shkolageo.ru 1


Информационная безопасность

  • Криптографические средства защиты данных


Шифрование

  • Шифрование – использование криптографических сервисов безопасности.

  • Процедура шифрования – преобразование открытого текста сообщения в закрытый.

  • Современные средства шифрования используют известные алгоритмы шифрования. Для обеспечения конфиденциальности преобразованного сообщения используются специальные параметры преобразования – ключи.



Шифрование

  • Криптографические преобразования используются при реализации следующих сервисов безопасности:

    • Собственно шифрование (обеспечение конфиденциальности данных);
    • Контроль целостности;
    • Аутентификация.


Системы криптографической защиты информации

  • Задача средств криптографической защиты информации — преобразование информационных объектов с помощью некоторого обратимого математического алгоритма.

  • Процесс шифрования использует в качестве входных параметров объект – открытый текст и объект – ключ, а результат преобразования — объект – зашифрованный текст. При дешифровании выполняется обратный процесс.

  • Криптографическому методу в ИС соответствует некоторый специальный алгоритм. При выполнении данного алгоритма используется уникальное числовое значение – ключ.

  • Знание ключа позволяет выполнить обратное преобразование и получить открытое сообщения.

  • Стойкость криптографической системы определяется используемыми алгоритмами и степенью секретности ключа.


Криптографические средства защиты данных

  • Для обеспечения защиты информации в распределенных информационных системах активно применяются криптографические средства защиты информации.

  • Сущность криптографических методов заключается в следующем:


Использование средств криптографической защиты для предотвращения угроз ИБ

  • Обеспечение конфиденциальности данных. Использование криптографических алгоритмов позволяет предотвратить утечку информации. Отсутствие ключа у «злоумышленника» не позволяет раскрыть зашифрованную информацию;

  • Обеспечение целостности данных. Использование алгоритмов несимметричного шифрования и хэширования делает возможным создание способа контроля целостности информации.

  • Электронная цифровая подпись. Позволяет решить задачу отказа от информации.

  • Обеспечение аутентификации. Криптографические методы используются в различных схемах аутентификации в распределенных системах (Kerberos, S/Key и др.).


Требования к системам криптографической защиты

  • Криптографические требования

    • Эффективность применения злоумышленником определяется средней долей дешифрованной информации, являющейся средним значением отношения количества дешифрованной информации к общему количеству шифрованной информации, подлежащей дешифрованию, и трудоемкостью дешифрования единицы информации, измеряемой Q числом элементарных опробований.
    • Под элементарными опробованиями понимается операция над двумя n-разрядными двоичными числами. При реализации алгоритма дешифрования может быть использован гипотетический вычислитель, объем памяти которого не превышает M двоичных разрядов. За одно обращение к памяти может быть записано по некоторому адресу или извлечено не более n бит информации. Обращение к памяти по трудоемкости приравнивается к элементарному опробованию.
    • За единицу информации принимается общий объем информации обработанной на одном средстве криптографической защиты в течении единицы времени. Атака злоумышленника является успешной, если объем полученной открытой информации больше некоторого заданного объема V.


Требования к системам криптографической защиты

  • Требования надежности.

  • Средства защиты должны обеспечивать заданный уровень надежности применяемых криптографических преобразований информации, определяемый значением допустимой вероятности неисправностей или сбоев, приводящих к получению злоумышленником дополнительной информации о криптографических преобразованиях.

  • Регламентные работы (ремонт и сервисное обслуживание) средств криптографической защиты не должно приводить к ухудшению свойств средств в части параметров надежности.



Требования к системам криптографической защиты

  • Требование по защите от несанкционированного доступа для средств криптографической информации в составе информационных систем.

  • В автоматизированных информационных системах, для которых реализованы программные или аппаратные средства криптографических защиты информации, при хранении и обработке информации должны быть предусмотрены следующие основные механизмы защиты:

    • идентификация и аутентификация пользователей и субъектов доступа;
    • управление доступом;
    • обеспечения целостности;
    • регистрация и учет.

Требования к системам криптографической защиты

  • Требования к средствам разработки, изготовления и функционирования средств криптографической защиты информации.

