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.
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.
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.
Главным недостатком является невозможность установить подлинность текста. В случае перехвата ключа злоумышленник расшифрует секретную информацию.
Существуют классические методы.
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.
Существует такие основные методы асинхронного шифрования.
RSA
RSA — первый криптографический алгоритм, используемый и для шифрования, и для цифровой подписи.
Описывается так.
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.
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.
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.
Сегодня в экспертном сообществе наблюдается большое количество споров относительно того, что лучше: симметричное или ассимитричное шифрование. При этом многие пользователи глобальной сети принимают ту или иную точку зрения, в полной мере, не понимая значения данных терминов. Это в свою очередь приводит к ряду проблем. В частности, в разрабатываемую систему внедряются ненужные компоненты либо она остается без должного уровня защиты.
Поэтому ниже мы расскажем, что такое симметричное и асимметричное шифрование простыми словами.
Симметричное шифрование простыми словами
Особенностью симметричного шифрования является наличие одного пароля. По другому его еще именуют ключом.
Итак, алгоритм следующий. Существует некий математический алгоритм шифрования. Ему на вход подается определенный пароль и текст. На выходе мы получаем текст уже в зашифрованном виде. Для получения исходного текста необходимо использовать тот же пароль, который использовался на входе, либо иной с алгоритмом дешифрования.
Если посмотреть на вышеописанную ситуацию под другим углом, то мы видим, что в случае передачи пароля иному лицу, безопасность системы нарушается.
Таким образом, при использовании симметричного шифрования, стоит особое внимание уделять сохранности непосредственно самого пароля. В связи с этим, нельзя передавать пароль никому в открытом виде, он должен быть достаточно сложным, должна быть предусмотрена система оповещения заинтересованных лиц, в случае его утраты.
Необходимо отметить, что несмотря на вышеперечисленные нюансы, симметричное шифрование распространено довольно широко, что обусловлено двумя факторами:
- Простота понимания;
- Отсутствие большой технической нагрузки.
Асимметричное шифрование простыми словами
Ассимитричное шифрование, наоборот, предусматривает использование двух паролей – открытый (публичный ключ) и закрытый (приватный). Открытый, в свою очередь, распространяется между всеми заинтересованными лицами. Закрытый известен только тому, кто принимает информацию и серверу. Таким образом, в некоторой степени, мы наблюдаем равноценность двух ключей.
Важным является то, что алгоритмы, применяемые в ассиметричном шифровании, предоставляют возможность свободного распространения ключей в рамках сети, так как без второго пароля нельзя будет получить доступ к данным.
Этот принцип лежит в основе протокола SSL, позволяющего установить безопасное соединение с пользователями посредством того, что приватный ключ находится на серверной стороне.
Хранить пароли также проще при асимметричном шифровании из-за того, что отсутствует необходимость передачи секретного ключа кому-либо. Его не нужно никому передавать.
Вместе с тем, данный вид шифрования намного более требовательный к ресурсным мощностям компьютера. В том числе, существуют ограничения непосредственно на процесс создания ключей. В связи с этим, в большинстве своем ассиметричное шифрование зачастую используется только в целях аутентификации и идентификации пользователей системы либо в целях генерации цифровых подписей, зашифрованных приватным ключом. Понятно, что такую подпись может проверить каждый путем использования публичного пароля.
Различия симметричного и асимметричного шифрования
Основное отличие между рассматриваемыми видами шифрования является в самом подходе. Поэтому в данном случае, как уже отмечалось выше, нельзя утверждать, что одно лучше другого, не учитывая особенностей использования.
Так, симметричное шифрование наиболее подходит для передачи больших объемов информации. При аналогичном использовании, ассиметричный алгоритм намного медленнее.
Асимметричное шифрование позволяет устанавливать безопасное соединения без особых усилий пользователей. Симметричное шифрование, наоборот, требует от пользователя использования пароля для получения данных.
Модифицировать симметричные алгоритмы легче, так как они конструируются на базе нескольких блоков с математическими функциями преобразования. Ассиметричные, в свою очередь, строятся на математических задачах.
Генерировать пароли в симметричном алгоритме на много проще в отличие от ассиметричных алгоритмов.
Выводы
Учитывая вышеизложенное можно сделать вывод, что сферы применения алгоритмов шифрования разное. Поэтому при использовании симметричного либо асимметричного алгоритма, всегда надо учитывать условия конкретной задачи. В том числе, можно рассматривать возможность использования их гибридов.
