Арутюнов В.В. Основы информационной безопасности

Подождите немного. Документ загружается.

131

мации, предоставляющей криптоаналитику противника допол нительные

возможности дешифрования криптограмм.

В асимметричных методах применяются два ключа. Один из них, не-

секретный, используется для шифровки и может публиковаться вме сте с

адресом пользователя, другой — секретный, применяется для расшифров-

ки и известен только получателю. Самым популярным из асимметричных

является метод RSA (Райвест, Шамир, Эйдельман), основанный на операци-

ях с большими (100-значными) простыми чис лами и их произведениями.

Авторы воспользовались тем фактом, что нахождение больших простых чи-

сел в вычислительном отношении осуществляется легко, но разложение на

множители произведения двух таких чисел практически невыполнимо. До-

казано (теорема Рабина), что раскрытие шифра RSA эквивалентно такому

разложению. Поэтому для любой длины ключа можно дать нижнюю оцен-

ку числа операций для раскрытия шифра, а с учетом производительности

современных компьютеров оценить и необходимое на это время. Возмож-

ность гарантированно оценить защищенность алгоритма RSA стала одной

из причин его популярности на фоне десятков других схем. Например, толь-

ко в конце 1995 г. удалось практически реали зовать раскрытие шифра RSA

для 500-значного ключа. Для этого с помощью сети Интернет было задей-

ствовано 1600 компьютеров. Сами авторы RSA рекомендуют использовать

следующие размеры ключа (модуля) шифрования:

768 бит — для частных лиц;

1024 бит — для коммерческой информации;

2048 бит — для особо секретной информации.

Поэтому алгоритм RSA используется в банковских компьютерных сетях,

особенно для работы с удаленными клиентами (обслуживание кредитных

карточек).

В основе стойкости алгоритма RSA лежит сложность задачи фак-

торизации (разложения на простые множители) очень больших (сотни

бит в двоичном представлении) чисел. Современное состояние алго ритмов

факторизации позволяет решать эту задачу для чисел длиной до 430 бит.

Исходя из этого, ключ длиной в 512 бит считается надеж ным для защиты

данных сроком до 10 лет, в 1024 бита — безусловно надежным.

В настоящее время алгоритм RSA используется во многих стан дартах,

среди которых SSL, S-HHTP, S-MIME, S/WAN, STT и РСТ.

Асимметричные методы шифрования позволяют реализовать так на-

зываемую электронную подпись, или электронное заверение сооб щения.

Идея состоит в том, что отправитель посылает два экземпля ра сообще-

ния — открытое и зашифрованное секретным ключом. По лучатель может

расшифровать с помощью ключа зашифрованный экземпляр и сравнить с

открытым. Если они совпадут, личность и подпись отправителя можно счи-

тать установленными. Ещё один не маловажный аспект реализации RSA —

вычислительный.

132

По сравнению с тем же алгоритмом DES, RSA требует в тысячи и десятки

тысяч раз большего времени.

Чем длиннее ключ, тем выше уровень безопасности (но становит ся дли-

тельнее и процесс шифрования и дешифрования). Если ключи DES можно

сгенерировать за микросекунды, то примерное время генерации ключа

RSA — десятки секунд.

Поэтому ключи RSA предпочитают разработчики программных средств,

а секретные ключи DES — разработчики аппаратуры.

Для шифрования файлов целесообразно использовать програм мы PGR,

«Кобра», Kremlin 3.0 (последняя позволяет одновременно обнулять свобод-

ную память на винчестере); для шифрования почто вых сообщений — про-

граммы PGP или Abylon Cryptmail Sa.

5.6.4. Проблемы реализации методов

криптографической защиты АС

Проблема реализации методов защиты информации имеет два аспек-

та: разработку средств, реализующих криптографическое зак рытие, и ме-

тодику использования этих средств. Каждый из рассмот ренных выше ме-

тодов закрытия информации может быть реализован либо аппаратными,

либо программными средствами. Возможность программной реализации

обусловливается тем, что все методы крип тографического закрытия фор-

мальны и могут быть представлены в виде конечной алгоритмической про-

цедуры.

При аппаратной реализации все процедуры шифрования и де-

шифрования реализуются специальными электронными схемами. Обычно

такие схемы выполняются в виде отдельных модулей, сопря гаемых с ЭВМ,

терминалами пользователей, модемами связи, с дру гими элементами АС.

Наибольшее распространение получили моду ли, реализующие комбини-

рованные методы шифрования. При этом непременным компонентом всех

аппаратно реализованных комбина ций шифров является гаммирование.

Это объясняется, с одной сто роны, достаточно высокой степенью закры-

тия с помощью гаммирования, а с другой — сравнительно простой схемой,

реализующей этот метод. Обычно в качестве генератора гаммы применя-

ют широко из вестный регистр сдвига с обратными (линейными или нели-

нейными) связями. Минимальный период порождаемой таким регистром

после довательности составляет 2

–1 двоичных знаков.

Для повышения качества генерируемой последовательности можно

предусмотреть специальный блок управления работой регистра сдви га. Та-

кое управление может заключаться, например, в том, что после зашифров-

ки определенного объема исходного текста содержимое ре гистра сдвига

циклически изменяется (например, сдвигается на не сколько тактов). Даль-

нейшего повышения качества генерируемой гам мы можно достичь, если

133

использовать три регистра сдвига, два из которых являются рабочими, а

третий — управляющим. На каждом такте работы в качестве знака гаммы

принимается выходной сигнал первого или второго регистра, причем вы-

бор определяется значени ем выходного сигнала третьего регистра (0 —

выбор первого регистра, 1 — выбор второго регистра).

Еще одна возможность улучшения криптографических свойств гаммы

заключается в использовании нелинейных обратных связей. При этом улуч-

шение достигается не за счет увеличения длины гам мы, а за счет усложне-

ния закона ее формирования, что существенно усложняет криптоанализ.

Показано, что N регистров сдвига с нели нейными обратными связями обе-

спечивают такую же стойкость шиф ра, что и 2 N регистров с линейными

связями.

К настоящему времени разработано значительное число шифро вальных

аппаратов, отличающихся и алгоритмом работы, и методом формирования

гаммы. Рассмотрим некоторые из них.

Например, фирмой AEG-Teiefunken разработана система Telekrypt,

реализующая шифрование гаммированием. Формирование гаммы осу-

ществляется с помощью специальной процедуры с использованием двух

ключей — основного, определяемого пользователем, и дополни тельного,

определяемого системой. Основной ключ может принимать 1030 различ-

ных значений, он вводится в систему с помощью специаль ной карты. До-

полнительный ключ выбирается системой случайно, он передается на

шифроаппарат получателя сообщения в начале каждого нового сообщения.

Благодаря наличию дополнительного ключа появля ется возможность при-

менения двухкаскадного ключа с варьируемой периодичностью изменения.

С использованием одного и того же основ ного ключа можно в таком случае

передавать больший объем инфор мации при обеспечении требуемой на-

дежности закрытия информации.

Шифровальное устройство Telekrypt выполнено на интегральных схе-

мах. Для предотвращения выдачи в линию открытого исходного текста

предусмотрено специальное устройство контроля. Максималь ная скорость

формирования гаммы достигает 10 Кбит/с.

Американская фирма Cryptex разработала устройство шифрова ния дан-

ных для вычислительной системы TRS-80. Устройство размером с пачку си-

гарет подключается к задней панели ЭВМ или шине интерфейса.

В этом устройстве применен алгоритм шифрования, который су-

щественно отличается от DES. Хотя структура алгоритма держится в секре-

те, его разработчики утверждают, что достигнутая ими стой кость шифро-

вания превышает стойкость DES. Повышения стойкости удалось добиться

за счет увеличения длины исходного ключа, ис пользуемого для формиро-

вания гаммы. Ключ состоит из 10 символов кода ASCII. В двоичном исчисле-

нии длина кода равна 80 битам, что значительно превышает длину ключа

DES. За счет дополнительного усложнения алгоритма (ветвление кода и

134

задержка в использовании формируемой гаммы) удается увеличить объ-

ем пространства ключей до 2350 двоичных знаков. Максимальная скорость

шифрования — до 15 тыс. символов в минуту. Устройство имеет усиленный

корпус и защиту от воздействия внешних электромагнитных полей.

