Алгоритмы создания цепочек

Первая задача, с которой мы столкнемся при шифровании данных криптоалгоритмом – это данные с длиной, неравной длине 1 блока криптоалгоритма. Эта ситуация будет иметь место практически всегда.

Первый вопрос:
– Что можно сделать, если мы хотим зашифровать 24 байта текста, если используется криптоалгоритм с длиной блока 8 байт?
– Последовательно зашифровать три раза по 8 байт и сложить их в выходной файл так, как они лежали в исходном.
– А если данных много и некоторые блоки по 8 байт повторяются, это значит, что в выходном файле эти же блоки будут зашифрованы одинаково — это очень плохо.

Второй вопрос :
– А что если данных не 24, а 21 байт.
Не шифровать последние 5 байт или чем-то заполнять еще 3 байта, – а потом при дешифровании их выкидывать.
– Первый вариант вообще никуда не годится, а второй применяется, но чем заполнять ?

Для решения этих проблем и были введены в криптосистемы алгоритмы создания цепочек (англ. chaining modes). Самый простой метод мы уже в принципе описали. 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.1.

Рис.1.

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.2 и рис.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.2.

Рис.3.

Еще один метод OFB (англ. Output FeedBack – обратная связь по выходу) имеет несколько иную структуру (она изображена на рис.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. Практические алгоритмы создания и декодирования цепочек будут разработаны на практическом занятии.

Рис.4.

Сравним характеристики методов создания цепочек в виде таблицы.

Метод	Шифрование блока зависит от	Искажение одного бита при передаче	Кодируется ли некратное блоку число байт без дополнения?	На выход криптосистемы поступает
ECB	текущего блока	портит весь текущий блок	нет	выход криптоалгоритма
CBC	всех предыдущих блоков	портит весь текущий и все последующие блоки	нет	выход криптоалгоритма
CFB	всех предыдущих блоков	портит один бит текущего блока и все последующие блоки	да	XOR маска с исходным текстом
OFB	позиции блока в файле	портит только один бит текущего блока	да	XOR маска с исходным текстом

Хеширование паролей

От методов, повышающих криптостойкость системы в целом, перейдем к блоку хеширования паролей – методу, позволяющему пользователям запоминать не 128 байт, то есть 256 шестнадцатиричных цифр ключа, а некоторое осмысленное выражение, слово или последовательность символов, называющуюся паролем. Действительно, при разработке любого криптоалгоритма следует учитывать, что в половине случаев конечным пользователем системы является человек, а не автоматическая система. Это ставит вопрос о том, удобно, и вообще реально ли человеку запомнить 128-битный ключ (32 шестнадцатиричные цифры). На самом деле предел запоминаемости лежит на границе 8-12 подобных символов, а, следовательно, если мы будем заставлять пользователя оперировать именно ключом, тем самым мы практически вынудим его к записи ключа на каком-либо листке бумаги или электронном носителе, например, в текстовом файле. Это, естественно, резко снижает защищенность системы.

Для решения этой проблемы были разработаны методы, преобразующие произносимую, осмысленную строку произвольной длины – пароль, в указанный ключ заранее заданной длины. В подавляющем большинстве случаев для этой операции используются так называемые хеш-функции (от англ. hashing – мелкая нарезка и перемешивание). Хеш-функцией называется такое математическое или алгоритмическое преобразование заданного блока данных, которое обладает следующими свойствами:

хеш-функция имеет бесконечную область определения,
хеш-функция имеет конечную область значений,
она необратима,
изменение входного потока информации на один бит меняет около половины всех бит выходного потока, то есть результата хеш-функции.

Эти свойства позволяют подавать на вход хеш-функции пароли, то есть текстовые строки произвольной длины на любом национальном языке и, ограничив область значений функции диапазоном 0..2N-1, где N – длина ключа в битах, получать на выходе достаточно равномерно распределенные по области значения блоки информации – ключи.

