Симметричные схемы шифрования. Немножко реальной жизни. Сравнение криптостойкости некоторых систем шифрования

Мы выпустили новую книгу «Контент-маркетинг в социальных сетях: Как засесть в голову подписчиков и влюбить их в свой бренд».

Подписаться

HTTP - это , позволяющий передавать данные. Изначально он создавался для отправки и принятия документов, содержащих внутри ссылки для выполнения перехода на сторонние ресурсы.

Аббревиатура читается как «HyperText Transfer Protocol», что в переводе означает «протокол для передачи ». HTTP относится к группе прикладного уровня на основании специфики, использующейся OSI.

Чтобы лучше понять, что значит HTTP, разберем простую аналогию. Представим, что вы общаетесь с иностранцем в социальной сети. Он отправляет вам сообщение на английском языке, вы его получаете. Но понять содержимое вы не можете, так как не достаточно владеете языком. Чтобы расшифровать сообщение, воспользуетесь словарем. Поняв суть, вы отвечаете иностранцу на русском языке и отправляете ответ. Иностранец получает ответ и с помощью переводчика расшифровывает послание. Если упростить весь механизм, протоколы интернета HTTP выполняют функцию переводчика. С их помощью браузер может переводить зашифрованное содержимое веб-страниц и отображать их содержимое.

Для чего нужен HTTP

Протокол HTTP служит для обмена информацией с помощью клиент-серверной модели. Клиент составляет и передает запрос на сервер, затем сервер обрабатывает и анализирует его, после этого создается ответ и отправляется пользователю. По окончании данного процесса клиент делает новую команду, и все повторяется.

Таким образом, протокол HTTP позволяет осуществлять обмен информацией между различными приложениями пользователей и специальными веб-серверами, а также подключаться к веб-ресурсам (как правило, браузерам). Сегодня описываемый протокол обеспечивает работу всей сети. Протокол передачи данных HTTP применяется и для передачи информации по другим протоколам более низкого уровня, например, WebDAV или SOAP. При этом протокол представляет собой средство для транспортировки. Многие программы также основываются на применении HTTP в качестве основного инструмента для обмена информацией. Данные представляются в различных форматах, к примеру, JSON или XML.

HTTP является протоколом для обмена информацией с помощью соединения IP/ ТСР. Как правило, для этого сервер использует порт 80 типа TCP. Если порт не прописан, программное обеспечение клиента будет использовать порт 80 типа TCP по умолчанию. В некоторых случаях могут использоваться и другие порты.

В протоколе HTTP используется симметричная схема шифрования, в его работе применяются симметричные криптосистемы. Симметричные криптосистемы предполагают использование одного и того же ключа для шифрования и расшифрования информации.

Чем отличается HTTP от HTTPS

Отличие можно обнаружить даже из расшифровок аббревиатур. HTTPS расшифровывается как «защита протокола передачи гипертекста». Таким образом, HTTP - самостоятельный протокол, а HTTPS - расширение для его защиты. По HTTP информация передается незащищенной, а HTTPS обеспечивает криптографическую защиту. Особенно актуально это для ресурсов с ответственной авторизацией. Это могут быть социальные сети или сайты платежных систем.

Чем опасна передача незащищенных данных? Программа-перехватчик может в любой момент передать их злоумышленникам. HTTPS имеет сложную техническую организацию, что позволяет надежно защищать информацию и исключить возможность несанкционированного доступа к ней. Отличие заключается и в портах. HTTPS, как правило, работает с портом 443.

Таким образом, HTTP применяется для передачи данных, а HTTPS позволяет осуществлять защищенную передачу данных с помощью шифрования и выполнять авторизацию на ресурсах с высоким уровнем безопасности.

Дополнительный функционал

HTTP отличается богатым функционалом, он совместим с различными расширениями. Используемая сегодня спецификация 1.1 позволяет применять заголовок Upgrade для переключения и работы через другие протоколы при обмене данными. Для этого пользователь должен отправить запрос серверу с данным заголовком. Если же сервер нуждается в переходе на специфичный обмен по иному протоколу, он возвращает клиенту запрос, в котором отображается статус «426 Upgrade Required».

Данная возможность особенно актуальна для обмена информацией через WebSocket (имеет спецификацию RFC 6455 , позволяет обмениваться данными в любой момент, без лишних HTTP-запросов). Для перехода на WebSocket один пользователь отправляет запрос с заголовком Upgrade и значением «websocket». Далее сервер отвечает «101 Switching Protocols». После этого момента начинается передача информация по WebSocket.

Симметричное шифрование

Шифрование, в котором как для шифровки, так и для расшифровки, используется один и тот же пароль. В противоположность асимметричному шифрованию, в котором для шифровки и расшифровки используются два разных ключа: «открытый» и «закрытый».

Основное преимущество симметричного шифрования перед асимметричным: оно гораздо быстрее (в 1000 раз). Часто используются «гибридные схемы шифрования», когда управляющее соединение создаётся асимметричным шифрованием, а уже по этому каналу стороны договариваются друг с другом, какой симметричный алгоритм шифрования выбрать и каким будет ключ шифрования (сеансовый ключ). Симметричный канал в такой схеме обычно пересоздаётся заново через некоторое время во избежание подбора симметричного пароля (если бы симметричный канал существовал, скажем, несколько лет, то при недостаточно надёжном алгоритме шифрования взломщик вполне мог бы подобрать пароль за это время на каком-нибудь кластере суперкомпьютеров).

Большинство симметричных шифров используют сложную комбинацию большого количества подстановок и перестановок. Многие такие шифры исполняются в несколько (иногда до 80) проходов, используя на каждом проходе «ключ прохода». Множество «ключей прохода» для всех проходов называется «расписанием ключей» (key schedule). Как правило, оно создается из ключа выполнением над ним неких операций, в том числе перестановок и подстановок.

Зачастую стойкость алгоритма, особенно к дифференциальному криптоанализу, зависит от выбора значений в таблицах подстановки (S-блоках). Как минимум считается нежелательным наличие неподвижных элементов S(x) = x, а также отсутствие влияния какого-то бита входного байта на какой-то бит результата — то есть случаи, когда бит результата одинаков для всех пар входных слов, отличающихся только в данном бите.

