Почему криптосистемы ненадежны п семьянов
В современном программном обеспечении (ПО) криптоалгоритмы широко применяются не только для задач шифрования данных, но и для аутентификации и проверки целостности. На сегодняшний день существуют хорошо известные и апробированные криптоалгоритмы (как с симметричными, так и несимметричными ключами), криптостойкость которых либо доказана математически, либо основана на необходимости решения математически сложной задачи (факторизации, дискретного логарифмирования и т.п.). К наиболее известным из них относятся DES , RSA. Таким образом, они не могут быть вскрыты иначе, чем полным перебором или решением указанной задачи.
С другой стороны, в компьютерном и околокомпьютерном мире все время появляется информация об ошибках или «дырах» в той или иной программе (в т.ч. применяющей криптоалгоритмы), или о том, что она была взломана ( cracked ). Это создает недоверие как к конкретным программам, так и к возможности вообще защитить что-либо криптографичеcкими методами не только от спецслужб, но и от простых хакеров.
Поэтому знание истории атак и «дыр» в криптосистемах, а также понимание причин, по которым они имели место, является одним из необходимых условий разработки защищенных систем. Перспективным направлением исследований в этой области является анализ успешно проведенных атак или выявленных уязвимостей в криптосистемах с целью их обобщения, классификации и выявления причин и закономерностей их появления и существования. Это и будет являться задачей данной статьи.
По аналогии с таксономией причин нарушения безопасности ВС [1], выделим следующие причины ненадежности криптографических программ (см. рис. 1):
- Невозможность применения стойких криптоалгоритмов;
- Ошибки в реализации криптоалгоритмов;
- Неправильное применение криптоалгоритмов;
- Человеческий фактор.
- Пароль превращается в 14-символьную строку путем либо отсечки болеет длинных паролей, либо дополнения коротких паролей нулевыми элементами.
- Все символы нижнего регистра заменяются на символы верхнего регистра. Цифры и специальные символы остаются без изменений.
- 14-байтовая строка разбивается на две семибайтовых половины.
- Используя каждую половину строки в роли ключа DES, с ним шифруется фиксированная константа, получая на выходе две 8-байтовые строки.
- Эти строки сливаются для создания 16-разрядного значения хэш-функции.
- Преобразование всех символов в верхний регистр ограничивает и без того небольшое число возможных комбинаций для каждого (26+10+32=68).
- Две семибайтовых «половины» пароля хэшируются независимо друг от друга. Таким образом, две половины могут подбираться перебором независимо друг от друга, и пароли, длина которых превышает семь символов, не сильнее, чем пароли с длиной семь символов. Таким образом, для гарантированного нахождения пароля необходимо перебрать вместо 94 0 +94 1 +. 94 14
- Во многих (старых) версиях UNIX пароль пользователя обрезается до 8 байт перед хэшированием. Любопытно, что, например, Linux 2.0 , требуя от пользователей ввода паролей, содержащих обязательно буквы и цифры, не проверяет, чтобы 8-символьное начало пароля также состояло из букв и цифр. Поэтому пользователь, задав, например, достаточно надежный пароль passwordIsgood19 , будет весьма удивлен, узнав, что хакер вошел в систему под его именем с помощью элементарного пароля password .
- Novell Netware позволяет пользователям иметь пароли до 128 байт, что дает (считая латинские буквы без учета регистра, цифры и спецсимволы) 68 128
- Перехват пароля. Как пример можно привести самый старый способ похищения пароля, известный еще со времен больших ЭВМ, когда программа-«фантом» эмулирует приглашение ОС, предлагая ввести имя пользователя и пароль, запоминает его в некотором файле и прекращает работу с сообщением «Invalid password» . Для MS DOS и Windows существует множество закладок для чтения и сохранения паролей, набираемых на клавиатуре (через перехват соответствующего прерывания), например, при работе утилиты Diskreet v. 6.0.
- Подмена криптоалгоритма. Примером реализации этого случая является закладка, маскируемая под прикладную программу-«ускоритель» типа Turbo Krypton . Эта закладка заменяет алгоритм шифрования ГОСТ 28147-89, реализуемой платой «Krypton-3» (демонстрационный вариант), другим, простым и легко дешифруемым алгоритмом [1].
- Троянский конь в электронной почте. Последним примером служит имевшие место в июне 1998 года попытки проникновения троянского коня через электронную почту. В письмо были вложены порнографическая картинка и EXE-файл FREECD.EXE, который за то время, пока пользователь развлекался с письмом, расшифровывал пароли на соединение с провайдером (Dial-Up) и отправлял их на адрес ispp@usa.net.