Нетрудно заметить, что требования, подобные 3 и 4 пунктам требований к хеш-функции, выполняют блочные шифры. Это указывает на один из возможных путей реализации стойких хеш-функций – проведение блочных криптопреобразований над материалом строки-пароля. Этот метод и используется в различных вариациях практически во всех современных криптосистемах. Материал строки-пароля многократно последовательно используется в качестве ключа для шифрования некоторого заранее известного блока данных – на выходе получается зашифрованный блок информации, однозначно зависящий только от пароля и при этом имеющий достаточно хорошие статистические характеристики. Такой блок или несколько таких блоков и используются в качестве ключа для дальнейших криптопреобразований.

Характер применения блочного шифра для хеширования определяется отношением размера блока используемого криптоалгоритма и разрядности требуемого хеш-результата.

Если указанные выше величины совпадают, то используется схема одноцепочечного блочного шифрования. Первоначальное значение хеш-результата H0 устанавливается равным 0, вся строка-пароль разбивается на блоки байт, равные по длине ключу используемого для хеширования блочного шифра, затем производятся преобразования по реккурентной формуле:
Hj=Hj-1 XOR EnCrypt(Hj-1,PSWj),
где EnCrypt(X,Key) – используемый блочный шифр (рис.1).
Последнее значение Hk используется в качестве искомого результата.

Рис.1.

В том случае, когда длина ключа ровно в два раза превосходит длину блока, а подобная зависимость довольно часто встречается в блочных шифрах, используется схема, напоминающая сеть Фейштеля. Характерным недостатком и приведенной выше формулы, и хеш-функции, основанной на сети Фейштеля, является большая ресурсоемкость в отношении пароля. Для проведения только одного преобразования, например, блочным шифром с ключом длиной 128 бит используется 16 байт строки-пароля, а сама длина пароля редко превышает 32 символа. Следовательно, при вычислении хеш-функции над паролем будут произведено максимум 2 полноценных криптопреобразования.

Решение этой проблемы можно достичь двумя путями : 1) предварительно размножить строку-пароль, например, записав ее многократно последовательно до достижения длины, скажем, в 256 символов; 2) модифицировать схему использования криптоалгоритма так, чтобы материал строки-пароля медленнее тратился при вычислении ключа.

По второму пути пошли исследователи Девис и Майер, предложившие алгоритм также на основе блочного шифра, но использующий материал строки-пароля многократно и небольшими порциями. В нем просматриваются элементы обеих приведенных выше схем, но криптостойкость этого алгоритма подтверждена многочисленными реализациями в различных криптосистемах. Алгоритм получил название Tandem DM (рис.2):

G0=0; H0=0 ;FOR J = 1 TO N DO BEGIN TMP=EnCrypt(H,[G,PSWj]); H’=H XOR TMP; TMP=EnCrypt(G,[PSWj,TMP]); G’=G XOR TMP; END;Key=[Gk,Hk]

Квадратными скобками (X16=[A8,B8]) здесь обозначено простое объединение (склеивание) двух блоков информации равной величины в один – удвоенной разрядности. А в качестве процедуры EnCrypt(X,Key) опять может быть выбран любой стойкий блочный шифр. Как видно из формул, данный алгоритм ориентирован на то, что длина ключа двукратно превышает размер блока криптоалгоритма. А характерной особенностью схемы является тот факт, что строка пароля считывается блоками по половине длины ключа, и каждый блок используется в создании хеш-результата дважды. Таким образом, при длине пароля в 20 символов и необходимости создания 128 битного ключа внутренний цикл хеш-функции повторится 3 раза.

Рис.2.

Транспортное кодирование

Поскольку системы шифрования данных часто используются для кодирования текстовой информации : переписки, счетов, платежей электронной коммерции, и при этом криптосистема должна быть абсолютно прозрачной для пользователя, то над выходным потоком криптосистемы часто производится транспортное кодирование, то есть дополнительное кодирование (не шифрование !) информации исключительно для обеспечения совместимости с протоколами передачи данных.

