Реферат: Защита информации от несанкционированного доступа методом криптопреобразования ГОСТ

  данный режим иногда называется гаммированием с зацеплением блоков. На

  стойкость шифра факт зацепления блоков не оказывает никакого влияния.

  Схема алгоритмов за- и расшифрования в режиме гаммирования с обратной связью

  приведена на рисунке 5 и ввиду своей простоты в комментариях не нуждается.

  Шифрование в режиме гаммирования с обратной связью обладает теми же

  особенностями, что и шифрование в режиме обычного гаммирования, за исключением

  влияния искажений шифротекста на соответствующий открытый текст. Для сравнения

  запишем функции расшифрования блока для обоих упомянутых режимов:

  , гаммирование;

  , гаммирование с обратной связью;

  Если в режиме обычного гаммирования изменения в определенных битах шифротекста

  влияют только на соответствующие биты открытого текста, то в режиме

  гаммирования с обратной связью картина несколько сложнее. Как видно из

  соответствующего уравнения, при расшифровании блока данных в режиме

  гаммирования с обратной связью, блок открытых данных зависит от

  соответствующего и предыдущего блоков зашифрованных данных. Поэтому, если

  внести искажения в зашифрованный блок, то после расшифрования искаженными

  окажутся два блока открытых данных – соответствующий и следующий за ним,

  причем искажения в первом случае будут носить тот же характер, что и в режиме

  гаммирования, а во втором случае – как в режиме простой замены. Другими

  словами, в соответствующем блоке открытых данных искаженными окажутся те же

  самые биты, что и в блоке шифрованных данных, а в следующем блоке открытых

  данных все биты независимо друг от друга с вероятностью 1/2 изменят свои

  значения.

  Выработка имитовставки к массиву данных.

  В предыдущих разделах мы обсудили влияние искажения шифрованных данных на

  соответствующие открытые данные. Мы установили, что при расшифровании в режиме

  простой замены соответствующий блок открытых данных оказывается искаженным

  непредсказуемым образом, а при расшифровании блока в режиме гаммирования

  изменения предсказуемы. В режиме гаммирования с обратной связью искаженными

  оказываются два блока, один предсказуемым, а другой непредсказуемым образом.

  Значит ли это, что с точки зрения защиты от навязывания ложных данных режим

  гаммирования является плохим, а режимы простой замены и гаммирования с

  обратной связью хорошими? Ни в коем случае. При анализе данной ситуации

  необходимо учесть то, что непредсказуемые изменения в расшифрованном блоке

  данных могут быть обнаружены только в случае избыточности этих самых данных,

  причем чем больше степень избыточности, тем вероятнее обнаружение искажения.

  Очень большая избыточность имеет место, например, для текстов на естественных

  и искусственных языках, в этом случае факт искажения обнаруживается

  практически неизбежно. Однако в других случаях, например, при искажении сжатых

  звуковых образов, мы получим просто другой образ, который сможет воспринять

  наше ухо. Искажение в этом случае останется необнаруженным, если, конечно, нет

  априорной информации о характере звука. Вывод здесь такой: поскольку

  способность некоторых режимов шифрования обнаруживать искажения, внесенные в

  шифрованные данные, существенным образом опирается на наличие и степень

  избыточности шифруемых данных, эта способность не является имманентным

  свойством соответствующих режимов и не может рассматриваться как их

  достоинство.

  Для решения задачи обнаружения искажений в зашифрованном массиве данных с

  заданной вероятностью в ГОСТе предусмотрен дополнительный режим

  криптографического преобразования – выработка имитовставки. Имитовставка – это

  контрольная комбинация, зависящая от открытых данных и секретной ключевой

  информации. Целью использования имитовставки является обнаружение всех

  случайных или преднамеренных изменений в массиве информации. Проблема,

  изложенная в предыдущем пункте, может быть успешно решена с помощью добавления

  к шифрованным данным имитовставки. Для потенциального злоумышленника две

  следующие задачи практически неразрешимы, если он не владеет ключевой

  информацией:

    вычисление имитовставки для заданного открытого массива информации;

    подбор открытых данных под заданную имитовставку;

  Cхема алгоритма выработки имитовставки приведена на рисунке 6. В качестве

  имитовставки берется часть блока, полученного на выходе, обычно 32 его младших

  бита. При выборе размера имитовставки надо принимать во внимание, что

  вероятность успешного навязывания ложных данных равна величине 2–И на одну

  попытку подбора. При использовании имитовставки размером 32 бита эта

  вероятность равна 2–32?0.23·10–9.

  Криптографическая стойкость ГОСТа.