«Блочные» шифры обрабатывают информацию блоками определённой длины (обычно 64, 128 бит), применяя к блоку ключ в установленном порядке, как правило, несколькими циклами перемешивания и подстановки, называемыми «раундами». Результатом повторения «раундов» является «лавинный эффект» — нарастающая потеря соответствия битов между блоками открытых и зашифрованных данных.

Примеры симметричных алгоритмов шифрования: AES, Twofish.

Алгоритм Диффи-Хеллмана

Вся криптография, построенная даже на самых надёжных симметричных алгоритмах шифрования, имеет одну фундаментальную неразрешимую задачу — задачу первоначального обмена "секретным ключом", которым будет осуществляться симметричное шифрование данных. То есть, для того, чтобы общаться с помощью симметрично-шифрованных каналов придётся сначала встретиться где-то лично и придумать общий "секретный ключ", а потом уже с помощью этого ключа можно будет безопасно общаться друг с другом по сети, используя симметричное шифрование.

Но встречаться лично с каждым, в современном быстронесущемся мире — это физически невозможно.

Эта задача первоначального обмена секретным ключом оставалась нерешённой, пока Диффи и Хеллман не опубликовали свою статью в 1976 году.

Понять идею алгоритма Диффи-Хеллмана можно, посмотрев этот ролик:

Математическое обоснование

Математическое обоснование алгоритма Диффи-Хеллмана использует два вспомогательных тождества.

X mod y — это по определению «остаток от деления x на y». Первое тождество: (x mod y)^z mod y = x^z mod y. Это тождество можно доказать, просто разложив x = a * y + b:

((a * y + b) mod y)^z mod y = b^z mod y

X^z mod y = (a * y + b)^z mod y = b^z mod y, так как скобка разложится по биному Ньютона и все остальные слагаемые с y дадут 0 в остатке от деления на y.

Второе вспомогательное тождество — (x^y)^z = x^(yz) — основано на свойстве перемножения степеней, и легко доказывается простым разложением степени на множители: (x^y)^z = (x, перемноженное y раз), перемноженное z раз = x, перемноженное у*z раз = x^(yz).

Теперь непосредственно описание алгоритма Диффи-Хеллмана. Предположим, есть два абонента: Алиса и Боб. Они соединяются друг с другом по нешифрованному каналу и пересылают друг друга случайно взятые два числа g и p, которые не являются секретными и могут быть подсмотрены кем угодно. Для того, чтобы теперь создать неизвестный более никому секретный ключ, оба абонента генерируют большие случайные числа: Алиса — число a, Боб — число b. Затем Алиса вычисляет значение A = g^a mod p и пересылает его Бобу, а Боб вычисляет B = g^b mod p и передаёт его Алисе. Эти числа так же передаются по нешифрованному каналу, и могут быть подсмотрены кем угодно.

Далее Алиса вычисляет значение B^a mod p = (g^b mod p)^a mod p = g^(ab) mod p, а Боб — вычисляет значение A^b mod p = (g^a mod p)^b mod p = g^(ab) mod p, и это и будет их общий секретный ключ K, который можно использовать для создания симметричного шифрованного канала. Даже если злоумышленник перехватит все передаваемые числа (A, B, g, p), то при достаточно больших выбранных числах p, a и b, он не сможет за разумное время вычислить секретный ключ K по A = g^a mod p и B = g^b mod p.

Требования, предъявляемые к генерируемым числам, таковы (пояснения ниже):

P — достаточно большое простое число
(p - 1) / 2 — тоже простое число
g — первообразный корень по модулю p

(простое число — это чисто, которое не раскладывается на целые множители)

"g — первообразный корень по модулю p" означает, что при всевозможных n выражение g^n mod p образует полный набор чисел от 1 до p - 1, и поэтому (секретный) сеансовый ключ, который вычислят Алиса и Боб, может быть каким угодно: от 1 до p - 1, и подслушивающему придётся перебирать все числа от 1 до p - 1, а это по условию задачи нереально сделать за разумный срок.

Требование простоты числа p выдвинуто потому, что доказано, что для всякого простого числа p существует первообразный корень по модулю p, поэтому для сеанса связи можно выбрать любое случайное простое число.

Требование величины числа p выдвинуто затем, чтобы полный набор чисел от 1 до p - 1 был настолько огромным, чтобы подслушивающий не мог физически их все перебрать в разумный срок.

Требование "(p - 1) / 2 — тоже простое число" введено для повышения безопасности шифрования, так как существует алгоритм дискретного логарифмирования , позволяющий подслушивающему вычислить (секретный) сеансовый ключ за "полиномиальное" время (то есть, "за разумное время") при условии, что число p - 1 раскладывается на небольшие простые множители. Поэтому введено дополнительное требование, чтобы существовало такое простое число q, что p - 1 = 2q, и тогда q будет очень большим простым числом (того же порядка, что и p), и алгоритм вычисления (секретного) сеансового ключа будет выполняться так же "неразумно долго".

Обычно секретные ключи a и b имеют порядок 10^100, а число p — порядок 10^300. Число g не обязано быть большим и обычно имеет значение в пределах десяти.

Стойкость ко взлому алгоритма Диффи-Хеллмана основывается целиком и полностью на не найденности на текущее время разумно быстрого алгоритма .

Алгоритм Диффи-Хеллмана используется для установки соединения в HTTPS (SSL/TLS), VPN и во многих протоколах. В интернете есть слухи о том, что Агентство Национальной Безопасности США нашло эффективный способ взлома этого алгоритма.

Уязвимость

Открытие Диффи и Хеллмана произвело настоящую революцию в криптографии, так как единственная неразрешимая задача была, казалось бы, полностью решена. Однако выяснилось, что такой алгоритм обмена секретным ключом подвержен уязвимости «посредника» (man in the middle): злоумышленник может просто вклиниться в канал передачи данных между Алисой и Бобом и притвориться для Алисы — Бобом, а для Боба — Алисой. При такой схеме злоумышленник создаст два шифрованных канала (с каждым из абонентов), а абоненты будут думать, что есть только один шифрованный канал — между ними двумя. И злоумышленник будет видеть все данные, передаваемые между абонентами, в расшифрованном виде.