  • Аппаратные и программные средства, на которых ведется разработка систем криптографической защиты информации, не должны содержать явных или скрытых функциональных возможностей, позволяющих:

    • модифицировать или изменять алгоритм работы средств защиты информации в процессе их разработки, изготовления и эксплуатации;
    • модифицировать или изменять информационные или управляющие потоки, связанные с функционированием средств;
    • осуществлять доступ посторонних лиц к ключам идентификационной и аутентификационной информации;
    • получать доступ к конфиденциальной информации средств криптографической защиты информации.


Способы шифрования

  • Различают два основных способа шифрования:

    • Симметричное шифрование, иначе шифрование с закрытым ключом;
    • Ассиметричное шифрование, иначе шифрование с открытым ключом;


Шифрование с секретным ключом

  • При симметричном шифровании процесс зашифровывания и расшифровывания использует некоторый секретный ключ.

  • При симметричном шифровании реализуются два типа алгоритмов:

    • Поточное шифрование (побитовое)
    • Блочное шифрование (при шифровании текст предварительно разбивается на блоки, как правило не менее 64 бит)


Шифрование с секретным ключом

  • Выделяют следующие общие принципы построения шифров:

    • электронная кодовая книга (режим простой замены);
    • сцепление блоков шифра (режим гаммирования с обратной связью);
    • обратная связь по шифротексту;
    • обратная связь по выходу (режим гаммирования).


Шифрование с секретным ключом

  • Стандарт шифрования DES.

    • Алгоритм шифрования представляет собой блочный шифр, использующий подстановки, перестановки и сложения по модулю 2, с длиной блока 64 бита и длиной ключа 56 бит.
    • Подстановки и перестановки, используемые в DES фиксированы.

Алгоритм шифрования DES

  • Основные этапы алгоритма шифрования

    • К блоку входного текста применяется фиксированная перестановка IP
    • Для каждого цикла (всего 16) выполняется операция зашифровывания:
      • 64 битный блок разбивается на две половины (левую x” и правую x’) по 32 бита
      • Правая половина x’ разбивается на 8 тетрад по 4 бита. Каждая тетрада по циклическому закону дополняется крайними битами из соседних тетрад до 6-битного слова
      • Полученный 48-битный блок суммируется по модулю 2 с 48 битами подключа, биты которого выбираются на каждом цикле специальным образом из 56 бит, а затем разбиваются на 8 блоков по 6 бит


Алгоритм шифрования DES (продолжение)

      • Каждый из полученных на предыдущем шаге блоков поступает на вход функции фиксированного S-блока, которая выполняет нелинейную замену наборов 6-битных блоков тетрадами
      • Полученные 32 бита подвергаются фиксированной перестановке, результатом которой является полублок Fi(x’)
      • Компоненты правого зашифрованного полублока Fi(x’) суммируется по модулю 2 с компонентами левого полублока x” и меняются местами, т.е. блок (x”, Fi(x’)) преобразуется в блок (x”+Fi(x’),x”)
    • К блоку текста, полученному после всех 16 циклов, применяется обратная перестановка IP-1
    • Результатом является выходной зашифрованный текст


Симметричное шифрование

  • В процессе шифрования и дешифрования используется один и тот же параметр – секретный ключ, известный обеим сторонам

  • Примеры симметричного шифрования:

    • ГОСТ 28147-89
    • DES
    • Blow Fish
    • IDEA
  • Достоинство симметричного шифрования

    • Скорость выполнения преобразований
  • Недостаток симметричного шифрования



Симметричное шифрование



Несимметричное шифрование

  • В несимметричных алгоритмах шифрования ключи зашифровывания и расшифровывания всегда разные (хотя и связанные между собой).

  • Ключ зашифровывания является несекретным (открытым), ключ расшифровывания – секретным.


Несимметричное шифрование

  • Алгоритм шифрования RSA (предложен Р.Ривестом, Э.Шамиром и Л.Адлманом) включает в себя:

    • Пусть заданы два простых числа p и q и пусть n=pq, (n)=(p-1)(q-1). Пусть число e, такое что числа e и (n) взаимно простые, а d – мультипликативно обратное к нему, то есть edmod (n). Числа e и d называются открытым и закрытым показателями соответственно. Открытым ключом является пара (n,e) секретным ключом – d. Множители p и q должны сохраняться в секрете.
    • Таким образом безопасность системы RSA основана на трудности задачи разложения на простые множители.


Несимметричное шифрование

  • Кроме алгоритма RSA часто используемыми алгоритмами несимметричного шифрования являются:

    • Алгоритм Эль-Гамаля (использует простое число p, образующую группы g и экспоненту y=gx(mod p) )
    • Алгоритм шифрования Месси-Омуры (использует простое число p, такое что p-1 имеет большой простой делитель в качестве открытого ключа, секретный ключ определяется в процессе диалога между приемником и источником)


Ассиметричное шифрование

  • В криптографических преобразованиях используется два ключа. Один из них несекретный (открытый) ключ используется для шифрования. Второй, секретный ключ для расшифровывания.

  • Примеры несимметричного шифрования:

    • RSA
    • Алгоритм Эль-Гамаля
  • Недостаток асимметричного шифрования

    • низкое быстродействие алгоритмов (из-за длины ключа и сложности преобразований)
  • Достоинства:

    • Применение асимметричных алгоритмов для решения задачи проверки подлинности сообщений, целостности и т.п.


Сравнение симметричных и несимметричных алгоритмов шифрования

  • Преимущества симметричных алгоритмов:

    • Скорость выполнения криптографических преобразований
    • Относительная легкость внесения изменений в алгоритм шифрования
  • Преимущества несимметричных алгоритмов

    • Секретный ключ известен только получателю информации и первоначальный обмен не требует передачи секретного ключа
    • Применение в системах аутентификации (электронная цифровая подпись)

Проверка подлинности

  • Криптографические методы позволяют контролировать целостность сообщений, определять подлинность источников данных, гарантировать невозможность отказа от совершенных действий

  • В основе криптографического контроля целостности лежат два понятия:

    • Хэш-функция;
    • Электронная цифровая подпись.


Проверка целостности сообщений

  • Контроль целостности потока сообщений помогает обнаружить их повтор, задержку, переупорядочивание или утрату. Для контроля целостности сообщений можно использовать хэш-функцию.

  • Хэш-функция – преобразование преобразующее строку произвольной длины в строку фиксированной длины и удовлетворяющее следующим свойствам:

    • Для каждого значения H(M) невозможно найти аргумент M – стойкость в смысле обращения;
    • Для данного аргумента M невозможно найти аргумент M’,что H(M) = H(M’) – стойкость в смысле возникновения коллизий.
  • Хэш-функция используется:

    • Для создания сжатого образа сообщения, применяемого в ЭЦП;
    • Для защиты пароля;
    • Для построения кода аутентификации сообщений.


Контроль подлинности

  • Электронная цифровая подпись выполняет роль обычной подписи в электронных документах для подтверждения подлинности сообщений – данные присоединяются к передаваемому сообщению, подтверждая подлинность отправителя сообщения.

  • При разработке механизма цифровой подписи возникает три задачи:

    • создание подписи таким образом, чтобы ее невозможно было подделать;
    • возможность проверки того, что подпись действительно принадлежит указанному владельцу.
    • предотвращение отказа от подписи.

Алгоритм формирования электронной цифровой подписи

  • При формировании цифровой подписи по классической схеме отправитель:

    • Применяет к исходному тексту хэш-функцию;
    • Дополняет хэш-образ до длины, требуемой в алгоритме создания ЭЦП;
    • Вычисляет ЭЦП по хэш-образу с использованием секретного ключа создания подписи.
  • Получатель, получив подписанное сообщение, отделяет цифровую подпись от основного текста и выполняет проверку:

    • Применяет к тексту полученного сообщения хэш-функцию;
    • Дополняет хэш-образ до требуемой длины;
    • Проверяет соответствие хэш-образа сообщения полученной цифровой подписи с использованием открытого ключа проверки подписи.


Примеры алгоритмов формирования хэш-функции и ЭЦП

  • В качестве распространенных алгоритмов хэширования можно указать:

    • MD5;
    • SHA;
    • ГОСТ Р34.11-94;
  • Алгоритмы формирования электронной цифровой подписи:

    • RSA;
    • DSA;
    • ГОСТ Р34.10-94


Выбор алгоритмов аутентификации

  • При выборе протоколов аутентификации, необходимо определить, какой тип аутентификации требуется – односторонняя или двусторонняя, наличие доверенной стороны и т.д.

  • Параметры протокола аутентификации:

    • Тип алгоритма (симметричный, несимметричный);
    • Конкретный вид алгоритма;
    • Режим работы;
    • Процедура управления ключами;
    • Совместимость используемых алгоритмов.