Основным достоинством программных методов реализации крип-

тографической защиты является их гибкость, т. е. возможность бы строго

изменения алгоритма шифрования. При этом можно предва рительно соз-

дать пакет шифрования, содержащий программы для различных методов

шифрования или их комбинаций. Смена про грамм будет производиться

оперативно в процессе функционирова ния системы.

Основным недостатком программной реализации криптографичес-

ких методов является существенно меньшее быстродействие. На пример,

при аппаратной реализации национального стандарта время на обработку

одного блока составляет примерно 5 мкс, при программ ной реализации на

большой ЭВМ — 100 мкс, а на специализирован ной мини-ЭВМ это время

составляет примерно 50 мкс. Поэтому при больших объемах защищаемой

информации аппаратные методы пред ставляются более предпочтительны-

ми. Программные методы, кроме того, могут быть реализованы только при

наличии в составе аппара туры мощного процессора, тогда как шифрующие

аппараты с помо щью стандартных интерфейсов могу подключаться прак-

тически к любым подсистемам АС.

Большие трудности возникают при формировании механизма рас-

пределения ключей криптографического преобразования. Одним из прин-

ципов, которого придерживаются многие специалисты в облас ти крипто-

графии, является несекретность используемого способа закрытия. Предпо-

лагается, что необходимая надежность закрытия полностью обеспечива-

ется за счет сохранения в тайне ключей. Именно этим объясняется то, что

алгоритм и архитектура аппаратной реализации DES были широко опубли-

кованы в печати. Отсюда с однозначностью вытекает принципиальная важ-

ность формирова ния ключей, распределения их и доставки в пункты поль-

зования. Существенными аспектами этой проблемы являются следующие

соображения:

– ключи должны выбираться случайно, чтобы исключалась воз можность

их отгадывания на основе каких-либо ассоциаций;

– выбранные ключи должны распределяться таким образом, что бы не

было закономерностей в изменении ключей от пользователя к пользовате-

лю;

– механизм распределения ключей должен обеспечивать тайну ключей

на всех этапах функционирования системы. Ключи должны передаваться

по линиям связи и храниться в системе обработки только в защищенном

виде;

– должна быть предусмотрена достаточно частая смена ключей, причем

частота их изменения должна определяться двумя фактора ми: временем

135

действия и объемом закрытой с их использованием информации.

Если система криптографического закрытия информации разрабо тана

правильно, то доступ злоумышленников к информации невозмо жен. Одна-

ко любое отступление от правил использования реквизитов защиты может

явиться причиной утечки информации. Поэтому соблю дение этих правил

является непременным условием надежной защи ты информации.

Задача управления большим числом ключей является очень важ ной

при использовании любого метода шифрования. Используемые в системе

ключи обычно подразделяются на ключи для шифрования данных и ключи

для шифрования ключей. Последние должны быть очень устойчивыми, по-

этому для их генерации рекомендуется ис пользовать случайные процессы.

Ключи для шифрования данных используются в значительно большем ко-

личестве и сменяются зна чительно чаще. Поэтому их можно формировать с

помощью некото рого детерминированного процесса или устройства.

5.6.5. Стеганографические методы защиты информации

Развитие криптографических средств защиты информации прида ло

новый импульс развитию и совершенствованию стеганографии, появилось

новое направление в области защиты информации — ком пьютерная сте-

ганография.

Компьютерная стеганография — это сокрытие с использованием ком-

пьютера сообщения или файла в другом сообщении или файле. Например,

стеганографы могут спрятать аудио- или видеофайл в дру гом информаци-

онном или даже в большом графическом файле.

Существуют два основных направления в компьютерной стега нографии:

связанный с цифровой обработкой сигналов и не связан ный с ним. В по-

следнем случае сообщения могут быть встроены в заголовки файлов, заго-

ловки пакетов данных. Это направление имеет ограниченное применение

в связи с относительной легкостью вскры тия и/или уничтожения скрытой

информации. Большинство текущих исследований в области стеганогра-

фии так или иначе связаны с цифровой обработкой сигналов. Это позволяет

говорить о цифровой стеганографии.

