10. Ведение в криптографические методы защиты информации

Криптографические методы традиционно используются для шифрования конфи­денциальной информации, представленной в любой материальной форме в виде:

–        письменных текстов;

–        данных, хранящихся на гибком диске;

–        сообщений, передаваемых в телекоммуникационных сетях;

–        программного обеспечения, графики или речи, закодированных цифровыми пос­ледовательностями и т.п.

Эти методы могут быть использованы и для многих других приложений, связанных с защитой информации, в частности, для обнаружения фактов вторжения в телекоммуни­кационную или компьютерную сеть и введения в нее имитирующих сообщений. В насто­ящее время криптографическое преобразование информации в форму, непонятную для посторонних, является универсальным и надежным способом ее защиты.

Проблема защиты информации путем ее преобразования, исключающего ее про­чтение посторонним лицом, волновала человеческий ум с давних времен. Поэтому сделаем небольшой экскурс в историю. Рассмотрим лишь небольшой отрезок време­ни и посмотрим, что и как шифровали раньше.

История применения криптографических методов насчитывает десятки веков. Упо­минания о криптографии (от греч. kryptos — скрытый, тайный) встречаются еще у Геродота и Плутарха, а также в русских рукописях XII—XIII веков. Но криптография появилась гораздо раньше — она ровесница истории человеческого языка.

Одной из важнейших способностей человека является умение общаться с себе по­добными. Изначально для передачи сведений о том, что происходит в окружающем мире, о фактах своей субъективной реальности, человек использовал жесты и мимику.

Язык тайной передачи сообщений жестами активно используется и в наши дни пред­ставителями некоторых криминальных «специальностей», например, шулеров. Во вре­мя «работы» пара шулеров ведет весьма оживленную беседу, незаметную для непос­вященных и понятную только наметанному глазу профессионала.

Тема передачи сообщений посредством условных знаков или жестов активно исполь­зуется писателями и сценаристами приключенческого жанра. Вспомните фильмы и кни­ги о войне: цветок на окне, поднятая или опущенная занавеска, объявление с условной фразой в газете, выбор цветов во время покупки их у цветочника-связника и т.д.

С развитием речи — второй сигнальной системы человека, которая по праву счита­ется одним из важнейших отличительных признаков ";" качественно выделяющих человечество из животного мира, — информационный обмен между членами даже самого дикого племени многократно усложнился. Люди стали разговаривать с кем-то боль­ше, с кем-то меньше, ведь коммуникация в человеческом обществе имеет еще один отличительный признак — она узко избирательна. Разговаривая с разными людьми, мы ведем себя совершенно по-разному: то, что сообщаем одним, стараемся скрыть от других.

Как видим, уже с самого зарождения человеческой цивилизации люди научились сообщать информацию так, чтобы она стала известна одним людям и не была известна другим. Пока для передачи сообщений использовались исключительно голос и жесты, сделать это не составляло особого труда: нужно было всего лишь исключить присут­ствие в непосредственной близости от разговаривающих тех людей, для которых со­общаемые сведения не были предназначены. Однако иногда собеседники не могли скрыться от посторонних ушей и глаз. Для обмена информацией в подобных обстоя­тельствах была создана (а точнее, сложилась сама собой) система сообщений, кодиро­ванных речью или жестами. В различных ситуациях она носила совершенно различ­ный характер — от отдельного тайного знака, говорящего о наступлении определенного события, до развитых секретных языков, позволявших выражать практически любые мысли. Даже в самом простейшем случае это была, по сути своей, вторая сигнальная система в миниатюре, предназначенная для передачи ограниченного набора сведений и известная, как правило, лишь небольшой группе посвященных. Это был альтерна­тивный язык общения, который и положил начало развившемуся позже искусству сек­ретно передавать сообщения.

Конечно же, использование развитого «секретного» языка для защиты передавае­мых данных обеспечивает гораздо большую свободу общения, чем несколько тайных знаков, о которых участники договорились заранее, однако и этот путь имеет свои недостатки. Трудно уследить за всеми, знающими «секретный» язык, и рано или по­здно он станет понятным тому, от кого пытаются скрыть разговор. В этом случае воз­никнет необходимость заменить его другим. Но разработать достаточно мощный язык и обучить ему нужное количество людей трудно и накладно, а сделать это оперативно — практически невозможно. Поэтому подобный подход к проблеме проходит только в | особых случаях, когда тому благоприятствуют обстоятельства. Так, он использовался американцами во время второй мировой войны: корабли ВМФ США осуществляли связь на языке малочисленного и компактно проживающего индейского племени. На каждом корабле было несколько индейцев-шифровальщиков; у противника не было' почти никаких шансов заполучить себе такую «ходячую шифровальную машину».

