Уроки криптографии. Современные блочные шифры. Введение в основы современных шифров с симметричным ключом. Система шифрования Цезаря

В прошлый раз ты познакомился с великими и ужасными отечественными шифрами. Это был очень непростой урок, ведь эти криптосистемы стоят на страже государственной тайны. Скажешь, куда уж замудреннее? А вот сюда, пожалуйста! На самом деле не стоит пугаться, в этот раз не будем так глубоко погружаться в математику и рассматривать режимы шифрования - их принципы ты уже усвоил (ну или не усвоил). Пройдемся по самым топовым зарубежным шифрам и посмотрим, как же их применяют на практике.

Roadmap

Это четвертый урок из цикла «Погружение в крипту». Все уроки цикла в хронологическом порядке:

• Основы и исторические шифраторы. Как работают (и анализируются) шифры сдвига, замены, Рихарда Зорге, шифр Вернама и шифровальные машины
• Что это такое, как выполняется распределение ключей и как выбрать криптостойкий ключ
• Что такое сеть Фейстеля и какими бывают отечественные блочные шифры, используемые в современных протоколах, - ГОСТ 28147-89, «Кузнечик»
• Урок 4. Современные зарубежные шифры. В чем разница между 3DES, AES, Blowfish, IDEA, Threefish от Брюса Шнайера и как они работают (ты здесь)
• Виды электронных подписей, как они работают и как их использовать
• Урок 6. Квантовая криптография. Что это такое, где используется и как помогает в распределении секретных ключей, генерации случайных чисел и электронной подписи

3DES

Итак, первым в ряду зарубежных шифров рассмотрим 3DES, а точнее его ближайшего родственника DES (Data Encryption Standard), который хоть уже и не используется как таковой, но является предком 3DES.

DES разработан командой математиков научной лаборатории IBM, в которую входил уже знакомый нам Фейстель. Первая версия шифра получила имя «Люцифер», но затем он был модифицирован и в результате принят как официальный алгоритм шифрования данных (DEA). На протяжении более двадцати лет он оставался мировым стандартом, прежде чем его сменил Triple DES.

Рассмотрим, как работает алгоритм шифрования DES. Для этого необходимо вспомнить работу сети Фейстеля. DES - это сеть Фейстеля из 16 раундов с симметричными ключами шифрования. Длина блока текста - 64 бита, длина раундового ключа - 48 бит. Итак, пройдем основные этапы шифрования DES, опуская суровую математическую сторону:

1. Текст, как и при любом другом шифровании, разбивается на блоки по 64 бита.
2. Из 56-битного ключа генерируется 16 48-битных раундовых ключиков.
3. Каждый блок подвергается перестановке, то есть все биты входного блока перемешиваются согласно определенной таблице.
4. Блок расщепляется на половинки и поступает в знакомую нам сеть Фейстеля, где прокручивается 16 раундов.
5. Соединяем половинки.
6. И еще одна перестановка.

Начальная и конечная перестановки не имеют никакого значения для криптографии в DES. Обе перестановки - без ключей, и таблицы для них заданы заранее. Причина, по которой они включены в DES, неясна, и проектировщики DES об этом ничего не сказали. Можно предположить, что алгоритм планировалось реализовать в аппаратных средствах (на чипах) и что эти две сложные перестановки должны были затруднить программное моделирование механизма шифрования.

Вот, собственно, все, что надо знать о работе алгоритма DES. Если углубляться в то, как работает функция, заданная в сети Фейстеля, то в ней все прекрасно. Она осуществляет и перестановку, и замену (S-боксы, как ты можешь помнить из предыдущей статьи), и сложение с раундовым ключом.

Но вернемся к тройному DES, или Triple DES. В нем возникла необходимость, так как 56-битный ключ DES был уязвим к брутфорсу и с ростом вычислительных мощностей эта проблема вставала все острее. Используя доступную сегодня технологию, можно проверить один миллион ключей в секунду. Это означает, что потребуется более чем две тысячи лет, чтобы перебором дешифровать DES, используя компьютер только с одним процессором.

Но если взять компьютер с одним миллионом процессорных ядер, которые будут параллельно обрабатывать ключи, мы сможем проверить все множество ключей приблизительно за 20 часов. Когда был введен DES, стоимость такого компьютера равнялась нескольким миллионам долларов, но она быстро снизилась. Специальный компьютер был создан в 1998 году - и нашел ключ за 112 часов.

Чтобы решить проблему быстрого поиска ключа, умные зарубежные криптографы предложили использовать два ключа и применять DES дважды. Однако двойной DES оказался уязвим к атаке «встреча посередине». Чтобы реализовать эту атаку, злоумышленнику необходимо иметь открытый и соответствующий ему зашифрованный текст. Злоумышленник шифрует открытый текст на всех возможных ключах, записывая результаты в таблицу 1. Затем расшифровывает зашифрованный текст со всеми возможными ключами и записывает результат в таблицу 2. Далее злоумышленник ищет в таблицах 1 и 2 совпадения.

Атака данного типа заключается в переборе ключей на стороне шифрованного и открытого текста и требует примерно в четыре раза больше вычислений, чем перебор обычного ключа DES, и довольно много памяти для хранения промежуточных результатов. Тем не менее на практике атака осуществима, что делает алгоритм Double DES непригодным.

Совсем иначе дела обстоят с Triple DES. Использование трех ключей и применение алгоритмов в указанной на схеме последовательности продлило DES жизнь еще на несколько лет.

Замечательный DES

Так что же в DES такого замечательного? Этот алгоритм шифрования был подвергнут тщательному анализу. DES обладал двумя очень важными качествами блочных шифров - лавинностью и полнотой. Настало время расширить свой криптографический словарик!
Лавинный эффект означает, что небольшие изменения в исходном тексте (или ключе) могут вызвать значительные изменения в зашифрованном тексте.

Было доказано, что DES имеет все признаки этого свойства.

