Введение в курс. Криптографическая защита информации

У Г А Т У
Содержание лекции
Уфимский государственный авиационный технический университет
Структура курса
Общие сведения о криптографии
Исторический обзор

У Г А Т У
Структура Курса
Уфимский государственный авиационный технический университет
9 лекций
Дистанционное проведение:
Объявление в СДО
Лекция в Zoom по расписанию
Презентация на СДО
Возможно: видео лекции на youtube
Содержание:
Теоретический материал
Устные опросы
Доклады по материалу СРС
Посещение занятий не является обязательным и само по себе на зачет не влияет

У Г А Т У
Структура Курса
Уфимский государственный авиационный технический университет
9 лекций
Пожелания к докладам:
Презентация 7-10 слайдов
Выступление 7-10 минут
Для каждого алгоритма рассмотреть:
общие характеристики и особенности,
краткую предысторию разработки,
процесс зашифровки и расшифровки (вычисления хеш-функций, постановки и проверки электронной подписи),
история криптоанализа и найденные уязвимости,
сведения о реальном применении.
Файл презентации должен быть выложен на форуме СДО

У Г А Т У
Структура Курса
Уфимский государственный авиационный технический университет
3 лабораторные работы
Каждая подгруппа разбивается на 4 бригады
Список бригад фиксированный, сдается преподавателю для настройки бригад на СДО
Лабораторные работы №1 и 2
Выполняются самостоятельно, побригадно
Шифруемый текст должен содержать фамилии студентов
Отчет от имени бригады грузит на СДО любой студент бригады
Лабораторная работа №3
Выполняется в чатах СДО в реальном времени
3 практики
Список задач публикуется на СДО заранее
По расписанию в Zoom студент описывает решение задач

У Г А Т У
Структура Курса
Уфимский государственный авиационный технический университет
зачет
Лабораторные работы должны быть сданы
По итогам активности на лекциях и практиках возможен автомат
Ответы при устных опросах по теоретическому материалу – необходимое условие, чтобы можно было делать доклады на лекциях и решать задачи на практиках
1-я часть зачета: 1 устный теоретический вопрос на знание базовых понятий
2-я часть зачета: 2 задачи письменно (допустимо пользоваться лекциями)
1 задача: расчеты и здравый смысл
1 задача: построение блоксхемы/псевдокода по словесному описанию
Задачи аналогичны решаемым на практиках
Обе части надо сдать в один день, иначе 1-я не засчитывается

У Г А Т У
Структура Курса
Уфимский государственный авиационный технический университет
Основные темы
Симметричное шифрование – базовые операции, режимы шифрования, блочные и поточные алгоритмы, генераторы (псевдо)случайных последовательностей
Хэш-функции, коды аутентификации сообщений, функции формирования ключа
Парольная защита – хеширование паролей, радужные таблицы, криптографическая соль
Асимметричная криптография – шифрование с открытым ключом, электронная подпись распределение ключей, инфраструктуры открытых ключей
Модные и перспективные направления - системы распределенного реестра, квантовые и постквантовые алгоритмы, гомоморфное шифрование и т.п.
Криптография эллиптических кривых и стеганография изучаются в рамках курсов «Программно-аппаратная защита информации» и «Теория информационной безопасности»

У Г А Т У
Структура Курса
Уфимский государственный авиационный технический университет
Рассматриваемые алгоритмы
Блочные симметричные шифры – 3DES, AES, RC2, RC5, RC6, Blowfish, Twofish, Threefish, Магма, Кузнечик
Режимы шифрования – ECB, CBC, PCBC, CFB, OFB, CTR, XTS, RandomDelta, OCB
Поточные шифры – А3, RC4, Salsa20
Хэш-функции – на базе функции сжатия (SHA-2, MD6, Blake, ГОСТ Р 34.11-94, Стрибог), на базе криптографической губки (SHA-3, Luffa), имитовставки (CBC-MAC, HMAC, UMAC), функции формирования ключа (PBKDF2, scrypt, Argon2)
Асимметричные универсальные – RSA, алгоритм Эль-Гамаля, алгоритм Рабина, ECC
Электронная подпись – DSA/DSS, алгоритм Лэмпорта, алгоритм Винтерница, ГОСТ Р 34.10-2012
Алгоритмы, рассматриваемые на лекциях
Алгоритмы, изучаемые в рамках СРС и представляемые студентами в докладах
Алгоритмы, изучаемые в рамках курса «Программно-аппаратная защита информации»