- была возможность перехватить пакеты, передаваемые по сети; и
- был доступ ( account ) на компьютер, где запущена программа,
- некоторые алгоритмы могут работать с переменной длиной ключа, обеспечивая разную криптостойкость — и именно задача разработчика выбрать необходимую длину, исходя из желаемой криптостойкости и эффективности. Иногда на это желание накладываются и иные обстоятельства — такие, как экспортные ограничения.
- некоторые алгоритмы разрабатывались весьма давно, когда длина используемого в них ключа считалась более чем достаточной для соблюдения нужного уровня защиты.
- в качестве пароля берется входное им пользователя;
- пароль представляет собой двойной повтор имени пользователя;
- то же, но прочитанное справа налево;
- имя или фамилия пользователя;
- то же, но в нижнем регистре.
- Простая перестановка
- Одиночная перестановка по ключу
- Двойная перестановка
- Перестановка «Магический квадрат»
- скорость
- простота реализации (за счёт более простых операций)
- меньшая требуемая длина ключа для сопоставимой стойкости
- изученность (за счёт большего возраста)
- сложность управления ключами в большой сети
- сложность обмена ключами. Для применения необходимо решить проблему надёжной передачи ключей каждому абоненту, так как нужен секретный канал для передачи каждого ключа обеим сторонам
Отметим сразу, что рассматриваемые ниже причины покрывают только два вида потенциально возможных угроз: раскрытия и целостности , оставляя в стороне угрозу отказа в обслуживании , которая приобретает все большее значение по мере развития распределенных криптосистем.
Эта группа причин является наиболее распространенной из-за следующих факторов.
Малая скорость стойких криптоалгоритмов
Это основной фактор, затрудняющий применение хороших алгоритмов в, например, системах «тотального» шифрования или шифрования «на лету». В частности, программа Norton DiskReet , хотя и имеет реализацию DES , при смене пользователем ключа может не перешифровывать весь диск, т.к. это займет слишком много времени. Аналогично, программа компрессии «на лету» Stacker фирмы Stac Electronics имеет опцию закрытия паролем компрессируемых данных. Однако она не имеет физической возможности зашифровать этим паролем свой файл, обычно имеющий размеры в несколько сот мегабайт, поэтому она ограничивается очень слабым алгоритмом и хранит хэш-функцию от пароля вместе с защищаемыми данными. Величина криптостойкости 1 этой функции была исследована и оказалась равной 2 8 , т.е. пароль может быть вскрыт тривиально.
Экспортные ограничения
Это причина, связанная с экспортом криптоалгоритмов или с необходимостью приобретать патент или права на них. В частности, из США запрещен экспорт криптоалгоритмов с длиной ключа более 40 бит 2 . Очевидно, что такая криптостойкость не может считаться надежной при современных вычислительных мощностях и даже на персональном компьютере, положив скорость перебора в 50 000 паролей/сек, получим время перебора в среднем порядка 4 месяцев.
Известные примеры программ, подверженных экспортным ограничениям — это последние версии броузеров (browser) Интернета, в частности Netscape Navigator фирмы Netscape Communications и Internet Explorer фирмы Microsoft . Они предоставляют шифрование со 128-битным ключом для пользователей внутри США и с 40-битным ключом для всех остальных.
Также в эту группу попадает последняя версия архиватора ARJ 2.60 , известного своим слабым алгоритмом шифрования архивов. Теперь пользователи внутри США могут использовать криптостойкий алгоритм ГОСТ. Комизм ситуации в том, что хотя этот алгоритм является российским, даже россияне по законам США все равно не могут воспользоваться им в программе ARJ.
Использование собственных криптоалгоритмов
Незнание или нежелание использовать известные алгоритмы — такая ситуация, как ни парадоксально, также имеет место быть, особенно в программах типа Freeware и Shareware, например, архиваторах.
Как уже говорилось, архиватор ARJ (до версии 2.60 включительно) использует (по умолчанию) очень слабый алгоритм шифрования — простое гаммирование. Казалось бы, что в данном случае использование его допустимо, т.к. архивированный текст должен быть совершенно неизбыточен и статистические методы криптоанализа здесь не подходят. Однако, после более детального изучения оказалось, что в архивированном тексте присутствует (и это оказывается справедливым для любых архиваторов) некоторая неслучайная информация — например, таблица Хаффмана и некоторая другая служебная информация. Поэтому, точно зная или предсказав с некоторой вероятностью значение этих служебных переменных, можно с той же вероятностью определить и соответствующие символы пароля.
Далее, использование слабых алгоритмов часто приводит к успеху атаки по открытому тексту . В случае архиватора ARJ, если злоумышленнику известен хотя бы один файл из зашифрованного архива, он с легкостью определит пароль архива и извлечет оттуда все остальные файлы (криптостойкость ARJ при наличии открытого текста — 2 0 !). Даже если ни одного файла в незашифрованном виде нет, то все равно простое гаммирование позволяет достичь скорости перебора в 350000 паролей/сек. на машине класса Pentium.