  При выборе криптографического алгоритма для использования в конкретной

  разработке одним из определяющих факторов является его стойкость, то есть

  устойчивость к попыткам противоположной стороны его раскрыть. Вопрос о

  стойкости шифра при ближайшем рассмотрении сводится к двум взаимосвязанным

  вопросам:

    можно ли вообще раскрыть данный шифр;

    если да, то насколько это трудно сделать практически;

  Шифры, которые вообще невозможно раскрыть, называются абсолютно или

  теоретически стойкими. Существование подобных шифров доказывается теоремой

  Шеннона, однако ценой этой стойкости является необходимость использования для

  шифрования каждого сообщения ключа, не меньшего по размеру самого сообщения.

  Во всех случаях за исключением ряда особых эта цена чрезмерна, поэтому на

  практике в основном используются шифры, не обладающие абсолютной стойкостью.

  Таким образом, наиболее употребительные схемы шифрования могут быть раскрыты

  за конечное время или, что точнее, за конечное число шагов, каждый из которых

  является некоторой операцией над числами. Для них наиважнейшее значение имеет

  понятие практической стойкости, выражающее практическую трудность их

  раскрытия. Количественной мерой этой трудности может служить число

  элементарных арифметических и логических операций, которые необходимо

  выполнить, чтобы раскрыть шифр, то есть чтобы для заданного шифротекста с

  вероятностью, не меньшей заданной величины, определить соответствующий

  открытый текст. При этом в дополнении к дешифруемому массиву данных

  криптоаналитик может располагать блоками открытых данных и соответствующих им

  зашифрованных данных или даже возможностью получить для любых выбранных им

  открытых данных соответствующие зашифрованные данные – в зависимости от

  перечисленных и многих других неуказанных условий различают отдельные виды

  криптоанализа.

  современные криптосистемы построены по принципу Кирхгоффа, то есть секретность

  зашифрованных сообщений определяется секретностью ключа. Это значит, что даже

  если сам алгоритм шифрования известен криптоаналитику, тот тем не менее не в

  состоянии расшифровать сообщение, если не располагает соответствующим ключом.

  Все классические блочные шифры, в том числе DES и ГОСТ, соответствуют этому

  принципу и спроектированы таким образом, чтобы не было пути вскрыть их более

  эффективным способом, чем полным перебором по всему ключевому пространству,

  т.е. по всем возможным значениям ключа. Ясно, что стойкость таких шифров

  определяется размером используемого в них ключа.

  шифре ГОСТ используется 256-битовый ключ и объем ключевого пространства

  составляет 2256. Ни на одной из существующих в настоящее время или

  предполагаемых к реализации в недалеком будущем ЭВМ общего применения нельзя

  подобрать ключ за время, меньшее многих сотен лет. Российский стандарт

  проектировался с большим запасом и по стойкости на много порядков превосходит

  американский стандарт DES с его реальным размером ключа в 56 бит и объемом

  ключевого пространства всего 256. В свете прогресса современных вычислительных

  средств этого явно недостаточно. В этой связи DES может представлять скорее

  исследовательский или научный, чем практический интерес. Как ожидается, в 1998

  году он перестанет быть стандартом США на шифрование.

  Замечания по архитектуре ГОСТа.

  Общеизвестно, что шифр ГОСТ 28147-89 является представителем целого семейства

  шифров, построенных на одних и тех же принципах. Самым известным его

  "родственником" является американский стандарт шифрования, алгоритм DES. Все

  эти шифры, подобно ГОСТу, содержат алгоритмы трех уровней. В основе всегда

  лежит некий "основной шаг", на базе которого сходным образом строятся "базовые

  циклы", и уже на их основе построены практические процедуры шифрования и

  выработки имитовставки. Таким образом, специфика каждого из шифров этого

  семейства заключена именно в его основном шаге, точнее даже в его части. Хотя

  архитектура классических блочных шифров, к которым относится ГОСТ, лежит

  далеко за пределами темы настоящей статьи, все же стоит сказать несколько слов

  по ее поводу.

  Алгоритмы "основных шагов криптопреобразования" для шифров, подобных ГОСТу,

  построены идентичным образом. Их общая схема приведена на рисунке 7. На вход

  основного шага подается блок четного размера, старшая и младшая половины

  которого обрабатываются отдельно друг от друга. В ходе преобразования младшая

  половина блока помещается на место старшей, а старшая, скомбинированная с

  помощью операции побитного исключающего или с результатом вычисления некоторой

  функции, на место младшей. Эта функция, принимающая в качестве аргумента

  младшую половину блока и некоторый элемент ключевой информации (X), является

  содержательной частью шифра и называется его функцией шифрования. Соображения

  стойкости шифра требуют, чтобы размеры всех перечисленных элементов блоков

  были равны: N1=N2=X, в ГОСТе и DESе они равны 32 битам.

  Если применить сказанное к схеме основного шага алгоритма ГОСТ, станет

  очевидным, что блоки 1,2,3 алгоритма определяют вычисление его функции

  шифрования, а блоки 4 и 5 задают формирование выходного блока основного шага

  исходя из содержимого входного блока и значения функции шифрования.

