Устройство аппаратного шифрования данных с интерфейсом USB (стр. 2 из 12)
Рис. 1.4 – Устройство для считывания смарт-карт SR-210
Помимо функций шифрования информации, каждый шифратор должен обеспечивать:
· выполнение различных операций с ключами шифрования: их загрузку в шифропроцессор и выгрузку из него, а также взаимное шифрование ключей;
· расчет имитоприставки для данных и ключей (имитоприставка представляет собой криптографическую контрольную сумму, вычисленную на определенном ключе);
· генерацию случайных чисел по запросу.
1.3.2 Ключевые схемы и процесс шифрования файлов
Аппаратные шифраторы должны поддерживать несколько уровней ключей шифрования. Обычно реализуется трехуровневая иерархия ключей. Большее количество уровней, не дает заметного улучшения качества защиты, а меньшего может не хватить для ряда ключевых схем. Трехуровневая иерархия предусматривает использование сеансовых или пакетных ключей (1-й уровень), долговременных пользовательских или сетевых ключей (2-й уровень) и главных ключей (3-й уровень).
Каждому уровню ключей соответствует ключевая ячейка памяти шифропроцессора. Подразумевается, что шифрование данных выполняется только на ключах первого уровня, остальные предназначены для шифрования самих ключей при построении различных ключевых схем.
Трехуровневую схему лучше всего иллюстрирует упрощенный пример процесса шифрования файла (рис. 1.5). На этапе начальной загрузки в ключевую ячейку № 3 заносится главный ключ. Сеансовый ключ генерируется в результате запроса к ДСЧ шифратора на получение случайного числа, которое загружается в ключевую ячейку № 1, соответствующую сеансовому ключу. С его помощью шифруется содержимое файла и создается новый файл, хранящий зашифрованную информацию.
Далее у пользователя запрашивается долговременный ключ, который загружается в ключевую ячейку № 2 с расшифровкой посредством главного ключа, находящегося в ячейке № 3. Шифратор должен иметь режим расшифровки одного ключа с помощью другого внутри шифропроцессора. В этом случае ключ в открытом виде никогда не покидает устройство. Сеансовый ключ зашифровывается при помощи долговременного ключа, находящегося в ячейке № 2, выгружается из шифратора и записывается в заголовок зашифрованного файла.
Рис. 1.5 – Шифрование файла
При расшифровке файла сначала с помощью долговременного ключа пользователя расшифровывается сеансовый ключ, а затем с его помощью восстанавливается информация.
Преимущества многоуровневой ключевой схемы:
· снижается нагрузка на долговременный ключ - он используется только для шифрования коротких сеансовых ключей; это усложняет потенциальному злоумышленнику криптоанализ зашифрованной информации с целью получения долговременного ключа.
· при смене долговременного ключа можно быстро перешифровать файл: достаточно перешифровать сеансовый ключ со старого долговременного на новый.
· разгружается ключевой носитель - на нем хранится только главный ключ, а все долговременные ключи могут храниться в зашифрованном с помощью главного ключа виде даже на жестком диске ПК.
1.3.3 Хэширование паролей
При разработке любого криптоалгоритма следует учитывать, что в половине случаев конечным пользователем системы является человек, а не автоматическая система. Необходимо принимать во внимание тот факт, что пользователю придется запоминать ключ длиной до 4096 битов (512 ASCII символов), а предел запоминаемости чисел человеческим мозгом лежит на границе 12-15 символов [1].
Для решения этой проблемы были разработаны методы, преобразующие осмысленную строку произвольной длины – пароль, в указанный ключ заранее заданной длины. Для этой операции используются хэш-функции (от англ. hashing – мелкая нарезка и перемешивание).
Хэш-функцией называется такое математическое или алгоритмическое преобразование заданного блока данных, которое обладает следующими свойствами:
· бесконечная область определения;
· конечная область значений;
· необратимость;
· лавинный эффект (изменение входного потока информации на один бит меняет около половины всех бит выходного потока);
Эти свойства позволяют подавать на вход хэш-функции пароли произвольной длины 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.
Размер пароля ограничен исключительно используемым алгоритмом хэширования. Например, при использовании хэш-функции SHA2, с длиной результата в 384 бита, на вход можно подавать число меньшее
бита. Если пароль – строка ASCII символов, то длина пароля в этом случае ограничена 
символами. Это значит, что паролем могут быть строки текста, цитаты или стихотворения, что значительно улучшает запоминание пароля.1.3.4 Длина ключа, используемого в криптосистеме
Любой шифровальный алгоритм с использованием ключа, может быть вскрыт методом перебора всех значений ключа. Если ключ подбирается методом грубой силы (brute force), требуемая мощность компьютера растет экспоненциально с увеличением длины ключа. Ключ длиной в 32 бита требует для вскрытия
шагов. Системы с 40-битным ключом требуют 
шагов. Системы с 56-битными ключами могут быть легко вскрыты с помощью специальной аппаратуры (используя суперкомпьютер стоимостью 250 тыс. долларов, сотрудники RSA Laboratory "взломали" утвержденный правительством США алгоритм шифрования данных DES менее чем за три дня - рис.1.6). Полный перебор ключа длиной 64 бита для RC5 в настоящее время продолжается. Ключи длиной 80 бит могут в будущем стать уязвимыми. Ключи длиной 128 бит вероятно останутся недоступными для вскрытия методом грубой силы в обозримом будущем. Можно использовать и более длинные ключи. 
Рис. 1.6 – Микропроцессор и плата суперкомпьютера DES Cracker
Длины ключей, используемых в криптографии с открытым ключом обычно значительно больше, чем в симметричных алгоритмах. Здесь проблема заключается не в подборе ключа, а в воссоздании секретного ключа по открытому. В алгоритме RSA проблема эквивалентна разложению на множители большого целого числа, которое является произведением пары неизвестных простых чисел. В случае других криптосистем (DSA, Эльгамаль), проблема эквивалентна вычислению дискретного логарифма по модулю большого целого числа (такая задача считается примерно аналогичной по трудности задаче разложения на множители).
В 2007 году, группа Швейцарских ученых под руководством Арьена Ленстра осуществила факторизацию 700 битного ключа. Арьен Ленстра считает, что взлом 1024 битного RSA шифра станет возможным через 5-10 лет. Ключи длиной в 2048 и 4096 бит, криптоаналитики считают надежными на десятилетия.
Для создания надежной криптосистемы, специалисты в области криптографии, в частности Брюс Шнайер [1], рекомендуют использовать 256 битный ключ для симметричных алгоритмов и 2048 бит для алгоритмов с открытым ключом.
1.3.5 Проблемы, возникающие при шифровании файлов
Особенности шифрования файлов, о которых необходимо помнить вне зависимости от применяемого криптографического алгоритма:
· после шифрования файла его незашифрованная копия может остаться на магнитном диске, другом компьютере или в виде распечатки;
· размер блока в блочном алгоритме шифрования может значительно превышать размер отдельной порции данных в структурированном файле, в результате чего зашифрованный файл окажется намного длиннее исходного;
· если пользователь использует один и тот же ключ для шифрования всех файлов, то в результате у криптоаналитика будет много шифротекста, полученного на одном ключе, что существенно облегчит вскрытие этого ключа.
Лучше шифровать каждый файл на отдельном ключе, а затем зашифровать ключи при помощи мастер ключа. Пользователи будут избавлены от суеты, связанной с организацией надежного хранения множества ключей, т.к. разграничение доступа к различным файлам будет осуществляться путем деления множества всех сеансовых ключей на подмножества и шифрования этих подмножеств на различных мастер-ключах.
Ключи, применяемые для шифрования файлов, необходимо генерировать случайным образом. Это увеличит защищенность криптосистемы.
1.4 Выбор алгоритма шифрования
Криптографический алгоритм, также называемый шифром или алгоритмом шифрования, представляет собой математическую функцию, используемую для шифрования и расшифровки.
Алгоритм шифрования называется ограниченным, если надежность криптографического алгоритма обеспечивается за счет сохранения в тайне сути самого алгоритма.
Ограниченные алгоритмы непригодны при современных требованиях, предъявляемых к шифрованию, потому что:
· каждая группа пользователей, желающих обмениваться секретными сообщениями, должна разработать оригинальный алгоритм шифрования;
· невозможно применение готового оборудования и стандартных программ;