Хотя два блока исходного текста не совпадают только самым правым битом, блоки зашифрованного текста отличаются на 29 бит. Это означает, что изменение приблизительно в 1,5% исходного текста вызывает изменение приблизительно 45% зашифрованного текста.

Эффект полноты заключается в том, что каждый бит зашифрованного текста должен зависеть от многих битов исходного текста. Как мы уже выяснили, в DES применяются и перестановки, и замены - все преобразования устанавливают зависимость каждого бита шифротекста от нескольких битов исходного текста.

Где же применяется DES? Да почти везде, его реализации присутствуют в большинстве программных библиотек. Однако кто знает, насколько использование DES безопасно в наше время? Хотя IBM утверждала, что работа алгоритма была результатом 17 человеко-лет интенсивного криптоанализа, некоторые люди опасались, не вставило ли NSA в алгоритм лазейку, которая позволяет агентству легко дешифровывать перехваченные сообщения. Комитет по разведке сената США тщательно изучал этот вопрос и, разумеется, ничего не обнаружил, обвинения с NSA были сняты, результаты исследования тем не менее засекречены. Одним словом, в Америке еще долго крутились слухи и домыслы насчет того, стоит доверять DES или нет. Но, как я считаю, здесь ситуация описывается поговоркой «Умный не скажет, дурак не поймет». В конце концов NSA признало, что не могло доверить IBM столь важную миссию и внесло несколько корректировок вроде задания S-боксов.

Все время существования DES он был мишенью для различных методов криптоанализа. Криптоаналитики не переставали мериться машинами для вскрытия DES - за какое время кто сможет дешифровать текст. В связи с этим появилось несчетное количество различных модификаций этого алгоритма, и 3DES далеко не самая изощренная из них.

Введение

Проблема защиты информации путем ее преобразования, исключающего ее прочтение посторонним лицом волновала человеческий ум с давних времен. История криптографии - ровесница истории человеческого языка. Более того, первоначально письменность сама по себе была криптографической системой, так как в древних обществах ею владели только избранные.

Священные книги Древнего Египта, Древней Индии тому примеры.

С широким распространением письменности криптография стала формироваться как самостоятельная наука. Первые криптосистемы встречаются уже в начале нашей эры. Так, Цезарь в своей переписке использовал уже более менее систематический шифр, получивший его имя.

Бурное развитие криптографические системы получили в годы первой и второй мировых войн. Начиная с послевоенного времени и по нынешний день появление вычислительных средств ускорило разработку и совершенствование криптографических методов.

Почему проблема использования криптографических методов в информационных системах (ИС) стала в настоящий момент особо актуальна?

С одной стороны, расширилось использование компьютерных сетей, в частности глобальной сети Internet, 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.

В первой главе данной работы можно познакомиться с основными понятиями современной криптографии, требованиям к ним, возможностями ее практического применения.

Во второй главе работы с протоколами распределения криптографических ключей, понятием электронной подписи и протоколами электронной подписи..

Третья глава данной работы рассказывает о хэш-функциях и (методах) алгоритмах их построения.

В четвертой главе будет рассказано о модернизации электронной подписи Эль Гамаля и задаче дискретного логарифмирования.

Глава 1. Основные понятия современной криптографии

Проблемой защиты информации путем ее преобразования занимается криптология (kryptos - тайный, logos - наука). Криптология разделяется на два направления - криптографию и криптоанализ. Цели этих направлений прямо противоположны.

Криптография занимается поиском и исследованием математических методов преобразования информации.

Сфера интересов криптоанализа - исследование возможности расшифровывания информации без знания ключей.

В этой работе основное внимание будет уделено криптографическим методам.

Современная криптография включает в себя четыре крупных раздела:

Симметричные криптосистемы.

Криптосистемы с открытым ключом.

Системы электронной подписи.

Управление ключами.

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

Криптография дает возможность преобразовать информацию таким образом, что ее прочтение (восстановление) возможно только при знании ключа.

В качестве информации, подлежащей шифрованию и дешифрованию, будут рассматриваться тексты, построенные на некотором алфавите. Под этими терминами понимается следующее.

Алфавит - конечное множество используемых для кодирования информации знаков.

Текст - упорядоченный набор из элементов алфавита.

В качестве примеров алфавитов, используемых в современных ИС можно привести следующие:

алфавит Z33 - 32 буквы русского алфавита и пробел;

алфавит Z256 - символы, входящие в стандартные коды ASCII и КОИ-8;

бинарный алфавит - Z2 = {0,1};

восьмеричный алфавит или шестнадцатеричный алфавит;

Шифрование - преобразовательный процесс: исходный текст, который носит также название открытого текста, заменяется шифрованным текстом.

Дешифрование - обратный шифрованию процесс. На основе ключа шифрованный текст преобразуется в исходный.

Ключ - информация, необходимая для беспрепятственного шифрования и дешифрования текстов.

Криптографическая система представляет собой семейство T преобразований открытого текста. Члены этого семейства индексируются, или обозначаются символом k; параметр k является ключом. Пространство ключей K - это набор возможных значений ключа. Обычно ключ представляет собой последовательный ряд букв алфавита.

Криптосистемы разделяются на симметричные и с открытым ключом.

В симметричных криптосистемах и для шифрования, и для дешифрования используется один и тот же ключ.

В системах с открытым ключом используются два ключа - открытый и закрытый, которые математически связаны друг с другом. Информация шифруется с помощью открытого ключа, который доступен всем желающим, а расшифровывается с помощью закрытого ключа, известного только получателю сообщения. Термины распределение ключей и управление ключами относятся к процессам системы обработки информации, содержанием которых является составление и распределение ключей между пользователями.

Электронной (цифровой) подписью называется присоединяемое к тексту его криптографическое преобразование, которое позволяет при получении текста другим пользователем проверить авторство и подлинность сообщения.

Криптостойкостью называется характеристика шифра, определяющая его стойкость к дешифрованию без знания ключа (т.е. криптоанализу). Имеется несколько показателей криптостойкости, среди которых:

количество всех возможных ключей;

среднее время, необходимое для криптоанализа.