Поэтому в дополнение к алгоритму Диффи-Хеллмана требуется некий способ надёжного подтверждения личности обоих абонентов (Алиса должна удостовериться в том, что она установила соединение именно с Бобом, а Боб, в свою очередь, должен удостовериться в том, что на другом конце провода — именно Алиса). Решается эта уязвимость "алгоритмом подписи RSA" и "центрами сертификации".

Асимметричное шифрование

Асимметричным шифрованием называется схема, при которой есть два ключа: один из них «открытый» (он общедоступен), а другой — «закрытый» (он хранится в тайне его обладателем). Например, каждому человеку на Земле, можно выдать личную пару ключей: открытый и закрытый. Открытые ключи всех людей в таком случае будут общедоступны, а свой закрытый ключ каждый человек будет хранить в тайне.

Возникает вопрос: зачем нужна такая схема, и чем она лучше схемы с одним ключом. А особенна эта схема тем, что зашифровать сообщение, предназначенное условному Александру, может любой желающий, просто взяв общедоступный открытый ключ Александра, но уже расшифровать такое сообщение может только сам Александр, потому что расшифровать сообщение, зашифрованное открытым ключом, может только обладатель парного закрытого ключа.

На первый взгляд, какая-то магия. Однако, никакой магии — это просто замечательное математическое открытие.

Диффи-Хеллман для асимметричного шифрования

Алгоритм Диффи-Хеллмана можно немного изменить, и получить некое подобие асимметричного алгоритма шифрования данных (но тем не менее, Диффи-Хеллман создавался не для этого, и он не предназначен для асимметричного шифрования данных).

В этом случае Алиса и Боб не устанавливают канал связи. Вместо этого Алиса выбирает себе значения p и g, вычисляет на их основе своё A, и публикует эти три числа в открытом доступе, называя это своим "открытым ключом". Боб, на основе этих трёх чисел, в точности как в алгоритме Диффи-Хеллмана, вычисляет секретный ключ K, после чего шифрует сообщение любым симметричным алгоритмом, используя K в качестве ключа, и передает шифротекст Алисе вместе со своим значением B. Алиса же, имея B, g и p, также вычисляет секретный ключ K, и может расшифровать и прочесть сообщение, которое ей отправил Боб.

Получилось, что зашифровать сообщение, предназначенное Алисе, может любой желающий, а расшифровать такое сообщение могут только два человека — сам отправитель сообщения (который его и так знает) и получатель сообщения (Алиса).

Получилась такое подобие асимметричного шифрования данных на коленке. В реальности, конечно, лучше доверить асимметричное шифрование данных тому протоколу, который был разработан именно для этой цели. Первым таким протоколом стал RSA.

Алгоритм асимметричного шифрования RSA был изобретён в 1977-ом году тремя учёными из MIT"а. После работы над более чем 40 возможными вариантами, им удалось найти алгоритм, основанный на различии в том, насколько легко находить большие простые числа и насколько сложно раскладывать на множители произведение двух больших простых чисел.

Выбираются два больших простых числа p и q (например, по 2048 битов каждое)
Вычисляется их произведение n = p * q
Вычисляется функция Эйлера φ(n) = (p - 1)(q - 1)
Выбирается целое e (1 < e < φ(n)), взаимно простое с φ(n). Обычно в качестве e берут простые числа, содержащие небольшое количество единичных бит в двоичной записи, например, простые числа Ферма 17, 257 или 65537. Такой трюк позволяет возводить любое число в степень e очень быстро в двоичной системе исчисления (n^(2^k) = ((((n^2)^2)^2)^...)
Вычисляется число d, "мультипликативно обратное" к числу e по модулю φ(n): ed mod φ(n) = 1
Пара (e, n) — это открытый ключ, а d — это закрытый ключ

Теперь Алиса может зашифровать сообщение (число) m, предназначенное Бобу, используя открытый ключ Боба (e, n): c = m^e mod n. И только Боб теперь сможет расшифровать это сообщение m, адресованное ему Алисой: c^d mod n = (m^e mod n)^d mod n = m^(ed) mod n = m (математики говорят, что всё сходится).

Можно заметить, что схема с возведением в степень и делением по модулю здесь очень напоминает алгоритм Диффи-Хеллмана. Важное отличие состоит в том, что вся цепочка операций в алгоритме RSA сохраняет всю первоначальную информацию шифруемого сообщения m. Поэтому алгоритм RSA может использоваться для шифровки и расшифровки сообщений. Алгоритм Диффи-Хеллмана, в свою очередь, не ставит своей задачей сохранение всей исходной информации в ходе цепочки вычислений, и поэтому умеет передавать только производное значение некоего вычисления, имея которое уже можно на местах вычислить единый (сеансовый) ключ шифрования K, который уже в дальнейшем используется каким-нибудь симметричным алгоритмом шифрования для передачи непосредственно сообщений.

Стойкость ко взлому алгоритма RSA основывается целиком и полностью на не найденности на текущее время разумно быстрого алгоритма "факторизации" (разложения целого числа на простые множители).

RSA или Диффи-Хеллман

Можно зашифровать случайно выбранный ключ симметричного шифрования алгоритмом RSA, и послать его на другой конец провода, где его расшифруют, и получится защищённый канал передачи данных.

Можно использовать алгоритм Диффи-Хеллмана для обмена ключом симметричного шифрования, и получится точно такой же защищённый канал передачи данных.

По вычислительной сложности оба алгоритма сравнимы друг с другом.

Цифровая подпись (ЭЦП)

Выше был рассмотрен "алгоритм асимметричного шифрования RSA". Помимо этого алгоритма, под словом "RSA" часто также имеют ввиду другой алгоритм — "алгоритм цифровой подписи RSA", который используется не для шифрования данных, а для их подписи.

Изменим немного рассмотренную выше схему. Пусть Боб, вместо того, чтобы зашифровать сообщение m, предназначенное Алисе, открытым ключом Алисы, зашифрует это сообщение своим закрытым ключом: s(m) = m^d mod n, и отправит это зашифрованное сообщение Алисе. В этом случае Алиса, воспользовавшись открытым ключом Боба, сможет проверить подлинность полученного от него сообщения: m" = s(m)^e mod n (m" и m должны совпадать). Таким образом Алиса может удостовериться, что сообщение отправлено именно Бобом, и не подделано.

