Основные понятия криптографии

Основные задачи и принципы криптографической защиты

Криптография — наука о методах обеспечения конфиденциальности и аутентичности информации. Математическая криптография возникла как наука о шифровании информации, т.е. как наука о криптосистемах. В классической модели системы секретной связи имеют место два полностью доверяющих друг другу участника, которым необходимо передавать между собой информацию, не предназначенную для третьих лиц. Такая информация называется конфиденциальной или секретной. Задача обеспечения конфиденциальности, т.е. защита секретной информации от противника - первая задача криптографии.

Часто возникает ситуация, когда информация не является конфиденциальной, но важен факт поступления сообщений в неискаженном виде, т.е. наличие гарантии, что сообщение не было подделано. Такая гарантия называется обеспечением целостности информации и составляет вторую задачу криптографии.

При передаче электронных документов (в том числе и через Интернет) возможна как их подмена или редактура, так и — в случае секретного текста — доступ посторонних лиц к передаваемой информации. Таким образом, электронные документы также нуждаются в криптографической защите.

Возникают две основные задачи по их защите от несанкционированного доступа:

• Обеспечение уверенности получателя в том, что документ подлинный и корректный, т.е. при передаче не был подменен или отредактирован;
• Обеспечение невозможности доступа посторонних лиц к содержанию документа.

Когда речь идет об электронных документах, первая задача решается применением электронной подписи, вторая — зашифрованием документа.

Электронная подпись (ЭП) — цифровой аналог ручной подписи, обеспечивающий возможность проверки подлинности и корректности документа. Существует техническая возможность проверки электронной подписи: если документ подменен или искажен при передаче, подпись при проверке будет признана некорректной.

Зашифрование документа — видоизменение текста документа таким образом, что только тот или те, для кого текст документа предназначен, в состоянии восстановить исходный текст.

Криптографические программные продукты

Для защиты информации используются специальные пользовательские программные продукты. Они разделяются на две основные группы.

Первая группа, очень широко распространенная — это криптопровайдеры (или CSP, Cryptographic Service Providers). CSP не являются самостоятельными приложениями, они предоставляют криптографические функции другим приложениям — например, таким, как почтовые программы. Пользователь фактически не имеет дела непосредственно с CSP, работая с привычным ему пользовательским интерфейсом. CSP обладают универсальностью — один и тот же CSP может использоваться для работы со множеством различных программ. Примером такого продукта производства ООО «Криптоком» является криптопровайдер МагПро CSP.

Вторая группа — это библиотеки криптографических функций. Такие библиотеки содержат готовые функции, решающие криптографические задачи, и могут использоваться для создания новых приложений. Примером такого продукта производства ООО «Криптоком» является программный продукт «МагПро КриптоПакет».

Криптографические алгоритмы

Стандарты на криптографические алгоритмы

На криптографические алгоритмы существуют стандарты. Надежность алгоритмов, соответствующих стандартам, тщательно анализируется специалистами. При работе с официальной документацией разрешается пользоваться только алгоритмами, соответствующими стандартам.

В разных странах существуют различные стандарты на алгоритмы. В программном обеспечении широко используются алгоритмы, соответствующие американским стандартам, чаще всего это алгоритм RSA.

В России существуют собственные государственные стандарты на алгоритмы шифрования и выработки/проверки электронной подписи: ГОСТ 28147-89, ГОСТ Р 34.10-2012, ГОСТ Р 34.10-2012.

Для выработки и проверки электронной подписи, а также зашифрования и расшифрования документов используются определенные последовательности действий, называемые криптографическими алгоритмами.

Криптографический алгоритм — это серьезная разработка, требующая немалого труда специалистов и отвечающая определенным требованиям. Одним и тем же алгоритмом может пользоваться для защиты информации большое количество пользователей, т.к. алгоритмы не являются секретной информацией.

На криптографические алгоритмы существуют стандарты, т.е. официально оформленные совокупности требований, которым эти алгоритмы должны отвечать. Эти стандарты различны в разных странах и изменяются со временем. Популярные американские алгоритмы — RSA, DSA и т.д. — которые часто используются в распространенных программных продуктах, отвечают американским стандартам.

