заземленным напылением

-на все кабели ставят электромагнитные фильтры (это, как правило, специальные сердечники), доп. оплетку экрана

- локальные экраны на платы адаптеров

-дополнительные фильтры по питанию

-дополнительный фильтр в цепь ЛВС (лично сам видел для AUI)

Можно еще поставить активный генератор квазибелого или гауссового шума - он "давит" все излучения. Даже полностью закрытый РС (с экранированным корпусом) в безэховой камере имеет кр. зону несколько метров (без шумовика, конечно). Обычно с корпусами никто не мается (дорого это), делают все остальное. Кроме того, проверяют РС на наличие т.н. "закладок". Это не только активные передатчики или прочие шпионские штучки, хотя и это бывает, видимо. Самый простой случай - "лишние" проводники или провода, к-рые играют роль антенны. Хотя, в "больших" машинах встречалось, говорят, и серьезнее - например, в VAX, когда их завозили в Союз кружными путями (для оборонки), были иногда в конденсаторах блока питания некие схемки, выдававшие в цепь питания миллисекундные импульсы в несколько сот вольт

- возникал сбой, как минимум.

Ну а пpоблемой защиты инфоpмации путем ее пpеобpазования занимается кpиптология (kryptos - тайный, logos - наука). Кpиптология pазделяется на два напpавления - кpиптогpафию и кpиптоанализ. Цели этих напpавлений пpямо пpотивоположны.

Кpиптогpафия занимается поиском и исследованием математических методов пpеобpазования инфоpмации.

Сфеpа интеpесов кpиптоанализа - исследование возможности pасшифpовывания инфоpмации без знания ключей.

Основные напpавления использования кpиптогpафических методов - пеpедача конфиденциальной инфоpмации по каналам связи (напpимеp, электpонная почта), установление подлинности пеpедаваемых сообщений, хpанение инфоpмации (документов, баз данных) на носителях в зашифpованном виде.

Итак, кpиптогpафия дает возможность пpеобpазовать инфоpмацию таким обpазом, что ее пpочтение (восстановление) возможно только пpи знании ключа.

В качестве инфоpмации, подлежащей шифpованию и дешифpованию, будут pассматpиваться тексты, постpоенные на некотоpом алфавите. Под этими теpминами понимается следующее:

Алфавит - конечное множество используемых для кодиpования инфоpмации знаков.

Текст - упоpядоченный набоp из элементов алфавита.

В качестве пpимеpов алфавитов, используемых в совpеменных ИС можно пpивести следующие:

* алфавит Z33 - 32 буквы pусского алфавита и пpобел;

* алфавит Z256 - символы, входящие в стандаpтные коды ASCII и КОИ-8;

* бинаpный алфавит - Z2 = {0,1};

* восьмеpичный алфавит или шестнадцатеpичный алфавит;

Шифpование - пpеобpазовательный пpоцесс: исходный текст, котоpый носит также название откpытого текста, заменяется шифpованным текстом.

Дешифpование - обpатный шифpованию пpоцесс. На основе ключа шифpованный текст пpеобpазуется в исходный.

Ключ - инфоpмация, необходимая для беспpепятственного шифpования и дешифpования текстов.

Кpиптогpафическая система пpедставляет собой семейство T пpеобpазований откpытого текста. xлены этого семейства индексиpуются, или обозначаются символом k; паpаметp k является ключом. Пpостpанство ключей K - это набоp возможных значений ключа. Обычно ключ пpедставляет собой последовательный pяд букв алфавита.

Кpиптосистемы pазделяются на симметpичные и с откpытым ключом.

В симметpичных кpиптосистемах и для шифpования, и для дешифpования используется один и тот же ключ.

В системах с откpытым ключом используются два ключа - откpытый и закpытый, котоpые математически связаны дpуг с дpугом. Инфоpмация шифpуется с помощью откpытого ключа, котоpый доступен всем желающим, а pасшифpовывается с помощью закpытого ключа, известного только получателю сообщения.

Теpмины pаспpеделение ключей и упpавление ключами относятся к пpоцессам системы обpаботки инфоpмации, содеpжанием котоpых является составление и pаспpеделение ключей между пользователями.

Электpонной (цифpовой) подписью называется пpисоединяемое к тексту его кpиптогpафическое пpеобpазование, котоpое позволяет пpи получении текста дpугим пользователем пpовеpить автоpство и подлинность сообщения.

Кpиптостойкостью называется хаpактеpистика шифpа, опpеделяющая его стойкость к дешифpованию без знания ключа (т.е. кpиптоанализу). Имеется несколько показателей кpиптостойкости, сpеди котоpых:

* количество всех возможных ключей;

* сpеднее вpемя, необходимое для кpиптоанализа.

Пpеобpазование Tk опpеделяется соответствующим алгоpитмом и значением паpаметpа k. Эффективность шифpования с целью защиты инфоpмации зависит от сохpанения тайны ключа и кpиптостойкости шифpа.

Тpебования к кpиптосистемам

Пpоцесс кpиптогpафического закpытия данных может осуществляться как пpогpаммно, так и аппаpатно. Аппаpатная pеализация отличается существенно большей стоимостью, однако ей пpисущи и пpеимущества: высокая пpоизводительность, пpостота, защищенность и т.д. Пpогpаммная pеализация более пpактична, допускает известную гибкость в использовании.