Алгоритм цифровой подписи RSA используется в протоколе TLS (он же HTTPS, он же SSL) в связке с алгоритмом обмена ключами Диффи-Хеллмана и алгоритмом симметричного шифрования (например, AES). В этой схеме Диффи-Хеллман служит для безопасного обмена секретным ключом симметричного шифрования передаваемых данных (например, AES), а алгоритм подписи RSA служит для удостоверения личности обоих абонентов во время установки соединения.

На практике, подпись большого объёма данных алгоритмом цифровой подписи RSA — медленная операция, поэтому для оптимизации вычислительных расходов "цифровую подпись" можно брать немного другим образом: сначала от сообщения берётся некий "слепок", называемый "хешем" сообщения, который по своим размерам не превышает заданного количества байтов, и затем уже этот "слепок" ("хеш") полноценно шифруется алгоритмом RSA, и это происходит быстро, т.к. "слепок" ("хеш") очень мал.

В таком случае в полученном шифротексте теряется информация исходного сообщения, и поэтому полученный "слепок" ("хеш") передают адресату вместе с текстом исходного сообщения (в открытом виде, потому что по условиям задачи нет необходимости скрывать от прослушки текст исходного сообщения, и в этом сообщении нет ничего секретного).

Далее, получатель сообщения берёт от него точно таким же способом "слепок" ("хеш"), и сравнивает свой полученный "слепок" ("хеш") с расшифрованным "слепком" ("хешем"), шифротекст которого он получил вместе с текстом сообщения. Если оба "слепка" ("хеша") совпадают — значит, с вероятностью, стремящейся ко 100%, полученное сообщение подлинное: получено именно от того отправителя, и содержит именно тот текст, который написал отправитель.

В ином случае — сразу будет засечено, что кто-то пытался подделать сообщение, и у злоумышленника не получится обмануть получателя. Таким образом, цифровая подпись обеспечивает как подлинность автора сообщения, так и целостность этого сообщения. Только сам автор сообщения может его подписать, и при этом любой желающий может проверить подлинность этой подписи.

Надёжность такой цифровой подписи таким образом зависит как от надёжности алгоритма асимметричного шифрования, так и от надёжности алгоритма взятия "слепка" ("хеша") (и ещё от достоверности открытых ключей).

Хеш — это некоторый массив данных определённой длины, полученной при пропускании исходных данных через алгоритм хеширования. Можно сравнить хеш со слепком или отпечатком информации, с той разницей, что у хеша задача противоположная: чтобы по хешу было невозможно сделать какие-либо выводы о том, какой была исходная информация. Для этого хорошие функции хеширования должны удовлетворять требованию о полной утрате всех статистических закономерностей исходного сообщения. Для этого алгоритм хеширования должен иметь «эффект лавины» — должно происходить сильное изменение хеша при 1-битном изменении входных данных (в идеале должны меняться значения половины всех бит хеша).

С помощью хеша можно проверить целостность данных: если хотя бы один бит данных был изменён (в результате какого-то сетевого сбоя, сбоя дискового хранилища или намеренно злоумышленником), то хеш, взятый от изменённых данных, будет уже совсем другим, и таким образом сразу можно узнать, что данные либо случайно испорчены, либо кто-то пытался их подменить.

Примеры алгоритмов хеширования: SHA, Twofish, Whirlpool.

Сертификаты

Когда Алиса соединяется с кем-то по асимметрично шифрованному каналу, ей нужно каким-то образом быть полностью уверенной в том, что вторая сторона — именно та, за какую себя выдаёт. То есть, если Алиса соединяется с Бобом, то ей нужно каким-то образом по открытому ключу, полученному в ответ (от якобы Боба), быть полностью уверенной в том, что этот открытый ключ принадлежит именно Бобу (что он подлинный).

Такую возможность предоставляет электронная подпись. Есть некое авторитетное лицо, которому все доверяют, и чей открытый ключ у всех где-то изначально записан, и этот записанный ключ точно 100% подлинный и не подвергается сомнению. И далее уже это авторитетное лицо выдаёт «сертификаты» всем желающим, подписывая эти «сертификаты» своим закрытым ключом. Авторитетному лицу все доверяют в том смысле, что оно идеально честное (не обманет), и хранит свой закрытый ключ в идеальной защищённости (и поэтому он не может быть выкран злоумышленниками для подписывания своих "левых" сертификатов).

Выдаваемый абоненту (и подписанный авторитетным лицом) сертификат (X.509) содержит в себе открытый ключ абонента и подробные данные об абоненте (владельце этого открытого ключа): кто этот абонент такой, его адрес электронной почты, когда ключ создан, для какого алгоритма предназначен ключ, когда истекает срок действия ключа и т.д.). Наряду с подписанным сертификатом, абонент получает в пару свой "закрытый ключ", который он будет использовать для электронной подписи и шифрования передаваемых данных.

Авторитетные лица в этой системе называются «доверенными центрами сертификации» («удостоверяющими центрами»). Таких доверенных центров на данное время около 60-ти, и их открытые ключи вшиты во все современные операционные системы и обозреватели интернета (для проверки подлинности электронной подписи сертификатов, получаемых при соединении с сайтами).

Например, когда пользователь соединяется с сайтом https://google.com ("по SSL", он же "TLS"), в ответ ему приходит сертификат ("SSL сертификат"), подписанный каким-либо «доверенным центром сертификации», и полученный сертификат сразу можно проверить на подлинность, проверив его цифровую подпись (обозреватель делает это автоматически). В случае, если сертификат подлинный, и "домен" (google.com), указанный в сертификате, совпадает с тем "доменом" (адресом), на который пользователь пытается зайти, то всё верно, и обозреватель показывает пользователю эту интернет страницу (и в адресной строке появляется значок "защищённого подключения"; обычно это зелёный замок). Если же сертификат не проходит проверку подписи, или если "домен", указанный в сертификате, не совпадает с тем "доменом" (адресом), на который пользователь пытается зайти, то обозреватель не покажет эту интернет страницу, и вместо неё выведет предупреждение о том, что подключение может быть небезопасным, и что возможно злоумышленники пытаются обмануть пользователя.

Поэтому в случае хождения по интернету пользователь обезопасен настолько, насколько подлинными являются его обозреватель интернета и его операционная система: для обхода этой защиты злоумышленнику придётся либо обманом заставить пользователя установить себе в систему обозреватель, в котором либо выключена функциональность подтверждения сайтов (или в который вшит "левый" якобы доверенный сертификат), либо несанкционированно установить в операционной системе пользователя свой "левый" якобы доверенный сертификат.