В России также приняты государственные стандарты на криптографические алгоритмы. Российские производители, в том числе ООО «Криптоком», используют в своих программных продуктах алгоритмы, соответствующие российским стандартам.

Криптографические ключи

В качестве секретной информации используются криптографические ключи.

Криптографический ключ представляет собой последовательность символов, выработанную по определенным правилам. Эта последовательность используется при криптографических преобразованиях текстов. Для каждого криптографического алгоритма существуют свои требования, в соответствии с которыми создаются ключи. Каждый ключ создается для определенного алгоритма.

Для того чтобы обеспечить невоспроизводимость электронной подписи и невозможность прочтения зашифрованных текстов посторонними людьми, в криптографии применяются криптографические ключи.

Современный криптографический ключ — это последовательность чисел определенной длины, созданная по определенным правилам на основе последовательности случайных чисел. Для каждого ключа последовательность случайных чисел создается заново, ни одна последовательность не используется более одного раза. Для генерации последовательностей случайных чисел используются специальные программные объекты или устройства, называемые датчиками случайных чисел.

Каждый алгоритм предъявляет собственные требования к ключам, поэтому любой криптографический ключ создается для определенного алгоритма и используется только с этим алгоритмом.

Если выработка электронной подписи и ее проверка, или зашифрование и расшифрование текста выполняются с помощью одного и того же ключа, такой подход называется симметричной криптографией (соответственно симметричные алгоритмы и симметричные ключи). Операции симметричной криптографии выполняются быстро и сравнительно просты. Но они требуют знания ключа по меньшей мере двумя людьми, что значительно повышает риск их компрометации (т.е. доступа к ним посторонних лиц).

Поэтому сейчас в основном используется асимметричная криптография. В асимметричной криптографии выработка электронной подписи или зашифрование выполняются на одном ключе, а проверка подписи или расшифрование — на другом, парном ключе.

В асимметричной криптографии применяются так называемые ключевые пары (key pairs). Каждая такая пара состоит из двух связанных между собой ключей. Один из этих ключей — закрытый (private key). Он известен только владельцу ключа и ни при каких условиях не должен быть доступен никому другому. Другой ключ — открытый (public key), он может быть доступен любому желающему.

Для выработки ЭП необходим закрытый ключ автора сообщения, для проверки — открытый. Таким образом, создать ЭП может только владелец закрытого ключа, а проверить — любой пользователь, получивший соответствующий открытый ключ.

Для зашифрования текста применяется открытый ключ адресата, для расшифрования — закрытый. Таким образом, зашифровать сообщение может любой человек, а расшифровать — только владелец соответствующего закрытого ключа, т.е. адресат.

Ключевая пара, используемая для работы с ЭП (выработки и проверки ЭП), называется ключами подписи (signature keys). Ключевая пара, используемая для зашифрования и расшифрования сообщений, называется ключами обмена (exchange keys).

Проблема асимметричной криптографии состоит в том, что зашифрование по асимметричным алгоритмам происходит намного медленнее, чем по симметричным. Кроме того, если зашифрованный текст предназначен для нескольких адресатов, в отправляемое сообщение приходится включать копию текста для каждого адресата, что резко увеличивает как объем сообщения, так и время, необходимое для его зашифрования.

Эта проблема решается с помощью так называемой гибридной криптографии.

В процессе шифрования прежде всего создается одноразовый (так называемый сеансовый) ключ шифрования (session encryption key). Это симметричный ключ, т.е. один и тот же ключ используется и для зашифрования, и для расшифрования. Одноразовым или сеансовым он называется потому, что используется для зашифрования/расшифрования только одного сообщения.

На сеансовом ключе шифрования зашифровывается сообщение. Поскольку сообщение зашифровывается по симметричному алгоритму, процесс зашифровывания сообщения происходит достаточно быстро.

Затем сам ключ шифрования зашифровывается по асимметричному алгоритму на открытом ключе обмена получателя. Поскольку ключ шифрования представляет собой сравнительно небольшой объем данных, зашифрование такого ключа не занимает много времени.

