Шифрование и программные средства защиты


Классические алгоритмы шифрования данных
Имеются следующие "классические" методы шифрования:
подстановка (простая – одноалфавитная, многоалфавитная однопетлевая, многоалфавитная многопетлевая);
перестановка (простая, усложненная);
гаммирование (смешивание с короткой, длинной или неограниченной маской).
Устойчивость каждого из перечисленных методов к дешифрованию без знания ключа характеризуется количественно с помощью показателя Sк, представляющего собой минимальный объем зашифрованного текста, который может быть дешифрован посредством статистического анализа.
Подстановка предполагает использование альтернативного алфавита (или нескольких) вместо исходного. В случае простой подстановки для символов английского алфавита можно предложить, например, следующую замену (см. табл. 9.1).
Таблица 9.1. Пример замены символов при подстановке
Исходный алфавит A B C D E F G H I J K L X Y Z
Альтернативный алфавит S O U H K T L X N W M Y A P J
Тогда слово "cache" в зашифрованном виде представляется как "usuxk".
Существует, однако, возможность дешифрования сообщения с помощью известной статистической частоты повторяемости символов в произвольном, достаточно длинном тексте. Символ E встречается чаще всего – в среднем 123 раза на каждые 1000 символов или в 12,3% случаев, далее следуют символы T – 9,6%, A – 8,1%, O – 7,9%, N – 7,2%, I – 7,2%, S – 6,6%, R – 6,0%, H – 5,1%, L – 4,0% и т.д. Приведенные цифры могут, конечно, несколько варьироваться в зависимости от источника информации, из которого они были взяты, что не изменяет принципиально ситуации. Показатель устойчивости к дешифрованию Sк не превышает 20...30. При многоалфавитной подстановке можно добиться того, что в зашифрованном тексте все символы будут встречаться примерно с одинаковой частотой, что существенно затруднит дешифрование без знания альтернативных алфавитов и порядка, в котором они использовались при шифровании.
Перестановка потенциально обеспечивает большую по сравнению с подстановкой устойчивость к дешифрованию и выполняется с использованием цифрового ключа или эквивалентного ключевого слова, как это показано на следующем примере (см. табл. 9.2). Цифровой ключ состоит из неповторяющихся цифр, а соответствующее ему ключевое слово – из неповторяющихся символов. Исходный текст (plain text) записывается под ключом построчно. Зашифрованное сообщение (cipher text) выписывается по столбцам в том порядке, как это предписывают цифры ключа или в том порядке, в котором расположены отдельные символы ключевого слова.
Таблица 9.2. Пример использования простой перестановки
Ключевое слово S E C U R I T Y
Цифровой ключ 5 2 1 7 4 3 6 8
Исходный текст (plain text), записанный построчно T R A N S P O S
I T I O N I S
T H E E N C
I P H E R M E
T H O D
 – служебный символ, в данном случае означает пробел
Для рассматриваемого примера зашифрованное сообщение будет выглядеть следующим образом:
AIHHORTTPHP

E

…SSCE

.
Гаммирование (смешивание с маской) основано на побитном сложении по модулю 2 (в соответствии с логикой ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ) исходного сообщения с заранее выбранной двоичной последовательностью (маской). Компактным представлением маски могут служить числа в десятичной системе счисления или некоторый текст (в данном случае рассматривается внутренние коды символов – для английского текста таблица ASCII). На рис. 9.2 показано, как исходный символ " A " при сложении с маской 0110 10012 переходит в символ " ( " в зашифрованном сообщении.
INCLUDEPICTURE "https://www.evernote.com/shard/s202/res/ee05f74c-3106-4652-99f8-8ac33f386671.gif?resizeSmall&width=700" \* MERGEFORMATINET
Рис. 9.2. Пример использования гаммированияОперация суммирования по модулю 2 (ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ) является обратимой, так что при сложении с той же маской (ключом) зашифрованного сообщения получается исходный текст (происходитдешифрование). В качестве маски (ключа) могут использоваться константы типа  или e. Наибольшую устойчивость к дешифрованию может обеспечить применение маски с бесконечной длиной, которая образована генератором случайных (точнее, псевдослучайных) последовательностей. Такой генератор легко реализуется аппаратными или программными средствами, например, с помощью сдвигового регистра с обратными связями, который используется при вычислении помехоустойчивого циклического кода. Точное воспроизведение псевдослучайной последовательности в генераторе на приемном конце линии обеспечивается при установке такого же исходного состояния (содержимого сдвигового регистра) и той же структуры обратных связей, что и в генераторе на передающем конце.
