Симметричные криптосистемы

Лабораторная работа № 7

КРИПТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ.

Введение

По мере развития и усложнения средств, методов и форм автоматизации процессов обработки информации повышается зависимость общества от степени безопасности используемых им информационных технологий, которая определяется степенью защищенности и устойчивости как компьютерных систем в целом, так и отдельных программ.

Для обеспечения защиты информации в настоящее время не существует какого-то одного технического приема или средства, однако общим в решении многих проблем безопасности является использование криптографии и криптоподобных преобразований информации.

Цель работы

Исследование основных методов криптографической зашиты информации.

Основные теоретические сведения

Основные понятия информационной безопасности.

В октябре 1988 г. в США произошло событие, названное специалистами крупнейшим нарушением безопасности амеpиканских компьютеpных систем из когда-либо случавшихся. 23-летний студент выпускного куpса Коpнеллского унивеpситета Робеpт Таппан Моppис запустил в компьютеpной сети ARPANET пpогpамму; пpедставлявшую собой pедко встpечающуюся pазновидность компьютеpных виpусов - сетевых чеpвей. В pезультате атаки был полностью или частично заблокиpован pяд общенациональных компьютеpных сетей, в частности Internet, CSnet, NSFnet, BITnet, ARPANET и несекpетная военная сеть Milnet. В итоге виpус поpазил более 6200 компьютеpных систем по всей Амеpике, включая системы многих кpупнейших унивеpситетов, институтов, пpавительственных лабоpатоpий, частных фиpм, военных баз, клиник, агентства NASA. Общий ущеpб от этой атаки оценивается специалистами минимум в 100 миллионов доллаpов. Р. Моppис был исключен из унивеpситета с пpавом повтоpного поступления чеpез год, и пpиговоpен судом к штpафу в 270 тыс.долл. и тpем месяцам тюpемного заключения.

Важность решения проблемы информационной безопасности в настоящее время общепризнанна, свидетельством чему служат громкие процессы о нарушении целостности систем. Убытки ведущих компаний США в связи с нарушениями безопасности информации в период с 1997 по 1999 годы составили $360'720'555. Причем только 31% опрошенных компаний смог определить количественно размер потерь. Проблема обеспечения безопасности носит комплексный характер, для ее решения необходимо сочетание законодательных, организационных и программно-технических мер.

Таким образом, обеспечение информационной безопасности требует системного подхода и нужно использовать разные средства и приемы морально-этические, законодательные, административные и технические. Нас будут интересовать последние. Технические средства реализуются программным и аппаратным обеспечением и решают разные задачи по защите и могут быть встроены в операционные системы, либо могут быть реализованы в виде отдельных продуктов. Во многих случаях центр тяжести смещается в сторону защищенности операционных систем.

Говоря об информационной безопасности, иногда различают два термина protectionи security. Термин security используется для рассмотрения проблемы в целом, а protection для рассмотрения специфичных механизмов ОС сохраняющих информацию в компьютере. Граница здесь не отчетлива.

Есть несколько причин для реализации защиты. Hаиболее очевидная - помешать внешним вредным попыткам нарушить доступ к конфоденциальной информации. Не менее важно, однако, гарантировать, что каждый программный компонент в системе использует системные ресурсы только способом, совместимым с установленной политикой использования этих ресурсов. Эти требования абсолютно необходимы для надежной системы.

Наличие защитных механизмов может увеличить надежность системы в целом за счет обнаружения скрытых ошибок интерфейса между компонентами системы. Ранее обнаружение ошибок может предотвратить влияние неисправной подсистемы на здоровую.

Политика в отношении ресурсов может меняться в зависимости от приложения и во времени. По этой причине защита не может быть исключительно предметом дизайна ОС. Она также должна давать инструменты прикладным программистам для создания и поддержки защищенных ресурсов. Важный принцип - отделение политики от механизмов. Механизмы определяют то, как что-то может быть сделано, тогда, как политика решает, что должно быть сделано. Отделение политики от механизмов важно для гибкости системы. Политика может меняться в зависимости от места и времени. Желательно по возможности наличие общих механизмов, тогда как изменение политики требует лишь модификации системных параметров или таблиц.

Введем еще несколько понятий.

Безопасная система обладает свойствами конфиденциальности, доступности и целостности.

Конфиденциальность(confidentiality) уверенность в том, что секретные данные будут доступны только тем пользователям, которым этот доступ разрешен (такие пользователи называются авторизованными).

Доступность (availability) гарантия того, что авторизованные пользователи всегда получат доступ к данным.

Целостность (integrity) уверенность в том, что данные сохраняют правильные значения. Это требует средств проверки целостности и обеспечивается запретом для неавторизованных пользователей, каким либо образом модифицировать данные.

Любое действие, которое направлено на нарушение конфиденциальности, целостности и доступности информации называется угрозой. Реализованная угроза называется атакой.

Классификация угроз

Знание возможных угроз, а также уязвимых мест защиты, которые эти угрозы обычно эксплуатируют, необходимо для того, чтобы выбирать наиболее экономичные средства обеспечения безопасности.

Общей классификации угроз не существует. Имеет смысл различать неумышленные и умышленные угрозы.

Неумышленные угрозы связаны с:

· Ошибками оборудования или матобеспечения: сбои процессора, питания, нечитаемые дискеты, ошибки в коммуникациях, ошибки в программах.

· Ошибками человека: некорректный ввод, неправильная монтировка дисков или лент, запуск неправильных программ, потеря дисков или лент.

· Форс-мажорными обстоятельствами

Умышленные угрозы, в отличие от случайных, преследуют цель нанесения ущерба пользователям ОС и, в свою очередь, подразделяются на активные и пассивные. Пассивная угроза - несанкционированный доступ к информации без изменения состояния системы, активная - несанкционированное изменение системы. Можно выделить следующие типы угроз:

· Незаконное проникновение под видом легального пользователя

· Нарушение функционирования системы с помощью программ-вирусов или программ-червей.

· Нелегальные действия легального пользователя.

Типизация угроз не слишком строгая.

А.Таненбаум приводит свой список наиболее успешных атак на ОС:

· Попытки чтения страниц памяти, дисков и лент, которые сохранили информацию предыдыдущего пользователя.

· Попытки выполнения нелегальных системных вызовов, или системных вызовов с нелегальными параметрами

· Внедрение программы, которая выводит на экран слово login . Многие легальные пользователи, видя такое, начинают пытаться входить в систему, и их попытки могут протоколироваться (вариант Троянского коня).

· Попытки торпедировать программу проверки входа в систему путем многократного нажатия клавиш del, break, rubout, cancel и.т.д. В некоторых системах проверочная программа погибает, и вход в систему становится возможным.

· Подкуп персонала. Hапример, малооплачиваемого секретаря.

· Использование закладных элементов (дыр), специально оставленных дизайнерами системы.

· И т.д.

Много говорят и пишут и о программных вирусах, червях, троянских конях. В этой связи обратим внимание на следующий факт, несмотря на экспоненциальный рост числа известных вирусов, аналогичного роста количества инцидентов, вызванных вирусами, не зарегистрировано. Соблюдение несложных правил компьютерной гигиены сводит риск заражения практически к нулю. Многопользовательские компьютеры меньше страдают от вирусов по сравнению с персональными компьютерами, поскольку там имеются системные средства защиты. Мы не будем останавливаться на уточнении понятий "зловредный код", "вирус", "червь", "Троянский конь", бомба.

Таковы основные угрозы, на долю которых приходится львиная доля урона, наносимого информационным системам.

Формализация подхода к обеспечению информационной безопасности. Классы безопасности

Существует ряд основополагающих документов, в которых регламентированы основные подходы к проблеме информационной безопасности:

· оранжевая (по цвету обложки) книга МО США

· гармонизированные критерии европейских стран

· руководящие документы Гостехкомиссии при Президенте РФ

· рекомендации X.800 по защите распределенных систем

· федеральный закон Об информации, информатизации и защите информации.

· и др.

Основополагающие документы открыли путь к ранжированию информационных систем по степени надежности. Так, в Оранжевой книге определяется четыре уровня безопасности - D , С , В и А. По мере перехода от уровня D до А к надежности систем предъявляются все более жесткие требования. Уровни С и В подразделяются на классы (C1, С2, В1, В2, ВЗ). Чтобы система в результате процедуры сертификации могла быть отнесена к некоторому классу, ее политика безопасности и гарантированность должны удовлетворять оговоренным требованиям.

В качестве примера рассмотрим требования класса C2, которому удовлетворяют некоторые популярные ОС (Windows NT, отдельные реализации Unix и др.):

· Каждый пользователь должен быть идентифицирован уникальным входным именем и паролем для входа в систему. Система должна быть в состоянии использовать эти уникальные идентификаторы, чтобы следить за действиями пользователя.

· Операционная система должна защищать объекты от повторного использования.

· Владелец ресурса (например, такого как файл) должен иметь возможность контролировать доступ к этому ресурсу.

· Системный администратор должен иметь возможность учета всех событий, относящихся к безопасности.

· Система должна защищать себя от внешнего влияния или навязывания, такого как модификация загруженной системы или системных файлов, хранимых на диске.

Политика безопасности

Основополагающие документы содержат определения многих ключевых понятий связанных с информационной безопасностью. Так, например, важность и сложность проблемы обеспечения безопасности требует выработки политики информационной безопасности, которая подразумевает ответы на следующие вопросы:

· Какую информацию защищать?

· Какого рода атаки на безопасность системы могут быть предприняты?

· Какие средства использовать для защиты каждого вида информации?

В дальнейшем мы будем оперировать понятиями субъект и объект безопасности. Субъект безопасности - активная, а объект - пассивная системные составляющие, к которым применяется политика безопасности. Примерами субъектов могут служить пользователи и группы пользователей, а объектов - файлы, системные таблицы, принтер и т.п. Политика безопасности состоит в присвоении субъектам и объектам идентификаторов и фиксации набора правил, используемых для определения, имеет ли данный субъект авторизацию, достаточную для получения к данному объекту данного типа доступа.

Формируя политику безопасности необходимо учитывать несколько базовых принципов. Так, Saltzer и Schroeder (1975) на основе своего опыта работы с MULTICS сформулировали следующие принципы разработки ОС:

· Проектирование системы должно быть открытым. Нарушитель и так все знает. (криптографические алгоритмы открыты)

· Не должно быть доступа по умолчанию. Ошибки с отклонением легитимного доступа могут быть выявлены скорее, чем ошибки, там, где разрешен неавторизованный доступ

· В третьих. Тщательно проверять текущее авторство. Так, многие системе проверяют привилегии доступа при открытии файла и не делают этого после. В результате пользователь может открыть файл и держать его открытым в течение недели и иметь к нему доступ, хотя владелец уже сменил защиту.

· Давать каждому процессу минимум возможных привилегий. ...

· Защитные механизмы должны быть просты, постоянны и встроены в нижний слой системы, это не аддитивные добавки. (Известно много неудачных попыток улучшения защиты слабо приспособленной для этого ОС MS-DOS).

· Физиологическая приемлемость. Если пользователь видит, что защита требует слишком много усилий, он от нее откажется.

Можно добавить еще ряд, например:

· Принцип комплексного подхода, баланс надежности защиты всех уровней

· Принцип единого контрольно-пропускного пункта

· Принцип баланса возможного ущерба от реализации угрозы и затрат на ее предотвращение

· И ряд других.

Приведенные соображения показывают необходимость продумывания и встраивания защитных механизмов на ранних стадиях проектирования системы.

Криптография, как одна из базовых технологий безопасности ОС.

Многие службы информационной безопасности, такие как контроль входа в систему, разграничение доступа к ресурсам, обеспечение безопасного хранения данных и ряд других опираются на использование криптографических алгоритмов. Имеется обширная литература по этому актуальному для безопасности информационных систем вопросу.

Шифрование процесс изменения цифрового сообщения из открытого текста (plaintext) в шифротекст (ciphertext) таким образом, чтобы его могли прочитать только те стороны, для которых он предназначен, либо для проверки подлинности отправителя (аутентификация), либо для гарантии того, что отправитель действительно послал данное сообщение.

В алгоритмах шифрования предусматривается наличие секретного ключа и принято правило Кирхгофа: Стойкость шифра должна определяться только секретностью ключа.

В методе шифрования с секретнымили симметричнымключом имеется один ключ, который используется как для шифрования, так и для расшифровки сообщения. Такой ключ нужно хранить в секрете. Это затрудняет использование системы шифрования, поскольку ключи должны регулярно меняться, для чего требуется их секретное распространение. Наиболее популярные алгоритмы шифрования с секретным ключом: DES, TripleDES, ГОСТ и др.

Часто используется также шифрование с помощью односторонней функции, называемой также хэш или дайджест функцией. Применение этой функции к шифруемым данным позволяет сформировать небольшой дайджест из нескольких байт, по которому невозможно восстановить исходный текст. Получатель сообщения может проверить целостность данных, сравнивая полученный вместе с сообщением дайджест с вычисленным вновь, при помощи той же односторонней функции. Эта техника активно используется для контроля входа в систему. Например, пароли пользователей хранятся на диске в зашифрованном односторонней функцией виде. Наиболее популярные хэш-функции: MD4, MD5 и др.

В системах шифрования с открытым или асимметричным ключом (public/ assymmetric key) используется два ключа. Один из ключей, называемый открытым, несекретным используется для шифрования сообщений, которые могут быть расшифрованы только с помощью секретного ключа, имеющегося у получателя, для которого предназначено сообщение. Либо для шифрования сообщения может использоваться секретный ключ и если сообщение можно расшифровать с помощью открытого ключа, то подлинность отправителя будет гарантирована (система электронной подписи). Этот принцип изобретен Уитфилдом Диффи (Whitfield Diffie) и Мартином Хеллманом (Martin Hellman) в 1976 г.

Рисунок 7.1 Шифрование открытым ключом

Использование открытых ключей снимает проблему обмена и хранения ключей, свойственную системам с симметричными ключами. Открытые ключи могут храниться публично, и каждый может послать зашифрованное открытым ключом сообщение владельцу ключа. Тогда как расшифровать это сообщение может только владелец открытого ключа, и никто другой, при помощи своего секретного ключа. Однако алгоритмы с симметричным ключом более эффективны, поэтому во многих криптографических системах используются оба метода.

Среди несимметричных алгоритмов наиболее известен RSA, предложенный Роном Ривестом (Ron Rivest), Ади Шамиром (Adi Shamir) и Леонардом Эдлманом (Leonard Adleman).

Криптография– обеспечивает сокрытие смысла сообщения с помощью шифрования и открытия его расшифрованием, которые выполняются по специальным алгоритмам с помощью ключей.

Ключ – конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования данных, обеспечивающее выбор только одного варианта из всех возможных для данного алгоритма.

Криптоанализ – занимается вскрытием шифра без знания ключа (проверка устойчивости шифра).

Кодирование– (не относится к криптографии) – система условных обозначений, применяемых при передаче информации. Применяется для увеличения качества передачи информации, сжатия информации и для уменьшения стоимости хранения и передачи.

Криптографические преобразования имеют цель обеспечить недоступность информации для лиц, не имеющих ключа, и поддержание с требуемой надежностью обнаружения несанкционированных искажений.

Большинство средств защиты информации базируется на использовании криптографических шифров и процедур шифрования-расшифрования. В соответствии со стандартом ГОСТ 28147-89 под шифром понимают совокупность обратимых преобразований множества открытых данных на множество зашифрованных данных, задаваемых ключом и алгоритмом преобразования.

В криптографии используются следующие основные алгоритмы шифрования:

алгоритм замены (подстановки) – символы шифруемого текста заменяются символами того же или другого алфавита в соответствии с заранее обусловленной схемой замены;
алгоритм перестановки – символы шифруемого текста переставляются по определенному правилу в пределах некоторого блока этого текста;
гаммирование – символы шифруемого текста складываются с символами некоторой случайной последовательности;
аналитическое преобразование – преобразование шифруемого текста по некоторому аналитическому правилу (формуле).

Процессы шифрования и расшифрования осуществляются в рамках некоторой криптосистемы. Для симметричной криптосистемы характерно применение одного и того же ключа как при шифровании, так и при расшифровании сообщений. В асимметричных криптосистемах для зашифрования данных используется один (общедоступный) ключ, а для расшифрования – другой (секретный) ключ.

Симметричные криптосистемы

Шифры перестановки

В шифрах средних веков часто использовались таблицы, с помощью которых выполнялись простые процедуры шифрования, основанные на перестановке букв в сообщении. Ключем в данном случае является размеры таблицы. Например, сообщение “Неясное становится еще более непонятным” записывается в таблицу из 5 строк и 7 столбцов по столбцам.

Н	О	Н	С	Б	Н	Я
Е	Е	О	Я	О	Е	Т
Я	С	В	Е	Л	П	Н
С	Т	И	Щ	Е	О	Ы
Н	А	Т	Е	Е	Н	М

Для получения шифрованного сообщения текст считывается по строкам и группируется по 5 букв:

НОНСБ НЯЕЕО ЯОЕТЯ СВЕЛП НСТИЩ ЕОЫНА ТЕЕНМ

Несколько большей стойкостью к раскрытию обладает метод одиночной перестановки по ключу. Он отличается от предыдущего тем, что столбцы таблицы переставляются по ключевому слову, фразе или набору чисел длиной в строку таблицы. Используя в качестве ключа слово ЛУНАТИК, получим следующую таблицу

До перестановки После перестановки

В верхней строке левой таблицы записан ключ, а номера под буквами ключа определены в соответствии с естественным порядком соответствующих букв ключа в алфавите. Если в ключе встретились бы одинаковые буквы, они бы нумеровались слева направо. Получается шифровка:

СНЯНН БОЯЕТ ЕООЕЕ ПНЯВЛ СЩОЫС ИЕТЕН МНТЕА.

Для обеспечения дополнительной скрытности можно повторно шифровать сообщение, которое уже было зашифровано. Для этого размер второй таблицы подбирают так, чтобы длины ее строк и столбцов отличались от длин строк и столбцов первой таблицы. Лучше всего, если они будут взаимно простыми.

Кроме алгоритмов одиночных перестановок применяются алгоритмы двойных перестановок. Сначала в таблицу записывается текст сообщения, а потом поочередно переставляются столбцы, а затем строки. При расшифровке порядок перестановок был обратный. Пример данного метода шифрования показан в следующих таблицах:

Е.

Двойная перестановка столбцов и строк

В результате перестановки получена шифровка АЗЮЖЕ_СШГТООИПЕР. Ключом к шифру служат номера столбцов 2413 и номера строк 4123 исходной таблицы.

Число вариантов двойной перестановки достаточно быстро возрастает с увеличением размера таблицы: для таблицы 3 х 3 их 36, для 4 х 4 их 576, а для 5*5 их 14400.

В средние века для шифрования применялись и магические квадраты. Магическими квадратами называются квадратные таблицы с вписанными в их клетки последовательными натуральными числами, начиная с единицы, которые дают в сумме по каждому столбцу, каждой строке и каждой диагонали одно и то же число. Для шифрования необходимо вписать исходный текст по приведенной в квадрате нумерации и затем переписать содержимое таблицы по строкам. В результате получается шифротекст, сформированный благодаря перестановке букв исходного сообщения.

О	И	Р	Т
З	Ш	Е	Ю
_	Ж	А	С
Е	Г	О	П

Число магических квадратов очень резко возрастает с увеличением размера его сторон: для таблицы 3*3 таких квадратов -1; для таблицы 4*4 - 880; а для таблицы 5*5-250000.

12 3 Следующая ⇒