Зашифрованный ключ шифрования включается в сообщение.

В результате сообщение получается незначительно больше по объему (за счет добавленной зашифрованной копии ключа шифрования), но процесс зашифрования происходит гораздо быстрее, чем если бы само сообщение зашифровывалось по асимметричному алгоритму.

Если получателей несколько, то сообщение зашифровывается один раз на сеансовом ключе шифрования, а ключ (сравнительно небольшой объем данных) зашифровывается отдельно на открытом ключе обмена каждого получателя. Таким образом, зашифрованное сообщение вместо нескольких копий сообщения, зашифрованных для каждого получателя, содержит одну зашифрованную копию сообщения и несколько копий одноразового сеансового ключа шифрования, зашифрованных для каждого получателя. Объем зашифрованного сообщения и время, необходимое для его зашифрования, оказываются существенно меньшими, чем если бы сообщение шифровалось по асимметричному алгоритму для каждого получателя.

Когда адресат получает сообщение, среди зашифрованных сеансовых ключей, включенных в сообщение, ищется сеансовый ключ, зашифрованный на открытом ключе обмена получателя. Если такой ключ находится, он расшифровывается с помощью закрытого ключа обмена получателя, а потом с помощью этого ключа расшифровывается само сообщение.

Таким образом, основное требование к процессу зашифрования по асимметричному алгоритму — чтобы к закрытому ключу обмена никто не имел доступа, кроме владельца этого ключа — соблюдается. Для того, чтобы получить доступ к ключу шифрования, необходим доступ к закрытому ключу обмена; но после того, как произведено расшифрование ключа шифрования с помощью закрытого ключа обмена, этот ключ шифрования больше никогда не используется, так что говорить о его компрометации не имеет смысла.

Сертификаты

Сертификаты — это принятая сейчас форма хранения и передачи открытых ключей. Сертификат — это набор данных специального формата, содержащий сам открытый ключ и всю информацию о нем и о его владельце. Все открытые ключи хранятся и передаются в виде сертификатов.

Сертификаты выпускаются специальными уполномоченными центрами, которые могут носить различные названия: удостоверяющий центр, центр сертификации, пункт регистрации абонентов и т.д. В любом случае такой центр выполняет административные функции. Центр и пользователи (абоненты), которые пользуются услугами центра, составляют криптосеть.

Для того чтобы центр выпустил сертификат на открытый ключ, абоненту необходимо прислать заявку (запрос) на такой сертификат. Заявка содержит открытый ключ и всю информацию о нем и о владельце. Центр проверяет подлинность и корректность этой информации (как именно — зависит от регламента центра) и выпускает сертификат, заверяя его своей электронной подписью.

Цепочки доверия

Часто возникает необходимость проверять документ с помощью другого документа, который так же требует проверки. Например, подпись под документом проверяется с помощью сертификата на открытый ключ, парный тому секретному, на котором подпись выработана. Но сам сертификат — это тоже документ, корректность и подлинность которого требует проверки. Подпись под сертификатом проверяется на сертификате на открытый ключ подписи того центра, который выпустил сертификат. Сертификат центра, в свою очередь, тоже может быть подписан электронной подписью и требовать проверки.

Такие цепочки документов, каждый из которых проверяется на следующем, называются цепочками доверия.

Очевидно, что в конце концов цепочка заканчивается — в ней обязательно существует документ, который невозможно проверить на другом документе (например, самый первый сертификат центра). Такие документы могут называться самозаверенными, корневыми, доверенными и т.д. Существуют разные способы проверки корректности и подлинности таких документов, зависящие от используемого программного обеспечения и принятого регламента: контрольные записи, цифровые отпечатки и т.д. Общим во всех этих способах проверки является то, что они требуют участия каких-то бумажных документов (распечаток) и не могут быть проверены автоматически: необходимо, чтобы человек сравнил информацию из проверяемого электронного документа с распечатанной и убедился в совпадении.

Документ может считаться корректным только в том случае, если корректны все документы, входящие в цепочку доверия от данного документа до документа, которым заканчивается цепочка (корневого).