Перечисленные "классические" методы шифрования (подстановка, перестановка и гаммирование) являются линейными в том смысле, что длина зашифрованного сообщения равна длине исходного текста. Возможно нелинейное преобразование типа подстановки вместо исходных символов (или целых слов, фраз, предложений) заранее выбранных комбинаций символов другой длины. Эффективна также защита информации методом рассечения-разнесения, когда исходные данные разбиваются на блоки, каждый из которых не несет полезной информации, и эти блоки хранятся и передаются независимо друг от друга. Для текстовой информации отбор данных для таких блоков может производиться по группам, которые включают фиксированное число бит, меньшее, чем число бит на символ в таблице кодировки. В последнее время становится популярной так называемая компьютерная стеганография (от греческих слов steganos – секрет, тайна и graphy – запись), представляющая собой сокрытие сообщения или файла в другом сообщении или файле. Например, можно спрятать зашифрованный аудио- или видеофайл в большом информационном или графическом файле. Объем файла – контейнера должен быть больше объема исходного файла не менее чем в восемь раз. Примерами распространенных программ, реализующих компьютерную стеганографию, являются S – Tools (для ОС Windows’95/NT). и Steganos for Windows’95. Собственно шифрование информации осуществляется с применением стандартных или нестандартных алгоритмов.
Стандартные методы шифрования (национальные или международные) для повышения степени устойчивости к дешифрованию реализуют несколько этапов (шагов) шифрования, на каждом из которых используются различные "классические" методы шифрования в соответствии с выбранным ключом (или ключами). Существуют две принципиально различные группы стандартных методов шифрования:
шифрование с применением одних и тех же ключей (шифров) при шифровании и дешифровании ( симметричное шифрование или системы с закрытыми ключами – private-key systems);
шифрование с использованием открытых ключей для шифрования и закрытых – для дешифрования ( несимметричное шифрование или системы с открытыми ключами – public-key systems).
Строгое математическое описание алгоритмов стандартных методов шифрования слишком сложно. Для пользователей важны в первую очередь "потребительские" свойства различных методов (степень устойчивости к дешифрованию, скорость шифрования и дешифрования, порядок и удобство распространения ключей), которые и рассматриваются ниже.
Для дальнейшего повышения устойчивости к дешифрованию могут применяться последовательно несколько стандартных методов или один метод шифрования (но с разными ключами).
Стандартные методы шифрования и криптографические системы
Стандарт шифрования США DES (Data Encryption Standard – стандарт шифрования данных) относится к группе методов симметричного шифрования и действует с 1976 г. Число шагов – 16. Длина ключа – 64 бита, из которых 8 бит – проверочные разряды четности/нечетности. Долгое время степень устойчивости к дешифрованию этого метода считалась достаточной, однако в настоящее время он устарел. ВместоDES предлагается "тройной DES" – 3DES, в котором алгоритм DES используется 3 раза, обычно в последовательности "шифрование – дешифрование – шифрование" с тремя разными ключами на каждом этапе.Надежным считается алгоритм IDEA (International Data Encryption Algorithm), разработанный в Швейцарии и имеющий длину ключа 128 бит.
Отечественный ГОСТ28147-89 – это аналог DES, но с длиной ключа 256 бит, так что его степень устойчивости к дешифрованию изначально существенно выше. Важно также и то, что в данном случае предусматривается целая система защиты, которая преодолевает "родовой" недостаток симметричных методов шифрования – возможность подмены сообщений. Такие усовершенствования, как имитовставки, хэш-функции и электронные цифровые подписи позволяют "авторизовать" передаваемые сообщения.
К достоинствам симметричных методов шифрования относится высокая скорость шифрования и дешифрования, к недостаткам – малая степень защиты в случае, если ключ стал доступен третьему лицу.
