Презентация "Информационная безопасность. Криптографические средства защиты данных"

Информационная безопасность

• Криптографические средства защиты данных

Шифрование

• Шифрование – использование криптографических сервисов безопасности.
• Процедура шифрования – преобразование открытого текста сообщения в закрытый.
• Современные средства шифрования используют известные алгоритмы шифрования. Для обеспечения конфиденциальности преобразованного сообщения используются специальные параметры преобразования – ключи.

Шифрование

• Криптографические преобразования используются при реализации следующих сервисов безопасности:
• Собственно шифрование (обеспечение конфиденциальности данных);
• Контроль целостности;
• Аутентификация.

Системы криптографической защиты информации

• Задача средств криптографической защиты информации — преобразование информационных объектов с помощью некоторого обратимого математического алгоритма.
• Процесс шифрования использует в качестве входных параметров объект – открытый текст и объект – ключ, а результат преобразования — объект – зашифрованный текст. При дешифровании выполняется обратный процесс.
• Криптографическому методу в ИС соответствует некоторый специальный алгоритм. При выполнении данного алгоритма используется уникальное числовое значение – ключ.
• Знание ключа позволяет выполнить обратное преобразование и получить открытое сообщения.
• Стойкость криптографической системы определяется используемыми алгоритмами и степенью секретности ключа.

Криптографические средства защиты данных

• Для обеспечения защиты информации в распределенных информационных системах активно применяются криптографические средства защиты информации.
• Сущность криптографических методов заключается в следующем:

• Открытое сообщение

• Ключ

• Зашифрованное сообщение

• Зашифрованное сообщение

• Ключ

• Открытое сообщение

• Отправитель

• Получатель

Использование средств криптографической защиты для предотвращения угроз ИБ

• Обеспечение конфиденциальности данных. Использование криптографических алгоритмов позволяет предотвратить утечку информации. Отсутствие ключа у «злоумышленника» не позволяет раскрыть зашифрованную информацию;
• Обеспечение целостности данных. Использование алгоритмов несимметричного шифрования и хэширования делает возможным создание способа контроля целостности информации.
• Электронная цифровая подпись. Позволяет решить задачу отказа от информации.
• Обеспечение аутентификации. Криптографические методы используются в различных схемах аутентификации в распределенных системах (Kerberos, S/Key и др.).

Требования к системам криптографической защиты

• Криптографические требования
• Эффективность применения злоумышленником определяется средней долей дешифрованной информации, являющейся средним значением отношения количества дешифрованной информации к общему количеству шифрованной информации, подлежащей дешифрованию, и трудоемкостью дешифрования единицы информации, измеряемой Q числом элементарных опробований.
• Под элементарными опробованиями понимается операция над двумя n-разрядными двоичными числами. При реализации алгоритма дешифрования может быть использован гипотетический вычислитель, объем памяти которого не превышает M двоичных разрядов. За одно обращение к памяти может быть записано по некоторому адресу или извлечено не более n бит информации. Обращение к памяти по трудоемкости приравнивается к элементарному опробованию.
• За единицу информации принимается общий объем информации обработанной на одном средстве криптографической защиты в течении единицы времени. Атака злоумышленника является успешной, если объем полученной открытой информации больше некоторого заданного объема V.

Требования к системам криптографической защиты

• Требования надежности.
• Средства защиты должны обеспечивать заданный уровень надежности применяемых криптографических преобразований информации, определяемый значением допустимой вероятности неисправностей или сбоев, приводящих к получению злоумышленником дополнительной информации о криптографических преобразованиях.
• Регламентные работы (ремонт и сервисное обслуживание) средств криптографической защиты не должно приводить к ухудшению свойств средств в части параметров надежности.

Требования к системам криптографической защиты

• Требование по защите от несанкционированного доступа для средств криптографической информации в составе информационных систем.
• В автоматизированных информационных системах, для которых реализованы программные или аппаратные средства криптографических защиты информации, при хранении и обработке информации должны быть предусмотрены следующие основные механизмы защиты:
• идентификация и аутентификация пользователей и субъектов доступа;
• управление доступом;
• обеспечения целостности;
• регистрация и учет.

Требования к системам криптографической защиты

• Требования к средствам разработки, изготовления и функционирования средств криптографической защиты информации.
• Аппаратные и программные средства, на которых ведется разработка систем криптографической защиты информации, не должны содержать явных или скрытых функциональных возможностей, позволяющих:
• модифицировать или изменять алгоритм работы средств защиты информации в процессе их разработки, изготовления и эксплуатации;
• модифицировать или изменять информационные или управляющие потоки, связанные с функционированием средств;
• осуществлять доступ посторонних лиц к ключам идентификационной и аутентификационной информации;
• получать доступ к конфиденциальной информации средств криптографической защиты информации.

Способы шифрования

• Различают два основных способа шифрования:
• Симметричное шифрование, иначе шифрование с закрытым ключом;
• Ассиметричное шифрование, иначе шифрование с открытым ключом;

Шифрование с секретным ключом

• При симметричном шифровании процесс зашифровывания и расшифровывания использует некоторый секретный ключ.
• При симметричном шифровании реализуются два типа алгоритмов:
• Поточное шифрование (побитовое)
• Блочное шифрование (при шифровании текст предварительно разбивается на блоки, как правило не менее 64 бит)

Шифрование с секретным ключом

• Выделяют следующие общие принципы построения шифров:
• электронная кодовая книга (режим простой замены);
• сцепление блоков шифра (режим гаммирования с обратной связью);
• обратная связь по шифротексту;
• обратная связь по выходу (режим гаммирования).

Шифрование с секретным ключом

• Стандарт шифрования DES.
• Алгоритм шифрования представляет собой блочный шифр, использующий подстановки, перестановки и сложения по модулю 2, с длиной блока 64 бита и длиной ключа 56 бит.
• Подстановки и перестановки, используемые в DES фиксированы.

Алгоритм шифрования DES

• Основные этапы алгоритма шифрования
• К блоку входного текста применяется фиксированная перестановка IP
• Для каждого цикла (всего 16) выполняется операция зашифровывания:
• 64 битный блок разбивается на две половины (левую x” и правую x’) по 32 бита
• Правая половина x’ разбивается на 8 тетрад по 4 бита. Каждая тетрада по циклическому закону дополняется крайними битами из соседних тетрад до 6-битного слова
• Полученный 48-битный блок суммируется по модулю 2 с 48 битами подключа, биты которого выбираются на каждом цикле специальным образом из 56 бит, а затем разбиваются на 8 блоков по 6 бит

Алгоритм шифрования DES (продолжение)

• Каждый из полученных на предыдущем шаге блоков поступает на вход функции фиксированного S-блока, которая выполняет нелинейную замену наборов 6-битных блоков тетрадами
• Полученные 32 бита подвергаются фиксированной перестановке, результатом которой является полублок Fi(x’)
• Компоненты правого зашифрованного полублока Fi(x’) суммируется по модулю 2 с компонентами левого полублока x” и меняются местами, т.е. блок (x”, Fi(x’)) преобразуется в блок (x”+Fi(x’),x”)
• К блоку текста, полученному после всех 16 циклов, применяется обратная перестановка IP-1
• Результатом является выходной зашифрованный текст

Симметричное шифрование

• В процессе шифрования и дешифрования используется один и тот же параметр – секретный ключ, известный обеим сторонам
• Примеры симметричного шифрования:
• ГОСТ 28147-89
• DES
• Blow Fish
• IDEA
• Достоинство симметричного шифрования
• Скорость выполнения преобразований
• Недостаток симметричного шифрования
• Известен получателю и отправителю, что создает проблемы при распространении ключей и доказательстве подлинности сообщения

Симметричное шифрование

Алгоритм	Размер ключа	Длина блока	Число циклов	Основные операции
DES	56	64	16	Перестановка, подстановка, 
FEAL	64, 128	64	<=4	Сложение по модулю 28, циклический сдвиг, 
IDEA	128	64	8	Умножение по модулю 216+1, сложение по модулю 216, 
ГОСТ 28147-89	256	64	32	Сложение по модулю 232, подстановка, циклический сдвиг, 
RC5	8t, t<=255	32, 64, 128	<= 255	Сложение по модулю 2W, (W=1/2 длины блока), циклический сдвиг, 
Blowfish	<=448	64	16	Сложение по модулю 232, подстановка, 

Несимметричное шифрование

• В несимметричных алгоритмах шифрования ключи зашифровывания и расшифровывания всегда разные (хотя и связанные между собой).
• Ключ зашифровывания является несекретным (открытым), ключ расшифровывания – секретным.

Несимметричное шифрование

• Алгоритм шифрования RSA (предложен Р.Ривестом, Э.Шамиром и Л.Адлманом) включает в себя:
• Пусть заданы два простых числа p и q и пусть n=pq, (n)=(p-1)(q-1). Пусть число e, такое что числа e и (n) взаимно простые, а d – мультипликативно обратное к нему, то есть edmod (n). Числа e и d называются открытым и закрытым показателями соответственно. Открытым ключом является пара (n,e) секретным ключом – d. Множители p и q должны сохраняться в секрете.
• Таким образом безопасность системы RSA основана на трудности задачи разложения на простые множители.

Несимметричное шифрование

• Кроме алгоритма RSA часто используемыми алгоритмами несимметричного шифрования являются:
• Алгоритм Эль-Гамаля (использует простое число p, образующую группы g и экспоненту y=gx(mod p) )
• Алгоритм шифрования Месси-Омуры (использует простое число p, такое что p-1 имеет большой простой делитель в качестве открытого ключа, секретный ключ определяется в процессе диалога между приемником и источником)

Ассиметричное шифрование

• В криптографических преобразованиях используется два ключа. Один из них несекретный (открытый) ключ используется для шифрования. Второй, секретный ключ для расшифровывания.
• Примеры несимметричного шифрования:
• RSA
• Алгоритм Эль-Гамаля
• Недостаток асимметричного шифрования
• низкое быстродействие алгоритмов (из-за длины ключа и сложности преобразований)
• Достоинства:
• Применение асимметричных алгоритмов для решения задачи проверки подлинности сообщений, целостности и т.п.

Сравнение симметричных и несимметричных алгоритмов шифрования

• Преимущества симметричных алгоритмов:
• Скорость выполнения криптографических преобразований
• Относительная легкость внесения изменений в алгоритм шифрования
• Преимущества несимметричных алгоритмов
• Секретный ключ известен только получателю информации и первоначальный обмен не требует передачи секретного ключа
• Применение в системах аутентификации (электронная цифровая подпись)

Проверка подлинности

• Криптографические методы позволяют контролировать целостность сообщений, определять подлинность источников данных, гарантировать невозможность отказа от совершенных действий
• В основе криптографического контроля целостности лежат два понятия:
• Хэш-функция;
• Электронная цифровая подпись.

Проверка целостности сообщений

• Контроль целостности потока сообщений помогает обнаружить их повтор, задержку, переупорядочивание или утрату. Для контроля целостности сообщений можно использовать хэш-функцию.
• Хэш-функция – преобразование преобразующее строку произвольной длины в строку фиксированной длины и удовлетворяющее следующим свойствам:
• Для каждого значения H(M) невозможно найти аргумент M – стойкость в смысле обращения;
• Для данного аргумента M невозможно найти аргумент M’,что H(M) = H(M’) – стойкость в смысле возникновения коллизий.
• Хэш-функция используется:
• Для создания сжатого образа сообщения, применяемого в ЭЦП;
• Для защиты пароля;
• Для построения кода аутентификации сообщений.

Контроль подлинности

• Электронная цифровая подпись выполняет роль обычной подписи в электронных документах для подтверждения подлинности сообщений – данные присоединяются к передаваемому сообщению, подтверждая подлинность отправителя сообщения.
• При разработке механизма цифровой подписи возникает три задачи:
• создание подписи таким образом, чтобы ее невозможно было подделать;
• возможность проверки того, что подпись действительно принадлежит указанному владельцу.
• предотвращение отказа от подписи.

Алгоритм формирования электронной цифровой подписи

• При формировании цифровой подписи по классической схеме отправитель:
• Применяет к исходному тексту хэш-функцию;
• Дополняет хэш-образ до длины, требуемой в алгоритме создания ЭЦП;
• Вычисляет ЭЦП по хэш-образу с использованием секретного ключа создания подписи.
• Получатель, получив подписанное сообщение, отделяет цифровую подпись от основного текста и выполняет проверку:
• Применяет к тексту полученного сообщения хэш-функцию;
• Дополняет хэш-образ до требуемой длины;
• Проверяет соответствие хэш-образа сообщения полученной цифровой подписи с использованием открытого ключа проверки подписи.

Примеры алгоритмов формирования хэш-функции и ЭЦП

• В качестве распространенных алгоритмов хэширования можно указать:
• MD5;
• SHA;
• ГОСТ Р34.11-94;
• Алгоритмы формирования электронной цифровой подписи:
• RSA;
• DSA;
• ГОСТ Р34.10-94

Выбор алгоритмов аутентификации

• При выборе протоколов аутентификации, необходимо определить, какой тип аутентификации требуется – односторонняя или двусторонняя, наличие доверенной стороны и т.д.
• Параметры протокола аутентификации:
• Тип алгоритма (симметричный, несимметричный);
• Конкретный вид алгоритма;
• Режим работы;
• Процедура управления ключами;
• Совместимость используемых алгоритмов.