Стать доверенным центром может любая компания, однако для этого ей придётся ежегодно проходить строгие проверки на безопасность (WebTrust). Основные участники рынка сертификации на ноябрь 2012-ого:

Symantec (владеющая VeriSign"ом, Thawte и Geotrust"ом) с долей в 42.9% рынка
Comodo с долей в 26%
GoDaddy с долей в 14%
GlobalSign с долей в 7.7%

Самым первым центром сертификации была «RSA Data Security», основанная изобретателями алгоритма RSA (хорошо заработали, наверное).

Для того, чтобы получить сертификат для своего сайта ("домена"), требуется пройти скурпулёзную проверку в центре сертификации на предмет того, действительно ли вы являетесь настоящим владельцем этого сайта ("домена").

Если злоумышленникам удастся завладеть вашим закрытым ключом, то ваш сертификат более не сможет обеспечивать вашу подлинность при установке соединения, и об этом следует уведомить организацию, выдавшую вам сертификат. После уведомления, сертификат будет помещён в список недействительных сертификатов (Certificate Revocation Lists, Authority Revocation Lists). Далее обозреватели каждый раз при соединении с сайтом по протоколу HTTPS делают запрос по протоколу Online Certificate Status Protocol для проверки того, не находится ли этот сертификат в списке недействительных сертификатов. Если обнаружится, что этот сертификат более недействителен, то соединение не будет установлено.

Hash-based Message Authentication Code — способ цифровой подписи сообщения "для бедных": не требует наличия сертификатов и интенсивных вычислений. Может использоваться в каких-то простейших случаях, когда использование ЭЦП не целесообразно.

При этом подходе так же вместе с сообщением передаётся "слепок" ("хеш") этого сообщения, который потом проверяется принимающей стороной. В отличие от асимметричного шифрования здесь используется симметричное шифрование, то есть обе стороны заранее знают некий секретный пароль s.

Текст сообщения m смешивается с паролем s по схеме, которую концептуально можно выразить как hash(s + hash(s + m)). При таком подходе достигается наилучшая (на текущее время) криптостойкость подписи.

Шифрование на эллиптических кривых

Через несколько лет после того, как появились на свет алгоритмы Диффи-Хеллмана и RSA, работающие над пространством целых чисел, математики предложили альтернативное пространство чисел для шифрования — эллиптические кривые .

Эллиптической кривой (не имеет никакого отношения к "эллипсу") называется множество всех (точек кривой) решений уравнения:

y^2 + a xy + c y = x^3 + b x^2 + d x + f

Например, для пространства всех действительных (вещественных) x и y можно ввести операцию сложения точек на эллиптической кривой, согласно которой для любых двух точек эллиптической кривой P и Q существует единственная точка R", которую можно найти, проведя через точки P и Q прямую, и отметив точку R" пересечения этой прямой с эллиптической кривой. Также вводится "точка в бесконечности 0", такая, что P + Q + R" = 0. Точка R, симметричная точке R" относительно оси Ox, и будет искомой суммой P + Q.

Введя подобные операции сложения и умножения точек эллиптической кривой, можно получать конечные подмножества точек, лежащих на этой кривой, которые будут образовывать "конечные поля" . В криптографии на эллиптических кривых используются два таких конечных поля: "простые поля нечётной характеристики" и "поля характеристики 2", что бы это ни означало.

Соответственно, поскольку определены операции сложения и умножения, то, как и в случае с обычным пространством целых чисел, можно найти такие алгебраические операции, которые легко производить в одну сторону (как, например, перемножение двух больших простых чисел в алгоритме RSA) и невероятно сложно производить в обратную сторону (как, например, разложение большого числа на произведение двух простых чисел в алгоритме RSA). И используя такие алгебраические операции можно построить полные аналоги уже существующих алгоритмов асимметричного шифрования (RSA, Диффи-Хеллман), но уже исключительно на эллиптических кривых.

Зачем с этим заморочились: на эллиптических кривых пока ещё не нашли алгоритмов "дискретного логарифмирования" (с помощью которых можно взломать шифрование), которые давали бы решение менее чем за "экспоненциальное" время. Поэтому в случае с алгоритмами шифрования на эллиптических кривых можно безопасно использовать ключи шифрования гораздо меньшей длины, чем на тех же самых алгоритмах на пространстве целых чисел, что даёт большую экономию вычислительных ресурсов.

Tor — это способ анонимного доступа к сетевым ресурсам. Можно ходить анонимно в интернет, можно также ходить по ".onion" сайтам, которые анонимно хостятся и доступны только внутри сети Tor"а.

Распространяется Tor в связке с обозревателем Mozilla Firefox, который можно скачать с официального сайта и установить в операционной системе, после чего вся работа через этот "Tor браузер" будет анонимной (по этой причине не следует пользоваться Tor браузером для раскрытия своей настоящей личности: не следует входить через него в свои настоящие учётные записи в социальных сетях, проверять свою настоящую почту и т.п. — оставляйте своё настоящее Я за пределами Tor браузера).

Способ достижения анонимности Tor"а таков. Пользователь устанавливает соединение с Tor сетью, и после этого набирает себе цепочку из трёх случайных промежуточных узлов (называемых "нодами"). Цепочка набирается таким образом, что второй узел выбирается уже после установки соединения с первым выбранным узлом, поэтому дальше первого (входного) узла цепочки настоящий IP-адрес пользователя не просачивается. При этом первый (входной) узел цепочки не имеет никакой возможности определить, что он является именно первым (входным): для него пользователь выглядит точно так же, как и любой другой узел сети Tor"а. Поэтому только последний (выходной) узел цепочки знает, что он выходной, а все остальные узлы цепочки — ничего не знают о своём положении в этой цепочке (за исключением того, что они не являются выходными).

По мере набора цепочки, пользователь и каждый новый узел цепочки генерируют секретный ключ по алгоритму Диффи-Хеллмана. Этот ключ будет использоваться в дальнейшем для симметричного шифрования/расшифровки данных по алгоритму AES на этом узле цепочки. После того, как туннель построен, у пользователя с каждым из узлов цепочки имеется свой секретный ключ симметричного шифрования/расшифровки трафика, который далее я буду называть просто "ключом".