У Г А Т У
Содержание лекции
Уфимский государственный авиационный технический университет
Структура курса
Общие сведения о криптографии
Основные понятия
Симметричная и асимметричная криптография
Хэш-функции
Стеганография
Криптоанализ и правило Керкгоффса
Исторический обзор

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет
Криптографическая ЗИ – ЗИ путем ее модификации
Криптография - инженерно-техническая дисциплина; занимается математическими методами защиты информации
Криптология - отрасль дискретной математики; рассматривает математические модели криптографических схем.
Криптосинтез – построение криптографических алгоритмов
Криптоанализ – исследование методов взлома алгоритма
Альтернативный вариант – вместо криптографии термин криптология, вместо криптосинтеза – термин криптография
Определения в курсе не везде математически строги и не всегда точно соответствуют имеющимся в литературе/интернете. Во-первых, математически строгие определения, например, в теории сложности могут быть многостраничны, в то время как высказывание «сложно рассчитать х» - интуитивно понятно. Во-вторых, с методической точки зрения удобно увязывать понятия в систему и вводить их последовательно в соответствии со структурой курса. При проведении контроля от студента требуется прежде всего понимание сути тех или иных понятий и умение оную суть внятно изложить.

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет
Задачи КЗИ
Обеспечение конфиденциальности:
Сокрытие содержания информации (ЗИ от НСД) - шифрование
Скрытная передача информации (тайнопись) – стеганография
Обеспечение целостности:
Защита от намеренной подмены (аутентификация сообщений) – имитовставки, электронные подписи
Удостоверение авторства – электронные подписи
Аутентификация пользователей – серверы ключей, инфраструктуры открытых ключей
Удостоверение времени подписания документа, защита от подмены данных самим автором – системы распределенного реестра
Вспомогательные задачи:
Вычисление псевдослучайного кода малой длины (дайджеста) – хеш-функции
Вычисление псевдослучайного кода большой длины – генераторы ПСП

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет
«Большинство элементов системы безопасности напоминают стены и заборы тем, что не пропускают внутрь никого. Криптография же выполняет роль замка: она должна отличать хороший доступ от плохого»
«Система безопасности надежна настолько, насколько надежно ее самое слабое звено»
«Назначение криптографических протоколов состоит в минимизации объема доверия между участниками, необходимого для их взаимодействия»
Нильс Фергюссон, Брюс Шнайер «Практическая криптография»

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет
Защищаемая информация может представлять собой:
Текст из символов естественного языка – классическая криптография
Аналоговый сигнал – скремблирование
Последовательность данных в двоичном коде – современная криптография

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет
Криптографическая хеш-функция
Необратимая функция y=f(x), где x – двоичный код произвольной длины, y – псевдослучайный двоичный код строго заданной длины (дайджест сообщения), такая, что...
...для любого заданного аргумента вычислительно невозможно подобрать другой, дающий то же значение (т.е. вычислительно невозможно получить коллизию хеш-функции)
Лавинный эффект: при незначительном изменении x, y меняется радикально
SHA3-256("The quick brown fox jumps over the lazy dog")=
69070dda01975c8c120c3aada1b282394e7f032fa9cf32f4cb2259a0897dfc04
SHA3-256("The quick brown fox jumps over the lazy dog.")=
a80f839cd4f83f6c3dafc87feae470045e4eb0d366397d5c6ce34ba1739f734d
Пример применения: проверка паролей, не требующая их хранения в памяти
Функция формирования ключа (Key derivation function, KDF) - хеш-функция, вычислительная сложность которой искусственно завышена, чтобы усложнить перебор паролей

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет
Криптографический генератор псевдослучайных последовательностей
Необратимая функция y=f(x), где x – двоичный код заданной длины, y – псевдослучайный двоичный код произвольной длины
Пседослучайная последовательность (ПСП) должна быть непредсказуема вправо и влево – должно быть невозможно вычислить на основе отдельного фрагмента ПСП остальные ее части

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет
Шифрование
Зашифровывание
Ключ зашифровывания
ОТ
ШT
Расшифровывание
Ключ расшифровывания
Цель – сделать сообщение нечитаемым для посторонних
Симметричное шифрование – ключи зашифровывания и расшифровывания совпадают
Асимметричное шифрование – ключи различны
Отправитель
«АЛИСА»
Получатель
«БОБ»
Злоумышленник
«ЕВА»
ОТ
Здесь и далее:
ОТ – открытый текст
ШТ - шифротекст

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет
Шифрование
Симметричное
Данные как двоичный код
В основе – простые операции
Сложное описание алгоритмов
Можно придумать бесконечное множество алгоритмов
Требует мало ресурсов
Асимметричное
Данные как целые числа
В основе – сложный математический аппарат
Простое описание алгоритмов
В настоящее время известно лишь три базовых алгоритма с разными версиями
Требует много ресурсов
Хеш-функции обычно «тяжелее» симметричных шифров в разы и «легче» асимметричных на порядки

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет
Асимметричная криптосистема
Два ключа – открытый (ОК) и закрытый (ЗК)
Вычислены на основе общей секретной информации, либо ОК на основе ЗК
Нельзя вычислить ЗК на основе ОК
ОК публикуется, ЗК хранится в тайне
Если зашифровано на ОК, расшифровать можно на ЗК
Зашифровать может любой, расшифровать - только владелец ЗК
Используется для ЗИ НСД - асимметричное шифрование

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет
Асимметричные криптосистемы и электронные подписи

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет
Имитовставка
Хэш-функция с ключом (имитовставка, код аутентификации сообщения, Message Authentication Code, MAC) – необратимая функция y=f(x,k), где x – двоичный код произвольной длины, k – секретный ключ, y – псевдослучайный двоичный код заданной длины
Используется, чтобы удостовериться, что сообщение дошло Бобу в том виде, в котором было отправлено Алисой
Стеганография
Цель – сделать сообщение незаметным для посторонних
Сообщение интегрируется в контейнер – массив данных, в котором оно будет незаметно (напр. изображение, аудиофайл, поток видеоданных и т.д.)
Пример. В черно-белом изображении формата .bmp каждый пиксель кодируется одним байтом. Изменение значений последнего бита каждого байта не влияет на внешний вид изображения. Следовательно защищаемую информацию можно записывать в последние биты каждого байта изображения
Стеганография рассматривается в рамках курсов «Программно-аппаратные средства ЗИ» и «Теория информационной безопасности»

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет
Криптоанализ
Взлом шифра – расшифровка шифротекста без знания ключа
Взлом хеш-функции или электронной подписи – нахождение коллизии
Атака на алгоритм – попытка взлома
Две стороны криптоанализа:
«Занятие злоумышленников»
Проверка на криптостойкость существующих алгоритмов
Идеальный шифр можно взломать только полным перебором возможных значений ключа
Идеальную хеш-функцию/подпись – случайным перебором аргументов
Безопасная длина ключа - от 128(80) бит, безопасная длина хеш-функции – от 256(160)
Когда говорят «алгоритм взломан» – часто подразумевается взлом «в теории»: найден способ нахождения ключа (коллизии), более быстрый, чем перебор
На практике алгоритм может оставаться криптостойким
Пример: «взлом» ГОСТ28147-89 в 2012 году - требуется 2^224 операций зашифровывания при наличии у злоумышленника 2^32 пар ОТ-ШТ

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет
Правило Керкгоффса
В общем виде: «хороший криптографический алгоритм нельзя взломать, зная, что был применен именно этот алгоритм, но не зная ключа»
Для шифрования – нельзя расшифровать шифротекст, зная <…>
Для стеганографии – нельзя отличить пустой контейнер от контейнера, содержащего стеганограмму, зная <…>
Практические следствия:
Популярность алгоритма сама себя усиливает
Применяются почти исключительно свободно распространяемые алгоритмы
Противоположный подход: «Безопасность через неясность» [Security through obscurity]
Подход может создавать дополнительный уровень безопасности, но при этом секретный алгоритм должен быть безопасен сам по себе.

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет
Основные атаки на шифры
Сipher-text-only – у Евы есть только шифротекст и знание, какой алгоритм применен
Known-plaintext – у Евы есть набор пар открытый текст / шифротекст
Функция зашифровывания должна быть односторонней как относительно шифруемого текста так и относительно ключа
Сhosen plaintext / ciphertext – Ева может узнать, какой шифротекст / открытый текст соответствует заданному открытому тексту / шифротексту
Meet in the middle – у Евы есть множество предполагаемых ключей и множество зашифрованных сообщений; при прослушивании канала связи она ожидает, когда появится сообщение, которое есть в множестве; по нему можно определить ключ
Man in the middle – Ева подключена к каналу связи таким образом, что может управлять трафиком между Алисой и Бобом
Related key – у Евы есть множество шифротекстов, зашифрованных разными ключами и знание, что эти ключи связаны между собой

У Г А Т У
Общие сведения
Уфимский государственный авиационный технический университет
Основные атаки на хеш-функции
Collision search – поиск другого аргумента, дающего то же значение, что и заданный
Birthday attack – поиск пары аргументов, дающих одно и то же значение
Хеш-функция, устойчивая к атаке дней рождения называется сильной
Виды атак с технической точки зрения
Атаки на любую криптосистему могут быть оперативными (злоумышленник взаимодействует с криптосистемой) и автономными (злоумышленник работает на своем компьютере без связи с системой)
Особая разновидность - атаки с использованием побочных каналов
Злоумышленник анализирует косвенную информацию о работе криптосистемы – побочное излучение, энергопотребление, время выполнения команд (тайминг-атаки) и т.п.
Актуальны для специализированного аппаратного обеспечения (смарт-карт)

У Г А Т У
Содержание лекции
Уфимский государственный авиационный технический университет
Структура курса
Общие сведения о криптографии
Исторический обзор
Классическая криптография
Скремблирование
Современная криптография
Персоналии
Художественная литература

У Г А Т У
Исторический обзор
Уфимский государственный авиационный технический университет
Классическая криптография
Перестановочные шифры
V в. до н. э. «Сцитала Лисандра»
Ключ – порядок перестановки
Подстановочные шифры
I в. до н. э. «Шифр Цезаря»
Ключ – таблица замен
Способ взлома – частотный анализ символов
В XIX веке начали развиваться шифровальные машины, которые могли использовать комбинации подстановок и/или перестановок
С середины XX века классическая криптография утратила свое значение
1999 – шифр Solitair (Pontifex)

У Г А Т У
Скремблирование
Уфимский государственный авиационный технический университет
Пример: защита телефонных разговоров от прослушивания
Для речевого сигнала значимый диапазон 500-3000 Гц
За пределами звук есть, но на разборчивость не влияет
Фонемы – отдельные произносимые звуки
Гласные – поток воздуха через голосовые связки, ~100 мс
Взрывные – полное перекрытие потока губами, ~5 мс (п, к, т и т.д.)
Фрикативные – частичное перекрытие, 20-50 мс (ф, с, ш и т. д.)
В русском языке ~40 фонем
Скремблирование защищает от злоумышленников, не обладающих специальными техническими средствами
2 типа преобразований сигнала:
Частотные преобразования - модифицируется спектр сигнала
Временные преобразования - обработка сигнала на временных отрезках (кадрах)

У Г А Т У
Скремблирование
Уфимский государственный авиационный технический университет
Инверсия спектра
Спектр сигнала отзеркаливается
Смеситель – отражает сигнал относительно некоторой несущей частоты
На смесителях с разными несущими строятся аналоговые многоканальные линии

У Г А Т У
Скремблирование
Уфимский государственный авиационный технический университет
Перестановка частот
Диапазоны на спектре меняются местами
Часть диапазонов может инвертироваться

У Г А Т У
Скремблирование
Уфимский государственный авиационный технический университет
Временные преобразования
Кадр делится на сегменты
Обычно кадр из 8-16 сегментов по 20-60 мс
Меньшая длина сегмента – хуже качество
Большая длина кадра – большая задержки
Преобразования, аналогичные частотным:
инверсия кадра
перестановка сегментов

У Г А Т У
Современная криптография
Уфимский государственный авиационный технический университет
Симметричное шифрование
1917 - Шифр Вернама
1920е-30е - Гаммирование
1945 – Клод Шеннон «Теория связи в секретных системах»
1972-77 – Сеть Фейстеля, разработка алгоритма DES (56-битный ключ)
1990-е – Возросшая мощность компьютеров позволила взламывать DES полным перебором ключей
1997-2000 Конкурс AES
Цель – выбор алгоритма на замену DES в качестве стандартного
Длина ключа – 128, 192, 256 бит
Простота программной реализации, работа на 32-разрядных процессорах (DES заточен под аппаратную реализацию)
Победитель (RIJNDAEL) стал стандартом AES
Ряд не прошедших конкурс алгоритмов нашли свое применение (RC6, Twofish)

У Г А Т У
Современная криптография
Уфимский государственный авиационный технический университет
Асимметричная криптография
1970-е – Теоретические работы Диффи, Хеллмана, Меркла («задача об укладке рюкзака»)
1977 – Алгоритм RSA
1991 – DSA
1998 – DSS (DSA + SHA-1)
1999 - ECDSA
Хеш-функции
1990 MD4
1995 SHA-1
2002 SHA-2
2007-2012 Конкурс SHA-3. Победитель – алгоритм Keccak
2013-2017 Взломы SHA-1. Отказ от использования алгоритма

У Г А Т У
Современная криптография
Уфимский государственный авиационный технический университет
Криптография в СССР и России
1937 – К-37 «Кристалл» (классическое шифрование) и М-100 «Спектр» (гаммирование)
1989 – ГОСТ 28147-89 – симметричный алгоритм (возможно, разработан в 70-е)
1994 – ГОСТ Р 34.11-94 – хэш-функция
1994 - ГОСТ Р 34.10-94 – ЭЦП на дискретных логарифмах (для хэширования применяется ГОСТ Р 34.11-94)
2001 - ГОСТ Р 34.10-2001 – новый стандарт ЭЦП (по сути – версия ГОСТ Р 34.10-94 на эллиптических кривых)
Новые стандарты разработаны ФСБ совместно с ОАО «ИнфоТекс
2012 - ГОСТ Р 34.11-2012 – новая хэш-функция «Стрибог»
2012 - ГОСТ Р 34.10-2012 – стандарт ЭЦП (по сути ГОСТ Р 34.10-2001, но для хеширования применяется Стрибог)
2015 (2018) – ГОСТ Р 34.12-2015 (-2018) – симметричные алгоритмы «Магма» (из старого ГОСТа) и «Кузнечик»

У Г А Т У
Персоналии
Уфимский государственный авиационный технический университет
Огюст Керкгоффс (1835-1903), Алан Тьюринг (1912-1954), Клод Шеннон (1916-2001)

У Г А Т У
Персоналии
Уфимский государственный авиационный технический университет
Хорст Фейстель (1915-1990)
Первый крупный неправительственный автор шифров
По сути создатель современного подхода к построению симметричных шифров
Автор шифра Lucifer, позднее переделанного в DES

У Г А Т У
Персоналии
Уфимский государственный авиационный технический университет
Рональд Райвест (род. 1947)
Асимметричный алгоритм RSA (1977, совместно с А. Шамиром и Л. Эйдельманом)
Блочные симметричные шифры: RC2 (1987), RC5 (1994), RC6 (1998)
Поточный шифр RC4 (1987)
Хеш-функции: MD2 (1989), MD4 (1990), MD5 (1991), MD6 (2008)

У Г А Т У
Персоналии
Уфимский государственный авиационный технический университет
Брюс Шнайер (род. 1963)
Блочные симметричные шифры: Blowfish (1993), Twofish (1998), Threefish (2008)
Хеш-функция Skein (2008)
Генератор псевдослучайных чисел с добавлением истинной случайности Fortuna (2003)
Классический шифр Solitaire (1999)
Блог https://www.schneier.com/
Книги:
Прикладная криптография (1994)
Практическая криптография (2003, совместно с Н. Фергюссоном)