Преобразование Tk определяется соответствующим алгоритмом и значением параметра k. Эффективность шифрования с целью защиты информации зависит от сохранения тайны ключа и криптостойкости шифра.

Процесс криптографического закрытия данных может осуществляться как программно, так и аппаратно. Аппаратная реализация отличается существенно большей стоимостью, однако ей присущи и преимущества: высокая производительность, простота, защищенность и т.д. Программная реализация более практична, допускает известную гибкость в использовании.

Для современных криптографических систем защиты информации сформулированы следующие общепринятые требования:

зашифрованное сообщение должно поддаваться чтению только при наличии ключа;

число операций, необходимых для определения использованного ключа шифрования по фрагменту шифрованного сообщения и соответствующего ему открытого текста, должно быть не меньше общего числа возможных ключей;

число операций, необходимых для расшифровывания информации путем перебора всевозможных ключей должно иметь строгую нижнюю оценку и выходить за пределы возможностей современных компьютеров (с учетом возможности использования сетевых вычислений);

знание алгоритма шифрования не должно влиять на надежность защиты;

незначительное изменение ключа должно приводить к существенному изменению вида зашифрованного сообщения даже при использовании одного и того же ключа;

структурные элементы алгоритма шифрования должны быть неизменными;

дополнительные биты, вводимые в сообщение в процессе шифрования, должен быть полностью и надежно скрыты в шифрованном тексте;

длина шифрованного текста должна быть равной длине исходного текста;

не должно быть простых и легко устанавливаемых зависимостью между ключами, последовательно используемыми в процессе шифрования;

любой ключ из множества возможных должен обеспечивать надежную защиту информации;

алгоритм должен допускать как программную, так и аппаратную реализацию, при этом изменение длины ключа не должно вести к качественному ухудшению алгоритма шифрования.

Глава 2. Протоколы распределения криптографических ключей и протоколы электронной подписи.

Как бы ни были сложны и надежны криптографические системы - их слабое мест при практической реализации - проблема распределения ключей. Для того, чтобы был возможен обмен конфиденциальной информацией между двумя субъектами ИС, ключ должен быть сгенерирован одним из них, а затем каким-то образом опять же в конфиденциальном порядке передан другому. Т.е. в общем случае для передачи ключа опять же требуется использование какой-то криптосистемы.

Для решения этой проблемы на основе результатов, полученных классической и современной алгеброй, были предложены системы с открытым ключом.

Суть их состоит в том, что каждым адресатом ИС генерируются два ключа, связанные между собой по определенному правилу. Один ключ объявляется открытым, а другой закрытым. Открытый ключ публикуется и доступен любому, кто желает послать сообщение адресату. Секретный ключ сохраняется в тайне.

Исходный текст шифруется открытым ключом адресата и передается ему. Зашифрованный текст в принципе не может быть расшифрован тем же открытым

ключом. Дешифрование сообщение возможно только с использованием закрытого ключа, который известен только самому адресату.

Криптографические системы с открытым ключом используют так называемые необратимые или односторонние функции, которые обладают следующим свойством: при заданном значении x относительно просто вычислить значение f(x), однако если y=f(x), то нет простого пути для вычисления значения x.

Множество классов необратимых функций и порождает все разнообразие систем с открытым ключом. Однако не всякая необратимая функция годится для использования в реальных ИС.

Как ты помнишь, шифр сдвига, замены, перестановки и шифр Вернама применяют операцию к каждому конкретному символу текста. Нужно сдвинуть - сдвигаем символ, применить ключ - применяем к символу, за ним к следующему символу и так далее, пока не зашифруем все символы открытого текста. Такой метод шифрования называется поточным - мы шифруем каждый символ в отдельности. Есть и другой подход: разбить исходный открытый текст на группы по несколько символов (блоки) и выполнять операции шифрования в каждом блоке. Это - блочный метод шифрования.

Чтобы отличие между блочными и поточными шифрами стало понятнее, приведем пример на простом шифре замены.

Поточное шифрование

Зашифруем поточным шифром замены слово CIPHER:

Зашифровали каждый символ и получили шифротекст. Проще простого.

БЛОЧНОЕ ШИФРОВАНИЕ

Зашифруем слово AVADAKEDAVRA. Поскольку шифр блочный, открытый текст разобьем на блоки по четыре символа: AVAD | AKED | AVRA (на практике блоки текста состоят из 64-256 бит). Для каждого блока придумаем свою таблицу замены:

А теперь шифруем каждый из блоков соответствующим алфавитом:
Получилось чуть лучше, нежели с поточным подходом, если говорить о стойкости. Ведь обычный шифр замены мы научились дешифровать одной левой. А при таком блочном подходе злоумышленнику придется изрядно поломать голову, прежде чем он сможет подобрать длину блока и уже тогда для каждого блока применить криптоанализ для шифров замены.

СЕТЬ ФЕЙСТЕЛЯ

Теперь мы готовы перейти к очень важной теме, которая открывает дверь в бескрайний мир современных систем шифрования. Сеть Фейстеля - это метод блочного шифрования, разработанный Хорстом Фейстелем в лаборатории IBM в 1971 году. Сегодня сеть Фейстеля лежит в основе большого количества криптографических протоколов. Попробуем разобрать «на пальцах», что же она собой представляет.

Сеть Фейстеля оперирует блоками открытого текста, поэтому мы рассмотрим механизм ее работы на одном из блоков. С остальными блоками действия будут аналогичны.

• Блок разбивается на две равные части - левую (L) и правую (R).
• После разбиения левый подблок изменяется функцией f с использованием ключа K: x = f(L, K). В качестве функции можно представить себе какое угодно преобразование — например, старый добрый шифр сдвига с ключом К.
• Полученный подблок складывается по модулю 2 с правым подблоком R, который до этого был не у дел: х=х+R
• Далее полученные части меняются местами и склеиваются.

Как видишь, все достаточно просто. Для того чтобы понять, как это работает, посмотри на схему:

Такая схема называется ячейкой Фейстеля. Сама сеть Фейстеля состоит из нескольких ячеек. Полученные на выходе первой ячейки подблоки поступают на вход второй ячейки, результирующие подблоки из второй ячейки попадают на вход третьей ячейки и так далее в зависимости от количества раундов сети Фейстеля. В каждом таком раунде применяется заранее определенный раундовый ключ. Чаще всего раундовые ключи выработаны из основного секретного ключа K. Когда все раунды будут пройдены, подблоки текста склеиваются, и получается нормальный такой шифротекст.

Теперь посмотрим работу сети Фейстеля на примере. Возьмем слово AVADAKEDAVRA и разобьем его на два блока по шесть символов - AVADAK | EDAVRA. За функцию возьмем шифр сдвига на число позиций, определенных раундовым ключом. Пусть секретный ключ K = . В качестве раундовых ключей возьмем K = 1, K = 2. Для сложения по модулю 2 переведем текст в двоичный код согласно телеграфному алфавитику , которым вряд ли кто-то еще пользуется вообще.

Вот что получилось:

Теперь прогоним через сеть Фейстеля из двух раундов первый блок:

Второй блок попробуй зашифровать сам, у меня получилось MOSSTR.

Расшифрование осуществляется точно так же: шифротекст разбивается на блоки и затем подблоки, левый подблок поступает в функцию, складывается по модулю 2 с правым, и затем подблоки меняются местами. Отличие заключается в том, что раундовые ключи подаются в обратном порядке, то есть в нашем случае в первом раунде применим ключ K = 2, а затем во втором раунде K = 1.

Исследования сети Фейстеля показали, что при независимых раундовых ключах и криптостойкой псевдослучайной функции f трех раундов сети Фейстеля будет достаточно, чтобы шифротекст был псевдослучайным. Это говорит о том, что шифры, основанные на сети Фейстеля, на данный момент достаточно криптостойки.

ГОСТ 28147-89 (МАГМА)

В арсенале уже есть почти все необходимые понятия, поэтому мы готовы пе- рейти к первой важной теме отечественной криптографии - ГОСТ 28147-89. Стоит сказать, что про этот стандарт не написал еще только ленивый, поэтому я попробую в миллион первый раз кратко и без тучи формул изложить суть режимов шифрования великой и ужасной Магмы. Если решишь почитать сам стандарт, то стоит запастись временем, силами, терпением и едой, потому что стандарты на человеческом языке, как известно, писать строго запрещено.

Основные характеристики: ключ 256 бит, блок 64 бита.

Перед разбором Магмы нужно усвоить новое понятие - таблицы замены, или S-боксы. Это таблица того же вида, что и таблица в шифре замены. Предназначена для замены символов подблока на символы, зафиксированные в таблице. Не стоит думать, что S-бокс - это случайные цифры, сгенерированные функцией rand(). S-боксы представляют собой результат продуманных сгенерированных последовательностей, ведь на них держится криптостойкость всего шифра.

ГОСТ 28147 весьма скупо характеризует свои таблицы замены. Говорится лишь о том, что они являются дополнительным секретным элементом (наряду с секретным ключом) и «поставляются в установленном порядке». Больше ничего. С момента принятия ГОСТ 28147 научно-техническая неопределенность, связанная с выбором S-боксов, порождала слухи и домыслы. Ходили разговоры о секретных критериях, известных только разработчикам ГОСТа. Естественно, что эта неопределенность снижала доверие к криптосистеме.

Этот недостаток дал отличную почву для критики стандарта. Французский криптограф Николя Куртуа опубликовал несколько статей, содержащих ряд спорных положений относительно стойкости ГОСТа. Куртуа считает, что на российский стандарт легко построить атаку и его никак нельзя причислять к международным. Однако свой анализ Куртуа проводит для S-боксов, отличных от действующих, так что не стоит полагаться на его мнение.

А теперь посмотрим, что же напридумывали в стенах мрачной Лубянки.

Режим простой замены

В режиме простой замены на 32 раунда, согласно стандарту, нам нужно 32 раундовых ключа. Для генерации раундовых ключей исходный 256-битный ключ разбивается на восемь 32-битных блоков: K1…K8. Ключи K9…K24 являются циклическим повторением ключей K1…K8. Ключи K25…K32 являются ключами K8…K1.

1. Каждый блок 64 бита делится на два подблока - Ai и Bi.
2. Левый подблок Ai складывается по модулю 232 с раундовым ключом K1: Ai+1 = Ai + Ki mod 232.
3. Левый подблок проходит через S-бокс.
4. Биты левого подблока сдвигаются на 11 позиций (циклический сдвиг).
5. Левый подблок складывается с правым по модулю 2: A = A ⊕ B . iii
6. Правый подблок принимает первоначальное значение левого подблока: Bi+1 = Ai.
7. Подблоки меняются местами.

Сразу пример одного раунда. Ключ 256 бит:

arvadek adava arvadek adava arvadek adava arvadek adava arva 00011 01010 11110 00011 01001 00001 01111 00011 01001 00011 11110 00011... . . . 00011 01010 11110 0

Тогда раундовые ключи

K1 = 00011 01010 11110 00011 01001 00001 01 K2 = 111 00011 01001 00011 11110 00011 0001 K3 = . . . S - бокс= [ 1 , 15 , 13 , 0 , 5 , 7 , 10 , 4 , 9 , 2 , 3 , 14 , 6 , 11 , 8 , 12 ]

Как пользоваться таким S-боксом? Очень просто! Если на входе S-бокса 0, то на выходе будет 1 (берем 0-й символ S-бокса), если 4, то на выходе будет 5 (берем 4-й символ), если на входе 7, то на выходе 4, и так далее.

Открытый текст:

Делится на два 32-битных блока старших и младших битов:

Пример, конечно, вышел дикий, потому что ГОСТ - это все-таки не такой стандарт, чтоб каждый мог его ручками перебирать.

Режим простой замены чересчур простой и имеет существенные недостатки:

• одна ошибка в шифрованном блоке искажает все биты этого блока;
• при шифровании одинаковых блоков открытого текста получаются одинаковые блоки шифротекста, что может дать определенную информацию криптоаналитику.

Таким образом, применять ГОСТ 28147-89 в режиме простой замены желательно лишь для шифрования ключевых данных.

РЕЖИМ ГАММИРОВАНИЯ

Недостатков режима простой замены этот режим не имеет. Режим гаммирования называется так потому, что в нем используется гамма - псевдослучайная последовательность, которая в каждом раунде складывается по модулю 2 с открытым текстом. Гамма образуется из синхропосылки S - псевдослучайной последовательности, которая изменяется с каждой итерацией и проходит шифрование в режиме простой замены, после чего превращается в гамму и накладывается на открытый текст.

А теперь все по порядку.

Шаги 3–5 повторяются для каждого блока. Все эти манипуляции можно посмотреть на схеме.

Расшифрование выполняется аналогично, вместо блока открытого текста подается блок шифротекста.

Режим гаммирования с обратной связью

Идем на усложнение. Алгоритм похож на режим гаммирования, однако гамма формируется на основе предыдущего блока зашифрованных данных, так что результат шифрования текущего блока зависит также и от предыдущих блоков. 1. Синхропосылка S - 64-битная псевдослучайная последовательность.

2. S шифруется в режиме простой замены.
3. Открытый текст складывается по модулю 2 с полученной гаммой.
4. Полученный шифротекст поступает в качестве синхропосылки для следующего блока, а также поступает на выход. Как это выглядит, можно посмотреть на схеме.

Режим имитовставки

В этом режиме вырабатывается имитовставка - дополнительный блок фиксированной длины, зависящий от исходного текста и ключей. Такой небольшой блок нужен для подтверждения того, что в шифротекст случайно или преднамеренно не были внесены искажения, - то есть для проверки целостности. Работает этот режим так:

1. Блок открытого текста проходит 16 раундов в режиме простой замены.
2. К полученному блоку по модулю 2 прибавляется еще один блок открытого текста.
3. Сумма проходит еще 16 раундов в режиме простой замены.
4. Прибавляется следующий блок открытого текста и опять простая замена и так далее, пока не кончатся блоки открытого текста.

Для проверки получатель после расшифровывания текста проводит аналогичную описанной процедуру. В случае несовпадения результата с переданной имитовставкой все соответствующие M блоков считаются ложными.

ГОСТ 34.12-2015 (КУЗНЕЧИК)

Многие считают ГОСТ 28147-89 морально устаревшим и недостаточно стойким по сравнению с зарубежными алгоритмами. На смену ему отечественными криптографами был выпущен новый стандарт шифрования. Говорят, что это произошло то ли из-за большого количества атак на старый ГОСТ, то ли потому, что такая длина блока уже устарела и маловата для современных массивов данных. Истинных причин никто не афиширует. Конечно, не обошлось без из- менений основных характеристик.

Основные характеристики: ключ 256 бит, блок 128 бит.

Также стоит сказать, что в новом стандарте S-боксы фиксированы и продуманны, так что не стоит изобретать свои чудо-случайные подстановки. В новом ГОСТе режимов шифрования стало гораздо больше:
режим простой замены (Electronic Codebook, ЕСВ);
режим гаммирования (Counter, CTR);
режим гаммирования с обратной связью по выходу (Output Feedback, OFB);
режим простой замены с зацеплением (Cipher Block Chaining, СВС);
режим гаммирования с обратной связью по шифротексту (Cipher Feedback,CFB);
режим выработки имитовставки (Message Authentication Code algorithm).

Рассмотрим новые режимы.

Режим простой замены с зацеплением

Как было видно на прошлом стандарте, режим простой замены - самый слабый из режимов, поэтому в новом стандарте он теперь выступает с зацеплением и стал вовсе не таким простым.

1. Инициализирующий вектор - звучит страшно, но на деле всего лишь последовательность битов, поступающая на вход.
2. Вектор разбивается на две части - L и R, одна из которых складывается по модулю 2 с открытым текстом, а другая становится половинкой инициализирующего вектора для следующего блока.
3. Сумма открытого текста и кусочка инициализирующего вектора проходит через шифр простой замены.
4. Полученные блоки зашифрованного текста склеиваются.

Стоит посмотреть на схему, и сразу все становится ясно.

Разумеется, с инициализирующим вектором не все так просто: он проходит через ряд линейных преобразований (с использованием линейного регистра сдвига), прежде чем начать шифрование нового блока. Но для знакомства с шифром достаточно представлять такую схему. Расшифрование в этом режиме тоже не совсем очевидное, поэтому лучше посмотреть схему.

Для плюсов - Encryptions . Среди отечественных разработок это криптопровайдер КриптоПро CSP .

Пара слов о стойкости режимов шифрования. Немало зарубежных криптографов пытались поднять руку на наш стандарт, однако на данный момент не известно ни одной атаки, которая может быть реализована на современном технологическом уровне развития. Среди программистов этот стандарт долгое время был не слишком популярен, так как из его текста понять алгоритм работы тяжело, а более четких описаний маловато. Но сейчас уже полно реализаций на многих языках программирования. Так что теперь использование ГОСТа вполне реально, и по многим параметрам он превосходит зарубежные стандарты. В конце концов, где же патриотизмъ?!

Аннотация: В этой лекции поставлено несколько целей. Показать различие между традиционными и современными шифрами с симметричным ключом. Привести современные блочные шифры и обсудить их характеристики. Объяснить, почему современные блочные шифры должны быть спроектированы как шифры подстановки. Ввести компоненты блочных шифров, таких как P-блоки и S-блоки. Обсудить и показать различие между двумя классами шифров: шифры Файстеля и шифры не-Файстеля. Обсудить два вида атак, особо направленных на раскрытие современных блочных шифров: дифференциальный и линейный криптоанализ. Ввести понятие "шифры для потока" и показать различие между синхронными и несинхронными шифрами. Обсудить линейную и нелинейную обратную связь регистров сдвига для реализации поточных шифров.

Традиционные шифры с симметричным ключом , которые мы изучали до сих пор, ориентируются на символы. С появлением компьютера стали необходимы шифры, ориентированные на бит . Потому что информация , которую надо зашифровать, - не всегда только текст; она может также состоять из чисел, графики, аудио- и видеоданных. Удобно преобразовать эти типы данных в поток битов, чтобы зашифровать этот поток , и затем передать зашифрованный поток . Кроме того, когда текст обработан на разрядном уровне, каждый символ заменен на 8 (или 16 ) бит , а это означает, что число символов становится в 8 (или 16 ) раз больше. Смешивание большего числа символов увеличивает безопасность .

Эта глава обеспечивает необходимую основу для изучения современных блочных и поточных шифров , которые рассматриваются в следующих трех главах. Большая часть этой главы посвящена обсуждению общих идей современных блочных шифров , и только малая часть - принципам современных поточных шифров .

7.1. Современные блочные шифры

Современный блочный шифр с симметричными ключами шифрует n -битовый блок исходного текста или расшифровывает n -битовый блок зашифрованного текста. Алгоритм шифрования или дешифрования используют k -битовый ключ . Алгоритм дешифрования должен быть инверсией алгоритма шифрования, и оба в работе используют один и тот же ключ засекречивания так, чтобы Боб мог восстановить сообщение, передаваемое Алисой. Рисунок 7.1 показывает общую идею шифрования и дешифрования в современном блочном шифре.

Рис. 7.1.

Если сообщение имеет размер меньше, чем n бит , нужно добавить заполнение, чтобы создать этот n -разрядный блок; если сообщение имеет больше, чем n бит , оно должно быть разделено на n -разрядные блоки, и в случае необходимости нужно добавить к последнему блоку соответствующее заполнение. Общие значения для n обычно 64 , 128 , 256 или 512 битов.

Пример 7.1

Сколько дополнительных битов нужно добавить к сообщению 100 символов, если для кодирования используется ASCII по 8 битов и блочный шифр принимает блоки 64 бита?

Решение

Закодировать 100 символов, используя ASCII по 8 битов. Это сообщение содержит 800 бит . Исходный текст должен делиться без остатка на 64 . Если | M | и | Pad | - длина сообщения и длина заполнения, то

| M | + | Pad | == 0 mod 64 -> | Pad | = -800 mod 64-> 32 mod 64

Это означает, что к сообщению нужно добавить 32 бита заполнения (например, нулей). Текст тогда будет состоять из 832 битов или тринадцати 64 -разрядных блоков. Заметим, что только последний блок содержит заполнение. Шифратор использует алгоритм шифрования тринадцать раз, чтобы создать тринадцать блоков зашифрованного текста.

Подстановка, или транспозиция

Современный блочный шифр может быть спроектирован так, чтобы действовать как шифр подстановки или как шифр транспозиции. Это - та же самая идея, которая используется и в традиционных шифрах, за исключением того, что символы, которые будут заменены или перемещены, содержат биты вместо символов.

Если шифр спроектирован как шифр подстановки , значения бита 1 или 0 в исходном тексте могут быть заменены либо на 0 , либо на 1 . Это означает, что исходный текст и зашифрованный текст могут иметь различное число единиц. Блок исходного текста на 64 бита, который содержит 12 нулей и 52 единицы, может быть представлен в зашифрованном тексте 34 нулями и 30 единицами. Если шифр спроектирован как шифр перестановки (транспозиции) , биты только меняют порядок следования (перемещаются), сохраняя то же самое число символов в исходном и зашифрованном текстах. В любом случае, число возможных n -битовых исходных текстов или зашифрованных текстов равно 2 n , потому что каждый из n битов, использованных в блоке, может иметь одно из двух значений - 0 или 1 .2 64 блока по 64 бита, чтобы найти один, который имеет смысл. Если бы Ева могла пробовать 1 миллиард блоков в секунду, и тогда ей потребовалось бы сотни лет, прежде чем эта работа могла бы принести успех.

b. Во втором случае (перестановка) Ева знает, что в исходном тексте есть точно 10 единиц, потому что транспозиция не изменяет числа единиц (или нулей) в зашифрованном тексте. Ева может начать атаку исчерпывающего поиска, используя только те 64 -битовые блоки, которые имеют точно 10 единиц. Есть только (64!) / [(10!) (54!)] = 151 473 214 816 из 2 64 слов по 64 бита, которые имеют точно 10 единиц. Ева может проверить всех их меньше чем за 3 минуты, если она может провести 1 миллиард испытаний в секунду.

Стойкий к атаке исчерпывающего поиска, современный блочный шифр должен быть спроектирован как шифр подстановки .

Необходимость в шифровании переписки возникла еще в древнем мире, и появились шифры простой замены. Зашифрованные послания определяли судьбу множества битв и влияли на ход истории. Со временем люди изобретали все более совершенные способы шифрования.

Код и шифр - это, к слову, разные понятия. Первое означает замену каждого слова в сообщении кодовым словом. Второе же заключается в шифровании по определенному алгоритму каждого символа информации.

После того как кодированием информации занялась математика и была разработана теория криптографии, ученые обнаружили множество полезных свойств этой прикладной науки. Например, алгоритмы декодирования помогли разгадать мертвые языки, такие как древнеегипетский или латынь.

Стеганография

Стеганография старше кодирования и шифрования. Это искусство появилось очень давно. Оно буквально означает «скрытое письмо» или «тайнопись». Хоть стеганография не совсем соответствует определениям кода или шифра, но она предназначена для сокрытия информации от чужих глаз.

Стеганография является простейшим шифром. Типичными ее примерами являются проглоченные записки, покрытые ваксой, или сообщение на бритой голове, которое скрывается под выросшими волосами. Ярчайшим примером стеганографии является способ, описанный во множестве английских (и не только) детективных книг, когда сообщения передаются через газету, где малозаметным образом помечены буквы.

Главным минусом стеганографии является то, что внимательный посторонний человек может ее заметить. Поэтому, чтобы секретное послание не было легко читаемым, совместно со стеганографией используются методы шифрования и кодирования.

ROT1 и шифр Цезаря

Название этого шифра ROTate 1 letter forward, и он известен многим школьникам. Он представляет собой шифр простой замены. Его суть заключается в том, что каждая буква шифруется путем смещения по алфавиту на 1 букву вперед. А -> Б, Б -> В, ..., Я -> А. Например, зашифруем фразу «наша Настя громко плачет» и получим «общб Обтуа дспнлп рмбшеу».

Шифр ROT1 может быть обобщен на произвольное число смещений, тогда он называется ROTN, где N - это число, на которое следует смещать шифрование букв. В таком виде шифр известен с глубокой древности и носит название «шифр Цезаря».

Шифр Цезаря очень простой и быстрый, но он является шифром простой одинарной перестановки и поэтому легко взламывается. Имея подобный недостаток, он подходит только для детских шалостей.

Транспозиционные или перестановочные шифры

Данные виды шифра простой перестановки более серьезны и активно применялись не так давно. В Гражданскую войну в США и в Первую мировую его использовали для передачи сообщений. Его алгоритм заключается в перестановке букв местами - записать сообщение в обратном порядке или попарно переставить буквы. Например, зашифруем фразу «азбука Морзе - тоже шифр» -> «акубза езроМ - ежот рфиш».

С хорошим алгоритмом, который определял произвольные перестановки для каждого символа или их группы, шифр становился устойчивым к простому взлому. Но! Только в свое время. Так как шифр легко взламывается простым перебором или словарным соответствием, сегодня с его расшифровкой справится любой смартфон. Поэтому с появлением компьютеров этот шифр также перешел в разряд детских.

Азбука Морзе

Азбука является средством обмена информации и ее основная задача - сделать сообщения более простыми и понятными для передачи. Хотя это противоречит тому, для чего предназначено шифрование. Тем не менее она работает подобно простейшим шифрам. В системе Морзе каждая буква, цифра и знак препинания имеют свой код, составленный из группы тире и точек. При передаче сообщения с помощью телеграфа тире и точки означают длинные и короткие сигналы.

Телеграф и азбука был тем, кто первый запатентовал «свое» изобретение в 1840 году, хотя до него и в России, и в Англии были изобретены подобные аппараты. Но кого это теперь интересует... Телеграф и азбука Морзе оказали очень большое влияние на мир, позволив почти мгновенно передавать сообщения на континентальные расстояния.

Моноалфавитная замена

Описанные выше ROTN и азбука Морзе являются представителями шрифтов моноалфавитной замены. Приставка «моно» означает, что при шифровании каждая буква изначального сообщения заменяется другой буквой или кодом из единственного алфавита шифрования.

Дешифрование шифров простой замены не составляет труда, и в этом их главный недостаток. Разгадываются они простым перебором или Например, известно, что самые используемые буквы русского языка - это «о», «а», «и». Таким образом, можно предположить, что в зашифрованном тексте буквы, которые встречаются чаще всего, означают либо «о», либо «а», либо «и». Исходя из таких соображений, послание можно расшифровать даже без перебора компьютером.

Известно, что Мария I, королева Шотландии с 1561 по 1567 г., использовала очень сложный шифр моноалфавитной замены с несколькими комбинациями. И все же ее враги смогли расшифровать послания, и информации хватило, чтобы приговорить королеву к смерти.

Шифр Гронсфельда, или полиалфавитная замена

Простые шифры криптографией признаны бесполезными. Поэтому множество из них было доработано. Шифр Гронсфельда — это модификация шифра Цезаря. Данный способ является значительно более стойким к взлому и заключается в том, что каждый символ кодируемой информации шифруется при помощи одного из разных алфавитов, которые циклически повторяются. Можно сказать, что это многомерное применение простейшего шифра замены. Фактически шифр Гронсфельда очень похож на рассмотренный ниже.

Алгоритм шифрования ADFGX

Это самый известный шифр Первой мировой войны, используемый немцами. Свое имя шифр получил потому, что приводил все шифрограммы к чередованию этих букв. Выбор самих же букв был определен их удобством при передаче по телеграфным линиям. Каждая буква в шифре представляется двумя. Рассмотрим более интересную версию квадрата ADFGX, которая включает цифры и называется ADFGVX.

	A	D	F	G	V	X
A	J	Q	A	5	H	D
D	2	E	R	V	9	Z
F	8	Y	I	N	K	V
G	U	P	B	F	6	O
V	4	G	X	S	3	T
X	W	L	Q	7	C	0

Алгоритм составления квадрата ADFGX следующий:

1. Берем случайные n букв для обозначения столбцов и строк.
2. Строим матрицу N x N.
3. Вписываем в матрицу алфавит, цифры, знаки, случайным образом разбросанные по ячейкам.

Составим аналогичный квадрат для русского языка. Например, создадим квадрат АБВГД:

	А	Б	В	Г	Д
А	Е/Е	Н	Ь/Ъ	А	И/Й
Б	Ч	В/Ф	Г/К	З	Д
В	Ш/Щ	Б	Л	Х	Я
Г	Р	М	О	Ю	П
Д	Ж	Т	Ц	Ы	У

Данная матрица выглядит странно, так как ряд ячеек содержит по две буквы. Это допустимо, смысл послания при этом не теряется. Его легко можно восстановить. Зашифруем фразу «Компактный шифр» при помощи данной таблицы:

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Фраза

К

О

М

П

А

К

Т

Н

Ы

Й

Ш

И

Ф

Р

Шифр

бв

гв

гб

гд

аг

бв

дб

аб

дг

ад

ва

ад

бб

га

Таким образом, итоговое зашифрованное послание выглядит так: «бвгвгбгдагбвдбабдгвдваадббга». Разумеется, немцы проводили подобную строку еще через несколько шифров. И в итоге получалось очень устойчивое к взлому шифрованное послание.

Шифр Виженера

Данный шифр на порядок более устойчив к взлому, чем моноалфавитные, хотя представляет собой шифр простой замены текста. Однако благодаря устойчивому алгоритму долгое время считался невозможным для взлома. Первые его упоминания относятся к 16-му веку. Виженер (французский дипломат) ошибочно считается его изобретателем. Чтобы лучше разобраться, о чем идет речь, рассмотрим таблицу Виженера (квадрат Виженера, tabula recta) для русского языка.

Приступим к шифрованию фразы «Касперович смеется». Но, чтобы шифрование удалось, нужно ключевое слово — пусть им будет «пароль». Теперь начнем шифрование. Для этого запишем ключ столько раз, чтобы количество букв из него соответствовало количеству букв в шифруемой фразе, путем повтора ключа или обрезания:

Теперь по как по координатной плоскости, ищем ячейку, которая является пересечением пар букв, и получаем: К + П = Ъ, А + А = Б, С + Р = В и т. д.

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
Шифр:	Ъ	Б	В	Ю	С	Н	Ю	Г	Щ	Ж	Э	Й	Х	Ж	Г	А	Л

Получаем, что "касперович смеется" = "ъбвюснюгщж эйхжгал".

Взломать шифр Виженера так сложно, потому что для работы частотного анализа необходимо знать длину ключевого слова. Поэтому взлом заключается в том, чтобы наугад бросать длину ключевого слова и пытаться взломать засекреченное послание.

Следует также упомянуть, что помимо абсолютно случайного ключа может быть использована совершенно разная таблица Виженера. В данном случае квадрат Виженера состоит из построчно записанного русского алфавита со смещением на единицу. Что отсылает нас к шифру ROT1. И точно так же, как и в шифре Цезаря, смещение может быть любым. Более того, порядок букв не должен быть алфавитным. В данном случае сама таблица может быть ключом, не зная которую невозможно будет прочесть сообщение, даже зная ключ.

Коды

Настоящие коды состоят из соответствий для каждого слова отдельного кода. Для работы с ними необходимы так называемые кодовые книги. Фактически это тот же словарь, только содержащий переводы слов в коды. Типичным и упрощенным примером кодов является таблица ASCII — международный шифр простых знаков.

Главным преимуществом кодов является то, что расшифровать их очень сложно. Частотный анализ почти не работает при их взломе. Слабость же кодов — это, собственно, сами книги. Во-первых, их подготовка — сложный и дорогостоящий процесс. Во-вторых, для врагов они превращаются в желанный объект и перехват даже части книги вынуждает менять все коды полностью.

В 20-м веке многие государства для передачи секретных данных использовали коды, меняя кодовую книгу по прошествии определенного периода. И они же активно охотились за книгами соседей и противников.

"Энигма"

Всем известно, что "Энигма" — это главная шифровальная машина нацистов во время II мировой войны. Строение "Энигмы" включает комбинацию электрических и механических схем. То, каким получится шифр, зависит от начальной конфигурации "Энигмы". В то же время "Энигма" автоматически меняет свою конфигурацию во время работы, шифруя одно сообщение несколькими способами на всем его протяжении.

В противовес самым простым шифрам "Энигма" давала триллионы возможных комбинаций, что делало взлом зашифрованной информации почти невозможным. В свою очередь, у нацистов на каждый день была заготовлена определенная комбинация, которую они использовали в конкретный день для передачи сообщений. Поэтому даже если "Энигма" попадала в руки противника, она никак не способствовала расшифровке сообщений без введения нужной конфигурации каждый день.

Взломать "Энигму" активно пытались в течение всей военной кампании Гитлера. В Англии в 1936 г. для этого построили один из первых вычислительных аппаратов (машина Тьюринга), ставший прообразом компьютеров в будущем. Его задачей было моделирование работы нескольких десятков "Энигм" одновременно и прогон через них перехваченных сообщений нацистов. Но даже машине Тьюринга лишь иногда удавалось взламывать сообщение.

Шифрование методом публичного ключа

Самый популярный из алгоритмов шифрования, который используется повсеместно в технике и компьютерных системах. Его суть заключается, как правило, в наличии двух ключей, один из которых передается публично, а второй является секретным (приватным). Открытый ключ используется для шифровки сообщения, а секретный — для дешифровки.

В роли открытого ключа чаще всего выступает очень большое число, у которого существует только два делителя, не считая единицы и самого числа. Вместе эти два делителя образуют секретный ключ.

Рассмотрим простой пример. Пусть публичным ключом будет 905. Его делителями являются числа 1, 5, 181 и 905. Тогда секретным ключом будет, например, число 5*181. Вы скажете слишком просто? А что если в роли публичного числа будет число с 60 знаками? Математически сложно вычислить делители большого числа.

В качестве более живого примера представьте, что вы снимаете деньги в банкомате. При считывании карточки личные данные зашифровываются определенным открытым ключом, а на стороне банка происходит расшифровка информации секретным ключом. И этот открытый ключ можно менять для каждой операции. А способов быстро найти делители ключа при его перехвате — нет.

Стойкость шрифта

Криптографическая стойкость алгоритма шифрования — это способность противостоять взлому. Данный параметр является самым важным для любого шифрования. Очевидно, что шифр простой замены, расшифровку которого осилит любое электронное устройство, является одним из самых нестойких.

На сегодняшний день не существует единых стандартов, по которым можно было бы оценить стойкость шифра. Это трудоемкий и долгий процесс. Однако есть ряд комиссий, которые изготовили стандарты в этой области. Например, минимальные требования к алгоритму шифрования Advanced Encryption Standart или AES, разработанные в NIST США.

Для справки: самым стойким шифром к взлому признан шифр Вернама. При этом его плюсом является то, что по своему алгоритму он является простейшим шифром.