Можно выделить две причины популярности исследований в об ласти

стеганографии в настоящее время: ограничение на использо вание криптос-

редств в ряде стран мира и появление проблемы защи ты прав собственно-

сти на информацию, представленную в цифровом виде. Первая причина по-

влекла за собой большое количество иссле дований в духе классической сте-

ганографии (то есть скрытия факта передачи информации), вторая — еще

более многочисленные работы в области так называемых водяных знаков.

Основными положениями современной компьютерной стеганогра фии

являются следующие:

1. Методы скрытия должны обеспечивать аутентичность и цело стность

136

файла.

2. Предполагается, что противнику полностью известны возмож ные

стеганографические методы.

3. Безопасность методов основывается на сохранении стеганографиче-

ским преобразованием основных свойств открыто переда ваемого файла

при внесении в него секретного сообщения и некото рой неизвестной про-

тивнику информации — ключа.

4. Даже если факт скрытия сообщения стал известен противнику через

сообщника, извлечение самого секретного сообщения пред ставляет слож-

ную вычислительную задачу.

В связи с возрастанием роли глобальных компьютерных сетей стано-

вится все более важным значение стеганографии. Анализ инфор мационных

источников компьютерной сети Internet позволяет вделать вывод, что в на-

стоящее время стеганографические системы активно используются для ре-

шения следующих основных задач:

1) защита конфиденциальной информации от несанкционирован ного

доступа;

2) преодоление систем мониторинга и управления сетевыми ре-

сурсами;

3) камуфлирование программного обеспечения;

4) защита авторского права на некоторые виды интеллектуальной соб-

ственности.

Защита конфиденциальной информации от несанкционирован ного до-

ступа. Эта область использования КС является наиболее эффективной при

решении проблемы защиты конфиденциальной ин формации. Так, напри-

мер, только одна секунда оцифрованного звука с частотой дискретизации

44 100 Гц и уровнем отсчета 8 бит в стерео режиме позволяет скрыть за счет

замены наименее значимых млад ших разрядов на скрываемое сообщение

около 10 Кбайт информа ции. При этом, изменение значений отсчетов со-

ставляет менее 1%. Такое изменение практически не обнаруживается при

прослушивании файла большинством людей.

Преодоление систем мониторинга и управления сетевыми ре сурсами.

Стеганографические методы, направленные на противо действие системам

мониторинга и управления сетевыми ресурсами промышленного шпиона-

жа, позволяют противостоять попыткам кон троля над информационным

пространством при прохождении ин формации через серверы управления

локальных и глобальных вы числительных сетей.

Камуфлирование программного обеспечения (ПО). В тех слу чаях, когда

использование ПО незарегистрированными пользовате лями является не-

желательным, оно может быть закамуфлировано под стандартные универ-

сальные программные продукты (напри мер, текстовые редакторы) или

скрыто в файлах мультимедиа (на пример, в звуковом сопровождении ком-

пьютерных игр).

137

Защита авторских прав. В этом случае на компьютерные гра фические

изображения наносится специальная метка, которая остает ся невидимой

для глаз, но распознается специальным ПО. Такое программное обеспече-

ние уже используется в компьютерных верси ях некоторых журналов. Дан-

ное направление стеганографии предназ начено не только для обработки

изображений, но и для файлов с аудио- и видеоинформацией и призвано

обеспечить защиту интеллек туальной собственности.

Процесс стеганографии можно разделить на несколько этапов.

1. Выбор информационного файла. Первым этапом в процессе стегано-

графии является выбор файла, который необходимо скрыть. Его ещё назы-

вают информационным файлом.

2. Выбор файла-контейнера. Вторым этапом в процессе стега нографии

является выбор файла, используемого для сокрытия ин формации. Его ещё

называют файлом-контейнером. В большинстве известных программ по

стеганографии говорится, что для сокрытия информации объём памяти

файла-контейнера должен примерно в восемь раз превышать объём памя-

ти информационного файла. Сле довательно, чтобы спрятать файл разме-

ром 710 КБ, понадобится графика объёмом 5600 КБ.

3. Выбор стеганографической программы.

Третьим этапом в процессе стеганографии является выбор стега-

нографической программы. Среди них наиболее распространенные — это

S-Tools и Contraband.

Программа S-Tbols позволяет скрыть любые файлы как в изобра жениях

формата gif и bmp, так и в аудиофайлах формата wav.

