Обзор алгоритмов шифрования. Спецификации и Информация. Алгоритмы шифрования данных – как придумать свой шифр Алгоритмы шифрования какие есть

21.09.2021

Решение задачи определения ключа путем простого перебора всех возможных вариантов, как правило, является непрактичным, за исключением использования очень короткого ключа. Следовательно, если криптоаналитик хочет иметь реальные шансы на вскрытие шифра, он должен отказаться от «лобовых» методов перебора и применить другую стратегию. При раскрытии многих схем шифрования может применяться статистический анализ, использующий частоту появления отдельных символов или их комбинаций. Для усложнения решения задачи вскрытия шифра с использованием статистического анализа К. Шеннон предложил две концепции шифрования, получившие название смешения (confusion ) и диффузии (diffusion ). Смешение – это применение такой подстановки, при которой взаимосвязь между ключом и шифрованным текстом становится как можно более сложной. Применение данной концепции усложняет применение статистического анализа, сужающего область поиска ключа, и дешифрование даже очень короткой последовательности криптограммы требует перебора большого количества ключей. В свою очередь диффузия – это применение таких преобразований, которые сглаживают статистические различия между символами и их комбинациями. В результате использование криптоаналитиком статистического анализа может привести к положительному результату только при перехвате достаточно большого отрезка шифрованного текста.

Реализация целей провозглашаемых данными концепциями достигается путем многократного применения элементарных методов шифрования таких, как метод подстановки, перестановки и скремблирования.

10.4.1. Метод подстановки.

Простейшим и имеющим наибольшую историю является метод подстановки, суть которого заключается в том, что символ исходного текста заменяется другим, выбранным из этого или другого алфавита по правилу, задаваемому ключом шифрования. Местоположение символа в тексте при этом не изменяется. Одним из ранних примеров использования метода постановки является шифр Цезаря , который использовался Гаем Юлием Цезарем во время его Галльских походов. В нем каждая буква открытого текста заменялась другой, взятой из того же алфавита, но циклически сдвинутого на определенное количество символов. Применение данного метода шифрования иллюстрирует пример, представленный на рис.10.3, в котором шифрующее преобразование основано на использовании алфавита с циклическим сдвигом на пять позиций.

Рис. 10.3 , а )

Исходный текст

Криптограмма

Рис. 10.3 , б )

Очевидно, что ключом шифра служит величина циклического сдвига. При выборе другого ключа, чем указано в примере, шифр будет изменяться.

Другим примером классической схемы, основанной на методе подстановки, может служить система шифрования, называемая квадратом Полибиуса . Применительно к русскому алфавиту данная схема может быть описана следующим образом. Первоначально объединяются в одну буквы Е, Ё; И, Й и Ъ, Ь, истинное значение которых в дешифрованном тексте легко восстанавливается из контекста. Затем 30 символов алфавита размещаются в таблицу размером 65, пример заполнения которой представлен на рис. 10.4.

Рис. 10.4.

Шифрование любой буквы открытого текста осуществляется заданием ее адреса (т.е. номера строки и столбца или наоборот) в приведенной таблице. Так, например, слово ЦЕЗАРЬ шифруется с помощью квадрата Полибиуса как 52 21 23 11 41 61. Совершенно ясно, что изменение кода может быть осуществлено в результате перестановок букв в таблице. Следует также заметить, что те, кто посещал экскурсию по казематам Петропавловской крепости, должно быть памятны слова экскурсовода о том, как заключенные перестукивались между собой. Очевидно, что их способ общения полностью подпадает под данный метод шифрования.

Примером полиалфавитного шифра может служить схема, основанная на т.н. прогрессивном ключе Тритемиуса . Основой данного способа шифрования служит таблица, представленная на рис. 10.5, строки которой представляют собой циклически сдвинутые на одну позицию копии исходного алфавита. Так, первая строка имеет нулевой сдвиг, вторая циклически сдвинута на одну позицию влево, третья – на две позиции относительно первой строки и т.д.

Рис. 10.5.

Один из методов шифрования с помощью подобной таблицы состоит в использовании вместо первого символа открытого текста символа из первого циклического сдвига исходного алфавита, стоящего под шифруемым символом, второго символа открытого текста – из строки, соответствующей второму циклическому сдвигу и т.д. Пример шифрования сообщения подобным образом представлен ниже (рис. 10.6).

Открытый текст

Шифрованный текст

Рис. 10.6.

Известны несколько интересных вариантов шифров, основанных на прогрессивном ключе Тритемиуса. В одном из них, называемом методом ключа Вижинера , применяется ключевое слово, которое указывает строки для шифрования и расшифрования каждого последующего символа открытого текста: первая буква ключа указывает строку таблицы на рис. 10.5, с помощью которой шифруется первый символ сообщения, вторая буква ключа определяет строку таблицы, шифрующей второй символ открытого текста и т.д. Пусть в качестве ключа выбрано слово «ТРОМБ», тогда сообщение, зашифрованное с помощью ключа Вижинера, может быть представлено следующим образом (рис. 10.7). Очевидно, что вскрытие ключа возможно осуществить на основе статистического анализа шифрограммы.

Открытый текст

Шифрованный текст

Рис. 10.7.

Разновидностью этого метода является т.н. метод автоматического (открытого ) ключа Вижинера , в котором в качестве образующего ключа используется единственная буква или слово. Этот ключ дает начальную строку или строки для шифрования первого или нескольких первых символов открытого текста аналогично ранее рассмотренному примеру. Затем в качестве ключа для выбора шифрующей строки используются символы открытого текста. В приведенном ниже примере в качестве образующего ключа использована буква «И» (рис. 10.8):

Открытый текст

Шифрованный текст

Рис. 10.8.

Как показывает пример, выбор строк шифрования полностью определяется содержанием открытого текста, т.е. в процесс шифрования вводится обратная связь по открытому тексту.

Еще одной разновидностью метода Вижинера служит метод автоматического (шифрованного ) ключа Вижинера . В нем, подобно шифрованию с открытым ключом, также используется образующий ключ и обратная связь. Отличие состоит в том, что после шифрования с помощью образующего ключа, каждый последующий символ ключа в последовательности берется не из открытого текста, а из получаемой криптограммы. Ниже представлен пример, поясняющий принцип применения данного метода шифрования, в котором, как и ранее, в качестве образующего ключа использована буква «И» (рис. 10.9):

Открытый текст

Шифрованный текст

Рис. 10.9.

Как видно из приведенного примера, хотя каждый последующий символ ключа определяется предшествующим ему символом криптограммы, функционально он зависит от всех предшествующих символов открытого сообщения и образующего ключа. Следовательно, наблюдается эффект рассеивания статистических свойств исходного текста, что затрудняет применение статистического анализа криптоаналитиком. Слабым звеном данного метода является то, что шифрованный текст содержит символы ключа.

По нынешним стандартам шифрование по методу Вижинера не считается защищенным, основным же вкладом является открытие того, что неповторяющиеся ключевые последовательности могут быть образованы с использованием либо самих сообщений, либо функций от сообщений.

Вариантом реализации подстановочной технологии, который в достаточной степени реализует концепцию смешения, служит следующий пример, базирующийся на нелинейном преобразовании. Поток информационных бит предварительно разбивается на блоки длиной m , причем каждый блок представляется одним из различных символов. Затем множество из
символов перемешивается таким образом, чтобы каждый символ заменялся другим символом из этого множества. После операции перемешивания символ вновь превращается вm –битовый блок. Устройство, реализующее описанный алгоритм при
, представлено нарис. 10.10, где в таблице задано правило перемешивания символов множества из
элементов.

Рис. 10.10.

Не составляет труда показать, что существует
различных подстановок или связанных с ними возможных моделей. В связи, с чем при больших значенияхm задача криптоаналитика становится в вычислительном плане практически невозможной. Например, при
число возможных подстановок определяется как
, т.е. представляет собой астрономическое число. Очевидно, что при подобном значенииm данное преобразование с помощью блока подстановки (substitution block , S –блок) можно считать обладающим практической секретностью. Однако его практическая реализация вряд ли возможна, поскольку предполагает существование
соединений.

Убедимся теперь, что S –блок, представленный на рис. 10.10, действительно осуществляет нелинейное преобразование, для чего воспользуемся принципом суперпозиций: преобразование
является линейным, если. Предположим, что
, а
. Тогда, а, откуда следует, чтоS –блок является нелинейным.

10.4.2. Метод перестановки.

При перестановке (или транспозиции ) в соответствии с ключом изменяется порядок следования символов открытого текста, а значение символа при этом сохраняется. Шифры перестановки являются блочными, т. е. исходный текст предварительно разбивается на блоки, в которых и осуществляется заданная ключом перестановка.

Простейшим вариантом реализации данного метода шифрования может служить рассмотренный ранее алгоритм перемежения, суть которого заключается в разбиении потока информационных символов на блоки длиной
, построчной записи его в матрицу памяти размеромстрок истолбцов и считывании по столбцам. Иллюстрацией данному алгоритму служит пример с
на рис. 10.11, в ходе которого производится запись фразыX =«скоро начнется экзаменационная пора». Тогда на выходе устройства перестановки будет получена криптограмма вида

Рис. 10.11.

Рассмотренный вариант метода перестановки может быть усложнен введением ключей
и
, определяющих порядок записи строк и считывания столбцов соответственно, иллюстрацией чему служит таблица на рис. 10.12. Результата преобразования будет иметь следующий вид

Рис. 10.12.

На рис. 10.13 приведен пример бинарной перестановки данных (линейная операция), из которого видно, что данные просто перемешиваются или переставляются. Преобразование осуществляется с помощью блока перестановки (permutation block , P –блок). Технология перестановки, реализуемая этим блоком, имеет один основной недостаток: она уязвима по отношению к обманным сообщениям. Обманное сообщение изображено на рис. 10.13 и заключается в подаче на вход одной единственной единицы при остальных нулях, что позволяет обнаружить одну из внутренних связей. Если криптоаналитику необходимо осуществить анализ подобной схемы с помощью атаки открытого текста, то он отправит последовательность подобных обманных сообщений, смещая при каждой передаче единственную единицу на одну позицию. В результате подобной атаки будут установлены все связи входа и выхода. Данный пример демонстрирует, почему защищенность схемы не должна зависеть от ее архитектуры.

10.4.3. Метод гаммирования .

Попытки приблизиться к совершенной секретности демонстрируют многие современные телекоммуникационные системы, использующие операцию скремблирования. Подскремблированием понимается процесс наложения на коды символов открытого текста кодов случайной последовательности чисел, которую называют также гаммой (по названию буквы  греческого алфавита, используемой в математических формулах для обозначения случайного процесса). Гаммирование относится к поточным методам шифрования, когда следующие друг за другом символы открытого текста последовательно превращаются в символы шифрограммы, что повышает скорость преобразования. Так, например, поток информационных бит поступает на один вход сумматора по модулю 2, изображенного на рис. 10.14, тогда как на второй – скремблирующая двоичная последовательность
. В идеале последовательность
должна быть случайной последовательностью с равновероятными значениями нулей и единиц. Тогда выходной шифрованный поток
будет статистически независимым от информационной последовательности
, а значит, будет выполняться достаточное условие совершенной секретности. В действительности абсолютная случайность
не является необходимой, поскольку в противном случае получатель не сможет восстановить открытый текст. Действительно, восстановление открытого текста на приемной стороне должно производиться по правилу
, так что на приемной стороне должна генерироваться точно такая же скремблирующая последовательность и с той же фазой. Однако вследствие абсолютной случайности
данная процедура становится невозможной.

На практике в качестве скремблирующих широкое применение нашли псевдослучайные последовательности (ПСП), которые могут быть воспроизведены на приемной стороне. В технологии поточного шифрования для формирования ПСП обычно используют генератор на основелинейного регистра сдвига с обратной связью (linear feedback shift register (LFSR)). Типичная структура генератора ПСП, представленная на рис. 10.15, включает регистр сдвига, который состоит из – ичных элементов задержки или разрядов, имеющихвозможных состояний и хранящих некоторый элемент поля
в течение тактового интервала, схема обратной связи, включающей умножители элементов (состояний), хранящихся в разрядах, на константы, и сумматоров. Формирование ПСП описывается рекуррентным соотношением вида

где коэффициенты
– фиксированные константы, принадлежащие
, согласно которому каждый следующий элемент последовательности вычисляется на основанииn предшествующих.

Поскольку число различных состояний регистра конечно (не более ) неизбежна ситуация, когда после некоторого числа тактов состояние повторится в виде одного из ранее случившихся. Однако, стартуя с некоторой начальной загрузки, т.е. фиксированного состояния, схема на рис. 10.15 сформирует только единственную последовательность, определяемую упомянутой рекурсией. Следовательно, повторение состояния регистра ведет к повторению всех последующих генерируемых символов, означающее, что любая ПСП периодична. Более того, в случае нулевого состояния регистра (наличия нулей во всех разрядах) всегда будет формироваться бесконечная вырожденная последовательность, состоящая только из одних нулей. Очевидно, что подобный случай абсолютно бесперспективен, так что нулевое состояние регистра должно быть исключено. В результате остается не более
допустимых состояний регистра, что ограничивает максимально возможный период последовательности величиной, не большей
.

Пример 10.4.1. На рис. 10.16, a , представлена реализация генератора на основе регистра сдвига с линейной обратной связью, формирующего двоичную псевдослучайную последовательность периода
. Отметим, что в случае двоичной ПСП умножение на единицу эквивалентно простому соединению выхода разряда с сумматором. Рис. 10.16,b , иллюстрирует следующие друг за другом содержания регистра (состояния разрядов), а также состояния выхода обратной связи (точка ОС на схеме) при подаче тактовых импульсов. Последовательность считывается в виде последовательных состояний крайнего правого разряда. Считывание состояний других разрядов приводит к копиям той же самой последовательности, сдвинутой на один или два такта.

На первый взгляд можно предположить, что использование ПСП большого периода может обеспечить достаточно высокую защищенность. Так, например, в сотовой системе мобильной связи стандарта IS-95 в качестве скремблирующей используется ПСП периода
в числе элементарных чипов. При чиповой скорости 1.228810 6 симв/сек ее период составляет:

Следовательно, можно предполагать, что поскольку последовательность не повторяется в течение такого длительного периода, то она может рассматриваться случайной и обеспечивать совершенную секретность. Однако существует коренное отличие псевдослучайной последовательности от действительно случайной последовательности: псевдослучайная последовательность формируется согласно некоторому алгоритму. Таким образом, если известен алгоритм, то будет известна и сама последовательность. В результате этой особенности схема шифрования, использующая линейный регистр сдвига с обратной связью, оказывается уязвимой к атаке известного открытого текста.

Для определения отводов обратной связи, начального состояния регистра и всей последовательности криптоаналитику достаточно иметь всего
бит открытого текста и соответствующий им шифрованный текст. Очевидно, что величина 2n значительно меньше периода ПСП, равного
. Проиллюстрируем упомянутую уязвимость на примере.

Пример 10.4.2. Пусть в качестве скремблирующей используется ПСП периода
, генерируемая с помощью рекурсии вида

при начальном состоянии регистра 0001. В результате будет сформирована последовательность . Предположим, что криптоаналитику, которому ничего неизвестно о структуре обратной связи генератора ПСП, удалось получить
бит криптограммы и ее открытого эквивалента:

Тогда, сложив обе последовательности по модулю 2, криптоаналитик получает в свое распоряжение фрагмент скремблирующей последовательности, который показывает состояние регистра сдвига в различные моменты времени. Так, например, первые четыре бита ключевой последовательности отвечают состоянию регистра в некоторый момент времени . Если теперь сдвигать окно, выделяющее четверку битов на одну позицию вправо, то будут получены состояния регистра сдвига в последовательные моменты времени
. Учитывая линейную структуру схемы обратной связи, можно записать, что

где символ ПСП, который вырабатывается схемой обратной связи и подается на вход первого разряда регистра, а
определяет отсутствие или наличиеi –го соединения между выходом разряда регистра сдвига и сумматором, т.е. схему обратной связи.

Анализируя состояния регистра сдвига в четыре последовательные момента времени можно составить следующую систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными:

Решение данной системы уравнений дает следующие значения коэффициентов:

Таким образом, определив схему соединений обратной связи линейного регистра и зная его состояние в момент времени , криптоаналитик способен воспроизвести скремблирующую последовательность в произвольный момент времени, а значит, способен дешифровать перехваченную криптограмму.

Обобщив рассмотренный пример на случай произвольного регистра сдвига памяти n , исходное уравнение может быть представлено в виде

а система уравнений записана в следующей матричной форме

где
, а
.

Можно показать, что столбцы матрицы линейно независимы и, значит, существует обратная матрица
. Следовательно

Обращение матрицы требует порядка операций, так что при
имеем
, что для компьютера со скоростью работы одна операция за 1мкс потребует 1 сек на обращение матрицы. Очевидно, что слабость регистра сдвига обусловлена линейностью обратной связи.

Чтобы затруднить аналитику вычисление элементов ПСП при сопоставлении фрагментов открытого текста и шифровки, применяется обратная связь по выходу и шифротексту. На рис. 10.17 поясняется принцип введения обратной связи по шифротексту.

Рис. 10.17. Поточное шифрование с обратной связью.

Сначала передается преамбула, в которой содержится информация о параметрах генерируемой ПСП, в том числе и о значении начальной фазы Z 00 . По каждым n сформированным символам шифрограммы вычисляется и устанавливается в генераторе новое значение фазы
. Обратная связь делает метод гаммирования чувствительным к искажениям криптограммы. Так, из-за помех в канале связи могут исказиться некоторые принятые символы, что приведет к вычислению ошибочного значения фазы ПСП и затруднит дальнейшую расшифровку, но после полученияn правильных символов шифрованного текста система восстанавливается. В то же время такое искажение можно объяснить попыткой злоумышленника навязать ложные данные.

Шифрование является наиболее широко используемым криптографическим методом сохранения конфиденциальности информации, он защищает данные от несанкционированного ознакомления с ними. Для начала рассмотрим основные методы криптографической защиты информации. Словом, криптография - наука о защите информации с использованием математических методов. Существует и наука, противоположная криптографии и посвященная методам вскрытия защищенной информации - криптоанализ . Совокупность криптографии и криптоанализа принято называть криптологией . Криптографические методы могут быть классифицированы различным образом, но наиболее часто они подразделяются в зависимости от количества ключей, используемых в соответствующих криптоалгоритмах (см. рис. 1):

Бесключевые, в которых не используются какие-либо ключи.
Одноключевые - в них используется некий дополнительный ключевой параметр - обычно это секретный ключ.
Двухключевые, использующие в своих вычислениях два ключа: секретный и открытый.

Рис. 1. Криптоалгоритмы

Обзор криптографических методов

Шифрование является основным методом защиты; рассмотрим его подробно далее.

Стоит сказать несколько слов и об остальных криптографических методах:

Электронная подпись используется для подтверждения целостности и авторства данных. Целостность данных означает, что данные не были случайно или преднамеренно изменены при их хранении или передаче.
Алгоритмы электронной подписи используют два вида ключей:
- секретный ключ используется для вычисления электронной подписи;
- открытый ключ используется для ее проверки.
При использовании криптографически сильного алгоритма электронной подписи и при грамотном хранении и использовании секретного ключа (то есть при невозможности использования ключа никем, кроме его владельца) никто другой не в состоянии вычислить верную электронную подпись какого-либо электронного документа.
Аутентификация позволяет проверить, что пользователь (или удаленный компьютер) действительно является тем, за кого он себя выдает. Простейшей схемой аутентификации является парольная - в качестве секретного элемента в ней используется пароль, который предъявляется пользователем при его проверке. Такая схема доказано является слабой, если для ее усиления не применяются специальные административно-технические меры. А на основе шифрования или хэширования (см. ниже) можно построить действительно сильные схемы аутентификации пользователей.
Существуют различные методы криптографического контрольного суммирования:
- ключевое и бесключевое хэширование;
- вычисление имитоприставок;
- использование кодов аутентификации сообщений.
Фактически, все эти методы различным образом из данных произвольного размера с использованием секретного ключа или без него вычисляют некую контрольную сумму фиксированного размера, однозначно соответствующую исходным данным.
Такое криптографическое контрольное суммирование широко используется в различных методах защиты информации, например:
- для подтверждения целостности любых данных в тех случаях, когда использование электронной подписи невозможно (например, из-за большой ресурсоемкости) или является избыточным;
- в самих схемах электронной подписи - "подписывается" обычно хэш данных, а не все данные целиком;
- в различных схемах аутентификации пользователей.
Генераторы случайных и псевдослучайных чисел позволяют создавать последовательности случайных чисел, которые широко используются в криптографии, в частности:
- случайные числа необходимы для генерации секретных ключей, которые, в идеале, должны быть абсолютно случайными;
- случайные числа применяются во многих алгоритмах электронной подписи;
- случайные числа используются во многих схемах аутентификации.
Не всегда возможно получение абсолютно случайных чисел - для этого необходимо наличие качественных аппаратных генераторов. Однако, на основе алгоритмов симметричного шифрования можно построить качественные генераторы псевдослучайных чисел.

Шифрование

Шифрование информации - это преобразование открытой информации в зашифрованную (которая чаще всего называется шифртекстом или криптограммой ), и наоборот. Первая часть этого процесса называется зашифрованием , вторая - расшифрованием .

Можно представить зашифрование в виде следующей формулы:

С = E k1 (M),

где:
M (message) - открытая информация,
С (cipher text) - полученный в результате зашифрования шифртекст,
E (encryption) - функция зашифрования, выполняющая криптографические преобразования над M ,
k1 (key) - параметр функции E , называемый ключом зашифрования.

В стандарте ГОСТ 28147-89 (стандарт определяет отечественный алгоритм симметричного шифрования) понятие ключ определено следующим образом: "Конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования, обеспечивающее выбор одного преобразования из совокупности всевозможных для данного алгоритма преобразований".

Ключ может принадлежать определенному пользователю или группе пользователей и являться для них уникальным. Зашифрованная с использованием конкретного ключа информация может быть расшифрована только с использованием только этого же ключа или ключа, связанного с ним определенным соотношением.

Аналогичным образом можно представить и расшифрование:

M" = D k2 (C),

где:
M" - сообщение, полученное в результате расшифрования,
D (decryption) - функция расшифрования; так же, как и функция зашифрования, выполняет криптографические преобразования над шифртекстом,
k2 - ключ расшифрования.

Для получения в результате расшифрования корректного открытого текста (то есть того самого, который был ранее зашифрован: M" = M), необходимо одновременное выполнение следующих условий:

Функция расшифрования должна соответствовать функции зашифрования.
Ключ расшифрования должен соответствовать ключу зашифрования.

При отсутствии верного ключа k2 получить исходное сообщение M" = M с помощью правильной функции D невозможно. Под словом "невозможно" в данном случае обычно понимается невозможность вычисления за реальное время при существующих вычислительных ресурсах.

Алгоритмы шифрования можно разделить на две категории (см. рис. 1):

Алгоритмы симметричного шифрования.
Алгоритмы асимметричного шифрования.

В алгоритмах симметричного шифрования для расшифрования обычно используется тот же самый ключ, что и для зашифрования, или ключ, связанный с ним каким-либо простым соотношением. Последнее встречается существенно реже, особенно в современных алгоритмах шифрования. Такой ключ (общий для зашифрования и расшифрования) обычно называется просто ключом шифрования .

В асимметричном шифровании ключ зашифрования k1 легко вычисляется из ключа k2 таким образом, что обратное вычисление невозможно. Например, соотношение ключей может быть таким:

k1 = a k2 mod p,

где a и p - параметры алгоритма шифрования, имеющие достаточно большую размерность.

Такое соотношение ключей используется и в алгоритмах электронной подписи.

Основной характеристикой алгоритма шифрования является криптостойкость , которая определяет его стойкость к раскрытию методами криптоанализа. Обычно эта характеристика определяется интервалом времени, необходимым для раскрытия шифра.

Симметричное шифрование менее удобно из-за того, что при передаче зашифрованной информации кому-либо необходимо, чтобы адресат заранее получил ключ для расшифрования информации. У асимметричного шифрования такой проблемы нет (поскольку открытый ключ можно свободно передавать по сети), однако, есть свои проблемы, в частности, проблема подмены открытого ключа и медленная скорость шифрования. Наиболее часто асимметричное шифрование используется в паре с симметричным - для передачи ключа симметричного шифрования, на котором шифруется основной объем данных. Впрочем, схемы хранения и передачи ключей - это тема отдельной статьи. Здесь же позволю себе утверждать, что симметричное шифрование используется гораздо чаще асимметричного, поэтому остальная часть статьи будет посвящена только симметричному шифрованию.

Симметричное шифрование бывает двух видов:

Блочное шифрование - информация разбивается на блоки фиксированной длины (например, 64 или 128 бит), после чего эти блоки поочередно шифруются. Причем, в различных алгоритмах шифрования или даже в разных режимах работы одного и того же алгоритма блоки могут шифроваться независимо друг от друга или "со сцеплением" - когда результат зашифрования текущего блока данных зависит от значения предыдущего блока или от результата зашифрования предыдущего блока.
Поточное шифрование - необходимо, прежде всего, в тех случаях, когда информацию невозможно разбить на блоки - скажем, некий поток данных, каждый символ которых должен быть зашифрован и отправлен куда-либо, не дожидаясь остальных данных, достаточных для формирования блока. Поэтому алгоритмы поточного шифрования шифруют данные побитно или посимвольно. Хотя стоит сказать, что некоторые классификации не разделяют блочное и поточное шифрование, считая, что поточное шифрование - это шифрование блоков единичной длины.

Рассмотрим, как выглядят изнутри алгоритмы блочного симметричного шифрования.Структура алгоритмов шифрования

Подавляющее большинство современных алгоритмов шифрования работают весьма схожим образом: над шифруемым текстом выполняется некое преобразование с участием ключа шифрования, которое повторяется определенное число раз (раундов). При этом, по виду повторяющегося преобразования алгоритмы шифрования принято делить на несколько категорий. Здесь также существуют различные классификации, приведу одну из них. Итак, по своей структуре алгоритмы шифрования классифицируются следующим образом:

Алгоритмы на основе сети Фейстеля.
Сеть Фейстеля подразумевает разбиение обрабатываемого блока данных на несколько субблоков (чаще всего - на два), один из которых обрабатывается некоей функцией f() и накладывается на один или несколько остальных субблоков. На рис. 2 приведена наиболее часто встречающаяся структура алгоритмов на основе сети Фейстеля.

Рис. 2. Структура алгоритмов на основе сети Фейстеля.
Дополнительный аргумент функции f() , обозначенный на рис. 2 как Ki , называется ключом раунда . Ключ раунда является результатом обработки ключа шифрования процедурой расширения ключа, задача которой - получение необходимого количества ключей Ki из исходного ключа шифрования относительно небольшого размера (в настоящее время достаточным для ключа симметричного шифрования считается размер 128 бит). В простейших случаях процедура расширения ключа просто разбивает ключ на несколько фрагментов, которые поочередно используются в раундах шифрования; существенно чаще процедура расширения ключа является достаточно сложной, а ключи Ki зависят от значений большинства бит исходного ключа шифрования.
Наложение обработанного субблока на необработанный чаще всего выполняется с помощью логической операции "исключающее или" - XOR (как показано на рис. 2). Достаточно часто вместо XOR здесь используется сложение по модулю 2 n , где n - размер субблока в битах. После наложения субблоки меняются местами, то есть в следующем раунде алгоритма обрабатывается уже другой субблок данных.
Такая структура алгоритмов шифрования получила свое название по имени Хорста Фейстеля (Horst Feistel) - одного из разработчиков алгоритма шифрования Lucifer и разработанного на его основе алгоритма DES (Data Encryption Standard) - бывшего (но до сих пор широко используемого) стандарта шифрования США. Оба этих алгоритма имеют структуру, аналогичную показанной на рис. 2. Среди других алгоритмов, основанных на сети Фейстеля, можно привести в пример отечественный стандарт шифрования ГОСТ 28147-89, а также другие весьма известные алгоритмы: RC5, Blowfish, TEA, CAST-128 и т.д.
На сети Фейстеля основано большинство современных алгоритмов шифрования - благодаря множеству преимуществ подобной структуры, среди которых стоит отметить следующие:
- Алгоритмы на основе сети Фейстеля могут быть сконструированы таким образом, что для зашифрования и расшифрования могут использоваться один и тот же код алгоритма - разница между этими операциями может состоять лишь в порядке применения ключей Ki; такое свойство алгоритма наиболее полезно при его аппаратной реализации или на платформах с ограниченными ресурсами; в качестве примера такого алгоритма можно привести ГОСТ 28147-89.

Алгоритмы на основе сети Фейстеля являются наиболее изученными - таким алгоритмам посвящено огромное количество криптоаналитических исследований, что является несомненным преимуществом как при разработке алгоритма, так и при его анализе.

Существует и более сложная структура сети Фейстеля, пример которой приведен на рис. 3.

Рис. 3. Структура сети Фейстеля.

Такая структура называется обобщенной или расширенной сетью Фейстеля и используется существенно реже традиционной сети Фейстеля. Примером такой сети Фейстеля может служить алгоритм RC6.

Алгоритмы на основе подстановочно-перестановочных сетей (SP-сеть - Substitution-permutation network).
В отличие от сети Фейстеля, SP-сети обрабатывают за один раунд целиком шифруемый блок. Обработка данных сводится, в основном, к заменам (когда, например, фрагмент входного значения заменяется другим фрагментом в соответствии с таблицей замен, которая может зависеть от значения ключа Ki ) и перестановкам, зависящим от ключа Ki (упрощенная схема показана на рис. 4).

Рис. 4. Подстановочно-перестановочная сеть.
Впрочем, такие операции характерны и для других видов алгоритмов шифрования, поэтому, на мой взгляд, название "подстановочно-перестановочная сеть" является достаточно условным.
SP-сети распространены существенно реже, чем сети Фейстеля; в качестве примера SP-сетей можно привести алгоритмы Serpent или SAFER+.
Алгоритмы со структурой "квадрат" (Square).
Для структуры "квадрат" характерно представление шифруемого блока данных в виде двумерного байтового массива. Криптографические преобразования могут выполняться над отдельными байтами массива, а также над его строками или столбцами.
Структура алгоритма получила свое название от алгоритма Square, который был разработан в 1996 году Винсентом Риджменом (Vincent Rijmen) и Джоан Деймен (Joan Daemen) - будущими авторами алгоритма Rijndael, ставшего новым стандартом шифрования США AES после победы на открытом конкурсе. Алгоритм Rijndael также имеет Square-подобную структуру; также в качестве примера можно привести алгоритмы Shark (более ранняя разработка Риджмена и Деймен) и Crypton. Недостатком алгоритмов со структурой "квадрат" является их недостаточная изученность, что не помешало алгоритму Rijndael стать новым стандартом США.

Рис. 5. Алгоритм Rijndael.
На рис. 5 приведен пример операции над блоком данных, выполняемой алгоритмом Rijndael.

Алгоритмы с нестандартной структурой, то есть те алгоритмы, которые невозможно причислить ни к одному из перечисленных типов. Ясно, что изобретательность может быть безгранична, поэтому классифицировать все возможные варианты алгоритмов шифрования представляется сложным. В качестве примера алгоритма с нестандартной структурой можно привести уникальный по своей структуре алгоритм FROG, в каждом раунде которого по достаточно сложным правилам выполняется модификация двух байт шифруемых данных (см. рис. 6).

Рис. 6. Модификация двух байт шифруемых данных.

Строгие границы между описанными выше структурами не определены, поэтому достаточно часто встречаются алгоритмы, причисляемые различными экспертами к разным типам структур. Например, алгоритм CAST-256 относится его автором к SP-сети, а многими экспертами называется расширенной сетью Фейстеля. Другой пример - алгоритм HPC, называемый его автором сетью Фейстеля, но относимый экспертами к алгоритмам с нестандартной структурой.

Алгоритмы шифрования используются для изменения конфиденциальной информации до такого вида, чтобы она не была понятна для прочтения посторонними лицами.

Первые шифры использовались еще во времена Древнего Рима, Древнего Египта и Древней Греции. Одним из известных шифров является шифр Цезаря . Данный алгоритм работал следующим образом: каждая буква имеет свой порядковый номер в алфавите, который сдвигался на $3$ значения влево. Сегодня подобный алгоритм не обеспечивает ту защиту, которую давал во времена его использования.

Сегодня разработано большое количество алгоритмов шифрования, в том числе стандартных, которые обеспечивают надежную защиту конфиденциальной информации.

Разделяют алгоритмы шифрования на симметричные (к ним относятся AES, CAST, ГОСТ, DES, Blowfish) и асимметричные (RSA, El-Gamal).

Симметричные алгоритмы

Замечание 1

Симметричными алгоритмами шифрования используется один и тот же ключ для шифрования и дешифрования информации.

При передаче зашифрованной информации необходимо передавать и ключ для дешифрования. Слабым местом такого способа является канал передачи данных. В случае его незащищенности или возможности прослушивания ключ для дешифрования может стать доступным злоумышленнику.

Асимметричные алгоритмы

Замечание 2

Асимметричными алгоритмами используется два ключа – один для шифрования, другой – для дешифрования.

Каждый пользователь должен обладать парой ключей – открытым и секретным ключом.

Ключ шифрования

Определение 1

Ключ шифрования представляет собой случайную или специальным образом созданную последовательность бит, которая является переменным параметром алгоритма шифрования.

При шифровании одних и тех же данных одним алгоритмом, но с использованием разных ключей, результаты получаются разные.

Программы для шифрования (WinRAR, Rohos и т.д.) создают ключ из пароля, задаваемого пользователем.

Ключ шифрования может быть разной длины, измеряемой в битах. При увеличении длины ключа повышается теоретическая стойкость шифра. Практически это не всегда так.

Стойкость алгоритма шифрования

Замечание 3

Алгоритм шифрования считается стойким до тех пор, пока не доказано обратное.

Алгоритмы шифрования

Алгоритм AES (Rijndael) на данный момент является федеральным стандартом шифрования США. В качестве стандарта утвержден Министерством торговли в $2001$ г. Стандартом считается вариант шифра с размером блока $128$ бит. Разработан в $1997$ г. в Бельгии. Возможными размерами ключа являются ключи $128, 192$ и $256$ бит.

Алгоритм ГОСТ 28147-8 является стандартом Российской Федерации на шифрование и имитозащиту данных. Официальным стандартом стал в $1989$ г. Разработан в $1970$-х гг. в Главном Управлении КГБ СССР. Использует ключ размером $256$ бит.

Алгоритм Blowfish использует сложную схему создания ключей, что существенно затрудняет атаку на алгоритм методом перебора. Непригоден для использования в системах частого изменения ключа и при шифровании небольших по объему данных. Алгоритм лучше всего использовать для систем, в которых существует необходимость шифрования больших массивов данных. Разработан в $1993$ г. Используется размер ключа от $32$ до $448$ бит.

Алгоритм DES являлся Федеральным стандартом шифрования США в $1977-2001$ годах. Федеральным стандартом принят в $1977$ г. после введения в действие нового стандарта в $2001$ г. утратил статус стандарта. Разработан в $1972–1975$ гг. исследовательской лабораторией корпорации IBM. Использует ключ размером $56$ бит.

Алгоритм CAST является некоторым образом аналогом алгоритма DES. Использует ключи размером $128$ и $256$ бит.

Практически все применяемые криптографические методы связаны с разбиением сообщения на большое число частей (или знаков) фиксированного размера, каждая из которых шифруется отдельно, если не независимо. Это существенно упрощает задачу шифрования, так как сообщения обычно имеют различную длину.

Можно выделить три основных метода шифрования : поточный, блочный и с применением обратной связи.

Выделяются следующие четыре характерных признака криптографических методов.

Операции с отдельными битами или блоками.

Зависимость или не зависимость функции шифрования от результатов шифрования предыдущих частей сообщения.

3. Зависимость или независимость шифрования отдельных знаков сообщения от их положения в тексте. Например, при поточном шифровании, различные знаки сообщения шифруются с учетом их положения в сообщении. Это свойство называется позиционной зависимостью или независимостью шифра.

4. Симметрия или асимметрия функции шифрования. Это важное свойство определяет существенное различие между обычными симметричными (одноключевыми) криптосистемами и асимметричными двухключевыми (криптосистемами с открытым ключом). Основное различие между ними состоит в том, что в асимметричной криптосистеме знание ключа шифрования (или расшифрования) недостаточно для раскрытия соответствующего ключа расшифрования (или шифрования).

Основные характеристики криптосистем

криптосистем	Операции с битами или блоками	Зависимость/ независимость от знаков сообщения	Позиционная зависимость/ независимость	Симметрия/ асимметрия
Поточного шифрования		не зависит		симметричная
Блочного шифрования		не зависит	не зависит	симметричная или несимметричная
С обратной связью от шифртекста	биты или блоки		не зависит	симметричная

В криптосистеме, обладающей свойством зависимости функции шифрования от знаков сообщения, может иметь место размножение ошибок. Если, например, при передаче будет искажен бит шифртекста, то после расшифрования открытый текст может содержать большее количество искаженных битов. Ошибки типа "вставка" и "выпадение" могут также привести к катастрофическому размножению ошибок при дешифровании.

Поточные шифры. Поточное шифрование состоит в том, что биты открытого текста складываются по модулю 2 с битами псевдослучайной последовательности.

К преимуществам поточных шифров относятся отсутствие размножения ошибок, простая реализация и высокая скорость шифрования.

Недостатком является необходимость передачи информации синхронизации перед заголовком сообщения, которая должна быть принята до расшифрования любого сообщения. Это связано с тем, что если два различных сообщения шифруются на одном и том же ключе, то для расшифрования этих сообщений должна использоваться одна и та же псевдослучайная последовательность. Такое положение может создать опасную угрозу криптостойкости системы и поэтому часто используется дополнительный, случайно выбираемый ключ сообщения, который передается в начале сообщения и используется для модификации ключа шифрования. В результате разные сообщения будут шифроваться с использованием различных последовательностей.

Поточные шифры широко применяются в военных системах и других системах, близких к ним по назначению, для шифрования данных и преобразованных в цифровую форму речевых сигналов. До недавнего времени такие применения были преобладающими для данного метода шифрования. Это объясняется, в частности, относительной простотой конструирования и реализации генераторов хороших шифрующих последовательностей. Но главным фактором, конечно, остается отсутствие размножения ошибок в поточном шифре.

Так как для передачи данных и речевых сообщений в тактических сетях связи используются каналы сравнительно невысокого качества, любая криптографическая система, увеличивающая и без того высокую частоту ошибок, неприменима. В таких случаях обязательно применение криптосистемы, не размножающей ошибки.

Однако размножение ошибок может быть и положительным явлением. Пусть, например, зашифрованные данные должны передаваться по каналу с очень низкой вероятностью ошибки (например, 10 5) и весьма важно, чтобы данные принимались совершенно точно. Это типичная ситуация для вычислительных сетей, где ошибка в единственном бите может привести к катастрофическим последствиям, и поэтому канал связи должен быть очень надежным. В такой ситуации одна ошибка настолько же опасна, как 100 или 1000 ошибок. Но 100 или 1000 ошибок могут быть обнаружены легче, чем одна ошибка. Следовательно, в данном случае размножение ошибок уже не является недостатком шифра.

Стандартным методом генерирования последовательностей для поточного шифрования является метод, применяемый в стандарте шифрования данных DES в режиме обратной связи от выхода.

Блочные шифры. Для блочного шифрования открытый текст сначала разбивается на равные по длине блоки, затем применяется зависящая от ключа функция шифрования для преобразования блока открытого текста длиной т бит в блок шифртекста такой же длины. Важное свойство блочного шифрования состоит в том, что каждый бит блока шифртекста является функцией всех (или почти всех) битов соответствующего блока открытого текста, и никакие два блока открытого текста не могут быть представлены одним и тем же блоком шифртекста. Алгоритм блочного шифрования может использоваться в различных вариантах. Четыре режима шифрования в стандарте DES фактически применимы к любому блочному шифру.

Эти режимы получили следующие названия:

режим прямого шифрования, или шифрования с использованием электронной книги кодов ЕСВ (Electronic code book),

шифрование со сцеплением блоков шифртекста СВС (Cipher block chaining),

шифрование с обратной связью от шифртекста CFB (Cipher feedback),

шифрование с обратной связью от выхода OFB (Output feedback).

Основное преимущество прямого блочного шифрования (electronic code book) состоит в том, что в хорошо сконструированной системе блочного шифрования небольшие изменения в шифртексте вызовут большие и непредсказуемые изменения в соответствующем открытом тексте и наоборот.

Вместе с тем, применение блочного шифра в этом режиме связано с серьезными недостатками. Первый из них состоит в том, что вследствие фиксированного характера шифрования даже при сравнительно большой длине блока, например 50-100 бит, возможен криптоанализ "со словарем" в ограниченной форме.

Ясно, что блок такого размера может повториться в сообщении вследствие большой избыточности в типичном тексте на естественном языке. Это может привести к тому, что идентичные блоки открытого текста длиной т бит в сообщении будут представлены идентичными блоками шифртекста, что дает криптоаналитику некоторую информацию о содержании сообщения.

Другой потенциальный недостаток этого шифра связан с размножением ошибок (это одна из проблем для всех видов шифров, за исключением поточных). Результатом изменения только одного бита в принятом блоке шифртекста будет неправильное расшифрование всего блока. Это, в свою очередь, приведет к появлению от 1 до т искаженных бит в восстановленном исходном тексте.

Вследствие отмеченных недостатков, блочные шифры редко применяются в указанном режиме для шифрования длинных сообщений. Однако, в финансовых учреждениях, где сообщения часто состоят из одного или двух блоков, блочные шифры (в частности, алгоритм DES) широко применяются в этом простом варианте. Поскольку такое применение связано с возможностью частой смены ключа шифрования, вероятность шифрования двух идентичных блоков открытого текста на одном и том же ключе очень мала. Наиболее часто блочные шифры применяются в системах шифрования с обратной связью от шифртекста.

Возможно также образование смешанных (гибридных) систем поточного и блочного шифрования с использованием лучших свойств каждого из этих шифров. В таких системах поточное шифрование комбинируется с псевдослучайными перестановками. Открытый текст сначала шифруется как при обычном поточном шифровании, затем полученный шифртекст разбивается на блоки фиксированного размера. В каждом блоке производится псевдослучайная перестановка под управлением ключа (предпочтительны различные перестановки для отдельных блоков).

Порядок следования этих двух операций может быть изменен на обратный без влияния на основные свойства системы. В результате получается шифр, не размножающий ошибки, но обладающий дополнительным свойством, которого нет у поточного шифра. Это свойство заключается в том, что перехватчик не знает, какому биту открытого текста соответствует бит шифртекста. Благодаря этому зашифрованное сообщение становится более сложным и трудным для раскрытия. Но следует отметить, что это уже не подлинный блочный шифр, в котором каждый бит шифртекста является функцией только одного, а не всех битов открытого текста.

Криптосистема с открытым ключом должна быть системой блочного шифрования, оперирующей с блоками довольно большой длины. Это обусловлено тем, что криптоаналитик, знающий открытый ключ шифрования, мог бы предварительно вычислить и составить таблицу соответствия блоков открытого текста и шифртекста. Если длина блоков мала (например, 30 бит), то число возможных блоков будет не слишком большим (при длине 30 бит это 2 30 -10 9) и может быть составлена полная таблица, дающая возможность моментального дешифрования любого зашифрованного сообщения с использованием известного открытого ключа.

Было предложено много различных криптосистем с открытым ключом, наиболее известной из которых является система RSA (Rivest, Shamir, Adleman). Криптостойкость этой системы основана на трудности разложения больших чисел на простые сомножители и выборе для ключей шифрования и расшифрования двух больших простых чисел.

Известно, что алгоритм RSA не может быть применен для шифрования с большой скоростью. Наиболее оптимизированная программная реализация этого алгоритма оказывается низкоскоростной, а несколько аппаратных реализации обеспечивают скорость шифрования от 10 до 100 Кбит/с (при использовании простых чисел порядка 2 7 ,что представляется минимальной длиной для обеспечения требуемой криптостойкости). Это значит, что применение системы RSA для блочного шифрования ограничено, хотя применение ее для распределения ключей, аутентификации и формирования цифровой подписи представляет интересные возможности. Некоторые известные в настоящее время криптоалгоритмы с открытым ключом допускают более высокую скорость шифрования, чем алгоритм RSA. Однако они пока не являются настолько популярными.

Системы шифрования с обратной связью. Системы шифрования с обратной связью встречаются в различных практических версиях. Как и в системах блочного шифрования, сообщения разбиваются в них на ряд блоков, состоящих из т бит, и для преобразования этих блоков в блоки шифртекста, которые также состоят из т бит, используются специальные функции. Однако, если в блочном шифре такая функция зависит только от ключа, то в шифрах с обратной связью она зависит как от ключа, так и от одного или более предшествующих блоков шифртекста. Такое общее определение шифрования с обратной связью включает в себя как частные случаи большое количество различных типов практически применяемых систем.

Применение криптосистем блочного шифрования с обратной связью дает ряд важных преимуществ . Первое и самое значительное - возможность использования их для обнаружения манипуляций с сообщениями, производимых активными перехватчиками. При этом используется факт размножения ошибок, а также способность таких систем легко генерировать код аутентификации сообщений MAC (message aithentication code). Второе преимущество состоит в том, что шифры СТАК, применяемые вместо блочных шифров, не требуют начальной синхронизации. Это значит, что если начало сообщения пропущено при приеме, то оставшаяся часть его может быть успешно расшифрована (после успешного приема следующих один за другим t бит шифртекста. Отметим также, что системы шифрования с обратной связью используются не только для шифрования сообщений, но также и для их аутентификации.

Криптосистемам блочного шифрования с обратной связью свойственны определенные недостатки . Основной из них - размножение ошибок, т.е. один ошибочный бит при передаче может вызвать от 1 до sm + i ошибок в расшифрованном тексте. Таким образом, требование увеличения t для повышения криптостойкости противоречит системным требованиям, связанным с размножением ошибок. Другой недостаток состоит в том, что разработка и реализация систем шифрования с обратной связью часто оказываются более трудными, чем для систем поточного шифрования. Хотя системы шифрования с обратной связью различных типов находят широкое применение уже в течение многих лет, специальных алгоритмов для таких систем очень мало. В большинстве случаев опубликованные алгоритмы получены из алгоритмов блочного шифрования, преобразованных для специальных применений.

Первый вывод, который можно сделать из проведенного анализа, состоит в том, что в большинстве практических криптосистем применяются алгоритмы или поточного шифрования, или шифрования с обратной связью. Большинство криптосистем поточного шифрования использует алгоритмы для коммерческого сектора (в том числе, алгоритмы, являющиеся собственностью фирм или отдельных пользователей) или секретные правительственные алгоритмы. Такое положение, видимо, сохранится еще в ближайшие годы.

Возможно также, что большинство систем шифрования с обратной связью будет основано на применении алгоритмов блочного шифрования в специальном варианте, в частности, наиболее известного алгоритма блочного шифрования DES. О других методах шифрования можно сказать, что, несмотря на быстрый рост публикаций по криптосистемам с открытым ключом, только одна из них, - система RSA, выдержала испытание временем.

Но алгоритм этой системы связан с серьезными ограничениями в реализации и поэтому не подходит для некоторых криптографических применений. Конечно, можно определенно утверждать, что криптосистемы с открытым ключом оказали значительное влияние на технику шифрования данных. Они находят все возрастающее применение, в основном, для формирования цифровых подписей или для управления ключами в обычных криптосистемах (таких, как ключ шифрования ключей).

Потенциальным пользователям криптографии представляется возможность выбирать между системами поточного шифрования и системами шифрования с обратной связью (возможно, основанными на применении алгоритмов блочного шифрования). Однако имеются определенные области применения, например, финансовые операции, где возможно использование методов прямого блочного шифрования ("electronic codebook"). Выбор криптоалгоритма в значительной мере зависит от его назначения. Некоторые данные, которыми можно руководствоваться при выборе типа шифрования, приведены в таблице.