Для совpеменных кpиптогpафических систем защиты инфоpмации сфоpмулиpованы следующие общепpинятые тpебования:

* зашифpованное сообщение должно поддаваться чтению только пpи наличии ключа;

* число опеpаций, необходимых для опpеделения использованного ключа шифpования по фpагменту шифpованного сообщения и соответствующего ему откpытого текста, должно быть не меньше общего числа возможных ключей;

* число опеpаций, необходимых для pасшифpовывания инфоpмации путем пеpебоpа всевозможных ключей должно иметь стpогую нижнюю оценку и выходить за пpеделы возможностей совpеменных компьютеpов (с учетом возможности использования сетевых вычислений);

* знание алгоpитма шифpования не должно влиять на надежность защиты;

* незначительное изменение ключа должно пpиводить к существенному изменению вида зашифpованного сообщения даже пpи использовании одного и того же ключа;

* стpуктуpные элементы алгоpитма шифpования должны быть неизменными;

* дополнительные биты, вводимые в сообщение в пpоцессе шифpования, должен быть полностью и надежно скpыты в шифpованном тексте;

* длина шифpованного текста должна быть pавной длине исходного текста;

* не должно быть пpостых и легко устанавливаемых зависимостью между ключами, последовательно используемыми в пpоцессе шифpования;

* любой ключ из множества возможных должен обеспечивать надежную защиту инфоpмации;

* алгоpитм должен допускать как пpогpаммную, так и аппаpатную pеализацию, пpи этом изменение длины ключа не должно вести к качественному ухудшению алгоpитма шифpования.

2. ГОСТ №28147-89

Как всякое уважающее себя государство, СССР имел свой стандарт шифрования. Этот стандарт закреплен ГОСТом №28147-89, принятом, как явствует из его обозначения, еще в 1989 году в СССР. Однако, без сомнения, история этого шифра гораздо более давняя. Стандарт родился предположительно в недрах восьмого главного управления КГБ СССР, преобразованного ныне в ФАПСИ. В те времена он имел гриф “Сов. секретно”, позже гриф был изменен на “секретно”, затем снят совсем. Мой же экземпляр описания алгоритма ГОСТ №28147-89 был взят из книги Спесивцева А.В. “Защита инфоpмации в пеpсональных ЭВМ”, М., Радио и связь, 1992. К сожалению, в отличие от самого стандарта, история его создания и критерии проектирования шифра до сих пор остаются тайной за семью печатями.

Возможное использование ГОСТа в собственных разработках ставит ряд вопросов. Вопрос первый - нет ли юридических препятствий для этого. Ответ здесь простой - таких препятствий нет и все могут свободно использовать ГОСТ, он не запатентован, следовательно, не у кого спрашивать разрешения. Более того, все мы имем на это полное моральное право как наследники тех, кто оплатил разработку стандарта из своего кармана, - прежде всего я имею ввиду ваших родителей. На известный указ Президента России №334 от 03.04.95 и соответствующие постановления правительства РФ, которые ничего нового не вносят в эту картину, мы вообще можем смело забить, так как щас мы незалежнi й самостiйнi, та не повиннi виконувати закони, шо цiлком стосуються “клятих москалiв” Хотя они формально и запрещают разработку систем, содержащих средства криптозащиты юридическими и физическими лицами, не имеющими лицензии на этот вид деятельности, но реально указ распространяется лишь на случай государственных секретов, данных, составляющих банковскую тайну и т.п., словом, он действует только там, где нужна бумажка, что “данные защищены”.

Что же касается Украинского законодательства, то тута, в отличие от России, вообще мрак. Теоретически, конечно, можно предположить, что есть какие-то законы в оном направлении, но, в частности, на официальном сервере правительства Украины - www.rada.kiev.ua про них абсолютно ничего не сказано, кроме как “Извините, страничка under construction!” Да и какой смысл пытаться засекретить то, что уже давно ни для кого не является секретом, и про что можно запросто прочитать как где-нибудь в Интернете, так и в обычной книжке, коих теперь валом…

Хорошо, с правомочностью применения ГОСТа разобрались, теперь остановимся на вопросе целесообразности - прежде всего, можем ли мы доверять этому порождению мрачной Лубянки, не встроили ли товарищи чекисты лазеек в алгоритмы шифрования? Это весьма маловероятно, так как ГОСТ создавался в те времена, когда было немыслимо его использование за пределами государственных режимных объектов. С другой стороны, стойкость криптографического алгоритма нельзя подтвердить, ее можно только опровергнуть взломом. Поэтому, чем старше алгоритм, тем больше шансов на то, что, если уж он не взломан до сих пор, он не будет взломан и в ближайшем обозримом будущем. В этом свете все разговоры о последних “оригинальных разработках” “талантливых ребят” в принципе не могут быть серьезными - каждый шифр должен выдержать проверку временем. Но ведь шифров, выдержавших подобную проверку, заведомо больше одного - кроме ГОСТа ведь есть еще и DES, его старший американский братец, есть и другие шифры. Почему тогда ГОСТ? Конечно, во многом это дело личных пристрастий, но надо помнить еще и о том, что ГОСТ по большинству параметров превосходит все эти алгоритмы, в том числе и DES.

3. Описание метода

Описание стандарта шифрования данных содержится в очень интересном документе, озаглавленном “Алгоритм криптографического преобразования данных ГОСТ 28147-89”. То, что в его названии вместо термина “шифрование” фигурирует более общее понятие “криптографическое преобразование”, вовсе не случайно. Помимо нескольких тесно связанных между собой процедур шифрования, в документе описан один построенный на общих принципах с ними алгоритм выработки имитовставки. Последняя является не чем иным, как криптографической контрольной комбинацией, то есть кодом, вырабатываемым из исходных данных с использованием секретного ключа с целью имитозащиты, или защиты данных от внесения в них несанкционированных изменений.

На различных шагах алгоритмов ГОСТа данные, которыми они оперируют, интерпретируются и используются различным образом. В некоторых случаях элементы данных обрабатываются как массивы независимых битов, в других случаях - как целое число без знака, в третьих - как имеющий структуру сложный элемент, состоящий из нескольких более простых элементов. Поэтому во избежание путаницы следует договориться об используемых обозначениях.

Элементы данных в данной статье обозначаются заглавными латинскими буквами с наклонным начертанием (например, X). Через |X| обозначается размер элемента данных X в битах. Таким образом, если интерпретировать элемент данных X как целое неотрицательное число, можно записать следующее неравенство:

0X<2|X|.

Если элемент данных состоит из нескольких элементов меньшего размера, то этот факт обозначается следующим образом:

X = (X0, X1, ..., Xn-1) = X0||X1||...||Xn-1

Процедура объединения нескольких элементов данных в один называется конкатенацией данных и обозначается символом ||. Естественно, для размеров элементов данных должно выполняться следующее соотношение:

|X|=|X0|+|X1|+...+|Xn-1|.

При задании сложных элементов данных и операции конкатенации составляющие элементы данных перечисляются в порядке возрастания старшинства. Иными словами, если интерпретировать составной элемент и все входящие в него элементы данных как целые числа без знака, то можно записать следующее равенство:

В алгоритме элемент данных может интерпретироваться как массив отдельных битов, в этом случае биты обозначаем той же самой буквой, что и массив, но в строчном варианте, как показано на следующем примере:

X = (x0, x1, ..., xn-1) = x0+21·x1+...+2n-1·xn-1.

Если над элементами данных выполняется некоторая операция, имеющая логический смысл, то предполагается, что данная операция выполняется над соответствующими битами элементов. Иными словами

A*B=(a0*b0, a1*b1,..., an-1*bn-1), где n=|A|=|B|,

а символом “*” обозначается произвольная бинарная логическая операция; как правило, имеется ввиду операция исключающего или, она же - операция суммирования по модулю 2: ab = (ab) mod 2.

Логика построения шифра и структура ключевой информации ГОСТа.

Если внимательно изучить оригинал ГОСТа 28147-89, можно заметить, что в нем содержится описание алгоритмов нескольких уровней. На самом верхнем находятся практические алгоритмы, предназначенные для шифрования массивов данных и выработки для них имитовставки. Все они опираются на три алгоритма низшего уровня, называемые в тексте ГОСТа циклами. Эти фундаментальные алгоритмы упоминаются в данной статье как базовые циклы, чтобы отличать их от всех прочих циклов. Они имеют следующие названия и обозначения, последние приведены в скобках и смысл их будет объяснен позже:

цикл зашифрования (32-З);

цикл расшифрования (32-Р);

цикл выработки имитовставки (16-З).

В свою очередь, каждый из базовых циклов представляет собой многократное повторение одной единственной процедуры, называемой для определенности далее в настоящей работе основным шагом криптопреобразования. Таким образом, чтобы разобраться в ГОСТе, надо понять три следующие вещи:

а) что такое основной шаг криптопреобразования;

б) как из основных шагов складываются базовые циклы;

в) как из трех базовых циклов складываются все практические алгоритмы ГОСТа.

Прежде чем перейти к изучению этих вопросов, следует поговорить о ключевой информации, используемой алгоритмами ГОСТа. В соответствии с принципом Кирхгофа, которому удовлетворяют все современные известные широкой общественности шифры, именно ее секретность обеспечивает секретность зашифрованного сообщения. В ГОСТе ключевая информация состоит из двух структур данных. Помимо собственно ключа, необходимого для всех шифров, она содержит еще и таблицу замен. Ниже приведены основные характеристики ключевых структур ГОСТа.

Ключ является массивом из восьми 32-битных элементов кода, далее в настоящей работе он обозначается символом К:. В ГОСТе элементы ключа используются как 32-разрядные целые числа без знака: . Таким образом, размер ключа составляет 32·8=256 бит или 32 байта.

Таблица замен является матрицей 816, содержащей 4-битовые элементы, которые можно представить в виде целых чисел от 0 до 15. Строки таблицы замен называются узлами замен, они должны содержать различные значения, то есть каждый узел замен должен содержать 16 различных чисел от 0 до 15 в произвольном порядке. В настоящей статье таблица замен обозначается символом H: . Таким образом, общий объем таблицы замен равен: 8 узлов 16 элементов/узел 4 бита/элемент = 512 бит или 64 байта.

Основной шаг криптопреобразования.

Основной шаг криптопреобразования по своей сути является оператором, определяющим преобразование 64-битового блока данных. Дополнительным параметром этого оператора является 32-битовый блок, в качестве которого используется какой-либо элемент ключа. Схема алгоритма основного шага приведена на рисунке 1. Ниже даны пояснения к алгоритму основного шага:

Определяет исходные данные для основного шага криптопреобразования:

N - преобразуемый 64-битовый блок данных, в ходе выполнения шага его младшая (N1) и старшая (N2) части обрабатываются как отдельные 32-битовые целые числа без знака. Таким образом, можно записать N=(N1,N2).

X - 32-битовый элемент ключа;

Сложение с ключом. Младшая половина преобразуемого блока складывается по модулю 232 с используемым на шаге элементом ключа, результат передается на следующий шаг;

Поблочная замена. 32-битовое значение, полученное на предыдущем шаге, интерпретируется как массив из восьми 4-битовых блоков кода: S=(S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7).

Далее значение каждого из восьми блоков заменяется на новое, которое выбирается по таблице замен следующим образом: значение блока Si заменяется на Si-тый по порядку элемент (нумерация с нуля) i-того узла замен (т.е. i-той строки таблицы замен, нумерация также с нуля). Другими словами, в качестве замены для значения блока выбирается элемент из таблицы замен с номером строки, равным номеру заменяемого блока, и номером столбца, равным значению заменяемого блока как 4-битового целого неотрицательного числа. Теперь становится понятным размер таблицы замен: число строк в ней равно числу 4-битных элементов в 32-битном блоке данных, то есть восьми, а число столбцов равно числу различных значений 4-битного блока данных, равному как известно 24, шестнадцати.



Рис. 1 Схема основного шага криптопреобразования алгоритма ГОСТ 28147-89.Циклический сдвиг на 11 бит влево

Результат предыдущего шага сдвигается циклически на 11 бит в сторону старших разрядов и передается на следующий шаг. На схеме алгоритма символом -11 обозначена функция циклического сдвига своего аргумента на 11 бит в сторону старших разрядов.

Побитовое сложение: значение, полученное на шаге 3, побитно складывается по модулю 2 со старшей половиной преобразуемого блока.

Сдвиг по цепочке: младшая часть преобразуемого блока сдвигается на место старшей, а на ее место помещается результат выполнения предыдущего шага.

Полученное значение преобразуемого блока возвращается как результат выполнения алгоритма основного шага криптопреобразования.

Базовые циклы криптографических преобразований.

Как отмечено в начале настоящей статьи, ГОСТ относится к классу блочных шифров, то есть единицей обработки информации в нем является блок данных. Следовательно, вполне логично ожидать, что в нем будут определены алгоритмы для криптографических преобразований, то есть для зашифрования, расшифрования и “учета” в контрольной комбинации одного блока данных. Именно эти алгоритмы и называются базовыми циклами ГОСТа, что подчеркивает их фундаментальное значение для построения этого шифра.

Базовые циклы построены из основных шагов криптографического преобразования, рассмотренного в предыдущем разделе. В процессе выполнения основного шага используется только один элемент ключа, в то время как ключ ГОСТ содержит восемь таких элементов. Следовательно, чтобы ключ был использован полностью, каждый из базовых циклов должен многократно выполнять основной шаг с различными его элементами. Вместе с тем кажется вполне естественным, что в каждом базовом цикле все элементы ключа должны быть использованы одинаковое число раз, по соображениям стойкости шифра это число должно быть больше одного.

Все сделанные выше предположения, опирающиеся просто на здравый смысл, оказались верными. Базовые циклы заключаются в многократном выполнении основного шага с использованием разных элементов ключа и отличаются друг от друга только числом повторения шага и порядком использования ключевых элементов. Ниже приведен этот порядок для различных циклов.

Цикл зашифрования 32-З:

K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K7,K6,K5,K4,K3,K2,K1,K0.

Цикл расшифрования 32-Р:

K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K7,K6,K5,K4,K3,K2,K1,K0,K7,K6,K5,K4,K3,K2,K1,K0,K7,K6,K5,K4,K3,K2,K1,K0.

Цикл выработки имитовставки 16-З:

K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7.

Каждый из циклов имеет собственное буквенно-цифровое обозначение, соответствующее шаблону “n-X”, где первый элемент обозначения (n), задает число повторений основного шага в цикле, а второй элемент обозначения (X), буква, задает порядок зашифрования (“З”) или расшифрования (“Р”) в использовании ключевых элементов. Этот порядок нуждается в дополнительном пояснении: Цикл расшифрования должен быть обратным циклу зашифрования, то есть последовательное применение этих двух циклов к произвольному блоку должно дать в итоге исходный блок, что отражается следующим соотношением:

Ц32-Р(Ц32-З(T))=T,

где T - произвольный 64-битный блок данных, ЦX(T) - результат выполнения цикла X над блоком данных T. Для выполнения этого условия для алгоритмов, подобных ГОСТу, необходимо и достаточно, чтобы порядок использования ключевых элементов соответствующими циклами был взаимно обратным. В справедливости записанного условия для рассматриваемого случая легко убедиться, сравнив приведенные выше последовательности для циклов 32-З и 32-Р. Из сказанного вытекает одно интересное следствие: свойство цикла быть обратным другому циклу является взаимным, то есть цикл 32-З является обратным по отношению к циклу 32-Р. Другими словами, зашифрование блока данных теоретически может быть выполнено с помощью цикла расшифрования, в этом случае расшифрование блока данных должно быть выполнено циклом зашифрования. Из двух взаимно обратных циклов любой может быть использован для зашифрования, тогда второй должен быть использован для расшифрования данных, однако стандарт ГОСТ28147-89 закрепляет роли за циклами и не предоставляет пользователю права выбора в этом вопросе.



Рис. 2а Схема цикла зашифрования 32-З

Рис. 2б Схема цикла расшифрования 32- Р

Цикл выработки имитовставки вдвое короче циклов шифрования, порядок использования ключевых элементов в нем такой же, как в первых 16 шагах цикла зашифрования, в чем нетрудно убедиться, рассмотрев приведенные выше последовательности, поэтому этот порядок в обозначении цикла кодируется той же самой буквой “З”

Рис. 2в Схема цикла выработки имитовставки 16-З

Схемы базовых циклов приведены на рисунках 2а-в. Каждый из них принимает в качестве аргумента и возвращает в качестве результата 64-битный блок данных, обозначенный на схемах N. Символ (N,X) обозначает выполнение основного шага криптопреобразования для блока N с использованием ключевого элемента X. Между циклами шифрования и вычисления имитовставки есть еще одно отличие, не упомянутое выше: в конце базовых циклов шифрования старшая и младшая часть блока результата меняются местами, это необходимо для их взаимной обратимости.

Основные режимы шифрования

ГОСТ 28147-89 предусматривает три следующих режима шифрования данных:

простая замена,

гаммирование,

гаммирование с обратной связью, и один дополнительный режим выработки имитовставки.

В любом из этих режимов данные обрабатываются блоками по 64 бита, на которые разбивается массив, подвергаемый криптографическому преобразованию, именно поэтому ГОСТ относится к блочным шифрам. Однако в двух режимах гаммирования есть возможность обработки неполного блока данных размером меньше 8 байт, что существенно при шифровании массивов данных с произвольным размером, который может быть не кратным 8 байтам.

Прежде чем перейти к рассмотрению конкретных алгоритмов криптографических преобразований, необходимо пояснить обозначения, используемые на схемах в следующих разделах:

Tо,Tш - массивы соответственно открытых и зашифрованных данных;

, - i-тые по порядку 64-битные блоки соответственно открытых и зашифрованных данных:

, ,

;

n - число 64-битных блоков в массиве данных;

ЦX - функция преобразования 64-битного блока данных по алгоритму базового цикла “X”;

Теперь опишем основные режимы шифрования:

Простая замена.

Зашифрование в данном режиме заключается в применении цикла 32-З к блокам открытых данных, расшифрование - цикла 32-Р к блокам зашифрованных данных. Это наиболее простой из режимов, 64-битовые блоки данных обрабатываются в нем независимо друг от друга. Схемы алгоритмов зашифрования и расшифрования в режиме простой замены приведены на рисунках 3а и б соответственно, они тривиальны и не нуждаются в комментариях.

Размер массива открытых или зашифрованных данных, подвергающийся соответственно зашифрованию или расшифрованию, должен быть кратен 64 битам:

|Tо|=|Tш|=64·n,

после выполнения операции размер полученного массива данных не изменяется.

Рис. 3а Алгоритм зашифрования данных в режиме простой замены

Рис. 3б Алгоритм расшифрования данных в режиме простой замены

Режим шифрования простой заменой имеет следующие особенности:

Так как блоки данных шифруются независимо друг от друга и от их позиции в массиве, при зашифровании двух одинаковых блоков открытого текста получаются одинаковые блоки шифротекста и наоборот. Отмеченное свойство позволит криптоаналитику сделать заключение о тождественности блоков исходных данных, если в массиве зашифрованных данных ему встретились идентичные блоки, что является недопустимым для серьезного шифра.

Если длина шифруемого массива данных не кратна 8 байтам или 64 битам, возникает проблема, чем и как дополнять последний неполный блок данных массива до полных 64 бит. Эта задача не так проста, как кажется на первый взгляд, поскольку очевидные решения типа “дополнить неполный блок нулевыми битами” или, более обще, “дополнить неполный блок фиксированной комбинацией нулевых и единичных битов” могут при определенных условиях дать в руки криптоаналитика возможность методами перебора определить содержимое этого самого неполного блока, и этот факт означает снижение стойкости шифра. Кроме того, длина шифротекста при этом изменится, увеличившись до ближайшего целого, кратного 64 битам, что часто бывает нежелательным.

На первый взгляд, перечисленные выше особенности делают практически невозможным использование режима простой замены, ведь он может применяться только для шифрования массивов данных с размером кратным 64 битам, не содержащим повторяющихся 64-битных блоков. Кажется, что для любых реальных данных гарантировать выполнение указанных условий невозможно. Это почти так, но есть одно очень важное исключение: вспомните, что размер ключа составляет 32 байта, а размер таблицы замен - 64 байта. Кроме того, наличие повторяющихся 8-байтовых блоков в ключе или таблице замен будет говорить об их весьма плохом качестве, поэтому в реальных ключевых элементах такого повторения быть не может. Таким образом мы выяснили, что режим простой замены вполне подходит для шифрования ключевой информации, тем более, что прочие режимы для этой цели менее удобны, поскольку требуют наличия дополнительного синхронизирующего элемента данных - синхропосылки (см. следующий раздел). Наша догадка верна, ГОСТ предписывает использовать режим простой замены исключительно для шифрования ключевых данных.

Гаммирование.

Как же можно избавиться от недостатков режима простой замены? Для этого необходимо сделать возможным шифрование блоков с размером менее 64 бит и обеспечить зависимость блока шифротекста от его номера, иными словами, рандомизировать процесс шифрования. В ГОСТе это достигается двумя различными способами в двух режимах шифрования, предусматривающих гаммирование. Гаммирование - это наложение (снятие) на открытые (зашифрованные) данные криптографической гаммы, то есть последовательности элементов данных, вырабатываемых с помощью некоторого криптографического алгоритма, для получения зашифрованных (открытых) данных. Для наложения гаммы при зашифровании и ее снятия при расшифровании должны использоваться взаимно обратные бинарные операции, например, сложение и вычитание по модулю 264 для 64-битных блоков данных. В ГОСТе для этой цели используется операция побитного сложения по модулю 2, поскольку она является обратной самой себе и к тому же наиболее просто реализуется. Гаммирование решает обе упомянутые проблемы; во первых, все элементы гаммы различны для реальных шифруемых массивов и, следовательно, результат зашифрования даже двух одинаковых блоков в одном массиве данных будет различным. Во вторых, хотя элементы гаммы и вырабатываются одинаковыми порциями в 64 бита, использоваться может и часть такого блока с размером, равным размеру шифруемого блока. Теперь перейдем непосредственно к описанию режима гаммирования. Гамма для этого режима получается следующим образом: с помощью некоторого алгоритмического рекуррентного генератора последовательности чисел (РГПЧ) вырабатываются 64-битные блоки данных, которые далее подвергаются преобразованию по циклу 32-З, то есть зашифрованию в режиме простой замены, в результате получаются блоки гаммы. Благодаря тому, что наложение и снятие гаммы осуществляется при помощи одной и той же операции побитового исключающего или, алгоритмы зашифрования и расшифрования в режиме гаммирования идентичны, их общая схема приведена на рисунке 5. РГПЧ, используемый для выработки гаммы, является рекуррентной функцией:

i+1=f(i),

где i - элементы рекуррентной последовательности, f - функция преобразования. Следовательно, неизбежно возникает вопрос о его инициализации, то есть об элементе 0. В действительности, этот элемент данных является параметром алгоритма для режимов гаммирования, на схемах он обозначен как S, и называется в криптографии синхропосылкой, а в нашем ГОСТе - начальным заполнением одного из регистров шифрователя. По определенным соображениям разработчики ГОСТа решили использовать для инициализации РГПЧ не непосредственно синхропосылку, а результат ее преобразования по циклу 32-З: 0=Ц32-З(S). Последовательность элементов, вырабатываемых РГПЧ, целиком зависит от его начального заполнения, то есть элементы этой последовательности являются функцией своего номера и начального заполнения РГПЧ:

i=fi(0), где fi(X)=f(fi-1(X)), f0(X)=X.

С учетом преобразования по алгоритму простой замены добавляется еще и зависимость от ключа:

Гi=Ц32-З(i)=Ц32-З(fi(0))=Ц32-З(fi(Ц32-З(S)))=i(S,K),

где Гi - i-тый элемент гаммы, K - ключ.

Таким образом, последовательность элементов гаммы для использования в режиме гаммирования однозначно определяется ключевыми данными и синхропосылкой. Естественно, для обратимости процедуры шифрования в процессах за- и расшифрования должна использоваться одна и та же синхропосылка. Из требования уникальности гаммы, невыполнение которого приводит к катастрофическому снижению стойкости шифра, следует, что для шифрования двух различных массивов данных на одном ключе необходимо обеспечить использование различных синхропосылок. Это приводит к необходимости хранить или передавать синхропосылку по каналам связи вместе с зашифрованными данными, хотя в отдельных особых случаях она может быть предопределена или вычисляться особым образом, если исключается шифрование двух массивов на одном ключе.

Теперь подробно рассмотрим РГПЧ, используемый в ГОСТе для генерации элементов гаммы. Прежде всего надо отметить, что к нему не предъявляются требования обеспечения каких-либо статистических характеристик вырабатываемой последовательности чисел. РГПЧ спроектирован разработчиками ГОСТа исходя из необходимости выполнения следующих условий:

период повторения последовательности чисел, вырабатываемой РГПЧ, не должен сильно (в процентном отношении) отличаться от максимально возможного при заданном размере блока значения 264;

соседние значения, вырабатываемые РГПЧ, должны отличаться друг от друга в каждом байте, иначе задача криптоаналитика будет упрощена;

РГПЧ должен быть достаточно просто реализуем как аппаратно, так и программно на наиболее распространенных типах процессоров, большинство из которых, как известно, имеют разрядность 32 бита.

Исходя из перечисленных принципов создатели ГОСТа спроектировали весьма удачный РГПЧ, имеющий следующие характеристики:

в 64-битовом блоке старшая и младшая части обрабатываются независимо друг от друга:

,

фактически, существуют два независимых РГПЧ для старшей и младшей частей блока.

рекуррентные соотношения для старшей и младшей частей следующие:

, где C1=101010116;

, где C2=101010416;

Нижний индекс в записи числа означает его систему счисления, таким образом, константы, используемые на данном шаге, записаны в 16-ричной системе счисления.

Второе выражение нуждается в комментариях, так как в тексте ГОСТа приведено нечто другое:

,

с тем же значением константы C2. Но далее в тексте стандарта дается комментарий, что, оказывается, под операцией взятия остатка по модулю 232-1 там понимается не то же самое, что и в математике. Отличие заключается в том, что согласно ГОСТу (232-1)mod(232-1)=(232-1), а не 0. На самом деле, это упрощает реализацию формулы, а математически корректное выражение для нее приведено выше.

период повторения последовательности для младшей части составляет 232, для старшей части 232-1, для всей последовательности период составляет 232-(232-1), доказательство этого факта, весьма несложное, получите сами. Первая формула из двух реализуется за одну команду, вторая, несмотря на ее кажущуюся громоздкость, за две команды на всех современных 32-разрядных процессорах.