При отправке данных через туннель, пользователь шифрует свой исходящий сетевой трафик три раза: сначала трафик шифруется ключом третьего (выходного) узла цепочки, потом всё это шифруется ключом второго (среднего) узла цепочки, и затем всё это снова шифруется ключом первого (входного) узла цепочки.

Получается подобие луковицы, или матрёшки, когда сердцевина (трафик) обёрнута в несколько слоёв шифрования. Поэтому Tor называют "луковицей" или "луковичной маршрутизацией".

Когда трафик попадает на первый (входной) узел цепочки, этот узел снимает свой (наружный) слой шифрования — расшифровывает полученные данные с помощью своего ключа. Полученные расшифрованные данные всё ещё зашифрованы двумя другими слоями шифрования, которые этот первый (входной) узел цепочки расшифровать не может, так как у него нет соответствующих ключей.

Даже если первый (входной) узел цепочки смог установить личность пользователя по его настоящему IP-адресу, то у этого узла нет никакой возможности узнать ни какие данные пользователь передаёт в сеть, ни на какой адрес в интернете пользователь заходит. К тому же, поскольку с точки зрения любого узла сети Tor нет никакого способа определить, кто с ним соединяется — пользователь или другой такой же узел — то в этом случае первый (входной) узел сам не может знать, что он является первым (входным) узлом, и что это именно данный пользователь заходит на какой-то веб сайт, а не просто его машина выполняет роль такого же обычного узла цепочки для передачи данных какого-то совсем другого пользователя.

Далее, первый (входной) узел цепочки отправляет данные, с которых снят первый слой шифрования, на второй (средний) узел цепочки. Второй (средний) узел цепочки так же снимает свой слой шифрования с трафика, но до сих пор не знает, что там внутри, и теперь уже не знает настоящего IP-адреса пользователя.

Далее, второй (средний) узел цепочки отправляет данные, с которых снят второй слой шифрования, на последний третий (выходной) узел цепочки. Третий (выходной) узел цепочки полностью расшифровывает трафик, снимая с него последний слой шифрования, и направляет этот трафик на нужный сетевой адрес (в интернете или внутри.onion сети). Получается, что третий (выходной) узел, который ещё называется "exit node", может полностью прослушивать трафик, и видит все данные, которые передаются, но при этом он ничего не знает о настоящем IP-адресе пользователя, поэтому не имеет возможности отследить поток трафика обратно к пользователю.

При получении ответа от сайта (в интернете или в.onion сети) весь процесс идёт в обратном направлении: полученный ответ идёт обратно по узлам цепочки, на каждом шаге оборачиваясь слоем шифрования текущего узла. Когда пользователь получает свой ответ от первого (входного) узла, то этот ответ обёрнут теми же самыми слоями шифрования, как и при отправке сообщения, в том же порядке. Пользователь, имея нужные ключи, снимает поочерёдно все слои шифрования с полученного ответа, и видит те данные, которые он запрашивал (из интернета или из.onion сети).

Для повышения безопасности пользователя Tor периодически полностью меняет цепочку узлов (раз в десять минут, если нет активных соединений). Также Tor старается сделать так, чтобы узлы цепочки находились в разных странах, таким образом затрудняя полиции доступ к этим узлам (разные юрисдикции разных стран, бюрократические согласования и т.п.).

Стать узлом ("node") может любой желающий энтузиаст, увеличивая таким образом скорость работы и качество всей сети Tor. Узел может выполнять работу как просто "relay node" (промежуточного узла), так и "exit node" (выходного узла, который непосредственно взаимодействует с интернетом, и за это теоретически могут посадить , как за соучастие в преступлении). На текущее время в сети Tor имеется около 7 000 узлов , 1 000 из которых являются выходными ("exit node").

Для тех, кто хочет закопаться глубоко, есть .

Изначально, концепция "луковой маршрутизации" была придумана в 90-ых годах в лаборатории ВМФ США для обеспечения безопасности сотрудников разведки США, передающих разведданные по интернету. DARPA, явившая миру интернет, тоже впоследствии приложила руку. В начале 2000-ных появилась первая рабочая версия Tor"а, и через пару лет ВМФ США отдали Tor в Open Source, и с тех пор Tor спонсируется всеми желающими как некоммерческая организация (основная часть пожертвований, тем не менее, продолжает идти со стороны правительственных структур США).

Tor через VPN

Те пользователи, которые опасаются случайно попасть на такую цепочку промежуточных узлов, каждый из которых запущен полицией (что дало бы полиции возможность видеть весь трафик в расшифрованном виде, а также узнать настоящий IP-адрес пользователя), могут ходить в Tor сеть через VPN. В таком случае всё, что сможет сделать полиция — это видеть весь трафик и узнать IP-адрес VPN сервера. Если VPN сервис подпадает под юрисдикцию полиции (большинство стран), то он обязан по закону хранить информацию о том, кто и когда к нему подключался, и на какие сайты заходил. Если же VPN сервис расположен в одной из немногих стран, где по каким-то причинам не приняты жёсткие законы о содействии следствию, то такой VPN сервис не обязан (и не будет) хранить информацию о том, кто и когда к нему подключался, и на какие сайты заходил. Более того, полиция может просто не иметь возможности по закону чего-то потребовать от такого VPN сервиса, не сможет установить там свою прослушку и т.п..

Tor hidden services (.onion сайты)

Любой желающий может запустить свой web-сайт в сети Tor. Такие web-сайты называются "скрытыми сервисами" (hidden service) , по той причине, что владелец web-сайта остаётся анонимным (другими словами, теоретически нет возможности узнать настоящий IP-адрес машины, на которой запущен данный web-сайт; гипотетически можно попробовать как-нибудь угадать, анализируя потоки трафика, но это уже вопрос к специалистам по этой теме).

Работает это так: машина, на которой запущен web-сайт, периодически соединяется со случайно выбранными узлами (introduction points) через случайные цепочки промежуточных узлов, и передаёт этим узлам (introduction points) открытый ключ данного web-сайта. Таким образом web-сайт заявляет о своём существовании в сети Tor, и далее всё взаимодействие пользователей с этим web-сайтом можно просто пустить через эти временные узлы (introduction points) по построенным временным цепочкам, и никто не сможет узнать ничьего настоящего IP-адреса.