Довольно популярны, особенно при использовании электронной почты в Интернет, несимметричные методы шифрования или системы с открытыми ключами – public-key systems. К этой группе методов относится, в частности, PGP (Pretty Good Privacy – достаточно хорошая секретность). Каждый пользователь имеет пару ключей. Открытые ключи предназначены для шифрования и свободно рассылаются посети, но не позволяют произвести дешифрование. Для этого нужны секретные (закрытые) ключи. Принцип шифрования в данном случае основывается на использовании так называемых односторонних функций. Прямая функция x >> f(x) легко вычисляется на основании открытого алгоритма (ключа). Обратное преобразование. f(x) >> x без знания закрытого ключа затруднено и должно занимать довольно длительное время, которое и определяет степень "трудновычислимости" односторонней функции.
Идея системы с открытыми ключами может быть пояснена следующим образом (табл. 9.3). Для шифрования сообщений можно взять обычную телефонную книгу, в которой имена абонентов расположены в алфавитном порядке и предшествуют телефонным номерам. У пользователя имеется возможность выбора соответствия между символом в исходном тексте и именем абонента, то есть это многоалфавитная система. Ее степень устойчивости к дешифрованию выше. Легальный пользователь имеет "обратный" телефонный справочник, в котором в первом столбце располагаются телефонные номера по возрастанию, и легко производит дешифрование. Если же такового нет, то пользователю предстоит утомительное и многократное просматривание доступного прямого справочника в поисках нужных телефонных номеров. Это и есть практическая реализация трудно-вычислимой функции. Сам по себе метод шифрования на основе телефонных справочников вряд ли перспективен хотя бы из-за того, что никто не мешает потенциальному взломщику составить "обратный" телефонный справочник. Однако в используемых на практике методах шифрования данной группы в смысле надежности защиты все обстоит благополучно.
Таблица 9.3. Пример шифрования в системе с открытыми ключами
Исходное слово Выбранное имя абонента Зашифрованное сообщение (телефонные номера)
S Scott3541920
A Adleman4002132
U Ullman7384502
N Nivat5768115
A Aho7721443
Другая известная система с открытыми ключами – RSA.
Несимметричные методы шифрования имеют преимущества и недостатки, обратные тем, которыми обладают симметричные методы. В частности, в несимметричных методах с помощью посылки и анализа специальных служебных сообщений может быть реализована процедура аутентификации (проверки легальности источника информации) и целостности (отсутствия подмены) данных. При этом выполняютсяоперации шифрования и дешифрования с участием открытых ключей и секретного ключа данного пользователя. Таким образом, несимметричные системы можно с достаточным основанием отнести к полноценным криптографическим системам. В отличие от симметричных методов шифрования, проблема рассылки ключей в несимметричных методах решается проще – пары ключей (открытый и закрытый) генерируются "на месте" с помощью специальных программ. Для рассылки открытых ключей используются такие технологии как LDAP (Lightweight Directory Access Protocol – протокол облегченного доступа к справочнику). Рассылаемые ключи могут быть предварительно зашифрованы с помощью одного из симметричных методов шифрования.
Традиционные и обязательные для современных криптографических систем способы обеспечения аутентификации и проверки целостности получаемых данных (хэш-функции и цифровые подписи), которые реализуются непосредственными участниками обмена, не являются единственно возможными. Распространен также способ, осуществляемый с участием сторонней организации, которой доверяют все участники обменов. Речь идет об использовании так называемых цифровых сертификатов – посылаемых по сети сообщений с цифровой подписью, удостоверяющей подлинность открытых ключей.
Программные средства защиты информации
Встроенные средства защиты информации в сетевых ОС доступны, но не всегда, как уже отмечалось, могут полностью решить возникающие на практике проблемы. Например, сетевые ОС NetWare 3.x, 4.x позволяют осуществить надежную "эшелонированную" защиту данных от аппаратных сбоев и повреждений. Система SFT (System Fault Tolerance – система устойчивости к отказам) компании Novell включает три основные уровня:
SFT Level I предусматривает, в частности, создание дополнительных копий FAT и Directory Entries Tables, немедленную верификацию каждого вновь записанного на файловый сервер блока данных, а также резервирование на каждом жестком диске около 2% от объема диска. При обнаружении сбоя данные перенаправляются в зарезервированную область диска, а сбойный блок помечается как "плохой" и в дальнейшем не используется.
SFT Level II содержит дополнительные возможности создания "зеркальных" дисков, а также дублирования дисковых контроллеров, источников питания и интерфейсных кабелей.
SFT Level III позволяет применять в локальной сети дублированные серверы, один из которых является "главным", а второй, содержащий копию всей информации, вступает в работу в случае выхода "главного" сервера из строя.
Система контроля и ограничения прав доступа в сетях NetWare (защита от несанкционированного доступа) также содержит несколько уровней:
уровень начального доступа (включает имя и пароль пользователя, систему учетных ограничений – таких как явное разрешение или запрещение работы, допустимое время работы в сети, место на жестком диске, занимаемое личными файлами данного пользователя, и т.д.);
уровень прав пользователей (ограничения на выполнение отдельных операций и/или на работу данного пользователя, как члена подразделения, в определенных частях файловой системы сети);
уровень атрибутов каталогов и файлов (ограничения на выполнение отдельных операций, в том числе удаления, редактирования или создания, идущие со стороны файловой системы и касающиеся всех пользователей, пытающихся работать с данными каталогами или файлами);
уровень консоли файл-сервера (блокирование клавиатуры файл-сервера на время отсутствия сетевого администратора до ввода им специального пароля).
Однако полагаться на эту часть системы защиты информации в ОС NetWare можно не всегда. Свидетельством тому являются многочисленные инструкции в Интернете и готовые доступные программы, позволяющие взломать те или иные элементы защиты от несанкционированного доступа.
То же замечание справедливо по отношению к более поздним версиям ОС NetWare (вплоть до последней 6-й версии) и к другим "мощным" сетевым ОС со встроенными средствами защиты информации(Windows NT, UNIX). Дело в том, что защита информации – это только часть тех многочисленных задач, которые решаются сетевыми ОС. Усовершенствование одной из функций в ущерб другим (при понятных разумных ограничениях на объем, занимаемый данной ОС на жестком диске) не может быть магистральным направлением развития таких программных продуктов общего назначения, которыми являются сетевые ОС. В то же время в связи с остротой проблемы защиты информации наблюдается тенденция интеграции (встраивания) отдельных, хорошо зарекомендовавших себя и ставших стандартными средств в сетевые ОС, или разработка собственных "фирменных" аналогов известным программам защиты информации. Так, в сетевой ОС NetWare 4.1 предусмотрена возможность кодирования данных по принципу "открытого ключа" (алгоритм RSA) с формированием электронной подписи для передаваемых по сети пакетов.
Специализированные программные средства защиты информации от несанкционированного доступа обладают в целом лучшими возможностями и характеристиками, чем встроенные средства сетевых ОС. Кроме программ шифрования и криптографических систем, существует много других доступных внешних средств защиты информации. Из наиболее часто упоминаемых решений следует отметить следующие две системы, позволяющие ограничить и контролировать информационные потоки.
Firewalls – брандмауэры (дословно firewall – огненная стена). Между локальной и глобальной сетями создаются специальные промежуточные серверы, которые инспектируют и фильтруют весь проходящий через них трафик сетевого/транспортного уровней. Это позволяет резко снизить угрозу несанкционированного доступа извне в корпоративные сети, но не устраняет эту опасность полностью. Более защищенная разновидность метода – это способ маскарада (masquerading), когда весь исходящий из локальной сети трафик посылается от имени firewall-сервера, делая локальную сеть практически невидимой.
Proxy-servers (proxy – доверенность, доверенное лицо). Весь трафик сетевого/транспортного уровней между локальной и глобальной сетями запрещается полностью – маршрутизация как таковая отсутствует, а обращения из локальной сети в глобальную происходят через специальные серверы-посредники. Очевидно, что при этом обращения из глобальной сети в локальную становятся невозможными в принципе. Этот метод не дает достаточной защиты против атак на более высоких уровнях – например, на уровне приложения (вирусы, код Java и JavaScript).

Приложенные файлы

  • docx 494703
    Размер файла: 37 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий