Информационная безопасность и модели защиты информации. 1 Категории информационной безопасности

3. Криптосистема

Все исследования, которые проводились в предыдущей главе, 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 их непосредственное применение без каких-либо модификаций для кодирования больших объемов данных на самом деле не очень приемлемо. Все недостатки непосредственного применения криптоалгоритмов устраняются в криптосистемах[24,25].

3.1 Функции криптосистем

Криптосистема работает по определенной методологии (процедуре). Она состоит из :
 одного или более алгоритмов шифрования (математических формул);
 ключей, используемых этими алгоритмами шифрования;
 системы управления ключами;
 незашифрованного текста;
 и зашифрованного текста (шифртекста).
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:
 усиление защищенности данных,
 облегчение работы с криптоалгоритмом со стороны человека,
 обеспечение совместимости потока данных с другим программным обеспечением.
Конкретная программная реализация криптосистемы называется криптопакетом.

3.2 Алгоритмы создания цепочек

Первая задача при шифровании данных криптоалгоритмом - это данные с длиной, неравной длине 1 блока криптоалгоритма. Эта ситуация будет иметь место практически всегда. Для решения этих проблем и были введены в криптосистемы алгоритмы создания цепочек (англ. chaining modes). Самый простой метод - 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.3.1.

Рис.3.1. Схема электронных шифрокнижек

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.3.2 и рис.3.3. 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.3.2. схема алгоритма создания цепочек CBC



Рис.3.3. схема алгоритма создания цепочек CFB

Еще один метод OFB (англ. Output FeedBack - обратная связь по выходу) имеет несколько иную структуру (она изображена на рис.3.4.) : 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.

Рис.3.4. схема алгоритма создания цепочек OFB

Сравнительные характеристики методов создания цепочек приведены в виде таблицы в приложении 3.