Аналогичная ситуация имеет место и в случае с популярными программами из Microsoft Office — для определения пароля там необходимо знать всего 16 байт файла .doc или .xls , после чего достаточно перебрать всего 2 4 вариантов. В Microsoft Office 97 сделаны значительные улучшения алгоритмов шифрования, в результате чего осталась возможность только полного перебора, но. не везде — MS Access 97 использует примитивнейший алгоритм, причем шифруются не данные, а сам пароль операцией XOR с фиксированной константой!
В сетевой ОС Novell Netware фирмы Novell (версии 3.х и 4.х) также применяется собственный алгоритм хэширования . На входе хэш-функция получает 32-байтовое значение, полученное из оригинального пароля пользователя путем либо сжатия пароля длиной более 32 символов с помощью операции XOR, либо размножением пароля длиной менее 32 символов; а на выходе — 16-байтовое хэш-значение ( Hash16 ). Именно оно (для Novell Netware 3.х) хранится в базе данных связок (bindery) в виде свойства «PASSWORD» .
Одним из основных свойств криптостойкой хэш-функции должно быть то, что она не должна допускать легкого построения коллизий (таковой, например, является функция crypt(), используемая в UNIX, которая основана на DES). Именно это свойство нарушено в хэш-функции, применяемой в Novell Netware.
Была построена процедура , которая из данного хэш-значения путем небольшого перебора (несколько секунд на машине класса 80486DX2-66) получает 32-байтовую последовательность, которая, конечно, не является истинным паролем, но тем не менее воспринимается Novell Netware как таковой, т.к. применение к ней хэш-алгоритма, выдает в точности имеющееся хэш-значение.
Рассмотренный хэш-алгоритм остался и в 4 версии Novell Netware.
В свою очередь, фирма Microsoft также имеет серьезнейшие недостатки в своем основном хэш-алгоритме, применяемом во всех своих ОС, начиная с Windows 3.11, при аутентификации в локальных (протокол NetBIOS) и глобальных (протоколы CIFS и http) сетях, называемым LM (Lan Manager)-хэш [4]. (Впрочем, Microsoft ссылается на то, что он остался еще со времен OS/2 и что его разрабатывала IBM).
Он вычисляется следующим образом:
Очевидно, что атаки на LM-хэш легко достигают успеха по следующим причинам:
4^10 27 всего лишь 2^(68 0 +68 1 +. +68 7 )
Несмотря на то, что в этом случае применяются криптостойкие или сертифицированные алгоритмы, эта группа причин приводит к нарушениям безопасности криптосистем из-за их неправильной реализации.
Уменьшение криптостойкости при генерации ключа
Эта причина с весьма многочисленными примерами, когда криптосистема либо обрезает пароль пользователя, либо генерирует из него данные, имеющие меньшее количество бит, чем сам пароль. Примеры:
Если длина пароля «сверху» в этом случае определяется реализацией криптоалгоритмов, то ограничение на длину «снизу» уже связано с понятием единицы информации или энтропии. В рассмотренном примере с Novell Netware для создания хэш-значения с энтропией 128 бит длина пароля должна быть не менее =69 бит 4 или не менее 22 символов 5 . То, что многие криптосистемы не ограничивают минимальную длину пароля, как раз и приводит к успеху атак перебором не ключей, а паролей.
Отсутствие проверки на слабые ключи
Некоторые криптоалгоритмы (в частности, DES, IDEA) при шифровании со специфическими ключами не могут обеспечить должный уровень криптостойкости. Такие ключи называют слабыми (weak). Для DES известно 4 слабых и 12 полуслабых (semi-weak) ключей. И хотя вероятность попасть в них равняется
2^10 -16 , для серьезных криптографических систем пренебрегать ей нельзя.
Мощность множества слабых ключей IDEA составляет не много — не мало — 2 51 (впрочем, из-за того, что всего ключей 2 128 , вероятность попасть в него в 3^10 7 раз меньше, чем у DES).
Недостаточная защищенность от РПС
РПС (разрушающие программные средства) — это компьютерные вирусы, троянских кони, программные закладки и т.п. программы, способные перехватить секретный ключ или сами нешифрованные данные, а также просто подменить алгоритм на некриптостойкий. В случае, если программист не предусмотрел достаточных способов защиты от РПС, они легко способны нарушить безопасность криптосистемы. Особенно это актуально для операционных систем, не имеющих встроенных средств защиты или средств разграничения доступа — типа MS DOS или Windows 95:
Наличие зависимости во времени обработки ключей
Это сравнительно новый аспект недостаточно корректной реализации криптоалгоритмов, рассмотренный в статье [2]. Там показано, что многие криптосистемы неодинаково быстро обрабатывают разные входные данные. Это происходит как из-за аппаратных (разное количество тактов на операцию, попадание в процессорный кэш и т.п.), так и программных причин (особенно при оптимизации программы по времени). Время может зависеть как от ключа шифрования, так и (рас)шифруемых данных.
Поэтому злоумышленник, обладая детальной информацией о реализации криптоалгоритма, имея зашифрованные данные, и будучи способным каким-то образом измерять время обработки этих данных (например, анализируя время отправки пакетов с данными), может попытаться подобрать секретный ключ. В работе подробно описывается тактика атак на системы, реализующие алгоритмы RSA, Диффи-Хеллмана и DSS, причем ключ можно получать, уточняя бит за битом, а количество необходимых измерений времени прямо пропорционально длине ключа.
И хотя пока не удалось довести эти исследования до конкретного результата (вычислить секретный ключ), этот пример показывает, что программирование систем критического назначения (в т.ч. и криптосистем) должно быть особенно тщательным и, возможно, для этого необходимо применять особые защитные методы программирования и специализированные средства разработки (особенно компиляторы).
Ошибки в программной реализации
Ясно, что пока программы будут писаться людьми, этот фактор всегда будет иметь место. Хороший пример — ОС Novell Netware 3.12, где, несмотря на достаточно продуманную систему аутентификации, при которой, по заявлениям фирмы Novell , «нешифрованный пароль никогда не передается по сети» , удалось найти ошибку в программе SYSCON v. 3.76, при которой пароль именно в открытом виде попадает в один из сетевых пакетов. Этого не наблюдается ни с более ранними, ни с более поздними версиями этой программы, что позволяет говорить именно о чисто программистской ошибке. Этот ошибка проявляется только если супервизор меняет пароль кому-либо (в том числе и себе). Видимо, каким-то образом в сетевой пакет попадает клавиатурный буфер.
Наличие люков
Причины наличия люков в криптосистемах очевидны: разработчик хочет иметь контроль над обрабатываемой в его системе информацией и оставляет для себя возможность расшифровывать ее, не зная ключа пользователя. Возможно также, что они используются для отладки и по какой-то причине не убираются из конечного продукта. Естественно, что это рано или поздно становится известным достаточно большому кругу лиц и ценность такой криптосистемы становится почти нулевой. Самыми известными примерами здесь являются AWARD BIOS (до версии 4.51PG) с его универсальным паролем » AWARD_SW» и СУБД Paradox фирмы Borland Internationa l , также имеющая «суперпароли» » jIGGAe» и » nx66ppx» .
Вплотную к наличию люков в реализации (очевидно, что в этом случае они используют явно нестойкие алгоритмы или хранят ключ вместе с данными) примыкают алгоритмы, дающие возможность третьему лицу читать зашифрованное сообщение, как это сделано в нашумевшем проекте CLIPPER , где третьим лицом выступает государство, всегда любящее совать нос в тайны своих граждан.
Недостатки датчика случайных чисел (ДСЧ)
Хороший, математически проверенный и корректно реализованный ДСЧ также важен для криптосистемы, как и хороший, математически стойкий и корректный криптоалгоритм, иначе его недостатки могут повлиять на общую криптостойкость системы. При этом для моделирования ДСЧ на ЭВМ обычно применяют датчики псевдослучайных чисел (ПСЧ), характеризующиеся периодом, разбросом, а также необходимостью его инициализации ( seed ). Применение ПСЧ для криптосистем вообще нельзя признать удачным решением, поэтому хорошие криптосистемы применяют для этих целей физический ДСЧ (специальную плату), или, по крайней мере, вырабатывают число для инициализации ПСЧ с помощью физических величин (например, времени нажатия на клавиши пользователем).
Малый период и плохой разброс относятся к математическим недостаткам ДСЧ и появляются в том случае, если по каким-то причинам выбирается собственный ДСЧ. Иначе говоря, выбор собственного ДСЧ так же опасен, как и выбор собственного криптоалгоритма.
В случае малого периода (когда псевдослучайных значений, вырабатываемых датчиком, меньше, чем возможных значений ключа) злоумышленник может сократить время поиска ключа, перебирая не сами ключи, а псевдослучайные значения и генерируя из них ключи.
При плохом разбросе датчика злоумышленник также может уменьшить среднее время поиска, если начнет перебор с самых вероятных значений псевдослучайных чисел.
Самой распространенной ошибкой, проявляющейся и в случае хорошего ПСЧ, является его неправильная инициализация . В этом случае число, используемое для инициализации, имеет либо меньшее число бит информации, чем сам датчик, либо вычисляется из неслучайных чисел и может быть предсказано стой или иной степенью вероятности.
