2. Аппаратное шифрование

   1. Достоинства аппаратного шифрования

Большое количество средств шифрования данных создаётся в виде специализированных физических устройств. Программные шифраторы, как правило, дешевле аппаратных и в ряде случаев способны обеспечить бо́льшую скорость обработки информации. Перечень достоинств аппаратных шифраторов:

• аппаратный датчик случайных чисел создаёт действительно случайные числа для формирования надёжных ключей шифрования и электронной цифровой подписи;

• аппаратная реализация криптоалгоритма гарантирует его целостность;

• шифрование и хранение ключей осуществляются в самой плате шифратора, а не в оперативной памяти компьютера;

• загрузка ключей в шифрующее устройство с электронных ключей Touch Memory (i-Button) и смарт-карт производится напрямую, а не через системную шину компьютера и ОЗУ, что исключает возможность перехвата ключей;

• с помощью аппаратных шифраторов можно реализовать системы разграничения доступа к компьютеру и защиты информации от несанкционированного доступа;

• применение специализированного процессора для выполнения всех вычислений разгружает центральный процессор компьютера; также можно установить нескольких аппаратных шифраторов на одном компьютере, что ещё более повышает скорость обработки информации (это преимущество присуще шифраторам для шины PCI);

• применение парафазных шин при создании шифрпроцессора исключает угрозу чтения ключевой информации по колебаниям электромагнитного излучения, возникающим при шифровании данных, в цепях «земля — питание» устройства.

При установке на компьютер специализированного шифровального оборудования будет возникать меньше проблем, чем при добавлении в системное программное обеспечение функций шифрования данных. В самом лучшем случае шифрование должно производиться так, чтобы пользователь не замечал его. Чтобы сделать это при помощи программных средств, они должны быть спрятаны достаточно глубоко в операционной системе. Проделать эту операцию безболезненно с отлаженной операционной системой очень непросто. Но подсоединить шифровальное устройство к персональному компьютеру или к модему сможет любой непрофессионал.

2. Виды устройств аппаратного шифрования

Современный рынок предлагает 3 разновидности аппаратных средств шифрования информации потенциальным покупателям

• блоки шифрования в каналах связи

• самодостаточные шифровальные модули (они самостоятельно выполняют всю работу с ключами)

• шифровальные платы расширения для установки в персональные компьютеры

Почти все устройства первых двух типов узко специализированны. И поэтому нужно досконально исследовать ограничения, которые при установке эти устройства накладывают на соответствующие устройства, прикладное программное обеспечение и операционные системы до того, как принимать конечное решение об их покупке. В противном случае можно зря потратить деньги, нисколько не приблизившись к желаемой цели. Правда, существуют компании, которые продают коммуникационное оборудование вместе с заранее установленными устройствами аппаратного шифрования, что иногда облегчает выбор.

Платы расширения для персональных компьютеров являются более универсальным средством аппаратного шифрования и, как правило, их очень легко настроить так, чтобы они шифровали всю информацию, записываемую на жёсткий диск или пересылаемую в порты и дисководы. Обычно защита от электромагнитного излучения в платах расширения для аппаратного шифрования отсутствует, так как бессмысленно защищать эти платы, если весь компьютер не защищается аналогичным образом.

3. Дополнительные возможности аппаратных шифраторов

Использование целой платы расширения только для аппаратного шифрования слишком расточительно. Помимо функций шифрования, производители стараются добавить в свои устройства разнообразные дополнительные возможности, например:

• Генератор случайных чисел. Он необходим в основном для генерации криптографических ключей. Вдобавок, большое количество алгоритмов шифрования применяют их и для других целей. К примеру, алгоритм электронной подписи ГОСТ Р 34.10 — 2001: При вычислении подписи используется каждый раз новое случайное число.

• Доверенная загрузка. Контроль входа на компьютер. Каждый раз, когда пользователь включает персональный компьютер, устройство будет требовать от него ввода персональной информации (например, вставить дискету с ключами). Только если устройство распознает предоставленные ключи и сочтёт их «своими», загрузка будет продолжена. Иначе пользователь будет вынужден разбирать компьютер и вынимать оттуда плату шифратора, чтобы включить компьютер (тем не менее, как известно, информация на жёстком диске также может быть зашифрована).