- 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 вызватьОсновным достоинством криптографических алгоритмов с открытым ключом является возможность решения таких задач, как распределение ключа по небезопасному каналу, аутентификации сообщения и отправителя, и т. д. В то же время, асимметричные шифры работают существенно более медленно, чем симметричные. Это связано с необходимостью производить операции над сверхбольшими числами. Поэтому симметричные и асимметричные алгоритмы часто используют вместе – для распределения ключей и ЭЦП используют криптографию с открытым ключом, данные шифруют с помощью симметричных алгоритмов.
При анализе системы, в которой совместно используются несколько алгоритмов, принято оценивать сложность ее взлома по сложности взлома самого слабого звена. В литературе приводится примерное соответствие длин ключей для алгоритма симметричного шифрования (атака производится путем перебора ключевого множества) и алгоритма RSA, обеспечивающих сопоставимую стойкость. Например, 64-битному ключу симметричного шифрования примерно соответствует 512-битный ключ RSA, а 128-битному – ключ RSA длиной более 2300 бит.
Хэш-функции
В рассмотренных в разделе 2.4 алгоритмах формирования ЭЦП длина подписи получается равной или даже большей, чем длина самого сообщения. Очевидно, что удостоверять подобным образом большой документ неудобно. Поэтому подписывается, как правило, не само сообщение, а его «дайджест» – значение фиксированной длины, зависящее от подписываемого сообщения. Для формирования дайджеста используется хэш-функция (от англ. «hash function») – односторонняя функция, преобразующая строку произвольной длины в строку фиксированной длины. В криптографии используются хэш-функции 2 классов:
Хэш-функции без ключа;
Хэш-функции с ключом.
Хэш-функции без ключа
Хэш-функции без ключа делятся на слабые и сильные. Слабой хэш-функцией H(x) ,удовлетворяющая следующим условиям:
1) аргумент может быть строкой бит произвольной длины;
2) значение функции H(x) должно быть строкой бит фиксированной длины;
3) значение H(x) легко вычислить;
4) для любого фиксированного аргумента x вычислительно невозможно найти другой x’ x , такой что H(x’)=H(x) .
Пара значений x’ x : H(x’)=H(x) называется коллизией хэш-функции.
Сильной хэш-функцией называется односторонняя функция H(x) ,удовлетворяющая условиям 1) – 3) и последнему условию в следую-щей формулировке:
5) вычислительно невозможно любую пару значений x’ x , таких
что H(x’)=H(x) .
Любая сильная хэш-функция соответствует и требованиям для слабой, обратное в общем случае неверно. Для иллюстрации различия в сложности поиска коллизий слабой и сильной хэш-функции рассмотрим атаку с использованием «парадокса дней рождения» 1 . Зафиксируем значение аргумента x , и будем перебирать случайным образом x’ x в поисках ситуации, когда H(x’)=H(x). Если предположить, что значения хэш-функции равномерно распределены, а число возможных значений H(x) равно N , то потребуется в среднем перебор N / 2вариантов.Если же мы захотим найти какую-либо коллизию вообще, то задача оказывается проще: с вероятностью 0,63 для определения нужной пары значений потребуется опробовать N вариантов.
Чтобы минимизировать стоимость создания криптографических хэш-функций, разработчики часто используют один из существующих алгоритмов шифрования. Пусть E(m,k) обозначает шифрование сообщения m на ключе k , а v 0 – стартовый вектор. Представим кэшируемое сообщение M в виде последовательности блоков m 1 , …, m t и будем их использовать в качестве раундовых ключей. Тогда H(m) вычисляется следующим образом:
Алгоритм SHA (Secure Hash Algorithm) разработан в США как часть стандарта SHS (Secure Hash Standard), опубликованного в 1993 году. Но в нем были обнаружены уязвимости, которые привели к необходимости модифицировать алгоритм. Через два года была опубликована новая версия – SHA-1, получившая на сегодняшний день широкое распространение.
Получая на входе сообщение произвольной длины менее 2 64 бит, SHA-1 формирует 160-битное выходное сообщение (дайджест). Вначале преобразуемое сообщение M дополняется до длины, кратной 512 битам. Заполнитель формируется следующим образом: в конец пре-образуемого сообщения добавляется 1, потом – столько нулей, сколь-ко необходимо для получения сообщения, которое на 64 бита короче, чем кратное 512, после чего добавляют 64-битное представление длины исходного сообщения. Например, если сообщение длиной 800 бит, то 801-й бит =1, потом добавляем нули до 960 бит, после чего – в оставшихся 64-разрядах записывается число «800», в итоге хэшируем 1024-битное сообщение. Общая схема преобразования представлена на Рисунок 2.18. Перед началом преобразований инициализируется пять 32-битных переменных:
A =0x67452301; B =0xEFCDAB89; C =0x98BADCFE; D =0x10325476; E =0xC3D2E1F0.
