Криптография

Литература Править

• Баричев С.Г., Гончаров В.В., Серов Р.Е. Основы современной криптографии. — М.: Горячая линия — Телеком, 2002. — 175 с. — (Специальность. Для высших учебных заведений). — 3000 экз. — ISBN 5-93517-075-2
• Варфоломеев А. А., Жуков А. Е., Пудовкина М. А. Поточные криптосистемы. Основные свойства и методы анализа стойкости. М.: ПАИМС, 2000.
• Введение в криптографию. Под общ. ред. Ященко В. В. М.: МЦНМО-ЧеРо, 1998.
• Герасименко В. А. Защита информации в автоматизированных системах обработки данных., кн. 1, 2. М.: Энергоатомиздат, 1994.
• ГОСТ 28147-89. Системы обработки информации. Защита криптографическая. Алгоритм криптографического преобразования. М.: ГК СССР по стандартам, 1989.
• ГОСТ Р 34.10-94.Информационная технология. Криптографическая защита информации. Процедуры выработки и проверки электронной цифровой подписи на базе асиметричного криптографического алгоритма. М., 1995.
• ГОСТ Р 34.11-94. Информационная технология. Криптографическая защита информации. Функция хэширования. М., 1995.
• ГОСТ Р 34.10-2001 Информационная технология. Криптографическая защита информации. Процессы формирования и проверки электронной цифровой подписи. М., 2001.
• Конхейм А. Г. Основы криптографии. М.: Радио и связь, 1987.
• Мафтик С. Механизмы защиты в сетях ЭВМ. М.: Мир, 1993.
• Мельников В. В. Защита информации в компьютерных системах. М.: Финансы и статистика, 1997.
• Молдовян А. А., Молдовян Н. А., Советов Б. Я. Криптография. СПб.: «Лань», 2000.
• Молдовян Н. А. Скоростные блочные шифры. СПб.: Издательство СПбГУ, 1998.
• Нечаев В. И. Элементы криптографии (Основы теории защиты информации). М.: Высшая школа, 1999.
• Основы криптозащиты АСУ. Под ред. Б. П. Козлова. М.: МО, 1996.
• Романец Ю. В., Тимофеев П. А., Шаньгин В. Ф. Защита информации в компьютерных системах и сетях. М.: Радио и связь, 1999.
• Ухлинов А. М. Управление безопасностью информации в автоматизированных системах. М.: МИФИ, 1996.
• Жельников В. Криптография от папируса до компьютера. М.: АВР,1996.

Симметричные криптоалгоритмы

Криптографические алгоритмы с парой открытый/закрытый ключ

RSA • DSA • Схема Эль-Гамаля • ГОСТ Р 34.10-2001

История

Использовавшийся в Древней Греции шифр «скитала», чья современная реконструкция показана на фото, вероятно был первым устройством для шифрования *Скитала — древний принцип шифровки данных при помощи бумаги. Палку обворачивали бумагой, писали слово на свёртке, и заполняли пустые места случайными символами

Роторная шифровальная машина Энигма, разные модификации которой использовались немецкими войсками с 1929 года до конца Второй мировой войны

Основная статья: История криптографии

История криптографии насчитывает около 4 тысяч лет. В качестве основного критерия периодизации криптографии возможно использовать технологические характеристики используемых методов шифрования.

Первый период (приблизительно с 3-го тысячелетия до н. э.) характеризуется господством моноалфавитных шифров (основной принцип — замена алфавита исходного текста другим алфавитом через замену букв другими буквами или символами). Второй период (хронологические рамки — с IX века на Ближнем Востоке (Ал-Кинди) и с XV века в Европе (Леон Баттиста Альберти) — до начала XX века) ознаменовался введением в обиход полиалфавитных шифров. Третий период (с начала и до середины XX века) характеризуется внедрением электромеханических устройств в работу шифровальщиков. При этом продолжалось использование полиалфавитных шифров.

Четвёртый период — с середины до 70-х годов XX века — период перехода к математической криптографии. В работе Шеннона появляются строгие математические определения количества информации, передачи данных, энтропии, функций шифрования. Обязательным этапом создания шифра считается изучение его уязвимости для различных известных атак — линейного и дифференциального криптоанализа. Однако, до 1975 года криптография оставалась «классической», или же, более корректно, криптографией с секретным ключом.

Современный период развития криптографии (с конца 1970-х годов по настоящее время) отличается зарождением и развитием нового направления — криптография с открытым ключом. Её появление знаменуется не только новыми техническими возможностями, но и сравнительно широким распространением криптографии для использования частными лицами (в предыдущие эпохи использование криптографии было исключительной прерогативой государства). Правовое регулирование использования криптографии частными лицами в разных странах сильно различается — от разрешения до полного запрета.

Современная криптография образует отдельное научное направление на стыке математики и информатики — работы в этой области публикуются в научных журналах, организуются регулярные конференции. Практическое применение криптографии стало неотъемлемой частью жизни современного общества — её используют в таких отраслях как электронная коммерция, электронный документооборот (включая цифровые подписи), телекоммуникации и других.

Управление ключами

Основные угрозы ключам

Как было сказано ранее, при шифровании очень важно правильно содержать и распространять ключи между собеседниками, так как это является наиболее уязвимым местом любой криптосистемы. Если вы с собеседником обмениваетесь информацией посредством идеальной шифрующей системы, то всегда существует возможность найти дефект не в используемой системе, а в тех, кто её использует

Можно выкрасть ключи у доверенного лица или подкупить его, и зачастую это оказывается гораздо дешевле, чем взламывание шифра. Поэтому процесс, содержанием которого является составление и распределение ключей между пользователями, играет важнейшую роль в криптографии как основа для обеспечения конфиденциальности обмена информацией.

Цели управления ключами

• Сохранение конфиденциальности закрытых ключей и передаваемой информации.
• Обеспечение надёжности сгенерированных ключей.
• Предотвращение несанкционированного использования закрытых или открытых ключей, например использование ключа, срок действия которого истек.

Управление ключами в криптосистемах осуществляется в соответствии с политикой безопасности. Политика безопасности диктует угрозы, которым должна противостоять система. Система, контролирующая ключи, делится на систему генерации ключей и систему контроля ключей.

Система генерации ключей обеспечивает составление криптоустойчивых ключей. Сам алгоритм генерации должен быть безопасным, так как значительная часть безопасности, предоставляемой шифрованием, заключена в защищённости ключа. Если выбор ключей доверить пользователям, то они с большей вероятностью выбирают ключи типа «Barney», нежели «*9(hH/A», просто потому что «Barney» проще запомнить. А такого рода ключи очень быстро подбираются методом вскрытия со словарем, и тут даже самый безопасный алгоритм не поможет. Кроме того, алгоритм генерации обеспечивает создание статистически независимых ключей нужной длины, используя наиболее криптоустойчивый алфавит.

Система контроля ключей служит для наиболее безопасной передачи ключей между собеседниками. Если передавать ключ шифрования по открытому каналу, который могут прослушивать, то злоумышленник легко перехватит ключ, и всё дальнейшее шифрование будет бессмысленным. Методы асимметричного шифрования решают эту проблему, используя разные ключи для зашифровывания и расшифровывания. Однако при таком подходе количество ключей растет с увеличением количества собеседников (каждый вынужден хранить свои закрытый и открытый ключи и открытые ключи всех собеседников). Кроме того, методы асимметричного шифрования не всегда доступны и осуществимы. В таких ситуациях используются разные методы по обеспечению безопасной доставки ключей: одни основаны на использовании для доставки ключей альтернативных каналов, считающихся безопасными. Другие, в согласии со стандартом X9.17, используют два типа ключей: ключи шифрования ключей и ключи шифрования данных. Третьи разбивают передаваемый ключ на составные части и передают их по различным каналам. Также существуют различные комбинации перечисленных выше методов.

Кроме того, система управления ключами при возникновении большого количества используемых ключей выступает в роли центрального сервера ключей, хранящего и распределяющего их. В том числе она занимается своевременной заменой скомпрометированных ключей. В некоторых системах в целях быстрой коммуникации могут использоваться сеансовые ключи. Сеансовый ключ — ключ шифрования, который используется только для одного сеанса связи. При обрыве сеанса или его завершении сеансовый ключ уничтожается. Также используемые ключи обычно имеют срок действия, то есть срок, в течение которого они являются аутентичными для использования. После истечения данного срока ключ изымается системой управления и, если необходимо, генерируется новый.

Тарабарщина, цифирь и другие шифры

Работы арабских ученых способствовали появлению полиалфавитных шифров, более стойких к расшифровке, в которых использовались сразу несколько алфавитов. Однако люди Средневековья продолжали пользоваться простыми шифрами, основанными на замене букв другими буквами или цифрами, неправильном написании букв и т.д. В Средние века в Европе считалось, что криптография была тесно связана с магией и каббалой.    

Интересно, что в Древней Руси тоже были свои способы тайнописи, например литорея, которая делилась на простую и мудрую. В мудрой версии шифра некоторые буквы заменялись точками, палками или кругами. В простой литорее, которая еще называлась тарабарской грамотой, все согласные буквы кириллицы располагались в два ряда. Зашифровывали письмо, заменяя буквы одного ряда буквами другого. 

Еще одним известным шифром Древней Руси была цифирь, когда буквы, слоги и слова заменялись цифрами. Иногда для усложнения в шифр добавлялись математические действия, и было непросто разгадать подобную загадку: «Десятерица сугубая и пятерица четверицею, единица четверицею сугубо и десятерица дващи». 

Тайнопись XVI века, в основе которой числовые значения церковнославянских букв

В эпоху Возрождения криптография переживает подъем. Начинается период формальной криптографии, связанный с появлением формализованных, более надежных шифров. Над некоторыми загадками ученых Ренессанса криптографы последующих лет бились столетиями. 

Около 1466 года итальянский ученый Леон Альберти изобретает шифровальный диск, состоящий из двух частей: внешней и внутренней. На неподвижном внешнем диске был написан алфавит и цифры. Внутренний подвижный диск также содержал буквы и цифры в другом порядке и являлся ключом к шифру. Для шифрования нужно было найти нужную букву текста на внешнем диске и заменить ее на букву на внутреннем, стоящую под ней. После этого внутренний диск сдвигался, и новая буква зашифровывалась уже с новой позиции. Таким образом, шифр Альберти стал одним из первых шифров многоалфавитной замены, основанных на принципе комбинаторики. Кроме того, Леон Альберти написал одну из первых научных работ по криптографии − «Трактат о шифрах». 

Шифровальный диск Леона Альберти

Здесь стоит упомянуть такое явление, как стеганография, которому в работе Альберти также было уделено внимание. Если с помощью шифра пытаются утаить смысл информации, то стеганография позволяет скрыть сам факт передачи или хранения данных

То есть текст, спрятанный с помощью этого метода, вы примите за картинку, кулинарный рецепт, список покупок или, например, кроссворд. Или вообще не увидите его, если он будет написан молоком, лимонным соком или с помощью особых чернил. Часто методы стеганографии и криптографии объединялись в одном послании. 

Прорывом в криптографии стала книга «Полиграфия» аббата Иоганеса Тритемия 1518 года, рассказывающая в том числе о шифрах с полиалфавитной заменой. Самым известным шифровальщиком XVI века считается дипломат и алхимик из Франции Блез де Виженер, придумавший абсолютно стойкий шифр, в котором использовалось 26 алфавитов, а порядок использования шифра определялся знанием пароля. Можно сказать, что шифр Виженера представлял собой комбинацию нескольких уже упоминавшихся шифров Цезаря.  
 

Signal и его аналоги

Предоставляемое Signal сквозное шифрование сегодня применяется как в одноименном мессенджере от Open Whisper Systems, так и во многих сторонних: WhatsApp, Facebook Messenger, Viber, Google Allo, G Data Secure Chat — все они используют оригинальную или слегка модифицированную версию Signal Protocol, иногда давая им собственные названия. Например, у Viber это протокол Proteus — по сути, тот же Signal с другими криптографическими примитивами.

Однако при схожей реализации сквозного шифрования приложение может компрометировать данные другими способами. Например, WhatsApp и Viber имеют функцию резервного копирования истории переписки. Вдобавок WhatsApp отправляет статистику общения на серверы Facebook. Защита у локальной и облачной копии переписки формальная, а метаданные вообще никак не шифруются — об этом открыто говорится в лицензионном соглашении.

По метаданным видно, кто с кем общается и как часто, какие устройства для этого использует, где при этом находится и так далее. Это огромный пласт косвенной информации, которую можно использовать против собеседников, считающих свой канал связи защищенным

Например, АНБ неважно, какими именно словами подозреваемый поздравил Ассанжа с оставлением Обамы в дураках и что Джулиан ему ответил. Важно то, что они переписываются

Как уже говорилось выше, все мессенджеры периодически меняют сессионные ключи шифрования, и это нормальный процесс. Основной же ключ может смениться, если собеседник перебрался на другое устройство, надолго ушел в офлайн… или кто-то начал писать от его имени, угнав аккаунт.

В оригинальном приложении Signal всем участникам беседы в таком случае отправляется уведомление о смене ключа. В WhatsApp и других мессенджерах эта настройка по умолчанию отключена, так как она не несет большинству пользователей значимой информации. Также ключ меняется при долгом отсутствии собеседника онлайн — это и баг, и фича одновременно.

Включение уведомления о смене ключа в WhatsApp

Как писал по этому поводу исследователь из Калифорнийского университета в Беркли Тобиас Бёлтер (Tobias Boelter), при атаке на сервис возможно создать новый ключ и получить сообщения вместо адресата. Более того, то же самое могут сделать и сами операторы серверов WhatsApp — например, по запросу спецслужб.

Разработчики протокола Signal опровергают выводы Бёлтера и встают на защиту WhatsApp. По их словам, подмена ключа дает доступ только к недоставленным сообщениям. Слабое утешение.

Включить уведомление о смене ключа можно в настройках, вот только на практике этот режим параноика вряд ли что-то даст. Мессенджер уведомляет о смене ключа только после повторной отправки сообщений. Считается, что так удобнее самим пользователям.

Вариант 1. Присоединись к сообществу «Xakep.ru», чтобы читать все материалы на сайте

Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», увеличит личную накопительную скидку и позволит накапливать профессиональный рейтинг Xakep Score!
Подробнее

Вариант 2. Открой один материал

Заинтересовала статья, но нет возможности стать членом клуба «Xakep.ru»? Тогда этот вариант для тебя!
Обрати внимание: этот способ подходит только для статей, опубликованных более двух месяцев назад.

Я уже участник «Xakep.ru»