Назначение и структура алгоритмов шифрования

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

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

Рис. 1. Криптоалгоритмы

Обзор криптографических методов

Как было сказано выше, шифрование является основным методом защиты; рассмотрим его подробно ниже.

Стоит сказать несколько слов и про остальные криптографические методы:

1. Электронная подпись используется для подтверждения целостности и авторства данных. Целостность данных означает то, 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 (т.е. при невозможности использования ключа никем, кроме его владельца) никто другой не в состоянии вычислить верную электронную подпись какого-либо электронного документа.
2. 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 доказанно 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.
3. 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.
4. 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:

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:

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 (т.е. того самого, который был ранее зашифрован: M' = M), необходимо одновременное выполнение следующих условий:

1. Функция расшифрования должна соответствовать функции зашифрования.
2. 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):

1. Алгоритмы симметричного шифрования.
2. 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:

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:

1. 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 2ⁿ, где n – размер субблока в битах. После наложения субблоки меняются местами, т.е. 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.

2. 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+.

3. 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.

4. Алгоритмы с нестандартной структурой, т.е. те алгоритмы, которые невозможно причислить ни к одному из перечисленных типов. Ясно, что изобретательность может быть безгранична, поэтому как-то 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.

   
   
   Панасенко Сергей Петрович
   нач. отдела разработки программного обеспечения фирмы АНКАД
   кандидат технических наук
   (495)532-1313, (495)532-9649, develop@ancud.ru
   
   Опубликовано – 23 марта 2006 г.