• Контроль целостности файлов операционной системы. Злоумышленник не сможет в ваше отсутствие что-либо поменять в операционной системе. Шифратор хранит в своей памяти перечень всех важных файлов с заранее посчитанными для каждого контрольными суммами (или хэш-значениями), и компьютер будет блокирован, если при очередной загрузке не совпадёт контрольная сумма хотя бы одного из файлов.

Устройством криптографической защиты данных (УКЗД) называется плата расширения со всеми вышеперечисленными возможностями. Устройство аппаратного шифрования, контролирующее вход на персональный компьютер и проверяющее целостность всех файлов операционной системы, называется также «электронным замком». Понятно, что аналогия не совсем полная — обычные замки сильно уступают этим интеллектуальным устройствам. Хотя ясно, что последним необходимо программное обеспечение — требуется утилита, генерирующая ключи для пользователей и хранит их список для опознания «свой/чужой». Кроме этого, необходима программа для выбора важных файлов и подсчёта их контрольных сумм. Доступ к этим приложениям обычно есть только у администратора по безопасности. Он должен заранее сконфигурировать все устройства для пользователей, а если появятся проблемы, должен разобраться в их причинах.

4. Поточный шифр

Поточный шифр — это симметричный шифр, в котором каждый символ открытого текста преобразуется в символ шифрованного текста в зависимости не только от используемого ключа, но и от его расположения в потоке открытого текста.

Режим гаммирования для поточных шифров.

Поточные шифры преобразуют открытый текст в шифротекст побитово. Простейшая реализация поточного шифра изображена на рисунке 1.

Генератор гаммы выдаёт ключевой поток (гамму):

Поток битов открытого текста:

Гамма шифра и поток битов открытого текста подвергаются операции XOR. Так получается поток битов шифротекста: , где, такой режим шифрования называется гаммированием. Расшифрование производится операцией XOR между той же самой гаммой и зашифрованным текстом:

Рисунок 1. Процесс зашифрования и расшифрования

Очевидно, что если последовательность битов гаммы не имеет периода и выбирается случайно, то взломать шифр невозможно. Но у данного режима шифрования есть и отрицательные особенности. Так ключи, сравнимые по длине с передаваемыми сообщениями, трудно использовать на практике. Поэтому обычно применяют ключ меньшей длины (например, 128 бит). С помощью него генерируется псевдослучайная гаммирующая последовательность (она должна удовлетворять постулатам Голомба). Естественно, псевдослучайность гаммы может быть использована при атаке на поточный шифр.

Классификация поточных шифров

Допустим, например, что в режиме гаммирования для поточных шифров при передаче по каналу связи произошло искажение одного знака шифротекста. Очевидно, что в этом случае все знаки, принятые без искажения, будут расшифрованы правильно. Произойдёт потеря лишь одного знака текста. А теперь представим, что один из знаков шифротекста при передаче по каналу связи был потерян. Это приведёт к неправильному расшифрованию всего текста, следующего за потерянным знаком. Практически во всех каналах передачи данных для поточных систем шифрования присутствуют помехи. Поэтому для предотвращения потери информации решают проблему синхронизации шифрования и расшифрования текста. По способу решения этой проблемы шифрсистемы подразделяются на синхронные и системы с самосинхронизацией.

1. Синхронные поточные шифры

Синхронные поточные шифры (СПШ) — шифры, в которых поток ключей генерируется независимо от открытого текста и шифротекста.

При шифровании генератор потока ключей выдаёт биты потока ключей, которые идентичны битам потока ключей при дешифровании. Потеря знака шифротекста приведёт к нарушению синхронизации между этими двумя генераторами и невозможности расшифрования оставшейся части сообщения. Очевидно, что в этой ситуации отправитель и получатель должны повторно синхронизоваться для продолжения работы.

Обычно синхронизация производится вставкой в передаваемое сообщение специальных маркеров. В результате этого пропущенный при передаче знак приводит к неверному расшифрованию лишь до тех пор, пока не будет принят один из маркеров.

Заметим, что выполняться синхронизация должна так, чтобы ни одна часть потока ключей не была повторена. Поэтому переводить генератор в более раннее состояние не имеет смысла.

Рисунок 2. Шифрование с использованием с СПШ

Плюсы СПШ:

• отсутствие эффекта распространения ошибок (только искажённый бит будет расшифрован неверно);

• предохраняют от любых вставок и удалений шифротекста, так как они приведут к потере синхронизации и будут обнаружены.

Минусы СПШ:

• уязвимы к изменению отдельных бит шифрованного текста. Если злоумышленнику известен открытый текст, он может изменить эти биты так, чтобы они расшифровывались, как ему надо.

2. Самосинхронизирующиеся поточные шифры

Самосинхронизирующиеся поточные шифры (асинхронные поточные шифры (АПШ)) – шифры, в которых поток ключей создаётся функцией ключа и фиксированного числа знаков шифротекста.

Самосинхронизирующиеся поточные шифры (ССПШ), для них характерна зависимость генерируемой гаммы от предшествующих битов шифртекста. Каждое шифруемое сообщение начинается со случайного отрезка из n знаков, который не несет содержательной нагрузки, он шифруестя, передается и затем расшифровывается. В силу несовпадения начальных состояний генераторов, этот отрезок расшифровывается некорректно, но после передачи n знаков генераторы синхронизируются.

Рисунок 3. Шифрование с использованием ССПШ

Плюсы АПШ:

• Размешивание статистики открытого текста. Так как каждый знак открытого текста влияет на следующий шифротекст, статистические свойства открытого текста распространяются на весь шифротекст. Следовательно, АПШ может быть более устойчивым к атакам на основе избыточности открытого текста, чем СПШ.

Минусы АПШ:

• распространение ошибки (каждому неправильному биту шифротекста соответствуют N ошибок в открытом тексте);

• уязвимы по отношению к имитации сообщений. Нарушитель может записать какой-то перехваченный им отрезок шифрованного текста и позже отправить его в адрес. После нескольких нестыковок в начале сообщения (до n знаков) посланный отрезок расшифруется верно, и получатель не сможет определить, что принял устаревшее сообщение.Чтобы защититься от имитации сообщений необходимо использовать метки времени или менять ключи при каждом новом сообщении.

Криптоанализ

Криптографическая стойкость поточного шифра определяется близостью его свойств к свойству идеального шифра. Поэтому всякий поточный шифр следует оценивать как более или менее искусную подделку под идеальный шифр. Наилучшая имитация идеального шифра получается тогда, когда последовательность шифрующих отображений имитирует последовательность независимых случайных отображений.

Методы криптоанализа схем поточного шифрования обычно подразделяют на три класса:

• силовые атаки;

• статистически атаки;

• аналитические атаки.

1. Силовые (атака «грубой силой»).

Атаки путём полного перебора(перебор всех возможных вариантов). Сложность полного перебора зависит от количества всех возможных решений задачи (размера пространства ключей или пространства открытого текста). Этот вид атаки применим ко всем видам систем поточного шифрования. При разработке систем шифрования разработчики стремятся сделать так, чтобы этот вид атак был наиболее эффективным по сравнению с другими существующими методами взлома.

2. Статистические.

Статистические атаки основаны на оценке статистических свойств шифрующей гаммы.

Делятся на два подкласса:

• Метод криптоанализа статистических свойств шифрующей гаммы: направлен на изучение выходной последовательности криптосистемы; криптоаналитик пытается установить значение следующего бита последовательности с вероятностью выше вероятности случайного выбора с помощью различных статистических тестов.

• Метод криптоанализа сложности последовательности: криптоаналитик пытается найти способ генерировать последовательность, аналогичную гамме, но более просто реализуемым способом.

3. Аналитические методы.

Этот вид атак рассматривается в предположении, что криптоаналитику известны описание генератора, открытый и соответствующий закрытый тексты. Задача криптоаналитика определить использованный ключ (начальное заполнение регистров).

Виды аналитических атак, применяемые к синхронным поточным шифрам:

• корреляционные

• компромисс “время-память”

• инверсионная

• “предполагай и определяй”

• на ключевую загрузку и реинициализацию

• XSL-атака