Как пользователи узнают о существовании web-сайта, и о том, через какие временные узлы (introduction points) можно попасть на этот сайт? В сети Tor запущена распределённая база данных (Distributed Hash Table) , то есть такая общая база данных, которая равномерно размазана по всем узлам сети Tor. В этой базе данных Tor браузер и будет искать, существует ли в сети Tor запрошенный пользователем web-сайт, и если существует, то через какие временные узлы на этот сайт можно попасть.

Кто кладёт эту информацию в распределённую базу данных? Сам этот web-сайт: после того, как он заявил о своём существовании, и соединился со временными узлами, он составляет список этих узлов, и кладёт его в распределённую базу данных, подписав этот список своим закрытым ключом, и приложив рядом свой открытый ключ (для проверки подписи пользователями).

В описанную выше схему добавляют ещё немного безопасности, вводя отдельный тип узлов (rendezvous points) для пересылки трафика на web-сайт и получения трафика с web-сайта. Эти узлы трафика (rendezvous points), в отличие от временных узлов (introduction points), ничего не знают о том, к какому именно web-сайту относится перегоняемый трафик, тем самым внося ещё немного анонимности и защищённости (как пользователей, так и владельцев web-сайтов).

Узел трафика выбирается пользователем случайно, и информация об этом выбранном узле трафика (зашифрованная открытым ключом web-сайта, с добавлением случайно сгенерированного "пароля") пересылается через временные узлы (introduction points) web-сайту. Далее пользователь и web-сайт устанавливают соединение (стандартную цепочку Tor) с этим узлом трафика, и уже потом через него пересылают друг-другу трафик (после проверки пользователем того самого случайно сгенерированного "пароля", отправляемого web-сайтом обратно пользователю — в подтверждение того, что это именно тот web-сайт, а не подделка, потому что расшифровать ранее отправленный пользователем "пароль" может только сам этот web-сайт). В итоге получается объединённая цепочка из 3 + 3 = 6 узлов.

Можно обратить внимание на то, что у web-сайтов.onion "некрасивые" и странные адреса. Сделано это, как и всё другое в сети Tor, для безопасности пользователя. Для того, чтобы получить DNS имя для сайта, нужно сгенерировать себе пару из открытого и закрытого ключа, и дальше с помощью открытого ключа подписать название сайта. Например, можно взять слово "facebook", подписать его своим открытым ключом, и получится доменное имя "facebookcorewwwi.onion", где "corewwwi" — это подпись слова "facebook" открытым ключом данного сайта.

Таким образом, любой посетитель сайта, устанавливающий соединение с сайтом "facebookcorewwwi.onion", при получении открытого ключа сайта в ходе установки соединения сможет самостоятельно убедиться в том, что этот сайт — действительно тот самый, "настоящий", не поддельный, и соответствует именно этому.onion адресу. Поэтому для.onion сайтов в сети Tor нет необходимости в каком-то Едином Центре Сертификации (как делается в обычном интернете для сертификатов SSL), что входило бы в противоречие с изначальным замыслом сети Tor — децентрализация и безопасность.

I2p ("айтупи") — это анонимная сеть, чем-то похожая на Tor. Если основной задачей Tor"а является предоставление анонимного доступа в интернет, то основной задачей i2p является построение полностью независимой от интернета распределённой анонимной сети со своими "скрытыми" сайтами.

Считается, что уровень анонимности в сети i2p выше уровня анонимности в сети Tor.

В этой части рассмотрены следующие вопросы:

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

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

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

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

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

Рисунок 6-6. Шифр перестановки

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

Рисунок 6-7. Связь ключа и алгоритма

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

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

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

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

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


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Сильные стороны:

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

Слабые стороны:

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

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

• RC4 , RC5 и RC6

Ссылки по теме:

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

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

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

Рисунок 6-9. Асимметричная криптосистема

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ниже указаны сильные и слабые стороны алгоритмов с асимметричными ключами:

Сильные стороны

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

Слабые стороны

• Работают гораздо медленнее симметричных систем
• Выполняют сложные математические преобразования

Ниже приведены примеры алгоритмов с асимметричными ключами.

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

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

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

Таблица 6-1. Различия между симметричными и асимметричными системами

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

Ссылки по теме:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Стойкие и эффективные поточные шифры имеют следующие характеристики:

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

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

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


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

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

Совместное использование асимметричных и симметричных алгоритмов

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

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

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

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

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

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

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

Здесь все достаточно просто, вам нужно запомнить следующие аспекты:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Что такое шифрование

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

Особенностью такого вида передачи данных является использование ключа.

Есть три состояния безопасности:

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

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

Бывают два вида шифрования: симметричный и асимметричный.

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

• отправитель шифрует данные;
• получатель расшифровывает.

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

Криптостойкость

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

Существует 2 основных типа криптостойкости системы шифрования.

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

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

Сравнение криптостойкости некоторых систем шифрования

Максимальный размер ключа RSA — 4096 бит.

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

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

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

Симметричное и асимметричное шифрование

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

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

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

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

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

Особенности симметричного шифрования

Симметричная система защита имеет следующие достоинства.

Высокая скорость и простота реализации.

Для обеспечения стойкости шифра используется малая длина ключа.

К недостаткам относится следующее:

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

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

Особенности асимметричного шифрования

Применение пары открытый-закрытый ключ можно использовать как:

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

Имеет такие преимущества:

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

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

Существует очень много примеров симметричной и асимметричной систем шифрования.

Симметричное шифрование — как выглядит?

Пример симметричного шифрования и схема реализации ниже.

Есть два собеседника, которые планируют обменяться конфиденциальной информацией.

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

Сообщение дешифруется ключом d.

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

Существуют классические методы.

Простая и двойная перестановка.

Магический квадрат.

Одиночная перестановка.

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

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

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

Примеры асимметричного шифрования

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

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

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

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

Существует такие основные методы асинхронного шифрования.

Шифр Эль-Гамаля.

RSA

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

Описывается так.

Выбирается два простых числа, например, 3 и 7.

Вычисляется модуль n — произведение двух чисел. Получается 21.

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

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

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

DSA

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

Выбор криптографической хэш-функции H(x).

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

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

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

Выбирается случайное число k от 0 до q.

Вычисляется r = (gk mod p) mod q.

Затем s = k-1(H(m) + xr)) mod q.

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

Схема Эль-Гамаля

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

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

Генерация ключей происходит следующим образом.

Выбирается случайное простое число p.

Число g должно быть первообразным корнем p.

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

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

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

Существуют две методологии криптографической обработки информации с использованием ключей – симметричная и асимметричная.

Симметричная (секретная) методология, гдеи для шифрования, и для расшифровки, отправителем и получателем применяется один и тот же ключ, об использовании которого они договорились до начала взаимодействия (риc. 2.1). Если ключ не был скомпрометирован, то при расшифровании автоматически выполняется аутентификация отправителя, так как только отправитель имеет ключ, с помощью которого можно зашифровать информацию, и только получатель имеет ключ, с помощью которого можно расшифровать информацию. Так как отправитель и получатель – единственные люди, которые знают этот симметричный ключ, при компрометации ключа будет скомпрометировано только взаимодействие этих двух пользователей.

Рис. 2.1

Алгоритмы симметричного шифрования используют ключи не очень большой длины и могут быстро шифровать большие объемы данных.

Доступными сегодня средствами, в которых используется симметричная методология, являются, например, сети банкоматов. Эти системы являются оригинальными разработками владеющих ими банков и не продаются.

Из симметричных алгоритмов шифрования широкое использование получил алгоритм шифрования DES (изобретенный фирмой IBM), который рекомендован в открытых секторах экономики США. Этот алгоритм был изначально обречен на лимитированную продолжительность жизни вследствие ограничения длинны ключа до 56 битов.

В начале 1997 г. алгоритму DES, имеющему ключ в 56 бит, был брошен вызов. 17 июня 1997 г., через 140 дней ключ был расшифрован. Это означало фактическую смерть DES как стандарта шифрования. И действительно, когда в начале 1998 г., следующее соревнование по нахождению ключа DES привело к успеху всего за 39 дней, национальный институт стандартов США (NIST) объявил конкурс на утверждение нового стандарта AES (Advanced Encryption Standard). AES стал полностью открытым симметричным алгоритмом с ключом размером 128, 192, 256 бит.

Положение усугубляется тем, что по законодательству США к экспорту в качестве программных продуктов разрешены системы шифрования с ключом не более 128 бит. То есть, покупая шифросистему с ключом 1024 или 2048 и более бит, надо знать, что при смене ключа активной (изменяющейся) частью будет часть ключа в 128 бит. Симметричные системы шифрования имеют один общий недостаток, состоящий в сложности рассылки ключей. При перехвате ключа третьей стороной такая система криптозащиты будет скомпроментирована. Так при замене ключа его надо конфиденциально переправить участникам процедур шифрования. Очевидно, что этот метод не годится в том случае, когда нужно установить защищенные соединения с тысячами и более абонентов Интернет. Основная проблема состоит в том, как сгенерировать и безопасно передать ключи участникам взаимодействия. Как установить безопасный канал передачи информации между участниками взаимодействия для передачи ключей по незащищенным каналам связи? Отсутствие безопасного метода обмена ключами ограничивает распространение симметричной методики шифрования в Интернет.

Эту проблему постарались разрешить, разработав асимметричную (открытую) методологию шифрования. Она шифрует документ одним ключом, а расшифровывает другим. Каждый из участников передачи информации самостоятельно генерирует два случайных числа (секретный и открытый ключи).

Открытый ключ передается по открытым каналам связи другому участнику процесса криптозащиты, но секретный ключ хранится в секрете.

Отправитель шифрует сообщение открытым ключом получателя , а расшифровать его может только владелец секретного ключа (рис. 2.2).

Рис. 2.2

Открытый ключ не нужно прятать. Неважно кому известен данный ключ, поскольку он предназначен только для шифрования данных. Этот метод пригоден для широкого применения. Если присвоить каждому пользователю в Интернет свою пару ключей и опубликовать открытые ключи как номера в телефонной книге, то практически все смогут обмениваться друг с другом шифрованными сообщениями. Это похоже на коробку с двумя дверцами с разных сторон. Каждая такая дверца имеет свой замок. В коробку кладут документ, запирают, отпирают с другой стороны ключом получателя. При этом используется теория простых чисел. Такой алгоритм криптографической защиты получил название RSA.

Все асимметричные криптосистемы являются объектом атак путем прямого перебора ключей, и поэтому в них должны использоваться гораздо более длинные ключи, чем те, которые используются в симметричных криптосистемах, для обеспечения эквивалентного уровня защиты. Это сразу же сказывается на вычислительных ресурсах, требуемых для шифрования. RSA превратился в промышленный стандарт алгоритма с асимметричными ключами, используемый в бизнесе для цифровой подписи и шифрования.

Симметричные и асимметричные системы шифрования имеют каждая свои достоинства и недостатки. Недостатки симметричной системы шифрования заключаются в сложности замены скомпрометированного ключа, а недостатки асимметричной системы – в относительно низкой скорости работы. По криптостойкости длине ключа в 128 бит симметричной системы соответствует ключ в 2304 бита асимметричной.

В настоящее время распространение получили системы шифрования, использующие комбинированный алгоритм, позволяющий при высокой скорости шифрования, присущей AES использовать открытую пересылку ключей шифрования (как в RSA).

Для того чтобы избежать низкой скорости алгоритмов асимметричного шифрования, генерируется временный симметричный ключ для каждого сообщения. Сообщение шифруется с использованием этого временного симметричного сеансового ключа. Затем этот сеансовый ключ шифруется с помощью открытого асимметричного ключа получателя и асимметричного алгоритма шифрования. Поскольку сеансовый ключ гораздо короче самого сообщения время его шифрования будет сравнительно небольшим. После этого этот зашифрованный сеансовый ключ вместе с зашифрованным сообщением передается получателю (рис. 2.3).

Рис. 2.3

Получатель использует тот же самый асимметричный алгоритм шифрования и свой секретный ключ для расшифровки сеансового ключа, а полученный сеансовый ключ используется для расшифровки самого сообщения (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Криптографические системы с открытым ключом в настоящее время широко применяются в различных сетевых протоколах, в частности, в протоколах TLS и его предшественнике SSL (лежащих в основе HTTPS), в SSH. Также используется в PGP, S/MIME.