Все дело в том, что на выходе криптосистемы байт может принимать все 256 возможных значений, независимо от того был ли входной поток текстовой информацией или нет. А при передаче почтовых сообщений многие системы ориентированы на то, что допустимые значения байтов текста лежат в более узком диапазоне : все цифры, знаки препинания, алфавит латиницы плюс, возможно, национального языка. Первые 32 символа набора ASCII служат для специальных целей. Для того, чтобы они и некоторые другие служебные символы никогда не появились в выходном потоке используется транспортное кодирование.

Наиболее простой метод состоит в записи каждого байта двумя шестнадцатиричными цифрами-символами. Так байт 252 будет записан двумя символами ‘FC’; байт с кодом 26, попадающий на специальный символ CTRL-Z, будет записан двумя допустимыми символами ‘1A’. Но эта схема очень избыточна : в одном байте передается только 4 бита информации.

На самом деле практически в любой системе коммуникации без проблем можно передавать около 68 символов (латинский алфавит строчный и прописной, цифры и знаки препинания). Из этого следует, что вполне реально создать систему с передачей 6 бит в одном байте (26

Процесс кодирования преобразует 4 входных символа в виде 24-битной группы, обрабатывая их слева направо. Эти группы затем рассматриваются как 4 соединенные 6-битные группы, каждая из которых транслируется в одиночную цифру алфавита base64. При кодировании base64 входной поток байтов должен быть упорядочен старшими битами вперед.

Каждая 6-битная группа используется как индекс для массива 64-х печатных символов. Символ, на который указывает значение индекса, помещается в выходную строку. Эти символы выбраны так, чтобы быть универсально представимыми и исключают символы, имеющие специальное значение (., CR, LF).

Алфавит Base64 Значение Код Значение Код Значение Код Значение Код 0 A 17 R 34 i 51 z 1 B 18 S 35 j 52 0 2 C 19 T 36 k 53 1 3 D 20 U 37 l 54 2 4 E 21 V 38 m 55 3 5 F 22 W 39 n 56 4 6 G 23 X 40 o 57 5 7 H 24 Y 41 p 58 6 8 I 25 Z 42 q 59 7 9 J 26 a 43 r 60 8 10 K 27 b 44 s 61 9 11 L 28 c 45 t 62 + 12 M 29 d 46 u 63 / 13 N 30 e 47 v заполнитель = 14 O 31 f 48 w 15 P 32 g 49 x 16 Q 33 h 50 y

Выходной поток (закодированные байты) должен иметь длину строк не более 76 символов. Все признаки перевода строки и другие символы, отсутствующие в таблице 1, должны быть проигнорированы декодером base64. Среди данных в Base64 символы, не перечисленные в табл. 1, переводы строки и т.п. должны говорить об ошибке передачи данных, и, соответственно, программа-декодер должна оповестить пользователя о ней.

Если в хвосте потока кодируемых данных осталось меньше, чем 24 бита, справа добавляются нулевые биты до образования целого числа 6-битных групп. А до конца 24-битной группы может оставаться только от 0 до 3-х недостающих 6-битных групп, вместо каждой из которых ставится символ-заполнитель =. Поскольку весь входной поток представляет собой целое число 8-битных групп (т.е., просто байтных значений), то возможны лишь следующие случаи:

Входной поток оканчивается ровно 24-битной группой (длина файла кратна 3). В таком случае выходной поток будет оканчиваться четырьмя символами Base64 без каких либо дополнительных символов.
Хвост входного потока имеет длину 8 бит. Тогда в конце выходного кода будут два символа Base64, с добавлением двух символов =.
Хвост входного потока имеет длину 16 бит. Тогда в конце выходного будут стоять три символа Base64 и один символ =.

Так как символ = является хвостовым заполнителем, его появление в теле письма может означать только то, что конец данных достигнут. Но опираться на поиск символа = для обнаружения конца файла неверно, так как, если число переданных битов кратно 24, то в выходном файле не появится ни одного символа =

Статьи к прочтению:

Решение цепочек превращений по химии

Похожие статьи: