С. К. Варлатая, М. В. Шаханова

Криптографические методы и средства обеспечения информационной безопасности

Учебно-методический комплекс

ebooks@prospekt.org

Информация о книге

УДК 614.2

ББК 32.973-018

В18

Авторы: Варлатая С. К., Шаханова М. В.

Рецензенты: 

Корнюшин П. Н., д-р физ.-мат. наук, зав. кафедрой информационной безопасности ДВГУ;

Глушков С. В., канд. техн. наук, профессор, зав. кафедрой АИС МГУ.

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Криптографические методы и средства обеспечения информационной безопасности» включает в себя учебное пособие, рабочую учебную программу по дисциплине, методические рекомендации к выполнению лабораторных работ и контрольно-измерительные материалы.

В пособии собраны основные криптографические методы и средства обеспечения информационной безопасности. В работе изложены математические основы криптографической защиты информации в компьютерных сетях и системах связи. Представлен синтез и анализ криптографических алгоритмов, приведены основные принципы построения криптоалгоритмов и практических приложений в области защиты информации. В данном пособии рассмотрены актуальные вопросы защиты информации при создании и использовании распределенных корпоративных информационных систем. Особое внимание уделено однонаправленным функциям и методам их построения, протоколам цифрового шифрования, аутентификации и методам криптоанализа различных шифров. 

Учебное пособие предназначено как для академической, так и для профессиональной аудитории и может выступать в качестве основы курса «Криптографические методы и средства обеспечения информационной безопасности» для студентов, также материалы пособия могут быть использованы для современных профессиональных образовательных программ повышения квалификации и переподготовки специалистов по защите информации.

УДК 614.2

ББК 32.973-018

© Дальневосточный государственный технический университет, 2008

© ДВФУ, 2015

© ООО "Проспект", электронная версия книги, 2015

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Проблема обеспечения единой политики информационной безопасности крупных организаций во многом обусловлена разнородностью информационных систем (средств) и иерархичностью организационной структуры. Как правило, вопросы безопасности информации автоматизированных систем возлагаются на подсистемы информационной безопасности, реализующие функции безопасности самостоятельно или встроенными средствами самих автоматизированных систем. При этом контроль и обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем остаются за службой, входящей в структуру подразделения, эксплуатирующего или сопровождающего данную систему.

Среди всего спектра методов защиты данных от нежелательного доступа особое место занимают криптографические алгоритмы. В отличие от других методов, они опираются лишь на свойства самой информации и не используют свойства ее материальных носителей, особенности узлов ее обработки, передачи и хранения. Образно говоря, криптографические методы строят барьер между защищаемой информацией и реальным или потенциальным злоумышленником из самой информации.

Криптографические методы защиты информации в автоматизированных системах могут применяться как для защиты информации, обрабатываемой в ЭВМ или хранящейся в различного типа ЗУ, так и для закрытия информации, передаваемой между различными элементами системы по линиям связи. Криптографическое преобразование как метод предупреждения несанкционированного доступа к информации имеет многовековую историю. В настоящее время разработано большое количество различных методов шифрования, созданы теоретические и практические основы их применения. Подавляющие число этих методов может быть успешно использовано и для закрытия информации.

Основные направления использования криптографических алгоритмов – передача конфиденциальной информации по каналам связи (например, электронная почта), установление подлинности передаваемых сообщений, хранение информации (документов, баз данных) на носителях в зашифрованном виде.

Проблема использования криптографических методов в информационных системах (ПС) стала в настоящий момент особо актуальна. С одной стороны, расширилось использование компьютерных сетей, в частности глобальной сети Интернет, по которым передаются большие объемы информации государственного, военного, коммерческого и частного характера, не допускающего возможность доступа к ней посторонних лиц. С другой стороны, появление новых мощных компьютеров, технологий сетевых и нейронных вычислений сделало возможным дискредитацию криптографических систем, еще недавно считавшихся практически не раскрываемыми.

Таким образом, защита данных в крупных компаниях и корпорациях, работающих с секретными данными, является одним из приоритетных направлений работы общей системы безопасности. Такая информация носит статус конфиденциальной. По определению конфиденциальной информацией называется документированная (т.е. зафиксированная на материальном носителе и с реквизитами, позволяющими ее идентифицировать) информация, доступ к которой ограничивается в соответствии с законодательством РФ. У больших предприятий и организаций существуют компьютерные сети, связывающие вместе большие территории и имеющие достаточно сложную структуру, затрудняющую правильное обеспечение защиты конфиденциальной информации. Самым надежным способом защиты таких данных является использование шифрования данных, как хранящихся на компьютере, так и передаваемых по различным каналам связи. Поэтому целью данной работы является разработка многоуровневой системы защиты конфиденциальной информации, каждый уровень которой будет основываться на том или ином методе криптографической защиты информации.

Учебно-методическое пособие ставит своей целью предложить систематический обзор теоретических основ криптографии и ее практических приложений в области защиты информации. В данном пособии освещаются актуальные вопросы защиты информации при создании и использовании распределенных корпоративных информационных систем. Особое внимание уделено проблемам обеспечения информационной безопасности, элементарным методам цифрового шифрования, аутентификации и методам криптоанализа классических шифров.

Учебно-методическое пособие соответствует государственному образовательному стандарту по подготовке студентов высших учебных заведений и может выступать в качестве основы курса «Криптографические методы и средства обеспечения информационной безопасности» для студентов специальностей «Комплексная защита объектов информатизации» и «Информационные системы и технологии», а также как справочная литература.

1. БЕЗОПАСНОСТЬ ИНФОРМАЦИИ В КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМАХ

Для решения задачи комплексной защиты информации необходимо знать, какие существуют угрозы информационной безопасности и какие средства и методы применяются для ее хищения. Для выбора наиболее оптимального метода защиты следует ознакомиться с основными направлениями и способами обеспечения информационной безопасности в настоящее время. В итоге необходимо провести анализ модели уязвимости информации в корпоративной сети с высоким уровнем требований, предъявляемых к конфиденциальной информации для выбора наиболее подходящего для таких целей направления комплексной защиты информации.

1.1. Пути несанкционированного доступа

Архитектура системы обработки данных (СОД) и технология ее функционирования позволяют злоумышленнику находить или специально создавать лазейки для скрытого доступа к информации, причем многообразие и разнообразие даже известных фактов злоумышленных действий дают достаточные основания предполагать, что таких лазеек существует или может быть создано много (рис. 1.1).

Несанкционированный доступ к информации, находящейся в системах обработки данных бывает:

– косвенным – без физического доступа;

– прямым – с физическим доступом.

В настоящее время существуют следующие пути несанкционированного получения информации (каналы утечки информации): применение подслушивающих устройств; дистанционное фотографирование; перехват электромагнитных излучений;

хищение носителей информации и производственных отходов; считывание данных в массивах других пользователей; копирование носителей информации; несанкционированное использование терминалов;

маскировка под зарегистрированного пользователя с помощью хищения паролей и других реквизитов разграничения доступа; использование программных ловушек;

получение защищаемых данных с помощью серии разрешенных запросов;

использование недостатков языков программирования и операционных систем;

преднамеренное включение в библиотеки программ специальных блоков типа “троянских коней”;

незаконное подключение к аппаратуре или линиям связи вычислительной системы;

злоумышленный вывод из строя механизмов защиты.

Рис. 1.1. Пути несанкционированного доступа к информации

1.2. Удаленные атаки на вычислительные системы

Основой любого анализа безопасности компьютерных систем (КС) является знание основных угроз, присущих им. Для успеха подобного анализа представляется необходимым выделение из огромного числа видов угроз обобщенных типов угроз, их описание и классификация.

Безопасность компьютерной сети должна подвергаться анализу – выделение в отдельный класс атак, направленных на компьютерные сети. Данный класс называется класс удаленных атак. Этот подход к классификации представляется правомочным из-за наличия принципиальных особенностей в построении сетевых ОС. Основной особенностью любой сетевой операционной системы является то, что ее компоненты распределены в пространстве и связь между ними физически осуществляется при помощи сетевых соединений и программно при помощи механизма сообщений. При этом все управляющие сообщения и данные, пересылаемые одной компонентой сетевой ОС другой компоненте, передаются по сетевым соединениям в виде пакетов обмена. Эта особенность и является основной причиной появления нового класса угроз – класса удаленных атак.

1.2.1. Классификация удаленных атак на распределенные вычислительные системы

Удаленные атаки можно классифицировать по следующим признакам (рис. 1.2).

По характеру воздействия:

– пассивное;

– активное.

По цели воздействия:

– нарушение конфиденциальности информации либо ресурсов системы;

– нарушение целостности информации;

– нарушение работоспособности (доступности) системы.

По условию начала осуществления воздействия:

– атака по запросу от атакуемого объекта;

– атака по наступлению ожидаемого события на атакуемом объекте;

– безусловная атака.

По наличию обратной связи с атакуемым объектом:

– с обратной связью;

– без обратной связи (однонаправленная атака).

По расположению субъекта атаки относительно атакуемого объекта:

– внутрисегментное;

– межсегментное.

Рис. 1.2. Классификация удаленных атак

По уровню эталонной модели ISО/ОSI, на котором осуществляется воздействие:

– физический;

– канальный;

– сетевой;

– транспортный;

– сеансовый;

– представительный;

– прикладной.

Пассивным воздействием на распределенную вычислительную систему назовем воздействие, которое не оказывает непосредственного влияния на работу системы, но может нарушать ее политику безопасности. Отсутствие непосредственного влияния на работу распределенной ВС приводит к тому, что пассивное удаленное воздействие практически невозможно обнаружить. Примером пассивного типового удаленного воздействия в распределенной ВС служит прослушивание канала связи в сети. Под активным воздействием на распределенную ВС понимается воздействие, оказывающее непосредственное влияние на работу системы (изменение конфигурации распределенной ВС, нарушение работоспособности и т.д.) и нарушающее принятую в ней политику безопасности. Практически все типы удаленных атак являются активными воздействиями. Особенностью активного воздействия по сравнению с пассивным является принципиальная возможность его обнаружения (с большей или меньшей степенью сложности), так как в результате его осуществления в системе происходят определенные изменения. В отличие от активного, при пассивном воздействии не остается никаких следов.

Основная цель практически любой атаки – получить несанкционированный доступ к информации. Существуют две принципиальные возможности доступа к информации: перехват и искажение. Возможность перехвата информации означает получение к ней доступа, но невозможность ее модификации. Следовательно, перехват информации ведет к нарушению ее конфиденциальности. Возможность искажения информации означает либо полный контроль над информационным потоком между объектами системы, либо возможность передачи сообщений от имени другого объекта. Таким образом, очевидно, что искажение информации ведет к нарушению ее целостности. Принципиально другой целью атаки является нарушение работоспособности системы. В этом случае не предполагается получение атакующим несанкционированного доступа к информации. Его основная цель – добиться, чтобы операционная система на атакуемом объекте вышла из строя и для всех остальных объектов системы доступ к ресурсам атакованного объекта был бы невозможен.

Удаленное воздействие, так же как и любое другое, может начать осуществляться только при определенных условиях. В случае атаки по запросу от атакуемого объекта атакующий ожидает передачи от потенциальной цели атаки запроса определенного типа, который и будет условием начала осуществления воздействия. Примером подобных запросов могут служить DNS- и ARP-запросы в сети Internet. В случае атаки по наступлению ожидаемого события на атакуемом объекте атакующий осуществляет постоянное наблюдение за состоянием операционной системы удаленной цели атаки и при возникновении определенного события в этой системе начинает воздействие. Как и в предыдущем случае, инициатором осуществления начала атаки выступает сам атакуемый объект. В случае безусловной атаки начало осуществления атаки безусловно по отношению к цели атаки, т.е. атака осуществляется немедленно и безотносительно к состоянию системы и атакуемого объекта. В этом случае атакующий является инициатором начала осуществления атаки.

Удаленная атака, осуществляемая при наличии обратной связи с атакуемым объектом, характеризуется тем, что на некоторые запросы, переданные на атакуемый объект, атакующему требуется получить ответ, а следовательно, между атакующим и целью атаки существует обратная связь, которая позволяет атакующему адекватно реагировать на все изменения, происходящие на атакуемом объекте. Подобные удаленные атаки наиболее характерны для распределенных ВС. В отличие от атак с обратной связью удаленным атакам без обратной связи не требуется реагировать на какие-либо изменения, происходящие на атакуемом объекте. Атаки данного вида обычно осуществляются передачей на атакуемый объект одиночных запросов, ответы на которые атакующему не нужны. Подобную удаленную атаку также называют однонаправленной удаленной атакой.

С точки зрения удаленной атаки чрезвычайно важно, как по отношению друг к другу располагаются субъект и объект атаки, т.е. в одном или в разных сегментах они находятся. В случае внутрисегментной атаки, как следует из названия, субъект и объект атаки находятся в одном сегменте. При межсегментной атаке субъект и объект атаки находятся в разных сегментах. Данный классификационный признак позволяет судить о так называемой «степени удаленности» атаки. На практике межсегментную атаку осуществить значительно труднее, чем внутрисегментную. Межсегментная удаленная атака представляет гораздо большую опасность, чем внутрисегментная. Это связано с тем, что в случае межсегментной атаки её объект и непосредственно атакующий могут находиться на расстоянии многих тысяч километров друг от друга, что может существенно воспрепятствовать мерам по отражению атаки.