  В предыдущем разделе мы уже сравнили DES и ГОСТ по стойкости, теперь мы

  сравним их по функциональному содержанию и удобству реализации. В циклах

  шифрования ГОСТа основной шаг повторяется 32 раза, для DESа эта величина равна

  16. Однако сама функция шифрования ГОСТа существенно проще аналогичной функции

  DESа, в которой присутствует множество перекодировок по таблицам с изменением

  размера перекодируемых элементов. Кроме того, между основными шагами в циклах

  шифрования DESа необходимо выполнять битовые перестановки в блоках данных. Все

  эти операции чрезвычайно неэффективно реализуются на современных

  неспециализированных процессорах. ГОСТ не содержит подобных операций, поэтому

  он значительно удобней для программной реализации. Ни одна из рассмотренных

  автором реализаций DESа для платформы Intel x86 не достигает даже половины

  производительности предложенной вашему вниманию в настоящей статье реализации

  ГОСТа, несмотря на вдвое более короткий цикл. Все сказанное выше

  свидетельствует о том, что разработчики ГОСТа учли как положительные, так и

  отрицательные стороны DESа, а также более реально оценили текущие и

  перспективные возможности криптоанализа.

  Требования к качеству ключевой информации и источники ключей.

  Не все ключи и таблицы замен обеспечивают максимальную стойкость шифра. Для

  каждого алгоритма шифрования существуют свои критерии оценки ключевой

  информации. Так, для алгоритма DES известно существование так называемых

  "слабых ключей", при использовании которых связь между открытыми и

  зашифрованными данными не маскируется достаточным образом, и шифр сравнительно

  просто вскрывается.

  Исчерпывающий ответ на вопрос о критериях качества ключей и таблиц замен ГОСТа

  если и можно вообще где-либо получить, то только у разработчиков алгоритма.

  Соответствующие данные не были опубликованы в открытой печати. Однако согласно

  установленному порядку, для шифрования информации, имеющей гриф, должны быть

  использованы ключевые данные, полученные от уполномоченной организации.

  Косвенным образом это может свидетельствовать о наличии методик проверки

  ключевых данных на "вшивость". Сам факт существования слабых ключевых данных в

  Российском стандарте шифрования не вызывает сомнения. Очевидно, нулевой ключ и

  тривиальная таблица замен, по которой любое значение заменяется но него

  самого, являются слабыми, при использовании хотя бы одного из них шифр

  достаточно просто взламывается, каков бы ни был второй ключевой элемент.

  Как уже было отмечено выше, критерии оценки ключевой информации недоступны,

  однако на их счет все же можно высказать некоторые соображения:

  1.        Ключ должен являться массивом статистически независимых битов,

  принимающих с равной вероятностью значения 0 и 1. При этом некоторые

  конкретные значения ключа могут оказаться "слабыми", то есть шифр может не

  обеспечивать заданный уровень стойкости в случае их использования. Однако,

  предположительно, доля таких значений в общей массе всех возможных ключей

  ничтожно мала. Поэтому ключи, выработанные с помощью некоторого датчика

  истинно случайных чисел, будут качественными с вероятностью, отличающейся от

  единицы на ничтожно малую величину. Если же ключи вырабатываются с помощью

  генератора псевдослучайных чисел, то используемый генератор должен

  обеспечивать указанные выше статистические характеристики, и, кроме того,

  обладать высокой криптостойкостью, не меньшей, чем у самого ГОСТа. Иными

  словами, задача определения отсутствующих членов вырабатываемой генератором

  последовательности элементов не должна быть проще, чем задача вскрытия шифра.

  Кроме того, для отбраковки ключей с плохими статистическими характеристиками

  могут быть использованы различные статистические критерии. На практике обычно

  хватает двух критериев, – для проверки равновероятного распределения битов

  ключа между значениями 0 и 1 обычно используется критерий Пирсона ("хи

  квадрат"), а для проверки независимости битов ключа – критерий серий. Об

  упомянутых критериях можно прочитать в учебниках или справочниках по

  математической статистике.

  2.        Таблица замен является долговременным ключевым элементом, то есть

  действует в течение гораздо более длительного срока, чем отдельный ключ.

  Предполагается, что она является общей для всех узлов шифрования в рамках

  одной системы криптографической защиты. Даже при нарушении конфиденциальности

  таблицы замен стойкость шифра остается чрезвычайно высокой и не снижается ниже

  допустимого предела. К качеству отдельных узлов замен можно предъявить

  приведенное ниже требование. Каждый узел замен может быть описан четверкой

  логических функций, каждая из которых имеет четыре логических аргумента.