С развитием письменности задача обеспечения секретности и подлинности пере­даваемых сообщений стала особенно актуальной. Действительно, сообщение, пере­данное словесно или показанное жестами, доступно для постороннего только в тот краткий промежуток времени, пока оно находилось «в пути», а в его авторстве и под­линности у получателя не может быть никаких сомнений, потому что он видит своего собеседника. Иное дело, когда сообщение записано. В этом случае оно уже живет отдельной жизнью и имеет свой путь. Сообщение, записанное на каком-либо носителе, существует в материальном мире, и у людей, желающих ознакомиться с его содержанием против воли отправителя и получателя, появляется гораздо больше шансов это сделать. Поэтому именно после возникновения письменности появилось искусство тайнописи — набор методов, предназначенных для секретной передачи записанных сообщений от одного человека другому.

Более того, первоначально письменность сама по себе была криптографической системой, так как в древних обществах ею владели только избранные. Тому примеры — священные книги Древнего Египта, Древней Индии. Историки хорошо знают, что уни­кальные древние рукописные тексты, как правило, допускают неоднозначные трактов­ки, а часто и вообще не могут быть разумно интерпретированы современными учены­ми. И только массовые тиражи идентичных печатных текстов более поздних времен позволяют им достоверно говорить об однозначном восстановлении смысла информа­ции, закодированной в этих текстах. Посмотрите на детские рисунки. Они тоже могут содержать некоторый текст (рис. 4.1).

С широким распространением письменности криптография стала формироваться как самостоятельная наука. Данные о первых способах тайнописи весьма обрывочны. Предполагается, что она была известна в Древнем Египте и Вавилоне. До нашего вре­мени дошли сведения о том, что искусство секретного письма использовалось в Древ­ней Греции. Первые действительно достоверные данные с описанием метода шифро­вания относятся к периоду смены старой и новой эры и описывают шифр Цезаря — способ, которым Юлий Цезарь прятал свои записи от излишне любопытных глаз. С высоты достижений современной криптографии шифр Цезаря предельно примити­вен: в нем каждая буква сообщения заменялась на третью следующую за ней в алфа­витном порядке букву. Однако для того времени, когда умение читать и писать было редким исключением, его криптостойкости вполне хватало.

Уже тогда использование шифра решало проблему секретности передаваемого сообщения, а проблема его подлинности решалась практически сама собой:

–        человек, не знавший шифр, не мог внести осмысленные изменения в зашифро­ванные текстовые сообщения, а изменения, внесенные наобум, приводили к тому, что после расшифровки получался бессмысленный набор букв;

–        поскольку отправляемые сообщения записывали от руки, то запомнить почерк каждого из нескольких десятков наиболее важных своих корреспондентов не составляло особого труда.

Но проходили годы, и переписка, как средство общения, стала неотъемлемой час­тью процесса передачи информации. Чем оживленнее велась переписка в обществе, тем больше ощущалась потребность в средствах ее засекречивания. Соответственно, возникали все более совершенные и хитроумные шифры. Сначала появились шифро­вальщики, потом группы из нескольких шифровальщиков, а затем и целые шифро­вальные отделы. Когда объемы подлежащей закрытию информации, стали критичес­кими, были созданы механические устройства для шифрования. Основными потребителями криптографических услуг стали дипломатические и шпионские мис­сии, тайные канцелярии правителей и штабы войсковых соединений. Для этого этапа развития криптографии характерно следующее:

–        защите подвергались исключительно текстовые сообщения, написанные на есте­ственных языках (других типов данных в то время просто не существовало);

–        использовавшиеся шифры были достаточно простыми (шифрование сначала осу­ществлялось вручную, позднее были изобретены сравнительно несложные ме­ханические приспособления);

–        научный подход к построению шифров и их раскрытию отсутствовал (крипто­графия и криптоанализ были скорее искусством, чем наукой);

–        криптографию использовали только высшие правящие слои и военная верхушка государств;

–        основной задачей криптографии являлась защита передаваемых сообщений от несанкционированного ознакомления (поскольку шифровали исключительно тек­стовые сообщения, то никаких дополнительных методов защиты от навязыва­ния ложных данных не применялось, т. к. в силу огромной избыточности, характерной для естественных языков, была ничтожно мала вероятность получить нечто осмысленное после расшифровки искаженного зашифрованного текста).

Особенно бурно криптографические системы развивались в годы первой и второй мировых войн. Благодаря вычислительным средствам ускорились разработка и совер­шенствование криптографических методов. Именно появление в середине прошлого столетия первых электронно-вычислительных машин кардинально изменило ситуа­цию.

С проникновением компьютеров в различные сферы жизни возникла принципиаль­но новая отрасль — информационная индустрия. Объем циркулирующей в обществе информации примерно удваивается каждые пять лет. Человечество создало информа­ционную цивилизацию, в которой от успешной работы средств обработки информа­ции зависит само благополучие и даже выживание человечества в его нынешнем каче­стве. Произошедшие за этот период изменения можно охарактеризовать следующим образом:

–        объемы обрабатываемой информации возросли за последние полвека на несколько порядков;

–        информация приобрела стоимость, которую во многих случаях даже невозмож­но подсчитать;

–        доступ к определенным данным позволяет контролировать значительные мате­риальные и финансовые ценности;

–        обрабатываемые данные стали чрезвычайно многообразными, а не исключительно текстовыми;

–        информация полностью «обезличилась», т. е. особенности ее материального пред­ставления потеряли свое значение;

–        характер информационных взаимодействий чрезвычайно усложнился (наряду с клас­сической задачей защиты передаваемых текстовых сообщений от несанкциониро­ванного прочтения и их искажения возникли новые задачи защиты информации, ранее стоявшие и решавшиеся в рамках используемых «бумажных» технологий);

–        субъектами информационных процессов теперь являются не только люди, но и созданные ими автоматические системы, действующие по заложенной в них про­грамме;

–        вычислительные возможности современных компьютеров подняли на совершенно новый уровень как возможности по реализации шифров, ранее немыслимых из-за своей сложности, так и возможности аналитиков по их взлому.

С появлением компьютеров и использованием для связи компьютерных сетей шиф­рование данных стало более изощренным и актуальным. Благодаря созданию новых мощных компьютеров, технологий сетевых и нейронных вычислений стало возможно «взломать» криптографические системы, до недавнего времени считавшиеся практи­чески нераскрываемыми. Вместе с тем расширилось использование компьютерных сетей, в частности, глобальной сети Internet, по которым передаются большие объемы информации государственного, военного, коммерческого и частного характера, дос­туп к которой для посторонних лиц недопустим. Все это привело к тому, что очень быстро практическая криптография в деловой сфере сделала огромный скачок в разви­тии, причем сразу по нескольким направлениям:

–        разработаны стойкие блочные шифры с секретным ключом, предназначенные для решения классической задачи — обеспечения секретности и целостности передаваемых или хранимых данных;

–        созданы методы решения новых, нетрадиционных задач защиты информации, наиболее известными из которых являются задачи цифровой подписи докумен­та и открытого распределения ключей.

Современные криптографические системы позволяют шифровать сообщения так, что на их раскрытие могут понадобиться десятки или даже сотни лет непрерывной работы.

В настоящее время используются различные компьютерные криптоалгоритмы и программы для шифрования данных, наиболее известны из них DES, RS A, PGP, ГОСТ 28147—89.

Кодирование и шифрование — основные методы криптографической защиты. На­ряду с ними к криптографическим методам относят методы рассечения (разнесения) и сжатия (расширения) информации.

Рассечение (разнесение) информации заключается в том, что массив защищенных данных делится на части, каждая из которых в отдельности не позволяет раскрыть содержание защищаемой информации. Эти фрагменты можно передавать по несколь­ким источникам, разносить по времени и по месту записи на дискете или любом дру­гом запоминающем устройстве.

Сжатие (расширение) информации представляет собой замену часто встречающихся одинаковых последовательностей символов некоторыми заранее выбранными симво­лами или же подмешивание дополнительной информации.

Основные положения и определения криптографии

Очень часто через известную всем сеть Internet передается Достаточно важная кон­фиденциальная информация. Потеря, подделка такой информации или несанкциони­рованный доступ к ней может привести к самым серьезным последствиям. Популяр­ный рекламный слоган «Интернет доступен всем» говорит о многом, и, к сожалению, не только о хорошем. Ясно, что доступность этого ресурса именно всем и влечет за собой определенную опасность для всех. Действительно, открытость и прозрачность устройства сети является одним из необходимых условий ее роста и распространения. Однако глобальная сеть объединяет в настоящее время людей с самыми разными ин­тересами и наклонностями. Пользователями сети являются не только люди с крис­тально чистыми намерениями, но и те, кто использует информацию в корыстных це­лях, т. е. лица, которые хотят и, главное, могут это сделать, используя достаточно много существующих точек в сети, где информация может быть перехвачена или сфальсифицирована.

Мы живем в эпоху господства информационных технологий, когда обладание ин­формацией является определяющей силой. И эта информация нуждается сегодня в серьезной защите.

Проблемой защиты информации путем ее преобразования занимается криптология (kryptos — тайный, logos — сообщение). Она имеет два направления: криптогра­фию и криптоанализ. Цели этих направлений прямо противоположны.

Криптография занимается поиском, исследованием и разработкой математических методов преобразования информации, основой которых является шифрование.

Сфера интересов криптоанализа — исследование возможности расшифровки ин­формации.

Для людей, не занимающихся вплотную проблемами информационной безопаснос­ти, криптография кажется сложным и непонятным делом, связанным с шифрами, кода­ми и секретными сообщениями. Действительно, ее практическая реализация требует достаточно серьезных знаний. Используя более общее определение, можно сказать, что криптография — это наука об обеспечении безопасности данных. В основе криптогра­фической защиты информации лежит ее шифрование, проще говоря, преобразование данных к такому виду, что они становятся нечитабельными для тех, для кого не предназ­начены. Чтобы обеспечить нечитабельность для одних и доступность информации для других, необходимо соблюдать 4 основные правила обеспечения безопасности:

–        конфиденциальность;

–        аутентификацию;

–        целостность;

–        контроль участников взаимодействия.

С конфиденциальностью и аутентификацией все ясно: не зная ключа, сообщение прочитать весьма затруднительно. То есть, управляя раздачей ключей, вы управляете и доступом к информации.

Для контроля целостности используется построение так называемого дайджеста сообщения или электронной подписи. При построении этой подписи используетсяспециальная функция, схожая с известной функцией CRC (Control Cyclic Code). Ре­зультаты работы этой функции шифруются. Получателю остается только выполнить эту функцию для принятого сообщения и сравнить результат с расшифрованным.

–        Современная криптография изучает и развивает 4 основные направления:

–        симметричные криптосистемы (с секретным ключом);

–        несимметричные криптосистемы (с открытым ключом);

–        системы электронной подписи;

–        системы управления ключами.

Расширение практического применения криптографии в сетях, а также появление современных криптографических методов привело к необходимости введения поня­тий, определений и собственного математического аппарата в этой области.

Термин «криптография» далеко ушел от своего первоначального значения — «тай­нопись, тайное письмо». Сегодня эта дисциплина объединяет методы защиты инфор­мационных взаимодействий совершенно различного характера, опирающихся на пре­образование данных по секретным алгоритмам, включая и алгоритмы, использующие секретные параметры.

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

Современные криптографические системы обеспечивают высокую стойкость зашиф­рованных данных за счет поддержания режима секретности криптографического клю­ча. Однако на практике любой шифр, используемый в той или другой криптосистеме, поддается раскрытию с определенной трудоемкостью. В связи с этим возникает необ­ходимость оценки криптостойкости применяемых шифров в алгоритмах криптопреобразования.

Обеспечение аутентичности, целостности и неоспоримости информации

Помогая сохранить содержание сообщения в тайне, криптографию можно исполь­зовать для обеспечения:

–        аутентификации;

–        целостности;

–        неоспоримости.

При аутентификации получателю сообщения требуется убедиться, что оно исхо­дит от конкретного отправителя. Злоумышленник не может прислать фальшивое со­общение от чьего-либо имени.

При определении целостности получатель сообщения в состоянии проверить, были ли внесены какие-нибудь изменения в полученное сообщение во время его передачи. Злоумышленнику не позволено заменить настоящее сообщение на фальшивое.

Неоспоримость необходима для того, чтобы отправитель сообщения не смог впос­ледствии отрицать, что он является автором этого сообщения.

Перечисленные задачи часто приходится решать на практике для организации об­мена информацией при помощи компьютеров и компьютерных сетей. Подобные же задачи возникают и в случае личностного человеческого общения: часто требуется проверить, а действительно ли ваш собеседник тот, за кого он себя выдает, и подлинны ли предъявленные им документы, будь то паспорт, водительское удостоверение или страховой полис. Вот почему в обыденной жизни не обойтись без аутентификации, проверки целостности и доказательства неоспоримости, а значит, и без криптографии.

Эффективность аутентификации определяется, прежде всего, отличительными особен­ностями каждого пользователя. В качестве таковых часто применяются пароли. Однако пользователи, как правило, стараются создавать легко запоминающиеся пароли, а значит, и легкие для их угадывания или подбора. С другой стороны, сложные пароли приходится записывать (например, на листке настольного календаря). Решение данной проблемы воз­можно закрытием выбранных паролей криптографическими методами. В настоящее вре­мя аутентификация, осуществляемая пользователем, обеспечивается с помощью:

–        смарт-карт;

–        средств биометрии;

–        клавиатуры компьютера;

–        криптографии с уникальными ключами для каждого пользователя.

Целостность информации обеспечивается с помощью криптографических конт­рольных сумм и механизмов управления доступом и привилегий. В качестве крипто­графической контрольной суммы для обнаружения преднамеренной или случайной модификации данных используется код аутентификации сообщения — MAC (Message Autentification Code). Принцип обнаружения модификации данных в этом случае со­стоит в следующем. С помощью криптографического алгоритма и секретного ключа на основании содержания файла вычитается начальное значение MAC, которое хра­нится в запоминающем устройстве. Если необходимо проверить целостность файла, производится повторный расчет MAC с использованием того же секретного ключа. В случае совпадения начального и повторного значений MAC принимают решение об отсутствии модификации файла.

Кроме того, для обнаружения несанкционированных изменений в передаваемых сообщениях можно применить:

–        электронно-цифровую подпись (ЭЦП), основанную на криптографии с.откры­тым и секретными ключами;

–        программы обнаружения вирусов;

–        назначение соответствующих прав пользователям для управления доступом;

–        точное выполнение принятого механизма привилегий.

Неоспоримость получаемого сообщения подтверждается широко используемой электронно-цифровой подписью.

Шифрование в компьютерной сети

Поскольку высок уровень компьютерных преступлений, связанных с несанкцио­нированным доступом к информации в сетях различного масштаба, существует необ­ходимость создавать определенные механизмы защиты сетей. Практика показала, что единственно надежным механизмом защиты информации в сетевых каналах связи яв­ляется ее шифрование, а значит, использование криптографического преобразования конфиденциальных данных. При этом обеспечение защиты информации указанным методом не должно нарушать работу сети в реальном масштабе времени, что возмож­но при выполнении шифрования со скоростью до 1 Гбит/с и выше.

Рассмотрим особенности шифрования в компьютерных сетях более подробно.

Виды шифрования в сетевых каналах связи

Одной из отличительных характеристик любой компьютерной сети является ее деление на так называемые уровни, каждый из которых отвечает за соблюдение опрёделенных условий и выполнение функций, необходимых для общений между компью­терами, связанными в сеть. Это деление на уровни имеет фундаментальное значение для создания стандартных компьютерных сетей. Поэтому в 1984 году несколько международных организаций и комитетов объединили свои усилия и выработали при­мерную модель компьютерной сети, известную под названием OSI (Open Systems Interconnection — Модель открытых сетевых соединений).

Согласно модели OSI, коммуникационные функции разнесены по уровням. Функ­ции каждого уровня не зависят от функций ниже- и вышележащих уровней. Каждый уровень может непосредственно общаться только с двумя соседними. Модель OSI определяет 7 уровней: верхние 3 служат для связи с конечным пользователем, а 4 нижних ориентированы на выполнение коммуникационных функций в реальном мас­штабе времени (рис. 4.4).

Теоретически шифрование данных для передачи по каналам связи компьютерной сети может осуществляться на любом уровне модели OSI. На практике это обычно делается либо на самых нижних, либо на самых верхних уровнях. Если данные шифруются на нижних уровнях, шифрование называется канальным, а если на верхних, то такое шифрование называется сквозным. Оба этих подхода к шифрованию данных имеют свои пре­имущества и недостатки. Возможна комбинация указанных видов шифрования (рис. 4.5).

П ри канальном шифровании шифруются абсо­лютно все данные, проходящие по каждому ка­налу связи, включая открытый текст сообщения, а также информацию о его маршрутизации и об используемом коммуникационном протоколе. Однако в этом случае любой интеллектуальный сетевой узел (например, коммутатор) будет вы­нуж­ден расшифровывать входящий поток дан­ных, чтобы соответствующим образом его обра­ботать, снова зашифровать и передать на другой узел сети.

Тем не менее, канальное шифрование представ­ляет собой очень эффективное сред­ство защиты информации в компьютерных сетях. Поскольку шифрованию подлежат все данные, передаваемые от одного узла сети к другому, у криптоана­литика нет ника­кой дополнительной информации о том, кто служит источником этих данных, кому они предназначены, какова их структура и т. д. А если еще позаботиться и о том, что­бы, пока канал простаивает, передавать по нему случайную битовую последователь­ность, сторон­ний наблюдатель не сможет даже сказать, где начинается и где заканчи­вается текст передавае­мого сообщения.

Не слишком сложной является и работа с ключами. Одинаковыми ключами следу­ет снабдить только два соседних узла сети связи, которые затем могут менять исполь­зуемые ключи независимо от других пар узлов.

Самый большой недостаток канального шифрования заключается в том, что данные приходится шифровать при передаче по каждому физическому каналу компьютерной сети. Отправка информации в незашифрованном виде по какому-то из каналов ставит под угрозу обеспечение безопасности всей сети. В результате стоимость реализации канального шифрования в больших сетях может оказаться чрезмерно высокой.

Кроме того, при использовании канально­го шифрования дополнительно потребуется защищать каждый узел компьютерной сети, по которому передаются данные. Если або­ненты сети полностью доверяют друг другу, и каждый ее узел находится там, где он защи­щен от злоумышленников, на этот недоста­ток канального шифрования можно не обра­щать внимания. Однако на практике такое положение встречается чрезвычайно редко. Ведь в каждой фирме есть конфиденциальные данные, ознакомиться с которыми мо­гут только сотрудники одного отдела, а за его пределами доступ к этим данным необ­ходимо ограничивать до минимума.

При сквозном шифровании криптографический алгоритм реализуется на одном из верхних уровней модели OSI. Шифрованию подлежит только содержательная часть сообщения. По мере шифрования добавляется служебная информация, необходимая для маршрутизации сообщения, и результат переправляется на более низкие уровни для отправки адресату.

Передаваемое сообщение теперь не требуется постоянно шифровать и расшифро­вывать при его прохождении через каждый промежуточный узел сети. Оно остается зашифрованным на всем пути от отправителя к получателю.

Основная проблема, с которой сталкиваются пользователи сетей, где применяется сквозное шифрование, связана с тем, что служебная информация, используемая для маршрутизации сообщений, передается по сети в незашифрованном виде. Опытный криптоаналитик может извлечь для себя массу полезной информации, зная, кто с кем, как долго и в какие часы общается через компьютерную сеть. Для этого ему даже не потребуется быть в курсе предмета общения.

Сквозное шифрование по сравнению с канальным характеризуется более сложной работой с ключами, так как каждая пара пользователей компьютерной сети должна быть снабжена одинаковыми ключами, прежде чем они смогут связаться друг с дру­гом. А поскольку криптографический алгоритм реализуется на верхних уровнях модели OSI, приходится также сталкиваться со многими существенными различиями в коммуникационных протоколах и интерфейсах в зависимости от типов сетей и объе­диняемых в сеть компьютеров. Все это затрудняет практическое применение сквозного шифрования.

Комбинация канального и сквозного шифрования данных в компьютерной сети обходится значительно дороже, чем каждое из них. Однако именно такой подход позволяет наилучшим образом защитить данные, передаваемые по сети. Шифрование в каждом канале связи не позволяет противнику анализировать служебную информа­цию, используемую для маршрутизации, а при сквозном шифровании уменьшается вероятность доступа к незашифрованным данным в узлах сети.

При комбинированном шифровании работа с ключами ведется следующим обра­зом: сетевые администраторы отвечают за ключи, используемые при канальном шиф­ровании, а о ключах, применяемых при сквозном шифровании, заботятся сами пользо­ватели.

Общая характеристика современных стандартов шифрования

Очевидно, что в основе защиты информации лежит процесс шифрования. Лучшие умы человечества на протяжении всей истории занимались проблемами составления шифров. Главное, к чему все стремились, — это создать криптоустойчивые шифры. Разработанные шифры и соответствующие ключи в дальнейшем использовали в алго­ритмах шифрования. Алгоритмов шифрования существует великое множество, мы рассмотрим лишь самые популярные из них, получившие статус стандартов. Это DES (Data Encryption Standard), RSA (алгоритм Rivest-Shamir-Adleman), POP, наш отече­ственный ГОСТ 28147-89 (который в иностранной литературе чаще называется про­сто GOST) и другие. Причем современные шифры — это не только собственно алго­ритмы шифрования, а криптографические системы, где определены также возможные типы и параметры ключей, способы организации работы с ключами и зашифрованны­ми сообщениями, правила определения подлинности и целостности сообщений и т. п. Основа каждого стандарта — определенные математические построения, знать кото­рые не обязательно. Гораздо важнее знать особенности и область применения того или иного стандарта.

В основе любой криптографической системы лежат алгоритм шифрования, прото­кол взаимодействия участвующих сторон и процедура управления ключами.

Протокол — это последовательность шагов, которые предпринимают стороны для совместного решения задачи. Все шаги следуют в порядке строгой очередности, и ни один из них не может быть сделан прежде, чем закончится предыдущий. Кроме того, любой протокол подразумевает участие, по крайней мере, двух сторон. В одиночку можно, например, смешать и выпить коктейль, но к протоколу это не имеет никакого отношения. Поэтому придется угостить кого-нибудь сделанным коктейлем, чтобы его приготовление и дегустация стали настоящим протоколом. И наконец, протокол обя­зательно предназначен для достижения какой-то цели. Протоколы имеют и другие отличительные черты:

–        каждый участник протокола должен быть заранее оповещен о шагах, которыеему предстоит предпринять;

–        все участники протокола должны следовать его правилам добровольно, без при­нуждения;

–        необходимо, чтобы протокол допускал только однозначное толкование, а его шаги были совершенно четко определены и не допускали возможности их не­правильного понимания;

–        протокол должен содержать описание реакции его участников на любые ситуа­ции, возникающие в ходе реализации этого протокола, иными словами, недопу­стимым является положение, когда для возникшей ситуации протоколом не оп­ределено соответствующее действие.

Криптографическим протоколом называется такой, в основе которого лежит набор правил и процедур, определяющих использование криптоалгоритма и ключей шифро­вания. Однако целью криптографического протокола зачастую является не только со­хранение информации в тайне от посторонних. Участники криптографического про­токола могут быть близкими друзьями, у которых нет друг от друга секретов, а могут являться настолько непримиримыми врагами, что каждый из них отказывается сооб­щить другому, какое сегодня число. Тем не менее, им может понадобиться поставить подписи под совместным договором или удостоверить свою личность. В данном слу­чае нужна криптография, чтобы предотвратить или обнаружить подслушивание по­сторонними лицами, не являющимися участниками протокола, а также не допустить мошенничества. Поэтому часто требуется, чтобы криптографический протокол обес­печивал следующее: его участники могут сделать или узнать больше того, что опреде­лено протоколом.

В повседневной жизни нам приходится сталкиваться с протоколами буквально на каждом шагу: играя в любые игры, делая покупки в магазине или голосуя на выборах. Многими протоколами нас научили пользоваться родители, школьные учителя и дру­зья. Остальные мы сумели узнать самостоятельно.

Теперь люди все чаще общаются при помощи компьютеров. Компьютеры же, в от­личие от большинства людей, в школу не ходили, у них не было родителей, да и учить­ся самостоятельно они не в стоянии. Поэтому компьютеры приходится снабжать фор­мализованными протоколами, чтобы они смогли делать то, что люди выполняют особо не задумываясь. Например, если в магазине не окажется кассового аппарата, вы все равно сможете купить в нем необходимую вещь. Однако такое кардинальное измене­ние протокола поставило бы бедный компьютер в полный тупик.

Большинство протоколов, которые люди используют при общении друг с другом с глазу на глаз, хорошо себя зарекомендовали только потому, что участники имеют воз­можность вступить в непосредственный контакт. Взаимодействие с другими людьми через компьютерную сеть, наоборот, подразумевает анонимность. Будете ли вы иг­рать с незнакомцем в преферанс, видя» как он тасует колоду и раздает карты? Довери­те ли вы свои деньги совершенно постороннему человеку, чтобы он купил вам что-нибудь в магазине? Пошлете ли вы свой бюллетень голосования по почте, зная, что с ним сможет ознакомиться любой из почтовых работников и потом рассказать всем о ваших нетрадиционных политических пристрастиях?

Глупо считать, что компьютерные пользователи ведут себя более честно. То же самое касается и сетевых администраторов, и проектировщиков компьютерных сетей. Большинство из них и в самом деле честные люди, однако есть и такие, кто может причинить большие неприятности. Поэтому так нужны криптографические протоко­лы, использование которых позволяет защититься от непорядочных людей.

Остановимся на рассмотрении характеристик стандартов шифрования, наиболее часто используемых в компьютерных системах.

Популярный алгоритм шифрования данных DES применяется правительством США как стандарт с 1977 года. Для шифрования алгоритм использует 64-битный ключ, блок данных из 64-и бит и 16-и проходов (циклов). Этот алгоритм достаточно быстр и эф­фективен. Однако в изначальном виде этот стандарт недостаточно криптоустойчив, т. к. прямые атаки с перебором ключей занимают, при сегодняшнем уровне технологий, разумный срок. Поэтому в настоящее время используются всевозможные его модифи­кации, такие как 3-DES и каскадный 3-DES.

За счет внесения дополнительных изменений в алгоритм (таких, например, как вве­дение дополнительных избыточных ключей или обратной связи) эти модификации стали гораздо более устойчивы к прямым атакам. Главным же недостатком этой системы является то, что она использует так называемые симметричные ключи: для шифрова­ния и дешифрации сообщения используется один и тот же секретный ключ. Поэтому необходимым условием успешного использования этой системы является наличие сек­ретного защищенного канала для передачи ключа. Если злоумышленник перехватит ключ для шифрования, то он легко может при помощи этого же ключа осуществить расшифровку секретного сообщения. Если же защищенный канал передачи существу­ет, то вполне разумно тогда передать и само сообщение по этому же каналу, не прибе­гая к процедуре шифрования.

Государственный стандарт ГОСТ 28147-89 был утвержден в 1989 году как сред­ство обеспечения безопасности, являющееся стандартом для государственных учреж­дений. Хотя он и не является основным криптосредством защищенных линий прави­тельственной связи, однако, это единственный более-менее открытый стандарт такого рода для исследования и использования самым широким кругом людей. Несмотря на то что в России ГОСТ играл ту же роль, что и DES в США, этот стандарт стал упот­ребляться и в других странах. Например, алгоритм шифрования популярного архива­тора ARJ построен как раз на использовании алгоритмов ГОСТ.

ГОСТ очень схож с DES. В нем так же используются 64-битные блоки. Тем не менее, есть и ряд различий, например, в ГОСТ совершается 32 прохода вместо 16-и, ключ гораздо длиннее и состоит из 256 бит и т. д. В общем, среди специалистов принято считать, что он по своим характеристикам превосходит DES. Однако в на­стоящее время и его расшифровка лежит в пределах современных технологий. И точно так же ему присущи все недостатки алгоритмов, использующих симметрич­ные ключи.

Сегодня популярен стандарт шифрования RSA. Во многом это произошло благо­даря распространенности в Internet программы PGP (Pretty Good Privacy) Филиппа Зиммермана. RSA -это алгоритм несимметричного шифрования, стойкость которого зависит от сложности факторизации больших целых чисел. В настоящее время алго­ритм взлома RSA не разработан математически, а за счет использования очень длин­ных ключей и некоторой медленности всего алгоритма перебор за разумное время попросту невозможен.

В несимметричных алгоритмах используются два разных ключа: один известен всем, а другой держится в тайне, Обычно для шифрования и расшифровки используются оба ключа. Но данные, зашифрованные одним ключом, можно расшифровать только с по­мощью другого ключа. Это обстоятельство делает RSA очень удобным для использо­вания в электронной переписке. Открытый ключ делается общедоступным (его попро­сту можно вставлять в реквизиты вашего письма). Каждый может зашифровать сообщение и послать его вам. А расшифровать сообщение, даже зная открытый ключ, невозможно. Для этого надо знать второй, закрытый ключ, который есть только у от­правителя. Однако и здесь существуют свои трудности:

–        в случае утраты секретного ключа придется уведомлять всех владельцев откры­той половины о смене ключей;

–        трудно убедиться в подлинности присланного вам открытого ключа.

Кроме того, отправителя легко подделать. Для того чтобы убедиться в подлиннос­ти ключа, порой используют целую «цепочку доверия», где каждый последующий передающий на 100% уверен в подлинности ключа (вследствие давнего знакомства, близости расположения к отправителю или в силу других причин), подтверждает эту под­линность своей подписью и пересылает ключ дальше.

Однако следует разделять собственно алгоритм RSA и другие продукты лаборато­рии RSA Data Security. Например, существует еще алгоритм RC5 — быстрый блоч­ный шифр, который имеет размер блока 32,64 или 128 бит, ключ длиной от 0 до 2048бит, от 0 до 255 проходов.