Международная организация по стандартизации (ІSО) приняла стандарт ІSО 7498, описывающий взаимодействие открытых систем (ОSІ). Распределенные ВС также являются открытыми системами. Любой сетевой протокол обмена, как и любую сетевую программу, можно с той или иной степенью точности спроецировать на эталонную семиуровневую модель ОSI. Такая многоуровневая проекция позволит описать в терминах модели ОSI функции, заложенные в сетевой протокол или программу. Удаленная атака также является сетевой программой. В связи с этим представляется логичным рассматривать удаленные атаки на распределенные ВС, проецируя их на эталонную модель ISО/ОSI.

1.2.2. Механизмы реализации типовых удаленных атак

Типовая удаленная атака – это удаленное информационное разрушающее воздействие, программно осуществляемое по каналам связи и характерное для любой распределенной ВС. К удаленным атакам относятся: анализ сетевого трафика, подмена доверенного объекта или субъекта распределенной ВСВ, отказ в обслуживании. Введение этого понятия в совокупности с описанием механизмов реализации типовых удаленных атак позволяет предложить методику исследования безопасности, инвариантную по отношению к виду распределенной ВС. Методика заключается в последовательном осуществлении всех типовых удаленных воздействий в соответствии с предложенным далее их описанием и характеристиками. При этом основным элементом исследования безопасности распределенной ВС является анализ сетевого трафика.

Основной особенностью распределенной ВС является то, что ее объекты распределены в пространстве и связь между ними физически осуществляется по сетевым соединениям и программно – при помощи механизма сообщений. При этом все управляющие сообщения и данные, пересылаемые между объектами распределенной ВС, передаются по сетевым соединениям в виде пакетов обмена. Эта особенность привела к появлению специфичного для распределенных ВС типового удаленного воздействия, заключающегося в прослушивании канала связи, – анализа сетевого трафика (или, сокращенно, сетевого анализа). Анализ сетевого трафика позволяет, во-первых, изучить логику работы распределенной ВС, т.е. получить взаимно однозначное соответствие событий, происходящих в системе, и команд, пересылаемых друг другу ее объектами, в момент появления этих событий (если проводить дальнейшую аналогию с инструментарием хакера, то анализ трафика в этом случае заменяет и трассировщик). Это достигается путем перехвата и анализа пакетов обмена на канальном уровне.

Во-вторых, анализ сетевого трафика позволяет перехватить поток данных, которыми обмениваются объекты распределенной ВС. Таким образом, удаленная атака данного типа заключается в получении на удаленном объекте несанкционированного доступа к информации, которой обмениваются два сетевых абонента. Отметим, что при этом отсутствует возможность модификации трафика и сам анализ возможен только внутри одного сегмента сети.

Для адресации сообщений в распределенных ВС используется сетевой адрес, который уникален для каждого объекта системы (на канальном уровне модели ОSI это аппаратный адрес сетевого адаптера, на сетевом уровне адрес определяется в зависимости от используемого протокола сетевого уровня (например, IР-адрес). Сетевой адрес также может использоваться для идентификации объектов распределенной ВС. Однако сетевой адрес достаточно просто подделывается, и поэтому использовать его в качестве единственного средства идентификации объектов недопустимо. В том случае, когда распределенная ВС использует нестойкие алгоритмы идентификации удаленных объектов, оказывается возможной типовая удаленная атака, заключающаяся в передаче по каналам связи сообщений от имени произвольного объекта или субъекта распределенной ВС. При этом существуют две разновидности данной типовой удаленной атаки:

– атака при установленном виртуальном канале;

– атака без установленного виртуального канала.

В случае установленного виртуального соединения атака будет заключаться в присвоении прав доверенного субъекта взаимодействия, легально подключившегося к объекту системы, что позволит атакующему вести сеанс работы с объектом распределенной системы от имени доверенного субъекта. Реализация удаленных атак данного типа обычно состоит в передаче пакетов обмена с атакующего объекта на цель атаки от имени доверенного субъекта взаимодействия (при этом переданные сообщения будут восприняты системой как корректные). Для осуществления атаки данного типа необходимо преодолеть систему идентификации и аутентификации сообщений, которая, в принципе, может использовать контрольную сумму, вычисляемую с помощью открытого ключа, динамически выработанного при установлении канала, случайные многобитные счетчики пакетов и сетевые адреса станций.

Атака без установленного виртуального соединения заключается в передаче служебных сообщений от имени сетевых управляющих устройств, например от имени маршрутизаторов. В этом случае для идентификации пакетов возможно лишь использование статических ключей, определенных заранее, что довольно неудобно и требует сложной системы управления ключами. Однако при отказе от такой системы идентификация пакетов без установленного виртуального канала будет возможна лишь по сетевому адресу отправителя, который легко подделать.

В том случае, если в распределенной ВС недостаточно надежно решены проблемы идентификации сетевых управляющих устройств (например, маршрутизаторов), возникающие при взаимодействии последних с объектами системы, подобная распределенная система может подвергнуться типовой удаленной атаке, связанной с изменением маршрутизации и внедрением в систему ложного объекта. В том случае, если инфраструктура сети такова, что для взаимодействия объектов необходимо использование алгоритмов удаленного поиска, это также позволяет внедрить в систему ложный объект. Существуют три принципиально разные причины, обусловливающие появление типовой удаленной атаки "Ложный объект распределенной ВС".

А. Внедрение в распределенную ВС ложного объекта путем навязывания ложного маршрута

Современные глобальные сети представляют собой совокупность сегментов сети, связанных между собой через сетевые узлы. При этом маршрутом называется последовательность узлов сети, по которой данные передаются от источника к приемнику. Каждый маршрутизатор имеет специальную таблицу, называемую таблицей маршрутизации, в которой для каждого адресата указывается оптимальный маршрут. Отметим, что таблицы маршрутизации существуют не только у маршрутизаторов, но и у любых хостов в глобальной сети. Для обеспечения эффективной и оптимальной маршрутизации в распределенных ВС применяются специальные управляющие протоколы, позволяющие маршрутизаторам обмениваться информацией друг с другом (RIP (Routing Internet Protocol), OSPF (Open Shortest Path First)), уведомлять хосты о новом маршруте (ICMP (Internet Control Message Protocol)), удаленно управлять маршрутизаторами (SNMP (Simple Network Management Protocol)). Важно отметить, что все описанные выше протоколы позволяют удаленно изменять маршрутизацию в сети Internet, т.е. являются протоколами управления сетью, поэтому маршрутизация в глобальных сетях играет важнейшую роль и, как следствие этого, может подвергаться атаке. Основная цель атаки, связанной с навязыванием ложного маршрута, состоит в том, чтобы изменить исходную маршрутизацию на объекте распределенной ВС так, чтобы новый маршрут проходил через ложный объект – хост атакующего. Реализация данной типовой удаленной атаки состоит в несанкционированном использовании протоколов управления сетью для изменения исходных таблиц маршрутизации. Для изменения маршрутизации атакующему необходимо послать по сети определенные данными протоколами управления сетью специальные служебные сообщения от имени сетевых управляющих устройств (например, маршрутизаторов). В результате успешного изменения маршрута атакующий получит полный контроль над потоком информации, которой обмениваются два объекта распределенной ВС, и атака перейдет во вторую стадию, связанную с приемом, анализом и передачей сообщений, получаемых от дезинформированных объектов распределенной ВС.

Б. Внедрение в распределенную ВС ложного объекта путем использования недостатков алгоритмов удаленного поиска

В распределенной ВС часто оказывается, что ее удаленные объекты изначально не имеют достаточно информации, необходимой для адресации сообщений. Обычно такой информацией являются аппаратные (адрес сетевого адаптера) и логические (IР-адрес, например) адреса объектов распределенной ВС. Для получения подобной информации в распределенных ВС используются различные алгоритмы удаленного поиска, заключающиеся в передаче по сети специального вида поисковых запросов, и в ожидании ответов на запрос с искомой информацией. После получения ответа на запрос запросивший субъект распределенной ВС обладает всеми необходимыми данными для адресации. Руководствуясь полученными из ответа сведениями об искомом объекте, запросивший субъект распределенной ВС начинает адресоваться к нему. В случае использования распределенной ВС механизмов удаленного поиска существует возможность на атакующем объекте перехватить посланный запрос и послать на него ложный ответ, где указать данные, использование которых приведет к адресации на атакующий ложный объект. В дальнейшем весь поток информации между субъектом и объектом взаимодействия будет проходить через ложный объект распределенной ВС.

Другой вариант внедрения в распределенную ВС ложного объекта использует недостатки алгоритма удаленного поиска и состоит в периодической передаче на атакуемый объект заранее подготовленного ложного ответа без приема поискового запроса. В самом деле, атакующему для того, чтобы послать ложный ответ, не всегда обязательно дожидаться приема запроса. При этом атакующий может спровоцировать атакуемый объект на передачу поискового запроса, и тогда его ложный ответ будет немедленно иметь успех.

В. Использование ложного объекта для организации удаленной атаки на распределенную ВС

Получив контроль над проходящим потоком информации между объектами, ложный объект распределенной ВС может применять различные методы воздействия на перехваченную информацию. В связи с тем что внедрение в распределенную ВС ложного объекта является целью многих удаленных атак и представляет серьезную угрозу безопасности распределенной ВС в целом, то в следующих пунктах будут подробно рассмотрены методы воздействия на информацию, перехваченную ложным объектом.

Селекция потока информации и сохранение ее на ложном объекте распределенной ВС

Одной из атак, которую может осуществлять ложный объект распределенной ВС, является перехват передаваемой между субъектом и объектом взаимодействия информации. Важно отметить, что факт перехвата информации (файлов, например) возможен из-за того, что при выполнении некоторых операций над файлами (чтение, копирование и т.д.) содержимое этих файлов передается по сети, а значит, поступает на ложный объект. Простейший способ реализации перехвата – это сохранение в файле всех получаемых ложным объектом пакетов обмена.

Модификация информации

Одной из особенностей любой системы воздействия, построенной по принципу ложного объекта, является то, что она способна модифицировать перехваченную информацию. Следует особо отметить, что это один из способов, позволяющих программно модифицировать поток информации между объектами распределенной ВС с другого объекта.

Существует два вида модификации информации:

– модификация передаваемых данных;

– модификация передаваемого кода.

Одной из функций, которой может обладать система воздействия, построенная по принципу "ложный объект", является модификация передаваемых данных. В результате селекции потока перехваченной информации и его анализа система может распознавать тип передаваемых файлов (исполняемый или текстовый). В случае обнаружения текстового файла или файла данных появляется возможность модифицировать проходящие через ложный объект данные. Особую угрозу эта функция представляет для сетей обработки конфиденциальной информации. Другим видом модификации может быть модификация передаваемого кода. Ложный объект, проводя семантический анализ проходящей через него информации, может выделять из потока данных исполняемый код. Известный принцип неймановской архитектуры гласит, что не существует различий между данными и командами. Следовательно, для того, чтобы определить, что передается по сети – код или данные, необходимо использовать определенные особенности, свойственные реализации сетевого обмена в конкретной распределенной ВС, или некоторые особенности, присущие конкретным типам исполняемых файлов в данной локальной ОС.

Подмена информации

Ложный объект позволяет не только модифицировать, но и подменять перехваченную им информацию. Если модификация информации приводит к ее частичному искажению, то подмена – к ее полному изменению. При возникновении в сети определенного контролируемого ложным объектом события одному из участников обмена посылается заранее подготовленная дезинформация. При этом такая дезинформация в зависимости от контролируемого события может быть воспринята либо как исполняемый код, либо как данные. Предположим, что ложный объект контролирует событие, которое состоит в подключении пользователя к серверу. В этом случае он ожидает, например, запуска соответствующей программы входа в систему. В случае, если эта программа находится на сервере, то при ее запуске исполняемый файл передается на рабочую станцию. Вместо того, чтобы выполнить данное действие, ложный объект передает на рабочую станцию код заранее написанной специальной программы – захватчика паролей. Эта программа выполняет визуально те же действия, что и настоящая программа входа в систему, например, запрашивая имя и пароль пользователя, после чего полученные сведения посылаются на ложный объект, а пользователю выводится сообщение об ошибке. При этом пользователь, посчитав, что он неправильно ввел пароль (пароль обычно не отображается на экране), снова запустит программу подключения к системе (на этот раз настоящую) и со второго раза получит доступ. Результат такой атаки – имя и пароль пользователя, сохраненные на ложном объекте.

Одной из основных задач, возлагаемых на сетевую ОС, функционирующую на каждом из объектов распределенной ВС, является обеспечение надежного удаленного доступа с любого объекта сети к данному объекту. В общем случае в распределенной ВС каждый субъект системы должен иметь возможность подключиться к любому объекту распределенной ВС и получить в соответствии со своими правами удаленный доступ к его ресурсам. Сетевая операционная система способна иметь только ограниченное число открытых виртуальных соединений и отвечать лишь на ограниченное число запросов. Эти ограничения зависят от различных параметров системы в целом, основными из которых являются быстродействие ЭВМ, объем оперативной памяти и пропускная способность канала связи (чем она выше, тем больше число возможных запросов в единицу времени). Основная проблема состоит в том, что при отсутствии статической ключевой информации в распределенной ВС идентификация запроса возможна только по адресу его отправителя. Если в распределенной ВС не предусмотрено средств аутентификации адреса отправителя, то инфраструктура распределенной ВС позволяет с одного объекта системы передавать на другой атакуемый объект бесконечное число анонимных запросов на подключение от имени других объектов, то в этом случае будет иметь успех типовая удаленная атака "Отказ в обслуживании". Результат применения этой удаленной атаки – нарушение на атакованном объекте работоспособности соответствующей службы предоставления удаленного доступа, т.е. невозможность получения удаленного доступа с других объектов распределенной ВС. Вторая разновидность этой типовой удаленной атаки состоит в передаче с одного адреса такого количества запросов на атакуемый объект, какое позволит трафик (направленный "шторм" запросов). В этом случае, если в системе не предусмотрены правила, ограничивающие число принимаемых запросов с одного объекта (адреса) в единицу времени, то результатом этой атаки может являться как переполнение очереди запросов и отказа одной из телекоммуникационных служб, так и полная остановка компьютера из-за невозможности системы заниматься ничем другим, кроме обработки запросов. И последней, третьей, разновидностью атаки "Отказ в обслуживании" является передача на атакуемый объект некорректного, специально подобранного запроса. В этом случае при наличии ошибок в удаленной системе возможно зацикливание процедуры обработки запроса, переполнение буфера с последующим зависанием системы.

1.3. Основные механизмы защиты информации в системах обработки данных

Для решения проблемы защиты информации основными средствами, используемыми для создания механизмов защиты, принято считать технические и программные средства.

Технические средства реализуются в виде электрических, электромеханических, электронных устройств. Всю совокупность технических средств принято делить на аппаратные – устройства, встраиваемые непосредственно в аппаратуру, или устройства, которые сопрягаются с аппаратурой СОД по стандартному интерфейсу (схемы контроля информации по четности, схемы защиты полей памяти по ключу, специальные регистры), – и физические – реализуются в виде автономных устройств и систем (электронно-механическое оборудование охранной сигнализации и наблюдения, замки на дверях, решетки на окнах). Программные средства – программы, специально предназначенные для выполнения функций, связанных с защитой информации.

Анализируя развитие концепции защиты информации, можно сделать вывод, что использование какого-либо одного из вышеуказанных способов защиты не обеспечивает надежного сохранения информации. Необходим комплексный подход к использованию и развитию всех средств и способов защиты информации (рис. 1.3).

На приведенной структурной схеме (рис. 1.3) приведены основные способы и средства, обеспечивающие комплексную защиту информации.

1. Препятствие – физически преграждает злоумышленнику путь к защищаемой информации (на территорию и в помещения с аппаратурой, носителям информации).

2. Управление доступом – способ защиты информации регулированием использования всех ресурсов системы (технических, программных средств, элементов данных). Управление доступом включает следующие функции защиты:

– идентификацию пользователей, персонала и ресурсов системы, причем под идентификацией понимается присвоение каждому названному выше объекту персонального имени, кода, пароля и опознание субъекта или объекта про предъявленному им идентификатору;

– проверку полномочий, заключающуюся в проверке соответствия дня недели, времени суток, а также запрашиваемых ресурсов и процедур установленному регламенту;

– разрешение и создание условий работы в пределах установленного регламента;

– регистрацию обращений к защищаемым ресурсам;

– реагирование (задержка работ, отказ, отключение, сигнализация) при попытках несанкционированных действий.

Рис. 1.3. Способы и средства защиты информации в системе обработки данных

3. Маскировка – способ защиты информации с СОД путем ее криптографического закрытия. При передаче информации по линиям связи большой протяженности криптографическое закрытие является единственным способом надежной ее защиты.

4. Регламентация – заключается в разработке и реализации в процессе функционирования СОД комплексов мероприятий, создающих такие условия автоматизированной обработки и хранения в СОД защищаемой информации, при которых возможности несанкционированного доступа к ней сводились бы к минимуму. Для эффективной защиты необходимо строго регламентировать структурное построение СОД (архитектура зданий, оборудование помещений, размещение аппаратуры), организацию и обеспечение работы всего персонала, занятого обработкой информации.

5. Принуждение – пользователи и персонал СОД вынуждены соблюдать правила обработки и использования защищаемой информации под угрозой материальной, административной или уголовной ответственности.

Рассмотренные способы защиты информации реализуются применением различных средств защиты. Различают технические, программные, организационные, законодательные и морально-этические средства.

Организационными средствами защиты называются организационноправовые мероприятия, осуществляемые в процессе создания и эксплуатации СОД для обеспечения защиты информации. Организационные мероприятия охватывают все структурные элементы СОД на всех этапах: строительство помещений, проектирование системы, монтаж и наладка оборудования, испытания и проверки, эксплуатация. К законодательным средствам защиты относятся законодательные акты страны, которыми регламентируются правила использования и обработки информации ограниченного доступа и устанавливаются меры ответственности за нарушение этих правил. К моральноэтическим средствам защиты относятся всевозможные нормы, которые сложились традиционно или складываются по мере распространения вычислительных средств в данной стране или обществе. Эти нормы большей частью не являются обязательными, как законодательные меры, однако их несоблюдение ведет обычно к потере авторитета, престижа человека или группы лиц.

Все рассмотренные средства защиты делятся:

– на формальные – выполняющие защитные функции строго по заранее предусмотренной процедуре и без непосредственного участия человека;

– неформальные – такие средства, которые либо определяются целенаправленной деятельностью людей, либо регламентируют эту деятельность.

1.3.1. Идентификация и установление личности

Так как функционирование всех механизмов ограничения доступа, использующих аппаратные средства или средства математического обеспечения, основано на предположении, что пользователь представляет собой конкретное лицо, то должен существовать некоторый механизм установления его подлинности. Этот механизм может быть основан на выявлении того, что знает только данный пользователь или имеет при себе, или на выявлении некоторых особенностей самого пользователя. При использовании замков и электрических или механических кнопочных систем применяются комбинации наборов знаков. Такая система, используемая для регулирования доступа к ЭВМ, называется системой паролей. Недостаток этой системы состоит в том, что пароли могут быть украдены (при этом пользователь может и не заметить потери), забыты или переданы. Для уменьшения опасности, связанной с кражей паролей, последние должны часто изменяться, что создает проблемы формирования и распределения паролей. Аналогичный метод, называемый “рукопожатием”, предусматривает успешное выполнение некоторого алгоритма в качестве условия доступа к системе. В процессе “рукопожатия” пользователь должен обменяться с алгоритмом последовательностью паролей (они должны быть названы правильно и в правильной последовательности), хотя сам пользователь не знает алгоритма. Установление подлинности с помощью паролей вследствие своей простоты нашло наиболее широкое применение в вычислительных системах. Пользователь может иметь при себе стандартный ключ или специальную карточку с нанесенным на нее, например, оптическим, магнитным или другим кодом. Разработаны знаковые системы, которые основаны на изучении образца подчерка или подписи пользователя. Существуют системы, в которых для установления личности применяют геометрические характеристики руки или спектрограммы голоса пользователя. Также существуют системы, которые используют отпечатки пальцев пользователя и сравнивают их с хранящимися образцами.

1.3.2. Меры защиты против электронного и электромагнитного перехвата

Подключение к линиям связи может быть осуществлено двумя способами. При пассивном подключении злоумышленник только прослушивает передаваемые данные, тогда как при активном подключении он передает некоторые собственные данные либо в конце законно передаваемых данных, либо вместо них. Основной мерой противодействия подключениям к линиям связи является шифрование сообщений. Кроме того, так как единственными местами, где легко подключиться к линии передачи данных, являются точки внутри помещений, где расположено передающее или приемное оборудование, линии передачи данных и кабельные шкафы должны надежно охраняться. Подключение к внешним участкам линий связи вынуждает вести передачу данных с высокой степенью уплотнения, что является малоэффективной и дорогостоящей операцией. Вполне реальной угрозой является перехват электромагнитного излучения от ЭВМ или терминала. Правда, вследствие использования режима мультипрограммирования, когда одновременно обрабатывается несколько заданий пользователей, данные, полученные таким путем от большинства вычислительных систем, очень трудно поддаются дешифрованию. Однако подслушивание терминалов вполне реально, особенно в пределах дальности порядка 6 м. Трудность выполнения этой операции быстро возрастает с расстоянием, так что подслушивание с расстояния, превышающего 45 м, становится крайне дорогостоящей операцией. При использовании более дорогой аппаратуры можно усилить и слабый сигнал. Например, большинство терминалов с ЭЛТ регенерируют отображаемую информацию через короткие интервалы времени. Следовательно, применяя сложные методы, можно совместно обработать и использовать данные нескольких циклов генерации.

1.4. Модель уязвимости информации

На рис. 1.4 приведена обобщенная схема глобальной корпоративной сети большого предприятий на примере ОАО «Дальневосточная сетевая распределительная компания».

Приведенная корпоративная сеть имеет достаточно сложную структуру. На рисунке показано, что центром является главное отделение (на примере ОАО «ДРСК» – отделение в г. Благовещенск). Также имеется ряд филиалов, различными способами связанных с центральным отделением – собственный оптоволоконный канал, выделенный неким провайдером оптоволоконный канал, VPN-соединение через глобальную сеть Интернет. В свою очередь, каждый из филиалов имеет свои местные отделения, связанные с ним подобным образом. Загруженность связывающих в единое целое каналов достаточно велика – это, как правило, бухгалтерская и материальная отчетность (обмены в программах, подобных 1С, происходят минимум один раз в сутки), а также корпоративная почта. Помимо этого в каждом филиале и каждом местном отделении имеется выход в Интернет. Все это создает достаточно большое количество опасных мест, где данные и передача информации попадают под угрозу хищения или преднамеренного изменения.

Рис. 1.4. Обобщенная схема корпоративной сети

Таким образом, на основе проведенного анализа с учетом основных угроз безопасности информации и методов защиты от этих угроз можно представить модель уязвимости информации корпоративной сети с большим уровнем требований, предъявляемых к конфиденциальной информации (рис. 1.5).

Во-первых, это каналы передачи данных между филиалами и отделениями. Здесь речь идет о каналах, предоставляемых провайдерами, либо о каналах, использующих в качестве среды передачи данных Интернет. В таких каналах злоумышленник имеет возможность для перехвата передаваемой информации. Наиболее оптимальное решение – передача данных в таком виде, чтобы даже при получении к ней доступа злоумышленником он не смог ее правильно распознать, т.е. использование шифрования для передаваемых данных.

Рис. 1.5. Модель уязвимости информации в корпоративной сети

Во-вторых, использование корпоративной почты. Большие организации имеют свои почтовые серверы, а для передачи сообщений используются либо выделенные каналы, либо сеть Интернет.

В-третьих, хранение конфиденциальной информации на локальных машинах.

В-четвертых, использование глобальной сети Интернет. Здесь речь идет в основном об использовании Интернет в качестве глобальной информационной базы.

В целях наиболее надежной защиты информации следует использовать в каждом из этих проблемных мест методы защиты, основанные на криптографии. Это обусловлено тем, что при использовании криптографических методов защиты информации, помимо общих условий, предъявляемых к защите конфиденциальной информации (разграничение доступа, использование парольной защиты и т.д.), такие методы даже при условии хищения данных продолжают выполнять функцию защиты информации – не дают злоумышленнику доступа к смысловому содержимому данных – непосредственно самой информации.

Итак, развитие аппаратных и программных средств, распространение локальных и глобальных сетей привели к возрастанию количества видов и способов осуществления нарушения безопасности информации, что создало предпосылки для изменения требований к средствам защиты.

Управление доступом. Компьютерные системы теперь напрямую интегрированы в информационные структуры современного общества; следовательно, управление доступом должно учитывать современные формы представления информации (гипертекст, мультимедиа и т.д.), а системы защиты должны обеспечивать безопасность на уровне информационных ресурсов, а не отдельных документов или сообщений.

Идентификация и аутентификация. Развитие сетей и Шете! диктует необходимость добавления идентификации и аутентификации удаленных пользователей. Причем, поскольку проблема стоит именно в глобальном масштабе, эти средства должны обеспечивать идентификацию и аутентификацию объектов и субъектов, находящихся в разных частях планеты и функционирующих на различных аппаратных платформах и в разных операционных системах.

Кроме того, от защиты требуются совершенно новые функции, а именно механизмы, обеспечивающие безопасность системы в условиях возможного появления в виде программ, осуществляющих деструктивные действия, компьютерных вирусов и автоматизированных средств взлома. На первый взгляд кажется, что проблема решается средствами разграничения доступа, однако это не так, что подтверждается известными случаями распространения компьютерных вирусов в «защищенных» системах.

Для того чтобы быть жизнеспособными и не вступать в безнадежный конфликт с существующими информационными технологиями, системы безопасности должны по мере возможности сохранять совместимость с популярными в настоящее время системами.

Таким образом, в данной главе рассмотрены основные пути несанкционированного доступа к информации. Он может быть как косвенным, без непосредственного физического доступа к информации, так и прямым, с физическим доступом к конфиденциальной информации. Дана подробная классификация удаленных атак, на основе которой были описаны характеристика и механизмы реализации типовых удаленных атак – удаленных информационных разрушающих воздействий, программно осуществляемых по каналам связи и характерных для любой распределенной ВС. К удаленным атакам относятся: анализ сетевого трафика, подмена доверенного объекта или субъекта распределенной ВСВ, отказ в обслуживании. Также кратко рассмотрены и проанализированы основные методы и способы защиты информации, существующие в настоящее время. Все средства защиты делятся на два основных класса – технические и программные средства. На основе этого анализа было выбрано наиболее походящее направление защиты данных – различные методы криптографии. В конце главы рассмотрена обобщенная схема многоуровневой корпоративной сети и представлена модель уязвимости конфиденциальной информации в глобальной корпоративной сети, состоящая из четырех основных компонентов, представляющих угрозу информации: каналы передачи данных между удаленными филиалами, использование корпоративной почты, хранение конфиденциальной информации на локальных компьютерах и использование глобальной сети Интернет.

2. КРИПТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ

Использование криптографии в настоящее время является одним из самых надежных способов сохранить важную информацию. Невозможность сразу получить нужную злоумышленнику информацию, даже при условии получения доступа к зашифрованным данным, – вот отличительная особенность методов защиты, основанных на криптографии. Это наиболее подходящий и оптимальный способ защиты конфиденциальной информации для компаний и предприятий с большим территориальным разделением, когда нет полноценного контроля за соблюдением других правил информационной безопасности, в частности за разграничением доступа к данным. Какой из криптографических методов выбрать для сохранности своих данных, программно-аппаратный комплекс, простую программную реализацию или использование того или иного криптопротокола, – главный вопрос, стоящий перед отделом информационной безопасности любой компании, остановившей свой выбор на криптографии. Это обусловлено тем, насколько оправдано использование таких методов, которые в большинстве случаев очень дороги.

2.1. Классификация методов криптографического преобразования информации

Под криптографической защитой информации понимается такое преобразование исходной информации, в результате которого она становится недоступной для ознакомления и использования лицами, не имеющими на это полномочий.

Известны различные подходы к классификации методов криптографического преобразования информации. По виду воздействия на исходную информацию методы криптографического преобразования информации могут быть разделены на четыре группы (рис. 2.1).

Процесс шифрования заключается в проведении обратимых математических, логических, комбинаторных и других преобразований исходной информации, в результате которых зашифрованная информация представляет собой хаотический набор букв, цифр, других символов и двоичных кодов.

Для шифрования информации используются алгоритм преобразования и ключ. Как правило, алгоритм для определенного метода шифрования является неизменным. Исходными данными для алгоритма шифрования служат информация, подлежащая зашифрованию, и ключ шифрования. Ключ содержит управляющую информацию, которая определяет выбор преобразования на определенных шагах алгоритма и величины операндов, используемых при реализации алгоритма шифрования.

Рис. 2.1. Классификация методов криптографического преобразования информации

В отличие от других методов криптографического преобразования информации, методы стеганографии позволяют скрыть не только смысл хранящейся или передаваемой информации, но и сам факт хранения или передачи закрытой информации. В компьютерных системах практическое использование стеганографии только начинается, но проведенные исследования показывают ее перспективность. В основе всех методов стеганографии лежит маскирование закрытой информации среди открытых файлов. Обработка мультимедийных файлов в компьютерных системах открыла практически неограниченные возможности перед стеганографией.

Существует несколько методов скрытой передачи информации. Одним из них является простой метод скрытия файлов при работе в операционной системе MS DOS. За текстовым открытым файлом записывается скрытый двоичный файл, объем которого много меньше текстового файла. В конце текстового файла помещается метка EOF (комбинация клавиш Control и Z). При обращении к этому текстовому файлу стандартными средствами ОС считывание прекращается по достижении метки EOF и скрытый файл остается недоступен. Для двоичных файлов никаких меток в конце файла не предусмотрено. Конец такого файла определяется при обработке атрибутов, в которых хранится длина файла в байтах. Доступ к скрытому файлу может быть получен, если файл открыть как двоичный. Скрытый файл может быть зашифрован. Если кто-то случайно обнаружит скрытый файл, то зашифрованная информация будет воспринята как сбой в работе системы.

Графическая и звуковая информация представляются в числовом виде. Так, в графических объектах наименьший элемент изображения может кодироваться одним байтом. В младшие разряды определенных байтов изображения в соответствии с алгоритмом криптографического преобразования помещаются биты скрытого файла. Если правильно подобрать алгоритм преобразования и изображение, на фоне которого помещается скрытый файл, то человеческому глазу практически невозможно отличить полученное изображение от исходного. Очень сложно выявить скрытую информацию и с помощью специальных программ. Наилучшим образом для внедрения скрытой информации подходят изображения местности: фотоснимки со спутников, самолетов и т.п. С помощью средств стеганографии могут маскироваться текст, изображение, речь, цифровая подпись, зашифрованное сообщение. Комплексное использование стеганографии и шифрования многократно повышает сложность решения задачи обнаружения и раскрытия конфиденциальной информации.

Содержанием процесса кодирования информации является замена смысловых конструкций исходной информации (слов, предложений) кодами. В качестве кодов могут использоваться сочетания букв, цифр, букв и цифр. При кодировании и обратном преобразовании используются специальные таблицы или словари.

Кодирование информации целесообразно применять в системах с ограниченным набором смысловых конструкций. Такой вид криптографического преобразования применим, например, в командных линиях АСУ. Недостатком кодирования конфиденциальной информации является необходимость хранения и распространения кодировочных таблиц, которые необходимо часто менять, чтобы избежать раскрытия кодов статистическими методами обработки перехваченных сообщений.

Сжатие информации может быть отнесено к методам криптографического преобразования информации с определенными оговорками. Целью сжатия является сокращение объема информации. В то же время сжатая информация не может быть прочитана или использована без обратного преобразования. Учитывая доступность средств сжатия и обратного преобразования, эти методы нельзя рассматривать как надежные средства криптографического преобразования информации. Даже если держать в секрете алгоритмы, то они могут быть сравнительно легко раскрыты статистическими методами обработки, поэтому сжатые файлы конфиденциальной информации подвергаются последующему шифрованию. Для сокращения времени целесообразно совмещать процесс сжатия и шифрования информации.

2.2. Криптографические алгоритмы

Все многообразие криптографических алгоритмов можно разделить на два больших класса – симметричные криптоалгоритмы (для зашифровки и расшифровки сообщения используется один и тот же блок информации – ключ) и асимметричные криптоалгоритмы (для зашифровки сообщения используется один ("открытый") ключ, известный всем желающим, а для расшифровки – другой ("закрытый"), существующий только у получателя). Рассмотрим основные алгоритмы каждого класса.

2.2.1. Симметричные алгоритмы

В США в качестве федерального стандарта шифрования после освидетельствования Агентством национальной безопасности принята криптосистема DES (Data Encryption Standard).

Возможны четыре режима работы DES:

– ECB (Electronic Code Book) – электронный кодблокнот;

– CBC (Cipherblock Chaining) – сцепление блоков шифра;

– CFB (Cipher Feedback) – обратная связь по шифртексту;

– OFB (Output Feedback) – обратная связь по выходу.

При этом базовым является режим ECB, для которого характерны разбиение открытого текста на 64-битовые блоки и их независимое шифрование при помощи одного и того же 64-битового ключа; блок шифртекста, как и соответствующий ему блок открытого текста, имеет длину 64 бита. Для шифрования используются 56 бит ключа из 64, оставшиеся 8 бит необходимы для контроля.

Обычно рассматриваются три основных области применения DES:

передача данных по каналам связи ИВС;

хранение и доступ к файлам (базам данных);

организация системы платежей и обмена коммерческой информацией.

В приложениях, связанных с хранением информации во внешней памяти ЭВМ, различают три основных направления применения DES:

– криптографическое закрытие файлов прямого доступа;

– криптографическое закрытие файлов последовательного доступа;

– криптографическое закрытие отдельных полей записей файлов.

Что касается организации системы платежей и обмена коммерческой информацией, то в этом приложении, наряду с конфиденциальностью передаваемых и хранимых сведений, важнейшее значение приобретает проблема аутентификации поступающих сообщений. Для ее решения разработан федеральный стандарт США ANSI X9.9, обобщенная структурная схема алгоритма которого приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Структурная схема алгоритма аутентификации X9.9

Исходное сообщение разбивается на 64-битовые блоки (если длина сообщения не кратна 64, оно дополняется справа недостающим количеством нулевых битов). В качестве MAC (Message Authentification Code), добавляемого к сообщению при передаче в канал связи, используется левый полублок 64битового блока, полученного в результате выполнения указанных операций.

Получатель, знающий ключ шифрования, тем же способом определяет MAC и сравнивает его с кодом, содержащимся в сообщении.

ГОСТ 28147-89. Указанный стандарт устанавливает единый алгоритм криптографического преобразования для систем обработки информации в сетях электронных вычислительных машин (ЭВМ), отдельных вычислительных комплексах и ЭВМ, который определяет правила шифрования данных и выработки имитовставки. Этот алгоритм может реализовываться как аппаратным, так и программным способами, удовлетворяет всем криптографическим требованиям, сложившимся в мировой практике, и, как следствие, позволяет осуществлять криптографическую защиту любой информации, независимо от степени ее секретности.

В алгоритме ГОСТ 28147-89, в отличие от алгоритма DES, используется 256-разрядный ключ, представляемый в виде восьми 32-разрядных чисел. Расшифровываются данные с помощью того же ключа, посредством которого они были зашифрованы. Алгоритм ГОСТ 28147-89 полностью удовлетворяет всем требованиям криптографии и обладает теми же достоинствами, что и другие алгоритмы (например DES), но лишен их недостатков. Он позволяет обнаруживать как случайные, так и умышленные модификации зашифрованной информации. Крупный недостаток этого алгоритма – большая сложность его программной реализации и очень низкая скорость работы.

Новый стандарт шифрования США – Rijndael. Данный алгоритм разработан двумя специалистами по криптографии из Бельгии. Он является нетрадиционным блочным шифром, поскольку не использует сеть Фейстеля для криптопреобразований. Алгоритм представляет каждый блок кодируемых данных в виде двумерного массива байт размером 4x4, 4x6 или 4x8 в зависимости от установленной длины блока. Далее на соответствующих этапах преобразования производятся либо над независимыми столбцами, либо над независимыми строками, либо вообще над отдельными байтами в таблице. Все преобразования в шифре имеют строгое математическое обоснование. Сама структура и последовательность операций позволяют выполнять данный алгоритм эффективно как на 8-битных так и на 32-битных процессорах. В структуре алгоритма заложена возможность параллельного исполнения некоторых операций, что на многопроцессорных рабочих станциях может еще поднять скорость шифрования в 4 раза.

Алгоритм состоит из некоторого количества раундов (от 10 до 14 – это зависит от размера блока и длины ключа), в которых последовательно выполняются следующие операции:

– ByteSub – табличная подстановка 8x8 бит (рис. 2.3);

Рис. 2.3. Табличная подстановка в алгоритме Rijndael

– ShiftRow – сдвиг строк в двумерном массиве на различные смещения (рис. 2.4);

Рис. 2.4. Сдвиг строк в двумерном массиве на различные смещения

– МіхСоlumn – математическое преобразование, перемешивающее данные внутри столбца (рис. 2.5);

Рис. 2.5. Математическое преобразование, перемешивающее данные внутри столбца для алгоритма Rijndael

– AddRoundKey – добавление материала ключа операцией ХОR (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Добавление материала ключа операцией ХОR

В последнем раунде операция перемешивания столбцов отсутствует, что делает всю последовательность операций симметричной.

RC6. Алгоритм является продолжением криптоалгоритма RC5, разработанного Рональдом Ривестом (англ. Ron Rivest) – очень известной личностью в мире криптографии. RC5 был незначительно изменен для того, чтобы соответствовать требованиям AES по длине ключа и размеру блока. При этом алгоритм стал еще быстрее, а его ядро, унаследованное от RC5, имеет солидный запас исследований, проведенных задолго до объявления конкурса AES.

Алгоритм является сетью Фейстеля с четырьмя ветвями смешанного типа: в нем два четных блока используются для одновременного изменения содержимого двух нечетных блоков. Затем производится обычный для сети Фейстеля сдвиг на одно машинное слово, что меняет четные и нечетные блоки местами. Сам алгоритм предельно прост и изображен на рис. 2.7. Разработчики рекомендуют при шифровании использовать 20 раундов сети, хотя в принципе их количество не регламентируется. При 20 повторах операции шифрования алгоритм имеет самую высокую скорость среди 5 финалистов AES.

Преобразование T(X) очень просто: T(X) = (X*(X+1)) mod 2N. Оно используется в качестве нелинейного преобразования с хорошими показателями перемешивания битового значения входной величины.

2.2.2. Ассиметричные алгоритмы

В криптографии с открытым ключом предусмотрены два ключа, каждый из которых практически невозможно вычислить из другого, хотя теоретически один ключ уникальным образом связан с другим. В подобных системах, если ключ шифрования (КШ) является общедоступным, то любой пользователь может зашифровать сообщение с его помощью, но расшифровать такие сообщения могут только пользователи, имеющие соответствующий ключ расшифрования (КР). Только пользователь, имеющий КШ, может быть источником данного шифрованного сообщения. Это свойство дает возможность пользователю, имеющему секретный КШ, посылать "подписанные" сообщения, т.е. сообщения, содержащие аутентификационную информацию. В 1976 г. американские специалисты по вычислительным наукам У. Диффи и М. Хеллман предложили два новых принципа организации засекреченной связи без предварительного снабжения абонентов секретной информацией (ключами) – принцип так называемого "открытого шифрования" и принцип "открытого распределения ключей". Новый период в эпохе криптографии характеризуется появлением полностью автоматизированных систем шифрованной связи,