Эти значения присваиваются также переменным a 0 , b 0 , c 0 , d 0 , e 0 . Преобразование производится над блоком сообщения размером 512 бит в 80 раундов. В процессе преобразования используются следующие нелинейные функции f t:
f t (X,Y,Z)=(X Y) ((X) Z) для t =0…19;
f t (X,Y,Z)=X Y Z для t =20…39 и t =60…79;
f t (X,Y,Z)=(X Y) (X Z) (Y Z) для t =40…59.
Рисунок 2.18 - Схема раунда алгоритма SHA-1
В процессе преобразования используются четыре константы:
K t =0x5A827999 для t =0…19;
K t =0x6ED9EBA1 для t =20…39;
K t =0x8F1BBCDC для t =40…59;
K t =0xCA62C1D6 для t =60…79.
Обозначение «<<< X» – циклический сдвиг влево на X разрядов, «+» – сложение по модулю 2 32 .
После преобразования очередного 512-битного блока, полученные значения a ,b ,c ,d ,e складываются со значениями A ,B ,C ,D ,E соответственно, и начинается обработка следующего блока (или полученное значение в виде сцепления a ,b ,c ,d ,e подается на выход, если обработанный блок был последним).
Таким образом, на выходе получаем 160-битный дайджест исходного сообщения.
Хэш-функции с ключом
Хэш-функцией с ключом называется односторонняя функция H(k,x) со следующими свойствами:
Аргумент x функции H(k,x) может быть строкой бит произвольной длины;
Значение функции должно быть строкой бит фиксированной длины;
При любых данных k и x легко вычислить H(k,x) ;
Для любого x должно быть практически невозможно вычислить
H(k,x) ,не зная k ;
Должно быть практически невозможно определить k , даже при большом числе известных пар {x, H(k,x)} или вычислить по этой информации H(k,x’) для x’ x .
Часто такие функции также называются кодами аутентифика
ции сообщений (англ. «Message Authentication Code»,сокр.MAC).В
Постановка задачи защиты информации (Security challenge)
Схема симметричного шифрования
Формально симметричная схема шифрования может быть описана следующим образом:
SE = (K, E, D) , где
- K - алгоритм генерации ключа K,
- E(M, K) = C - алгоритм шифрования открытого текста M на ключе K, результатом которого является шифротекст C,
- D(C, K) = M - алгоритм расшифрования шифротекста C на ключе K, результатом которого является открытый текст M
Процесс обмена сообщениями можно описать следующим образом:
Отправитель шифрует сообщение, используя определенный алгоритм шифрования, на вход которому подаются исходное (незашифрованное) сообщение и ключ. Выходом алгоритма является зашифрованное сообщение. Ключ является значением, не зависящим от шифруемого сообщения. Изменение ключа должно приводить к изменению зашифрованного сообщения.
Зашифрованное сообщение передается получателю. Получатель преобразует зашифрованное сообщение в исходное с помощью алгоритма расшифрования и того же самого ключа, который использовался при шифровании, или ключа, легко получаемого из ключа шифрования.
Наиболее важный компонент схемы симметричного шифрования - используемый в ней алгоритм шифрования. В настоящее время выделяют блочные и поточные алгоритмы шифрования:
- блочные шифры. Обрабатывают информацию блоками определённой длины (обычно 64, 128 бит, как например в DES или AES), применяя к блоку ключ в установленном порядке, как правило, несколькими циклами перемешивания и подстановки, называемыми раундами.
- поточные шифры, в которых шифрование проводится над каждым битом либо байтом исходного (открытого) текста с использованием гаммирования.
На практике, грань между блочными и поточными алгоритмами шифрования довольно размытая (поточный шифр может быть легко создан на основе блочного, например, ГОСТ 28147-89 в режиме гаммирования).
Схемы шифрования, используемые в блочных шифрах, принято также называть режимами шифрования.