Разумеется, при каждой проверке подписи полной проверки цепочки доверия с участием человека не происходит. Обычно корневой документ проверяется при его установке на компьютер, а затем проверка цепочек доверия, заканчивающихся этим документом, происходит автоматически.

Датчики случайных чисел и создание ключей

Ключи создаются по специальным алгоритмам на основе последовательностей случайных чисел.

Для того чтобы криптографическая защита на ключе была надежной, последовательность случайных чисел, на которой создана ключевая пара, должна быть уникальной для каждой ключевой пары. Кроме того, она должна быть действительно случайной, т.е. не допускать повторов даже через очень большие промежутки.

Такие уникальные последовательности случайных чисел генерируются во время создания ключей с помощью специальных устройств или программ, называемых датчиками случайных чисел.

Очень удобны и быстры так называемые аппаратные датчики случайных чисел, представляющие собой физические устройства — платы, подключенные к компьютеру. Такие датчики создают последовательности случайных чисел на основе физических процессов. Генерация последовательностей случайных чисел с помощью аппаратного датчика происходит очень быстро и без участия пользователя.

Но такие датчики устанавливаются не на каждом компьютере. Поэтому часто для создания ключей используется клавиатурный датчик случайных чисел~--- программа, использующая для создания последовательности случайных чисел физический процесс нажатия клавиш пользователем. Для инициализации такого датчика пользователю необходимо нажать определенное количество указываемых ему клавиш (если все клавиши нажаты безошибочно, то нужно 40 нажатий; если пользователь допускает ошибочные нажатия, количество необходимых нажатий увеличивается). Создание ключей с помощью клавиатурного датчика — более медленный процесс, чем создание ключей с помощью аппаратного датчика, но его можно осуществить на любом компьютере.

Хранение закрытых ключей

Для удобства хранения закрытых ключей может создаваться файл специального формата, в котором хранятся закрытые ключи. Файл, в свою очередь, может храниться на жестком диске компьютера, на дискете, на флэш-накопителе. Для защиты закрытого ключа от несанкционированного чтения он хранится в файле в зашифрованном виде, т.е. для того, чтобы прочитать закрытый ключ и воспользоваться им, необходимо знать пароль (парольную фразу), на которой зашифрован ключ.

Возможно также хранение закрытых ключей на внешних устройствах. Такие устройства должны иметь следующие свойства:

• Устройство должно включать в себя область памяти, достаточной, чтобы записать туда закрытые ключи (иногда эту область памяти называют «хранилищем ключей»);
• Устройство должно легко подключаться к компьютеру, чтобы ключи могли быть считаны;
• Устройство должно легко отключаться от компьютера, чтобы злоумышленники не могли считать с него ключи.

Таким условиям удовлетворяет USB-токен «Вьюга», разработанный в ООО «Криптоком». Устройство «Вьюга» включает в себя генератор случайных чисел (т.е. может использоваться как датчик случайных чисел при генерации ключей) и область памяти объема, достаточного для хранения ключей. Устройство подключается к компьютеру через USB-порт. Возможно подключение устройства к компьютеру непосредственно в процессе работы.

Компрометация ключей

Компрометация ключей — понятие, которое включает в себя факт доступа посторонних лиц к секретным ключам, а также возможность такого доступа или подозрение на него. Скомпрометированный секретный ключ — главная опасность для любой системы защиты информации, поэтому принимаются специальные меры для защиты секретных ключей: их никогда не записывают на жесткий диск компьютера, их держат на отдельных носителях, их зашифровывают, их защищают на пароле и т.д. Тем не менее, случаи компрометации возможны.

В случае компрометации секретный ключ и парный к нему открытый вносятся в специальные списки, содержащие скомпрометированные ключи. Такие списки в разных криптографических продуктах также могут называться по-разному — стоп-листы, списки отзыва сертификатов и т.д. Действие скомпрометированных ключей прекращается. Подпись, выработанная на скомпрометированном ключе, автоматически считается некорректной; информацию из документа, зашифрованного на скомпрометированном ключе, нельзя считать секретной.

Владелец скомпрометированных ключей создает для себя новые ключи.