Такая ситуация имела место в программе Netscape Navigator версии 1.1. Она инициализировала ПСЧ, используя текущее время в секундах ( sec ) и микросекундах ( usec ), а также идентификаторы процесса ( pid и ppid ). Как выяснили исследователи Я. Голдберг и Д. Вагнер, при такой схеме как максимум получалось 47 значащих бит информации (при том, что этот датчик использовался для получения 40- или 128 (!)-битных ключей). Но, если у злоумышленника
то для него не составляло труда с большой степенью вероятности узнать sec , pid и ppid . Если условие (2) не удовлетворялось, то злоумышленник все равно мог попытаться установить время через сетевые демоны time , pid мог бы быть получен через демон SMTP (обычно он входит в поле Message-ID ), а ppid либо не сильно отличается от pid , либо вообще равен 1.
Исследователи написали программу unssl , которая, перебирая микросекунды, находила секретный 40-битный ключ в среднем за минуту.
Эта группа причин приводит к тому, что оказывается ненадежными криптостойкие и корректно реализованные алгоритмы.
Малая длина ключа
Это самая очевидная причина. Возникает вопрос: как стойкие криптоалгоритмы могут иметь малую длину ключа? Видимо, вследствие двух факторов:
С резким скачком производительности вычислительной техники сначала столкнулся алгоритм RSA, для вскрытия которого необходимо решать задачу факторизации. В марте 1994 была закончена длившаяся в течение 8 месяцев факторизация числа из 129 цифр (428 бит 6 ). Для этого было задействовано 600 добровольцев и 1600 машин, связанных посредством электронной почты. Затраченное машинное время было эквивалентно примерно 5000 MIPS-лет 7 .
Прогресс в решении проблемы факторизации во многом связан не только с ростом вычислительных мощностей, но и с появлением в последнее время новых эффективных алгоритмов. (На факторизацию следующего числа из 130 цифр ушло всего 500 MIPS-лет). На сегодняшний день в принципе реально факторизовать 512-битные числа. Если вспомнить, что такие числа еще недавно использовались в программе PGP , то можно утверждать, что это самая быстро развивающаяся область криптографии и теории чисел.
29 января 1997 фирмой RSA Labs был объявлен конкурс на вскрытие симметричного алгоритма RC5. 40-битный ключ был вскрыт через 3.5 часа после начала конкурса! (Для этого даже не потребовалась связывать компьютеры через Интернет — хватило локальной сети из 250 машин в Берклевском университете). Через 313 часов был вскрыт и 48-битный ключ . Таким образом, всем стало очевидно, что длина ключа, удовлетворяющая экспортным ограничениям, не может обеспечить даже минимальной надежности.
Параллельно со вскрытием RC5 был дан вызов и столпу американской криптографии — алгоритму DES, имеющему ключ в 56 бит. И он пал 17 июня 1997 года, через 140 дней после начала конкурса (при этом было протестировано около 25% всех возможных ключей и затрачено примерно 450 MIPS-лет). Это было безусловно выдающееся достижение, которое означало фактическую смерть DES как стандарта шифрования. И действительно, когда в начала 1998 года следующее соревнование по нахождению ключа DES привело к успеху всего за 39 дней, национальный институт стандартов США (NIST) объявил конкурс на утверждение нового стандарта AES (Advanced Encryption Standard). AES должен быть полностью открытым симметричным алгоритмом с ключом размером 128, 192, 256 бит и блоком шифрования размером 128 бит.
Ошибочный выбор класса алгоритма
Это также весьма распространенная причина, при которой разработчик выбирает пусть и хороший, но совершенно неподходящий к его задаче алгоритм. Чаще всего это выбор шифрования вместо хэширования или выбор симметричного алгоритма вместо алгоритма с открытыми ключами.
Примеров здесь масса — это почти все программы, ограничивающие доступ к компьютеру паролем при его включении или загрузке, например, AMI BIOS, хранящий вместо хэша пароля его зашифрованный вариант, который, естественно, легко дешифруется.
Во всех сетевых процедурах аутентификации естественно применять ассиметричную криптографию, которая не позволит подобрать ключ даже при полном перехвате трафика. Однако такие алгоритмы (из сетевых OC) пока реализует только Novell Netware 4.x, остальные же довольствуются (в лучшем случае!) стандартной схемой «запрос-отклик», при которой можно вести достаточно быстрый перебор по перехваченным значениям «запроса» и «отклика».
Повторное наложение гаммы шифра
Уже классическим примером стала уязвимость в Windows 3.x и первых версиях Windows 95, связанная с шифрованием. В этом случае программисты фирмы Microsoft, хорошо известные своими знаниями в области безопасности, применяли алгоритм RC4 (представляющем собой ни что иное, как шифрование гаммированием), не меняя гаммы, несколько раз к разным данным — сетевым ресурсам, хранящимся в файлах типа .pwl .