Contraband — программное обеспечение, позволяющее скрывать лю-

бые файлы в 24-битовых графических файлах формата BMP.

4. Кодирование файла.

После того как выбран информационный файл, файл-контейнер и про-

граммное обеспечение по стеганографии, необходимо установить защиту

нового файла по паролю.

5. Отправление сокрытого сообщения по электронной почте и его деко-

дирование.

Пятым и последним этапом в процессе стеганографии является отправ-

ление спрятанного файла по электронной почте и его прием и последую-

щая расшифровка.

В настоящее время перспективным направлением развития зак рытия

информации является квантовая криптография.

В основе квантовой криптографии лежит телепортация фотонов, в про-

цессе которой фотон пересылается от передатчика приемни ку. При этом об-

наруживается замечательная для криптографии осо бенность данного спо-

соба передачи, которая заключается в том, что «подслушивание» теорети-

чески невозможно. В основе этого факта лежит принцип неопределенности

Гейзенберга, который по стулирует, что любое поползновение внедриться в

138

канал переда чи, т. е. произвести измерение в квантовой системе, неизбежно

приведет к ее нарушению и будет зафиксировано принимающей стороной.

В результате образуется практически абсолютно защи щенный канал пере-

дачи информации.

5.7. Экранирование

Сетевые реализации данного сервиса, называемые межсетевым экра-

ном (брандмауэром или rewall), распространены весьма широко.

Формальная постановка задачи экранирования состоит в следую щем.

Пусть имеется два множества информационных систем. Эк ран — это сред-

ство разграничения доступа клиентов из одного множе ства к серверам из

другого множества. Экран выполняет свои функции, контролируя все ин-

формационные потоки между двумя множествами систем.

В простейшем случае экран состоит из двух механизмов, один из кото-

рых ограничивает перемещение данных, а второй, наоборот, ему способ-

ствует (то есть осуществляет перемещение данных). В более общем случае

экран (полупроницаемую оболочку) удобно представ лять себе как после-

довательность фильтров. Каждый из них может задержать (не пропустить)

данные, а может и сразу «перебросить» их «на другую сторону». Кроме того,

допускается передача порции дан ных на следующий фильтр для продолже-

ния анализа, или обработка данных от имени адресата и возврат результа-

та отправителю.

Помимо функций разграничения доступа, экраны осуществляют также

протоколирование информационных обменов.

Обычно экран не является симметричным, для него определены поня-

тия «внутри» и «снаружи». При этом задача экранирования фор мулируется

как защита внутренней области от потенциально враж дебной внешней.

Так, межсетевые экраны устанавливают организа ции для защиты локаль-

ной сети, имеющей выход в открытую среду, подобную Internet. Другой

пример экрана — устройство защиты порта, контролирующее доступ к ком-

муникационному порту компьютера до и после, независимо от всех прочих

системных защитных средств.

Экранирование позволяет поддерживать доступность сервисов вну-

тренней области, уменьшая или вообще ликвидируя нагрузку, индуциро-

ванную внешней активностью. Уменьшается уязвимость внутренних сер-

висов безопасности, поскольку первоначально сто ронний злоумышленник

должен преодолеть экран, где защитные механизмы сконфигурированы

особенно тщательно и жестко. Кроме того, экранирующая система, в отли-

чие от универсальной, может быть устроена более простым и, следователь-

но, более безопасным образом.

Экранирование дает возможность контролировать также инфор-

мационные потоки, направленные во внешнюю область, что способ ствует

139

поддержанию режима конфиденциальности.

Межсетевой экран выполняет четыре функции:

– фильтрация данных;

– использование экранирующих агентов;

– трансляция адресов;

– регистрация событий.

Основной функцией межсетевого экрана является фильтрация тра-

фика (входного или выходного). В зависимости от степени за щищенности

корпоративной сети могут задаваться различные пра вила фильтрации.

Правила фильтрации устанавливаются путем выбора последовательности

фильтров, которые разрешают или запрещают передачу данных (пакетов)

на следующий фильтр или уровень протокола.

Межсетевой экран осуществляет фильтрацию на канальном, се тевом,

транспортном и прикладном уровнях. Чем большее число уров ней охва-

тывает экран, тем он совершеннее. Межсетевые экраны, предназначенные

для защиты информации высокой степени важнос ти, должны обеспечивать

фильтрацию:

– по адресам отправителя и получателя (или по другим эквива лентным

атрибутам);

– по пакетам служебных протоколов, служащих для диагностики и

управления работой сетевых устройств;

– с учетом входного и выходного сетевого интерфейса как сред ства про-

верки подлинности сетевых адресов;

– с учетом любых значимых полей сетевых пакетов;

– на транспортном уровне запросов при установлении виртуаль ных

соединений;

– на прикладном уровне запросов к прикладным сервисам;

– с учетом даты и времени;

– при возможности сокрытия субъектов доступа защищаемой ком-

пьютерной сети;

– при возможности трансляции адресов.

В межсетевом экране применяют использование экранирующих агентов

(ргоху-серверы), которые являются программами-посредни ками и обеспе-

чивают установление соединения между субъектом и объектом доступа,

а затем пересылают информацию, осуществляя контроль и регистрацию.

Дополнительной функцией экранирующего агента является сокрытие от

субъекта доступа истинного объекта. Действия экранирующего агента яв-

ляются прозрачными для участ ников взаимодействия.

Функция трансляции адресов межсетевого экрана предназначена для

скрытия от внешних абонентов истинных внутренних адресов. Это позво-

ляет скрыть топологию сети и использовать большее число ад ресов, если

их выделено недостаточно для защищенной сети.

Межсетевой экран выполняет регистрацию событий в специ альных

140

журналах. Предусматривается возможность настройки экра на на ведение

журнала с требуемой для конкретного применения полнотой. Анализ запи-

сей позволяет зафиксировать попытки наруше ния установленных правил

обмена информацией в сети и выявить злоумышленника.

Экран не является симметричным. Он различает понятия «снару жи» и

«внутри». Экран обеспечивает защиту внутренней области от неконтроли-

руемой и потенциально враждебной внешней среды. В то же время экран

позволяет разграничить доступ к объектам общедо ступной сети со сторо-

ны субъектов защищенной сети. При наруше нии полномочий работа субъ-

екта доступа блокируется и вся необхо димая информация записывается в

журнал.

Межсетевые экраны могут использоваться и внутри защищен ных кор-

поративных сетей. Если в распределенной сети имеются фрагменты с раз-

личной степенью конфиденциальности информации, то такие фрагменты

целесообразно отделять межсетевыми экрана ми. В этом случае экраны на-

зывают внутренними.

В зависимости от степени конфиденциальности и важности ин формации

установлены пять классов защищенности межсетевых экранов. Каждый

класс характеризуется определенной минимальной совокупностью требо-

ваний по защите информации. Самый низкий класс защищенности — пя-

тый, а самый высокий — первый. Межсете вой экран первого класса уста-

навливается при обработке информа ции с грифом «Особой важности».

Межсетевые экраны целесообразно выполнять в виде специали-

зированных систем. Это должно повысить производительность таких си-

стем (весь обмен осуществляется через экран), а также повысить безопас-

ность информации за счет упрощения структуры. Учитывая важность меж-

сетевых экранов в обеспечении безопасности инфор мации во всей защи-

щенной сети, к ним предъявляются высокие требования по разграничению

доступа, обеспечению целостности информации, восстанавливаемости,

тестированию и т. д. Обеспечи вает работу межсетевого экрана администра-

тор. Желательно рабочее место администратора располагать непосред-

ственно у межсетевого экрана, что упрощает идентификацию, аутентифи-

кацию администра тора и выполнение функций администрирования.

Чаще всего экран реализуют как сетевой сервис на третьем (сетевом),

четвертом (транспортном) или седьмом (прикладном) уровнях семиуров-

невой эталонной модели OSI (ВОС). В первом случае мы имеем экранирую-

щий маршрутизатор, во втором — экра нирующий транспорт, в третьем —

экранирующий шлюз. Каждый подход имеет свои достоинства и недостат-

ки; известны также гиб ридные экраны, где делается попытка объединить

лучшие качества упомянутых подходов.

Экранирующий маршрутизатор имеет дело с отдельными пакета ми дан-

ных, поэтому иногда его называют пакетным фильтром. Реше ния о том, про-

пустить или задержать данные, принимаются для каж дого пакета независи-