Рис.1.
2.3.1.
Функции криптосистем
Краткое описание того, для чего все же
предназначены криптосистемы.
2.3.2.
Алгоритмы создания цепочек
Алгоритмы создания цепочек
призваны рандомизировать входной поток криптоалгоритма, а также
обеспечивать кратность его размера длине блока криптоалгоритма.
2.3.3.
Методы рандомизации сообщений
Для того, чтобы одни и те же
данные, передаваемые по сети многократно, шифровались каждый раз
по-новому, необходимо внесение в процесс шифрования по специальным
схемам какой-либо случайной информации.
2.3.4.
Архивация
Архивация (сжатие данных) – есть процесс
представления информации в ином виде (перекодирования) с
потенциальным уменьшением объема, требуемого для ее хранения.
Существует множество классов различных алгоритмов сжатия данных,
каждый из которых ориентирован на свою область применения.
2.3.5.
Хеширование паролей
Для того, чтобы не заставлять человека
запоминать ключ – длинную последовательность цифр, были разработаны
методы преобразования строки символов любой длины (так называемого
пароля) в блок байт заранее заданного размера (ключ). На алгоритмы,
используемые в этих методах, накладываются требования, сравнимые с
требованиями на сами криптоалгоритмы.
2.3.6.
Транспортное кодирование
В некоторых системах передачи
информации требуется, чтобы поток содержал только определенные
символы ASCII кодировки. Однако, выходной поток криптоалгоритма
имеет очень высокую рандомизацию и в нем встречаются с равной
вероятностью все 256 символов. Для преодоления этой проблемы
используется транспортное кодирование.
2.3.7.
Общая схема симметричной криптосистемы
Схема объединения всех
рассмотренных выше методов.
Все исследования, которые мы проводили на предыдущих лекциях, касались только криптоалгоритмов, то есть методов преобразования небольшого блока данных (от 4 до 32 байт) в закодированный вид в зависимости от заданного двоичного ключа. Криптоалгоритмы несомненно являются "сердцем" криптографических систем, но, как мы сейчас увидим, их непосредственное применение без каких-либо модификаций для кодирования больших объемов данных на самом деле не очень приемлимо.
Все недостатки непосредственного применения криптоалгоритмов устраняются в криптосистемах. Криптосистема – это завершенная комплексная модель, способная производить двусторонние криптопреобразования над данными произвольного объема и подтверждать время отправки сообщения, обладающая механизмом преобразования паролей и ключей и системой транспортного кодирования. Таким образом, криптосистема выполняет три основные функции:
Конкретная программная реализация криптосистемы называется криптопакетом.
Первая задача, с которой мы столкнемся при шифровании данных криптоалгоритмом – это данные с длиной, неравной длине 1 блока криптоалгоритма. Эта ситуация будет иметь место практически всегда.
Первый вопрос:
– Что можно сделать, если мы хотим зашифровать
24 байта текста, если используется криптоалгоритм с длиной блока 8
байт?
– Последовательно зашифровать три раза по 8 байт и сложить
их в выходной файл так, как они лежали в исходном.
– А если
данных много и некоторые блоки по 8 байт повторяются, это значит,
что в выходном файле эти же блоки будут зашифрованы одинаково - это
очень плохо.
Второй вопрос:
– А что если данных не 24, а 21
байт.
Не шифровать последние 5 байт или чем-то заполнять еще 3
байта, – а потом при дешифровании их выкидывать.
– Первый вариант
вообще никуда не годится, а второй применяется, но чем заполнять?
Для решения этих проблем и были введены в криптосистемы алгоритмы создания цепочек (англ. chaining modes). Самый простой метод мы уже в принципе описали. Это метод ECB (Electronic Code Book). Шифруемый файл временно разделяется на блоки, равные блокам алгоритма, каждый из них шифруется независимо, а затем из зашифрованных пакетов данных компонуется в той же последовательности файл, который отныне надежно защищен криптоалгоритмом. Название алгоритм получил из-за того, что в силу своей простоты он широко применялся в простых портативных устройствах для шифрования – электронных шифрокнижках. Схема данного метода приведена на рис.1.
Рис.1.
В том случае, когда длина пересылаемого пакета информации не кратна длине блока криптоалгоритма возможно расширение последнего (неполного) блока байт до требуемой длины либо с помощью генератора псевдослучайных чисел, что не всегда безопасно в отношении криптостойкости, либо с помощью хеш-суммы передаваемого текста. Второй вариант более предпочтителен, так как хеш-сумма обладает лучшими статистическими показателями, а ее априорная известность стороннему лицу равносильна знанию им всего передаваемого текста.
Указанным выше недостатком этой схемы является то, что при повторе в исходном тексте одинаковых символов в течение более, чем 2*N байт (где N – размер блока криптоалгоритма), в выходном файле будут присутствовать одинаковые зашифрованные блоки. Поэтому, для более "мощной" защиты больших пакетов информации с помощью блочных шифров применяются несколько обратимых схем "создания цепочек". Все они почти равнозначны по криптостойкости, каждая имеет некоторые преимущества и недостатки, зависящие от вида исходного текста.
Все схемы создания цепочек основаны на идее зависимости результирующего зашифровываемого блока от предыдущих, либо от позиции его в исходном файле. Это достигается с помощью блока "памяти" – пакета информации длины, равной длине блока алгоритма. Блок памяти (к нему применяют термин IV – англ. Initial Vector) вычисляется по определенному принципу из всех прошедших шифрование блоков, а затем накладывается с помощью какой-либо обратимой функции (обычно XOR) на обрабатываемый текст на одной из стадий шифрования. В процессе раскодирования на приемной стороне операция создания IV повторяется на основе принятого и расшифрованного текста, вследствие чего алгоритмы создания цепочек полностью обратимы.
Два наиболее распространенных алгоритма создания цепочек – CBC и CFB. Их структура приведена на рис.2 и рис.3. Метод CBC получил название от английской аббревиатуры Cipher Block Chaining – объединение в цепочку блоков шифра, а метод CFB – от Cipher FeedBack – обратная связь по шифроблоку.
Рис.2.
Рис.3.
Еще один метод OFB (англ. Output FeedBack – обратная связь по выходу) имеет несколько иную структуру (она изображена на рис.4.): в нем значение накладываемое на шифруемый блок не зависит от предыдущих блоков, а только от позиции шифруемого блока (в этом смысле он полностью соответствует скремблерам), и из-за этого он не распространяет помехи на последующие блоки. Очевидно, что все алгоритмы создания цепочек однозначно восстановимы. Практические алгоритмы создания и декодирования цепочек будут разработаны на практическом занятии.
Рис.4.
Сравним характеристики методов создания цепочек в виде таблицы.
| Метод | Шифрование блока зависит от | Искажение одного бита при передаче | Кодируется ли некратное блоку число байт без дополнения? | На выход криптосистемы поступает |
| ECB | текущего блока | портит весь текущий блок | нет | выход криптоалгоритма |
| CBC | всех предыдущих блоков | портит весь текущий и все последующие блоки | нет | выход криптоалгоритма |
| CFB | всех предыдущих блоков | портит один бит текущего блока и все последующие блоки | да | XOR маска с исходным текстом |
| OFB | позиции блока в файле | портит только один бит текущего блока | да | XOR маска с исходным текстом |