Вот некоторые из симметричных схем шифрования:
- (ECB) Electronic Code Book (Режим электронной кодовой книги)
- (ECB CTS
- (CBC) Cipher Block Chaining Режим сцепления блоков шифротекста
- (CBC CTS) CipherText Stealing (Захват зашифрованного текста)
- () block chaining Режим сцепления блоков
- (CBC$) Cipher Block Chaining with random IV (initialization vector) Режим сцепления блоков со случайным вектором инициализации
- (CBCC) cipher block chaining with checksum Режим сцепления блоков шифротекста с контрольной суммой
- (PCBC) propagating cipher block chaining Режим сцепления блоков с распространением ошибок
- (CBCPD) cipher block chaining of plaintext difference Сцепления блоков текста по различиям открытого текста
- (CFB) Cipher Feed Back Режим обратной связи по шифротексту
- (OFB) Output Feed Back Режим обратной связи по выходу
- (OFBNLF) output feedback with a nonlinear function Режим нелинейной обратной связи по выходу
- (PBC) plaintext block chaining Сцепление блоков открытого текста
- (PFB) plaintext feedback Режим обратной связи по открытому тексту
- (CTR) Counter Режим счетчика
- Кратное шифрование
- Двойное
- Метод Дэвиса-Прайса
- Тройное
- Схема Тачмена
- Схема с тремя ключами
- Двойное
Основные криптографические конструкции и их стойкость (Cryptographic primitives and/or protocols)
Криптографическая стойкость симметричных схем шифрования практически полностью зависит от используемого в ней симметричного алгоритма шифрования. Как правило, при анализе стойкости симметричного (одноключевого) алгоритма подразумевается, что используется наиболее простая схема шифрования - ECB. Использование других схем может улучшить некоторые свойства алгоритма, в определенных случаях, но никак не наоборот.
Для обеспечения надежности симметричных алгоритмов шифрования необходимо:
- криптографический алгоритм должен быть достаточно стойким, чтобы передаваемое зашифрованное сообщение невозможно было расшифровать без ключа, используя только различные статистические закономерности зашифрованного сообщения или какие-либо другие способы его анализа.
- безопасность передаваемого сообщения должна зависеть от секретности ключа, но не от секретности алгоритма. Алгоритм должен быть проанализирован специалистами, чтобы исключить наличие слабых мест, при наличии которых плохо скрыта взаимосвязь между незашифрованным и зашифрованным сообщениями.
- алгоритм не должен нарушать секретность ключа, даже если у противника достаточно много пар открытых текстов и соответствующих им шифротекстов, полученных при использовании данного ключа.
Как правило, подразумевается, что участники шифрованного обмена информацией полностью доверяют друг другу, иначе при возникновении споров и разногласий по поводу достоверности сообщения, независимый наблюдатель не сможет сказать кем оно было отправлено.
Симметричные криптосхемы, как правило, характеризуются высокой скоростью шифрования/расшифрования, что позволяет использовать их для быстрого шифрования больших объемов информации. К тому же, с помощью некоторых из них возможно обеспечить все три свойства безопасности информации: конфиденциальность, подлинность, целостность.
- Конфиденциальность передачи зависит от надежности шифра и обеспечения конфиденциальности ключа шифрования.
- Подлинность обеспечивается за счет того, что без предварительного расшифровывания практически невозможно осуществить смысловую модификацию и подлог криптографически закрытого сообщения. Фальшивое сообщение не может быть правильно зашифровано без знания секретного ключа.
- Целостность данных обеспечивается присоединением к передаваемым данным специального кода (имитовставки), вырабатываемой по секретному ключу. Имитовставка является разновидностью контрольной суммы, т. е. некоторой эталонной характеристикой сообщения, по которой осуществляется проверка целостности последнего. Алгоритм формирования имитовставки должен обеспечивать ее зависимость по некоторому сложному криптографическому закону от каждого бита сообщения. Проверка целостности сообщения выполняется получателем сообщения путем выработки по секретному ключу имитовставки, соответствующей полученному сообщению, и ее сравнения с полученным значением имитовставки. При совпадении делается вывод о том, что информация не была модифицирована на пути от отправителя к получателю.
Обладая высокой скоростью шифрования, одноключевые криптосистемы позволяют решать многие важные задачи защиты информации (так, очень эффективно использовать симметричные алгоритмы для шифрования локальных ресурсов, жесткого диска, например). Однако автономное использование симметричных криптосистем в компьютерных сетях порождает проблему распределения ключей шифрования между пользователями.
Практические применения криптографических конструкций, особенности их реализации (Practical issues)
Практическое применение схем шифрования можно увидеть во многих сферах нашей жизни, к примеру, схему ECB используют для шифрования ключей, схемы CBC и CFB используют для аутентификации данных, схему CFB, кроме того, используют для шифрования отдельных символов. Схему OFB нередко используется в каналах с большими помехами (например, спутниковые системы связи). PCBC схему шифрования используют протоколы Kerberos v4 и WASTE