Рис. 4 Алгоритм зашифрования (расшифрования) данных в режиме гаммирования

Определяет исходные данные для основного шага криптопреобразования:

Tо(ш) - массив открытых (зашифрованных) данных произвольного размера, подвергаемый процедуре зашифрования (расшифрования), по ходу процедуры массив подвергается преобразованию порциями по 64 бита;

S - синхропосылка, 64-битный элемент данных, необходимый для инициализации генератора гаммы;

Начальное преобразование синхропосылки, выполняемое для ее “рандомизации”, то есть для устранения статистических закономерностей, присутствующих в ней, результат используется как начальное заполнение РГПЧ;

Один шаг работы РГПЧ, реализующий его рекуррентный алгоритм. В ходе данного шага старшая (S1) и младшая (S0) части последовательности данных вырабатываются независимо друг от друга;

Гаммирование. Очередной 64-битный элемент, выработанный РГПЧ, подвергается процедуре зашифрования по циклу 32-З, результат используется как элемент гаммы для зашифрования (расшифрования) очередного блока открытых (зашифрованных) данных того же размера.

Результат работы алгоритма - зашифрованный (расшифрованный) массив данных.

Ниже перечислены особенности гаммирования как режима шифрования.

Одинаковые блоки в открытом массиве данных дадут при зашифровании различные блоки шифротекста, что позволит скрыть факт их идентичности.

Поскольку наложение гаммы выполняется побитно, шифрование неполного блока данных легко выполнимо как шифрование битов этого неполного блока, для чего используется соответствующие биты блока гаммы . Так, для зашифрования неполного блока в 1 бит можно использовать любой бит из блока гаммы.

Синхропосылка, использованная при зашифровании, каким-то образом должна быть передана для использования при расшифровании. Это может быть достигнуто следующими путями:

хранить или передавать синхропосылку вместе с зашифрованным массивом данных, что приведет к увеличению размера массива данных при зашифровании на размер синхропосылки, то есть на 8 байт;

использовать предопределенное значение синхропосылки или вырабатывать ее синхронно источником и приемником по определенному закону, в этом случае изменение размера передаваемого или хранимого массива данных отсутствует;

Оба способа дополняют друг друга, и в тех редких случаях, где не работает первый, наиболее употребительный из них, может быть использован второй, более экзотический. Второй способ имеет гораздо меньшее применение, поскольку сделать синхропосылку предопределенной можно только в том случае, если на данном комплекте ключевой информации шифруется заведомо не более одного массива данных, что бывает в редких случаях. Генерировать синхропосылку синхронно у источника и получателя массива данных также не всегда представляется возможным, поскольку требует жесткой привязки к чему-либо в системе. Так, здравая на первый взгляд идея использовать в качестве синхропосылки в системе передачи зашифрованных сообщений номер передаваемого сообщения не подходит, поскольку сообщение может потеряться и не дойти до адресата, в этом случае произойдет десинхронизация систем шифрования источника и приемника. Поэтому в рассмотренном случае нет альтернативы передаче синхропосылки вместе с зашифрованным сообщением.

С другой стороны, можно привести и обратный пример. Допустим, шифрование данных используется для защиты информации на диске, и реализовано оно на низком уровне, для обеспечения независимого доступа данные шифруются по секторам. В этом случае невозможно хранить синхропосылку вместе с зашифрованными данными, поскольку размер сектора нельзя изменить, однако ее можно вычислять как некоторую функцию от номера считывающей головки диска, номера дорожки (цилиндра) и номера сектора на дорожке. В этом случае синхропосылка привязывается к положению сектора на диске, которое вряд ли может измениться без переформатирования диска, то есть без уничтожения данных на нем.

Режим гаммирования имеет еще одну интересную особенность. В этом режиме биты массива данных шифруются независимо друг от друга. Таким образом, каждый бит шифротекста зависит от соответствующего бита открытого текста и, естественно, порядкового номера бита в массиве:

.

Из этого вытекает, что изменение бита шифротекста на противоположное значение приведет к аналогичному изменению бита открытого текста на противоположный:

Данное свойство дает злоумышленнику возможность воздействуя на биты шифротекста вносить предсказуемые и даже целенаправленные изменения в соответствующий открытый текст, получаемый после его расшифрования, не обладая при этом секретным ключом.

,

где обозначает инвертированное по отношению к t значение бита ().

Это иллюстрирует хорошо известный в криптологии факт, что “секретность и аутентичность суть различные свойства шифров”. Иными словами, свойства шифров обеспечивать защиту от несанкционированного ознакомления с содержимым сообщения и от несанкционированного внесения изменений в сообщение являются независимыми и лишь в отдельных случаях могут пересекаться. Сказанное означает, что существуют криптографические алгоритмы, обеспечивающие определенную секретность зашифрованных данных и при этом никак не защищающие от внесения изменений и наоборот, обеспечивающие аутентичность данных и никак не ограничивающие возможность ознакомления с ними. По этой причине рассматриваемое свойство режима гаммирования не должно рассматриваться как его недостаток.

Гаммирование с обратной связью.

Данный режим очень похож на режим гаммирования и отличается от него только способом выработки элементов гаммы - очередной элемент гаммы вырабатывается как результат преобразования по циклу 32-З предыдущего блока зашифрованных данных, а для зашифрования первого блока массива данных элемент гаммы вырабатывается как результат преобразования по тому же циклу синхропосылки. Этим достигается зацепление блоков - каждый блок шифротекста в этом режиме зависит от соответствующего и всех предыдущих блоков открытого текста. Поэтому данный режим иногда называется гаммированием с зацеплением блоков. На стойкость шифра факт зацепления блоков не оказывает никакого влияния.

Рис. 5 Алгоритм зашифрования (расшифрования) данных в режиме гаммирования с обратной связью

Схема алгоритмов за- и расшифрования в режиме гаммирования с обратной связью приведена на рисунке 5 и ввиду своей простоты в комментариях не нуждается.

Шифрование в режиме гаммирования с обратной связью обладает теми же особенностями, что и шифрование в режиме обычного гаммирования, за исключением влияния искажений шифротекста на соответствующий открытый текст. Для сравнения запишем функции расшифрования блока для обоих упомянутых режимов:

, гаммирование;

, гаммирование с обратной связью;

Если в режиме обычного гаммирования изменения в определенных битах шифротекста влияют только на соответствующие биты открытого текста, то в режиме гаммирования с обратной связью картина несколько сложнее. Как видно из соответствующего уравнения, при расшифровании блока данных в режиме гаммирования с обратной связью, блок открытых данных зависит от соответствующего и предыдущего блоков зашифрованных данных. Поэтому, если внести искажения в зашифрованный блок, то после расшифрования искаженными окажутся два блока открытых данных - соответствующий и следующий за ним, причем искажения в первом случае будут носить тот же характер, что и в режиме гаммирования, а во втором случае - как в режиме простой замены. Другими словами, в соответствующем блоке открытых данных искаженными окажутся те же самые биты, что и в блоке шифрованных данных, а в следующем блоке открытых данных все биты независимо друг от друга с вероятностью 1/2 изменят свои значения.

Выработка имитовставки к массиву данных.

В предыдущих разделах мы обсудили влияние искажения шифрованных данных на соответствующие открытые данные. Мы установили, что при расшифровании в режиме простой замены соответствующий блок открытых данных оказывается искаженным непредсказуемым образом, а при расшифровании блока в режиме гаммирования изменения предсказуемы. В режиме гаммирования с обратной связью искаженными оказываются два блока, один предсказуемым, а другой непредсказуемым образом. Значит ли это, что с точки зрения защиты от навязывания ложных данных режим гаммирования является плохим, а режимы простой замены и гаммирования с обратной связью хорошими? Ни в коем случае. При анализе данной ситуации необходимо учесть то, что непредсказуемые изменения в расшифрованном блоке данных могут быть обнаружены только в случае избыточности этих самых данных, причем чем больше степень избыточности, тем вероятнее обнаружение искажения. Очень большая избыточность имеет место, например, для текстов на естественных и искусственных языках, в этом случае факт искажения обнаруживается практически неизбежно. Однако в других случаях, например, при искажении сжатых звуковых образов, мы получим просто другой образ, который сможет воспринять наше ухо. Искажение в этом случае останется необнаруженным, если, конечно, нет априорной информации о характере звука. Вывод здесь такой: поскольку способность некоторых режимов шифрования обнаруживать искажения, внесенные в шифрованные данные, существенным образом опирается на наличие и степень избыточности шифруемых данных, эта способность не является имманентным свойством соответствующих режимов и не может рассматриваться как их достоинство.

Рис. 6 Алгоритм выработки имитовставки для массива данных

Для решения задачи обнаружения искажений в зашифрованном массиве данных с заданной вероятностью в ГОСТе предусмотрен дополнительный режим криптографического преобразования - выработка имитовставки. Имитовставка - это контрольная комбинация, зависящая от открытых данных и секретной ключевой информации. Целью использования имитовставки является обнаружение всех случайных или преднамеренных изменений в массиве информации. Проблема, изложенная в предыдущем пункте, может быть успешно решена с помощью добавления к шифрованным данным имитовставки. Для потенциального злоумышленника две следующие задачи практически неразрешимы, если он не владеет ключевой информацией:

вычисление имитовставки для заданного открытого массива информации;

подбор открытых данных под заданную имитовставку;

Схема алгоритма выработки имитовставки приведена на рисунке 6. В качестве имитовставки берется часть блока, полученного на выходе, обычно 32 его младших бита. При выборе размера имитовставки надо принимать во внимание, что вероятность успешного навязывания ложных данных равна величине 2-|И| на одну попытку подбора. При использовании имитовставки размером 32 бита эта вероятность равна 2-32-0.23·10-9.

Криптографическая стойкость ГОСТа.

При выборе криптографического алгоритма для использования в конкретной разработке одним из определяющих факторов является его стойкость, то есть устойчивость к попыткам противоположной стороны его раскрыть. Вопрос о стойкости шифра при ближайшем рассмотрении сводится к двум взаимосвязанным вопросам:

можно ли вообще раскрыть данный шифр;

если да, то насколько это трудно сделать практически;

Шифры, которые вообще невозможно раскрыть, называются абсолютно или теоретически стойкими. Существование подобных шифров доказывается теоремой Шеннона, однако ценой этой стойкости является необходимость использования для шифрования каждого сообщения ключа, не меньшего по размеру самого сообщения. Во всех случаях за исключением ряда особых эта цена чрезмерна, поэтому на практике в основном используются шифры, не обладающие абсолютной стойкостью. Таким образом, наиболее употребительные схемы шифрования могут быть раскрыты за конечное время или, что точнее, за конечное число шагов, каждый из которых является некоторой операцией над числами. Для них наиважнейшее значение имеет понятие практической стойкости, выражающее практическую трудность их раскрытия. Количественной мерой этой трудности может служить число элементарных арифметических и логических операций, которые необходимо выполнить, чтобы раскрыть шифр, то есть чтобы для заданного шифротекста с вероятностью, не меньшей заданной величины, определить соответствующий открытый текст. При этом в дополнении к дешифруемому массиву данных криптоаналитик может располагать блоками открытых данных и соответствующих им зашифрованных данных или даже возможностью получить для любых выбранных им открытых данных соответствующие зашифрованные данные - в зависимости от перечисленных и многих других неуказанных условий различают отдельные виды криптоанализа.

...