  Необходимо, чтобы эти функции были достаточно сложными. Это требование

  сложности невозможно выразить формально, однако в качестве необходимого

  условия можно потребовать, чтобы соответствующие логические функции,

  записанные в минимальной форме (т.е. с минимально возможной длиной выражения)

  с использованием основных логических операций, не были короче некоторого

  необходимого минимума. В первом и очень грубом приближении это условие может

  сойти и за достаточное. Кроме того, отдельные функции в пределах всей таблицы

  замен должны отличаться друг от друга в достаточной степени. На практике

  бывает достаточно получить узлы замен как независимые случайные перестановки

  чисел от 0 до 15, это может быть практически реализовано, например, с помощью

  перемешивания колоды из шестнадцати карт, за каждой из которых закреплено одно

  из значений указанного диапазона.

  Необходимо отметить еще один интересный факт относительно таблицы замен. Для

  обратимости циклов шифрования 32–З и 32–Р не требуется, чтобы узлы замен были

  перестановками чисел от 0 до 15. Все работает даже в том случае, если в узле

  замен есть повторяющиеся элементы, и замена, определяемая таким узлом,

  необратима, однако в этом случае снижается стойкость шифра. Почему это именно

  так, не рассматривается в настоящей статье, однако в самом факте убедиться

  несложно. Для этого достаточно, используя демонстрационную программу

  шифрования файлов данных, прилагающуюся к настоящей статье, зашифровать а

  затем расшифровать файл данных, использовав для этой процедуры "неполноценную"

  таблицу замен, узлы которой содержат повторяющиеся значения.

  Если вы разрабатываете программы, использующие криптографические алгоритмы,

  вам необходимо позаботиться об утилитах, вырабатывающих ключевую информацию, а

  для таких утилит необходим источник случайных чисел (СЧ) высокого

  статистического качества и криптостойкости. Наилучшим подходом здесь было бы

  использование аппаратных датчиков СЧ, однако это не всегда приемлемо по

  экономическим соображениям. В качестве разумной альтернативы возможно (и очень

  широко распространено) использование различных программных датчиков СЧ. При

  генерации небольшого по объему массива ключевой информации широко применяется

  метод "электронной рулетки", когда очередная получаемая с такогодатчика порция

  случайных битов зависит от момента времени нажатия оператором некоторой

  клавиши на клавиатуре компьютера.

  Этот подход использован в программе генерации одного ключа, исходный текст

  которой на языке Си с ассемблерными вкраплениями прилагается к настоящей

  статье в файле make1key.c. Для выработки случайных чисел из заданного

  диапазона используется канал 2 системного таймера, информация считывается с

  него при нажатии оператором какой-либо клавиши на клавиатуре дисплея. За одно

  нажатие генерируется один байт ключа и на экран выводится точка. Чтобы было

  невозможно генерировать байты ключа удержанием клавиши в нажатом состоянии,

  между циклами генерации введена временная задержка и в начале каждого цикла

  проверяется, было ли во время паузы нажатие клавиши. Если таковое имело место,

  выдается звуковой сигнал и нажатие игнорируется. Программу целесообразно

  запускать только из "голого" DOSа, в DOS-сеансе Windows 3.x/95 она также

  работает, но нет уверенности в обеспечении нужных статистических

  характеристик, а под Windows NT программа по вполне понятным причинам (лезет

  напрямую в порты) вообще не работает корректно.

  В реализации алгоритмов были использованы изложенные ниже подходы, позволившие

  достигнуть максимальной производительности. Первые два из них достаточно

  очевидны, настолько, что встречаются практически в каждой реализации ГОСТа.

    Базовые циклы ГОСТа содержат вложенные циклы (звучит коряво, но по-другому

    не скажешь), причем во внутреннем цикле порядок использования восьми

    32-битных элементов ключа может быть прямой или обратный. Существенно

    упростить реализацию и повысить эффективность базовых циклов можно, если

    избежать использования вложенных циклов и просматривать последовательность

    элементов ключа только один раз. Для этого необходимо предварительно

    сформировать последовательность элементов ключа в том порядке, в котором они

    используются в соответствующем базовом цикле.

    В основном шаге криптопреобразования 8 раз выполняется подстановка 4-битных

    групп данных. Целевой процессор реализации не имеет команды замены 4-битных

    групп, однако имеет удобную команду байтовой замены (xlat). Ее использование

    дает следующие выгоды:

    за одну команду выполняются сразу две замены;

    исчезает необходимость выделять полубайты из двойных слов для выполнения

    замены, а затем из 4-битовых результатов замен вновь формировать двойное

    слово.

  достигается значительное увеличение быстродействия кода, однако мир устроен

  так, что за все приходится платить, и в данном случае платой является

  необходимость преобразования таблицы замен. Каждая из четырех пар 4-разрядных

  узлов замен заменяется одним 8-разрядным узлом, который, говоря языком

  математики, представляет собой прямое произведение узлов, входящих в пару.

  Пара 4-разрядных узлов требует для своего представления 16 байтов, один

  8-разрядный – 256 байтов. Таким образом, размер таблицы замен, которая должна

  храниться в памяти компьютера, увеличивается до 4·256=1024 байтов, или до

  одного килобайта. Конечно, такая плата за существенное увеличение

  эффективности реализации вполне приемлема.

  После выполнения подстановок кода по таблице замен основной шаг

  криптопреобразования предполагает циклический сдвиг двойного слова влево на 11

  бит. В силу 16-разрядной архитектуры рассматриваемых процессоров вращение

  32-разрядного блока даже на 1 бит невозможно реализовать менее, чем за три

  ассемблерные команды, а вращение на большее число разрядов только как

  последовательность отдельных вращений на 1 разряд. К счастью, вращение на 11

  бит влево можно представить как вращение на 8 бит, а затем еще на 3 бита

  влево. Думаю, для всех очевидно, что первое вращение реализуется тремя

  командами обмена байтовых регистров (xchg). Но секрет третьей оптимизации даже

  не в этом. Замена одного байта по таблице замен осуществляется командой xlat,

  которая выполняет операцию над аргументом в регистре AL, для того, чтобы

  заменить все байты двойного слова, их надо последовательно помещать в этот

  регистр. Секрет третьей оптимизации заключается в том, что эти перестановки

  можно организовать так, что в результате двойное слово окажется повернутым на

  8 бит влево, то есть в совмещении замены по таблице и во вращении на байт

  влево. Еще один момент, на который стоит обратить внимание, это оптимальное

  кодирование трех последовательных вращений на 1 бит, это может быть

  реализовано по-разному и важно было выбрать оптимальный способ, который

  оказался вовсе не очевидным, поскольку потребовал выхода за пределы логики

  битовых сдвигов и использования команды суммирования с битами переноса (adc),

  то есть бит помещается на свою позицию не командой сдвига, а командой

  суммирования!

  Описание функций и особенности реализации.

  С учетом изложенных выше принципов созданы две реализации ГОСТа для

  процессоров семейства Intel x86, близкие по быстродействию к возможному

  оптимуму – соответственно для 16-и и 32-х битовых процессоров. Код для

  32-разрядных процессоров примерно в полтора раза быстрее соответствующего кода

  для 16-разрядных процессоров. Ядром является подпрограмма, реализующая

  универсальный базовый цикл ГОСТа. Исходные тексты всех подпрограмм приведены в

  качестве приложений к настоящей статье в отдельных файлах, они перечислены в

  следующей ниже таблице 1. Все функции являются самодокументированными, каждая

  описана в соответствующем файле с ее исходным текстом.

  Таблица 1. Перечень файлов.№Функция модуля

        1.Универсальный базовый цикл ГОСТаgost$.asm

        2.Функция за- и расшифрования данных в режиме простой заменыsimple$.asm

        3.Функция за- и расшифрования данных в режиме гаммированияgamma$.asm

        4.Функция зашифрования данных в режиме гаммирования с обратной

        связьюgammale$.asm

        5.Функция расшифрования данных в режиме гаммирования с обратной

        связьюgammald$.asm

        6.Функция вычисления имитовставки для массива данныхimito$.asm

        7.Функция построения расширенного ключаexpkey$.asm

        8.Функция построения расширенной (1Кбайт) формы таблицы замен из обычной

        формы (128 байт)Expcht.asm

        9.Функция проверки, является ли процессор, на котором исполняется

        приложение, 32-битовым.expkey$.asm

        10.Заголовочный файл для использования криптографических функций в

        программах на языке СиGost.h

  Комплект модулей включает функции для основных режимов шифрования, а также две

  вспомогательные функции, предназначенные для построения расширенных

  соответственно ключа и таблицы замен. Ниже изложены принципы построения

  программных модулей.

      Все функции шифрования и вычисления имитовставки обрабатывают (т.е.

      шифруют или вычисляют имитовставку) области с размером, кратным восьми.

      Длина обрабатываемой области при вызове упомянутых функций задается в

      восьмибайтных блоках. В реальных ситуациях это не приводит к неудобству по

      следующим причинам:

      при шифровании простой заменой размер шифруемой области обязан быть

      кратным восьми байтам;

      при шифровании гаммированием (с или без обратной связи) массива данных с

      размером, не кратным восьми, будет также шифроваться и "мусор",

      содержащийся в последнем восьмибайтовом блоке за пределами значащих

      данных, однако его содержимое не оказывает никакого влияния на значащие

      данные и может не приниматься во внимание;

      при вычислении имитовставки для массивов данных их размер должен быть

      приведен к значению, кратному восьми, добавлением какого-либо

      фиксированного кода (обычно нулевых битов).

      Криптографические функции шифрования и вычисления имитовставки позволяют

      выполнять обработку массивов данных по частям. Это означает, что при

      вызове соответствующей функции один раз для некоторой области данных и при

      нескольких вызовах этой же самой функции для последовательных фрагментов

      этой же области (естественно их размер должен быть кратным восьми байтам,

      см. предыдущее замечание) будет получен один и тот же результат. Это

      позволяет обрабатывать данные порциями, используя буфер размером всего 8

      байтов.

      Для за- и расшифрования массива данных в режиме простой замены

      используется одна и та же функция. Выбор одной из двух указанных операций

      осуществляется заданием соответствующего расширенного ключа. Порядок

      следования элементов ключа должен быть взаимно обратным для указанных

      операций.

      Для за- и расшифрования блока данных в режиме гаммирования используется

      одна и та же функция, поскольку в данном режиме зашифрование и

      расшифрование данных идентичны. Функция, реализующая шифрование

      гаммированием не осуществляет начальное преобразование синхропосылки (см.

      схему алгоритма на рис.5, блок 1), это необходимо выполнить с помощью

      явного вызова функции шифрования в режиме простой замены для

      синхропосылки, – это плата за возможность шифровать массив по частям.

      Ради универсальности кода все указатели на области обрабатываемых данных

      сделаны дальними. Если сделать свой код для каждой модели памяти,

      возможно, будет достигнута некоторая ненулевая (но очень маленькая!)

      экономияпамяти и времени выполнения, но по моему мнению, эта игра не стоит

      свеч.

      Для ассемблирования (компиляции) и сборки приложенных модулей мной

      использовались средства разработки фирмы Borland – TASM 2.5 и выше,

      Borland C/C++ 2.0 и выше. При использовании других средств разработки

      возможно потребуется внесение изменений в исходные тексты программ.

      Для иллюстрации использования представленных криптографических функций к

      настоящей статье приложены также текст программы шифрования файлов данных

      на языке Си и соответствующие файлы проекта. Эти файлы следующие:

  cryptor.c        Исходные тексты программы шифрования файлов;

  gost386.mak        Файл проекта для 32-разрядной версии программы шифрования

  файлов.

  Описание построения и синтаксиса вызова (командной строки) программы

  шифрования файлов также прилагается.

  Вопрос быстродействия.

  После разработки новой программной реализации было измерено ее быстродействие,

  для чего был разработан комплект простых модулей, предназначенных для

  построения измерительной задачи. Эта задача фиксирует и выводит на дисплей

  время (в тактах генератора тактовой частоты таймера, 1193180 Герц),

  затраченное тестируемой подпрограммой на выполнение. По измеренному времени

  работы подпрограммы затем вычисляется (вручную) ее быстродействие как

  отношение количества работы ко времени ее выполнения.

  Максимальная измеряемая программой длительность процесса равна

  232/1193180?3599.6 секунд, то есть примерно одному часу. Программа работает

  корректно и дает правильные результаты, только если запущена из ДОСа.

  Для модулей ГОСТа измерялась длительность шифрования одного мегабайта данных,

  которое моделировалось 32-кратным шифрованием 32-Килобайтной области памяти.

  Измерения проводились на машинах различных классов, результаты измерения

  приведены ниже в таблице 2. Для 32-битовых процессоров также приведено

  быстродействие 32-битовых реализаций криптографических модулей (нижнее число в

  соответствующей ячейке). Для сравнения также приведены измерения

  быстродействия реализации американского стандарта шифрования DES,

  опубликованной в журнале "Монитор" №7/1994. Результаты тестов показали, что

  быстродействие модулей для всех режимов шифрования ГОСТа примерно одинаково, а

  быстродействие модуля вычисления имитовставки приблизительно вдвое превышает

  быстродействие шифрования – что, собственно, и ожидалось. Реализация

  шифрования по ГОСТ существенно (более чем в два раза) превышает исследованную

  реализацию DES по быстродействию.

  Таблица 2. Результаты измерения быстродействия модулей шифрования       

        Марка компьютера,т.ч.,Быстродействие криптографических модулей

        тип процессораМГцgammagammaLDgammaLEsimpleImitoDES

        Искра 1031, К1810ВМ884.528.48.68.78.716.9нет данных

        AMI 286 Intel 802861020.420.720.820.840.811.2

        Prolinea 325 Intel 386SX-252548.0 66.048.6 71.148.8 67.448.0 71.593.7

        13922.0

        Неизв.модель Intel 386SX-333363.8 87.664.5 94.564.7 89.563.8 95.0124

        18525.9

        BYTEX Intel 386DX-404089 12090 13591 12291 135177 26439.3

        Acer Intel486SX3333114 150113 161114 151114 162226 32141.2

        Presario 460 Intel486SX2-6666225 298222 319229 303227 324451 63782.2

        Acer Pentium-6666302 351296 397307 355293 405601 77788.7

  Теперь оценим достигнутые показатели с качественной точки зрения. Предельные

  скорости шифрования намного превышают скорость работы платы аппаратного

  шифрования "Криптон–3" (до 70 Кбайт/с) и примерно соответствуют быстродействию

  платы "Криптон–4" (около 400 Кбайт/с). Достигнутой производительности не

  достаточно для действительно прозрачного шифрования данных, хранимых на

  жестких дисках или передаваемых через быструю сеть. Вместе с тем,

  быстродействия реализации вполне хватает для шифрования данных в коммутируемых

  каналах связи идля многих других случаев.

  Можно ли еще увеличить быстродействие реализации ГОСТа? Можно, но ненамного,

  если оставаться в рамках формальной спецификации ГОСТа. Для этого необходимо

  отказаться от цикла в подпрограмме "gost", продублировав тело цикла 32 раза,

  как это сделал автор программного эмулятора платы "Криптон". При этом можно не

  разворачивать ключ в линейную последовательность элементов, но тогда для

  каждого базового цикла криптографического преобразования придется сделать свой

  программный модуль и код основного шага будет присутствовать в кодах

  криптографических процедур в 32+32+16=80 экземплярах. Такой способ повышения

  эффективности приводит к многократному разбуханию кода при более чем скромном

  выигрыше в производительности, поэтому вряд ли его можно считать хорошим.

  Надежность реализации.

  Вопрос надежности программного средства криптографической защиты это не только

  вопрос стойкости использованного алгоритма. Использование стойкого шифра само

  по себе не может сделать вашу систему надежной, хотя и является необходимым

  условием. Весьма важную роль играет и способ применения криптографического

  алгоритма. Так, в приложение к настоящей программе шифрования файлов, хранение

  ключевой информации на дисках в открытом виде делает систему, которая была бы

  реализована на этой программе, потенциально нестойкой. Процедуры и правила

  более высокого уровня, регламентирующие использование алгоритмов шифрования и

  все связанное с этим, в совокупности составляют так называемый

  криптографический протокол. Этот протокол определяет регламент выработки,

  использования, хранения и смены ключевой информации, и другие, не менее важные

  вопросы. Так вот, чтобы ваша система, использующая реализацию алгоритмов

  ГОСТа, была действительно надежна, вам необходимо будет позаботиться о

  разработке соответствующего протокола.

  Очень часто для использования в системе криптографической защиты данных

  требуется алгоритм с большим, чем у ГОСТа быстродействием реализации, и при

  этом не требуется такая же высокая как у ГОСТа криптостойкость. Типичным

  примером подобных задач являются различного рода биржевые торговые системы,

  управляющие торговыми сессиями в реальном времени. Здесь от использованных

  алгоритмов шифрования требуется, чтобы было невозможно расшифровать

  оперативные данные системы в течение сессии (данные о выставленных заявках, о

  заключенных сделках и т.п.), по ее истечении же эти данные, как правило, уже

  бесполезны для злоумышленников. Другими словами, требуется гарантированная

  стойкость всего на несколько часов (такова типичная продолжительность торговой

  сессии). Ясно, что использование полновесного ГОСТа в этой ситуации было бы

  стрельбой из пушки по воробьям.

  К счастью, из этой ситуации есть достаточно легкий выход – использовать

  модификацию алгоритма ГОСТ с меньшим количеством основных шагов в базовых

  циклах. Этого можно достигнуть двумя путями – уменьшением длины ключа и

  уменьшением числа циклов использования элементов ключа – вспомните, что число

  основных шагов в базовых циклах шифрования равно N=n·m, где n – число

  32-битных элементов в ключе, m – число циклов использования ключевых

  элементов, в стандарте n=8, m=4. Во сколько раз уменьшается число основных

  шагов в циклах, примерно во столько же раз увеличивается быстродействие кода.

  К несчастью, нет никаких сведений о том, как изменяется криптостойкость

  подобного ослабленного варианта ГОСТа. Что касается криптоанализа по

  статистической линии (перебор всех возможных значений ключа), то здесь все

  достаточно ясно, так как эта величина определяется только размером ключа.

  Гораздо труднее предсказать, насколько менее сложным станет криптоанализ по

  алгоритмической линии (анализ уравнений преобразования данных при их

  шифровании).

  При выборе размера "редуцированного цикла" надо принимать во внимание, что

  ГОСТ проектировался с учетом возможного прогресса вычислительной техники на

  несколько десятилетий вперед и в нем заложен огромный запас криптостойкости.

  По моему мнению (глубоко личному), в большинстве практических случаев

  представляется разумным использование редуцированных вариантов ГОСТа без

  изменения схемы использования ключа (m=4=3+1), но с уменьшенным вчетверо

  размером ключа (n=2) – это позволит увеличить скорость шифрования примерно

  вчетверо. По стойкости к статистическим методам криптоанализа данная

  модификация с ее 64-битным ключом будет надежнее, чем DES с размером ключа в

  56 бит.

  Функции криптопреобразования, прилагающиеся к настоящей статье, допускают

  подобное использование, поскольку длина развернутого ключа передается в

  качестве параметра в каждую из подпрограмм криптографического преобразования,

  а подпрограмма "расширения" ключа позволяет работать с произвольной длиной

  ключа и схемой расширения ключа.

  Конечно, основное назначение криптоалгоритмов ГОСТа – это шифрование и

  имитозащита данных. Однако у криптографической гаммы есть еще одно важное

  применение – выработка ключевой информации. Выработка массива ключевой или

  парольной информации большого объема является типовой задачей администратора

  безопасности системы. Как уже было отмечено выше, ключ может быть сгенерирован

  как массив нужного размера статистически независимых и равновероятно

  распределенных между значениями 0 и 1 битов, для этого можно использовать

  программу, вырабатывающую ключ по принципу "электронной рулетки". Но такой

  подход совершенно не годится, когда объем необходимой ключевой информации

  велик. В этом случае идеально использование аппаратных датчиков случайных

  чисел, что, однако, не всегда возможно по экономическим или техническим

  соображениям. В этом случае в качестве источника потока случайных битов может

  быть использован генератор гаммы на основе любого блочного шифра, в том числе

  и ГОСТ 28147-89, так как, по определению, криптографическая гамма обладает

  необходимыми статистическими характеристиками и криптостойкостью. Таким

  образом, для выработки нескольких ключей надо всего лишь сгенерировать массив

  данных по алгоритму выработки гаммы, и нарезать его на порции нужного размера,

  для стандартного варианта – 32 байта.

  С паролями дело обстоит несколько сложнее. Прежде всего возникает вопрос,

  зачем вообще нужно их генерировать, не проще ли по мере надобности брать их из

  головы. Несостоятельность такого подхода была наглядно продемонстрирована

  серией инцидентов в компьютерных сетях, самым крупным из которых был суточный

  паралич сети Internet в ноябре 1988 г (вирус Морриса). Одним из способов

  доступа злоумышленной программы в систему был подбор паролей: программа

  пыталась войти в систему, последовательно пробуя пароли из своего внутреннего

  списка в несколько сотен, причем в значительной доле случаев ей это удавалось

  сделать – фантазия человека по выдумыванию паролей оказалась очень бедной.

  Именно поэтому в тех организациях, где безопасности уделяется должное

  внимание, пароли генерирует и раздает пользователям системный администратор по

  безопасности. Выработка паролей чуть сложнее, чем выработка ключей, так как

  при этом "сырую" двоичную гамму необходимо преобразовать к символьному виду, а

  не просто "нарезать" на куски. Основное, на что необходимо обратить внимание

  при этом – обеспечение равной вероятности появления каждого из символов

  алфавита.

  Вывод.

  Итак, в этой работе был сделан краткий обзоp наиболее pаспpостpаненных в

  настоящее вpемя методов кpиптогpафической защиты инфоpмации. Выбоp для

  конкpетных ИС должен быть основан на глубоком анализе слабых и сильных стоpон

  тех или иных методов защиты. Обоснованный выбоp той или иной системы защиты в

  общем-то должен опиpаться на какие-то кpитеpии эффективности. К сожалению, до

  сих поp не pазpаботаны подходящие методики оценки эффективности

  кpиптогpафических систем.

  Наиболее пpостой кpитеpий такой эффективности - веpоятность pаскpытия ключа

  или мощность множества ключей (М). По сути это то же самое, что и

  кpиптостойкость. Для ее численной оценки можно использовать также и сложность

  pаскpытия шифpа путем пеpебоpа всех ключей. Однако, этот кpитеpий не учитывает

  дpугих важных тpебований к кpиптосистемам:

  * невозможность pаскpытия или осмысленной модификации инфоpмации на основе

  анализа ее стpуктуpы,

  * совеpшенство используемых пpотоколов защиты,

  * минимальный объем используемой ключевой инфоpмации,

  * минимальная сложность pеализации (в количестве машинных опеpаций), ее

  стоимость,

  * высокая опеpативность.

  Желательно конечно использование некотоpых интегpальных показателей,

  учитывающих указанные фактоpы. Для учета стоимости, тpудоемкости и объема

  ключевой инфоpмации можно использовать удельные показатели - отношение

  указанных паpаметpов к мощности множества ключей шифpа. Часто более

  эффективным пpи выбоpе и оценке кpиптогpафической системы является

  использование экспеpтных оценок и имитационное моделиpование.

  В любом случае выбpанный комплекс кpиптогpафических методов должен сочетать

  как удобство, гибкость и опеpативность использования, так и надежную защиту от

  злоумышленников циpкулиpующей в ИС инфоpмации.