Раздел 7. Методы и средства защиты компьютерной информации

34. Криптографические методы защиты информации: типовые модели криптографической защиты информации, симметричное шифрование, криптографически стойкие контрольные суммы и генераторы псевдослучайных чисел (ГПСЧ), асимметричное шифрование и электронная цифровая подпись (ЭЦП).

Модель Биба (1977 год). Согласно ей все субъекты и объекты предварительно разделяются по нескольким уровням доступа, а затем на их взаимодействия накладываются следующие ограничения: 1) субъект не может вызывать на исполнение субъекты с более низким уровнем доступа; 2) субъект не может модифицировать объекты с более высоким уровнем доступа. Модель Гогена-Мезигера(1982) основана на теории автоматов. Согласно ей система может при каждом действии переходить из одного разрешенного состояния только в несколько других. Субъекты и объекты в данной модели защиты разбиваются на группы – домены, и переход системы из одного состояния в другое выполняется только в соответствии с так называемой таблицей разрешений, в которой указано какие операции может выполнять субъект, скажем, из домена C над объектом из домена D. В данной модели при переходе системы из одного разрешенного состояния в другое используются транзакции, что обеспечивает общую целостность системы. Сазерлендская(1986) модель защиты делает акцент на взаимодействии субъектов и потоков информации. Так же как и в предыдущей модели, здесь используется машина состояний со множеством разрешенных комбинаций состояний и некоторым набором начальных позиций. В данной модели исследуется поведение множественных композиций функций перехода из одного состояния в другое. Модель защиты Кларка-Вильсона (1989) основана на повсеместном использовании транзакций и тщательном оформлении прав доступа субъектов к объектам. Впервые исследована защищенность третьей стороны в данной проблеме – стороны, поддерживающей всю систему безопасности. Эту роль в информационных системах обычно играет программа-супервизор. Кроме того, в модели Кларка-Вильсона транзакции впервые были построены по методу верификации, то есть идентификация субъекта производилась не только перед выполнением команды от него, но и повторно после выполнения. Это позволило снять проблему подмены автора в момент между его идентификацией и собственно командой. Модель Кларка-Вильсона считается одной из самых совершенных в отношении поддержания целостности информационных систем.

Криптография совместно с криптоанализом (целью которого является противостояние методам криптографии) составляют комплексную науку – криптологию. При симметричном шифровании для зашифровки и расшифровки исп-ся один и тот же блок инф-ии (ключ). Скремблерами называются программные или аппаратные реализации алгоритма, позволяющего шифровать побитно непрерывные потоки информации. Сам скремблер представляет из себя набор бит, изменяющихся на каждом шаге по определенному алгоритму. После выполнения каждого очередного шага на его выходе появляется шифрующий бит – либо 0, либо 1, который накладывается на текущий бит информационного потока операцией XOR. Блочные криптоалгоритмы (Сеть Фейштеля, ГОСТ 28147-89, Rijndael) в ходе своей работы производят преобразование блока входной информации фиксированной длины и получают результирующий блок того же объема, но недоступный для прочтения сторонним лицам, не владеющим ключом. Схему работы блочного шифра можно описать функциями Z=EnCrypt(X,Key) и X=DeCrypt(Z,Key). Условия EnCrypt: 1) Функция EnCrypt должна быть обратимой; 2) Не должно существовать иных методов прочтения сообщения X по известному блоку Z, кроме как полным перебором ключей Key; 3) Не должно существовать иных методов определения каким ключом Key было произведено преобразование известного сообщения X в сообщение Z, кроме как полным перебором ключей. Все действия, производимые над данными блочным криптоалгоритмом, основаны на том факте, что преобразуемый блок может быть представлен в виде целого неотрицательного числа из диапазона, соответствующего его разрядности. Так, например, 32-битный блок данных можно интерпретировать как число из диапазона 0..4'294'967'295. Кроме того, блок, разрядность которого обычно является "степенью двойки", можно трактовать как несколько независимых неотрицательных чисел из меньшего диапазона (рассмотренный выше 32-битный блок можно также представить в виде 2 независимых чисел из диапазона 0..65535 или в виде 4 нез-мых чисел из диапазона 0..255).

Самая большая проблема всех методов рандомизации сообщений – это порождение действительно случайной последовательности бит. Генераторы случайных последовательностей, используемые для общих целей, например, в языках программирования, являются на самом деле псевдослучайными генераторами. Дело в том, что в принципе существует конечное, а не бесконечное множество состояний ЭВМ, и, как бы сложно не формировалось в алгоритме число, оно все равно имеет относительно немного бит информационной насыщенности. Наиболее часто в прикладных задачах результат формируют из счетчика тиков – системных часов. Источниками по-настоящему случайных величин могут быть только внешние объекты, например, человек. Два наиболее часто применяемых метода создания случайных последовательностей с помощью человека основаны на вводе с клавиатуры. В обоих случаях пользователя просят, не задумываясь, понабирать на клавиатуре бессмысленные сочетания букв. В мощных криптосистемах военного применения используются действительно случайные генераторы чисел, основанные на физических процессах. Они представляют собой платы, либо внешние устройства, подключаемые к ЭВМ через порт ввода-вывода. Два основных источника белого Гауссовского шума – высокоточное измерение тепловых флуктуаций и запись радиоэфира на частоте, свободной от радиовещания.

Ассиметричный криптоалгоритм таков, что для зашифровки сообщения используется один ("открытый") ключ, известный всем желающим, а для расшифровки – другой ("закрытый"), существующий только у получателя. Ассиметричное шифрование также используется для проверки подлинности автора сообщений. При этом используется контрольная хеш-сумма и виртуальная подпись. Вместе с текстом получателю передается криптоскойкая хеш-сумма, по которой он проверяет неизменность переданного текста. Представим готовую к передаче хеш-сумму в виде нескольких k-битных блоков hi, где k – это размер сообщений по алгоритму RSA в предыдущем параграфе. Вычислим над каждым блоком значение si=((hi)d)mod n, где d – это тот самый закрытый ключ отправителя. Таким образом, манипуляции с хеш-суммой текста представляют из себя "асимметричное шифрование наоборот" : при отправке используется закрытый ключ отправителя, а для проверки сообщения – открытый ключ отправителя. Подобная технология получила название "электронная подпись". Информацией, которая уникально идентифицирует отправителя (его виртуальной подписью), является закрытый ключ d. Ни один человек, не владеющий этой информацией, не может создать такую пару (текст,si), что описанный выше алгоритм проверки дал бы положительный результат.

Подобный обмен местами открытого и закрытого ключей для создания из процедуры асимметричного шифрования алгоритма электронной подписи возможен только в тех системах, где выполняется свойство коммутативности ключей. Для других асимметричных систем алгоритм электронной подписи либо значительно отличается от базового, либо вообще не реализуем.