Оказалось, что один из наборов данных файла .pwl представлял из себя более чем специфичный текст — 20-символьное имя пользователя (в верхнем регистре) и набор указателей на ресурсы (см. рис. 2). Таким образом, угадав им пользователя (которое в большинстве случаев к тому же совпадает с именем файла) можно вычислить по крайней мере 20 байт гаммы. Т.к. гамма не меняется при шифровании других ресурсов (в этом состоит основная ошибка применения RC4 в этом случае), могут быть вычислены первые 20 байт всех ресурсов, в которые входит длина каждого из них. Вычислив длину, можно найти значения указателей и тем самым прибавить еще несколько десятков байт к угаданной гамме. Этот алгоритм реализован в известной программе glide .
Рис. 2. Формат файла .PWL.
Хранение ключа вместе с данными
Эта причина приводит к тому, что данные, зашифрованные с помощью криптостойкого и корректно реализованного алгоритма, могут быть легко дешифрованы. Это связано со спецификой решаемой задачи, при которой невозможно вводить ключ извне и он хранится где-то внутри в практически незашифрованном виде. Иначе говоря, здесь наиболее уязвимым будет алгоритм шифрования не ключом, а ключа (с помощью некоего вторичного ключа). Но так как (что опять-таки очевидно следует из специфики задачи) этот вторичный ключ хранить извне нельзя, то основные данные рано или поздно будут расшифрованы без использования методов перебора.
Типичным примером здесь будут все WWW-, ftp-, e-mail-клиенты. Дело в том, что для базовой (наиболее часто встречающейся) аутентификации в этих протоколах пароль должен передаваться серверу в открытом виде. Поэтому клиентские программы вынуждены шифровать (а не хэшировать) пароль, причем с фиксированным ключом, чтобы не надоедать пользователю постоянными вопросами. Отсюда следует, что где-то внутри любого броузера, почтового или ftp-клиента (будь то Netscape Communicator, Eudora, Outlook, FAR и т.п.) лежат все ваши пароли в практически открытом виде, и что расшифровать их не представляет труда. (Чаще всего, кстати, пароль в таких программах даже не шифруется, а кодируется алгоритмом типа base-64).
В любой критической системе ошибки человека-оператора являются чуть ли не самыми дорогостоящими и распространенными. В случае криптосистем непрофессиональные действия пользователя сводят на нет самый стойкий криптоалгоритм и самую корректную его реализацию и применение.
В первую очередь это связано с выбором паролей. Очевидно, что короткие или осмысленные пароли легко запоминаются человеком, но они гораздо проще для вскрытия. Использование длинных и бессмысленных паролей безусловно лучше с точки зрения криптостойкости, но человек обычно не может их запомнить и записывает на бумажке, которая потом либо теряется, либо попадает в руки злоумышленнику.
В последние годы много внимания уделяется разрешению этого противоречия, но рекомендации по выбору хороших паролей выходят за рамки этой статьи.
Именно из того, что неискушенные пользователи обычно выбирают либо короткие, либо осмысленные пароли, существуют два метода их вскрытия: атака полным перебором и атака по словарю .
С связи с резким ростом вычислительных мощностей атаки полным перебором имеют гораздо больше шансов на успех, чем раньше (см. также » Малая длина ключа «). Если для системы UNIX функция crypt(), которая отвечает за хэширование паролей, была реализована так, что выполнялась почти 1 секунду на машину класса PDP, то за двадцать лет скорость ее вычисления увеличилась в 15000 раз (!). Поэтому если раньше хакеры (и разработчики, которые ограничили длину пароля 8 символами) и представить себе не могли полный перебор, то сегодня такая атака в среднем приведет к успеху за 80 дней 8 . Скорость перебора паролей для различных криптосистем приведена в табл. 1.
Однако вернемся на несколько лет назад, когда вычислительной мощности для полного перебора всех паролей не хватало. Тем не менее, хакерами был придуман остроумный метод, основанный на том, что качестве пароля человеком выбирается существующее слово или какая-либо информация о себе или своих знакомых (имя, дата рождения и т. п.). Ну, а поскольку в любом языке не более 100000 слов, то их перебор займет весьма небольшое время, и от 40 до 80% существующих паролей может быть угадано с помощью такой простой схемы, называемой «атакой по словарю». (Кстати, до 80% этих паролей может быть угадано с использованием словаря размером всего 1000 слов!). Даже вирус Морриса (в 1988 г.!) применял такой способ, тем более что в UNIX «под рукой» часто оказывается файл-словарь, обычно используемый программами-корректорами. Что же касается «собственных» паролей, то файл /etc/passwd может дать немало информации о пользователе: его входное имя, имя и фамилию, домашний каталог. Вирус Морриса с успехом пользовался следующими предположениями [3]:
Пусть сегодня пользователи уже понимают, что выбирать такие пароли нельзя, но до тех пор, пока с компьютером работает человек 9 , эксперты по компьютерной безопасности не дождутся использования таких простых и радующих душу паролей, как 34jXs5U@bTa!6 . Поэтому даже искушенный пользователь хитрит и выбирает такие пароли, как hope1, user1997, pAsSwOrD, toor, roottoor, parol, gfhjkm, asxz . Видно, что все они, как правило, базируются на осмысленном слове и некотором простом правиле его преобразования: прибавить цифру, прибавить год, перевести через букву в другой регистр, записать слово наоборот, прибавить записанное наоборот слово, записать русское слово латинскими буквами, набрать русское слово на клавиатуре с латинской раскладкой, составить пароль из рядом расположенных на клавиатуре клавиш и т. п.
Поэтому не надо удивляться, если такой «хитрый» пароль будет вскрыт хакерами — они не глупее самих пользователей, и уже вставили в свои программы те правила, по которым может идти преобразование слов. В самых продвинутых программах ( John The Ripper , Password Cracking Library ) эти правила могут быть программируемыми и задаваться с помощью специального языка самим хакером.
Приведем пример эффективности такой стратегии перебора. Во многих книгах по безопасности предлагается выбирать в качестве надежного пароля два осмысленных слова, разделенных некоторым знаком, например «good!password» . Подсчитаем, за сколько времени в среднем будут сломаны такие пароли, если такое правило включено в набор программы-взломщика (пусть словарь 10000 слов, разделительными знаками могут быть 10 цифр и 32 знака препинания и специальных символа, машина класса Pentium со скоростью 15000 crypt/сек):=140 000 секунд или менее 1.5 дней!
С момента начала написания этой статьи в 1996 году положение в применении средств криптографии в прикладных программах бесспорно меняется в лучшую сторону. Постепенно разработчики осознают необходимость применения зарекомендовавших себя алгоритмов, сдвигаются с мертвой точки позиции некоторых стран в вопросе экспорта криптоалгоритмов, разрабатываются новые алгоритмы и стандарты с большей длиной ключа и эффективностью для реализации на всех типах процессоров, от 8-битных до RISC.
Тем не менее, остается огромная пропасть между уровнем стойкости и надежности существующего сейчас ПО, применяющего криптоалгоритмы, в котором до сих пор находятся «детские» дыры (последний пример — реализация PPTP от Microsoft [4]) и тем уровнем криптостойкости, который демонстрируют последние, независимо проанализированные ведущими криптоаналитиками алгоритмы и протоколы, где серьезной уязвимостью считается, например, та, что требует 2 65 блоков шифрованного текста и затем 2 58 перебора вариантов или одного открытого текста, зашифрованного 2 33 разными, но зависимыми друг от друга ключами и затем сложности анализа, равного 2 57 [5].
Хочется надеяться, что будущие реализации и применение этих алгоритмов сохранят столь высокую степень их надежности.
Можно выделить 4 основных группы причин ненадежности криптографических систем: применение нестойких алгоритмов, неправильная реализация или применение криптоалгоритмов, а также человеческий фактор. При этом видна четкая параллель между ними и причинами нарушения безопасности вычислительных систем.
Из-за описанных причин имелись или имеются проблемы в безопасности у всех классов программных продуктов, использующие криптоалгоритмы, будь то операционные системы; криптопротоколы; клиенты и сервера, их поддерживающие; офисные программы; пользовательские утилиты шифрования; популярные архиваторы.
Для того, чтобы грамотно реализовать собственную криптосистему, необходимо не только ознакомится с ошибками других и понять причины, по которым они произошли, но и, возможно, применять особые защитные приемы программирования и специализированные средства разработки.
1 Под криптостойкостью здесь и далее будет пониматься количество вариантов для нахождения ключа перебором.
2 Это было до недавнего времени. Сейчас — 56 бит.
3 [ ] — целая часть (ближайшее целое снизу).
4 ] [ — ближайшее целое сверху.
5 Ясно, что и здесь и в примере выше получаются одни и те же числа, но за счет округления в разные стороны оказывается разница в 1 символ.
6 что приблизительно соответствует 56 битам для симметричных алгоритмов.
7 миллион инструкций в секунду в течении года.
8 Используя специальные платы или распараллеливание, это время можно уменьшить на несколько порядков.
1. Теория и практика обеспечения информационной безопасности. Под редакцией Зегжды П.Д. — М., Яхтсмен, 1996.
3. Mark W. Eichin, Jon A. Rochils. With Microscope and Tweezers: An Analysis of the Internet virus of November 1988.
5. Eli Biham, Lars R. Knudsen. Cryptanalysis of the ANSI X9.52 CBCM Mode. Proceedings of Eurocrypt’98 .
Почему криптосистемы ненадежны? (стр. 3 из 3)
1. Теория и практика обеспечения информационной безопасности. Под редакцией Зегжды П.Д. — М., Яхтсмен, 1996.
2. П. Кочер. Временной анализ реализаций Диффи-Хеллмана, RSA, DSS и других систем
3. Mark W. Eichin, Jon A. Rochils. With Microscope and Tweezers: An Analysis of the Internet virus of November 1988.
4. Б. Шнайер, П. Мюдж. Криптоанализ протокола PPTP от Microsoft.
5. Eli Biham, Lars R. Knudsen. Cryptanalysis of the ANSI X9.52 CBCM Mode. Proceedings of Eurocrypt'98.
Баpичев Сеpгей. Kpиптогpафия без секpетов.
Bruce Schneier. Why Cryptography Is Harder Than It Looks
Почему криптосистемы ненадежны
В настоящее время криптография успешно используется почти во всех информационных системах — от Internet до баз данных. Без нее обеспечить требуемую степень конфиденциальности в современном, до предела компьютеризированном мире уже не представляется возможным. Кроме того, с помощью криптографии предотвращаются попытки мошенничества в системах электронной коммерции и обеспечивается законность финансовых сделок. Со временем значение криптографии, по всей вероятности, возрастет. Для этого предположения имеются веские основания.
Однако с огорчением приходится признать, что подавляющее большинство криптографических систем не обеспечивает того высокого уровня защиты, о котором с восторгом обычно говорится в их рекламе. Многие из них до сих пор не были взломаны по той простой причине, что пока не нашли широкого распространения. Как только эти системы начнут повсеместно применяться на практике, они, словно магнит, станут привлекать пристальное внимание злоумышленников, которых сегодня развелось великое множество. При этом удача и везение будут явно на стороне последних. Ведь для достижения своих целей им достаточно найти в защитных механизмах всего лишь одну брешь, а обороняющимся придется укреплять все без исключения уязвимые места.
Реализация
Понятно, что никто не в состоянии предоставить стопроцентную гарантию безопасности. Тем не менее, криптографическую защиту без особых усилий можно спроектировать так, чтобы она противостояла атакам злоумышленников вплоть до того момента, когда им станет проще добыть желаемую информацию другим путем (например, с помощью подкупа персонала или внедрения программ-шпионов). Ведь криптография действительно хороша именно тем, что для нее уже давно придуманы эффективные алгоритмы и протоколы, которые необходимы, чтобы надежно защитить компьютеры и компьютерные сети от электронного взлома и проявлений вандализма.
Вот почему в реальной жизни криптографические системы редко взламываются чисто математическими методами. Ведь криптографический алгоритм или протокол от его практической реализации в виде работающей программы, как правило, отделяет зияющая пропасть. Даже доказанный по всем правилам формальной логики факт, что криптографическая защита совершенна с математической точки зрения, совсем не означает, что она останется таковой после того, как над ее внедрением поработают программисты.
Известно, что под давлением бюджетных ограничений, дефицита времени и личных неурядиц программисты неизбежно допускают весьма серьезные ошибки при реализации алгоритмов — используют плохие датчики случайных чисел для генерации криптографических ключей, не учитывают специфику аппаратной среды, в которой предстоит эксплуатировать созданные ими программные средства, а также регулярно забывают удалять ключевую и другую секретную информацию из оперативной памяти компьютера или с магнитного носителя после того, как надобность в ее хранении там отпала. Единственный способ научиться избегать этих и им подобных ошибок состоит в том, чтобы вновь и вновь стараться создать совершенные системы криптографической защиты данных, а потом не менее упорно пытаться их взломать.
Конечно, после того как брешь в системе криптографической защиты найдена, ее довольно легко можно залатать. Но сам поиск подобного рода дефектов является невероятно сложной задачей. Никакое предварительное тестирование не поможет обнаружить в криптографической системе все дефекты, поскольку ни один тест в отдельности не может дать полной гарантии их отсутствия. Ведь если программа шифрования правильно зашифровывает и расшифровывает файлы, это еще совсем не значит, что она надежно защищает их содержимое.
Симметричные криптосистемы
Симметри́чные криптосисте́мы (также симметричное шифрование, симметричные шифры) (англ. symmetric-key algorithm ) — способ шифрования, в котором для шифрования и дешифрования применяется один и тот же криптографический ключ. До изобретения схемы асимметричного шифрования единственным существовавшим способом являлось симметричное шифрование. Ключ алгоритма должен сохраняться в тайне обеими сторонами, должны осуществляться меры по защите доступа к каналу, на всем пути следования криптограммы, или сторонами взаимодействия посредством криптообъектов, сообщений, если данный канал взаимодействия под грифом «Не для использования третьими лицами». Алгоритм шифрования выбирается сторонами до начала обмена сообщениями.
Содержание
Основные сведения
Алгоритмы шифрования данных широко применяются в компьютерной технике в системах сокрытия конфиденциальной и коммерческой информации от злонамеренного использования сторонними лицами. Главным принципом в них является условие, что передатчик и приемник заранее знают алгоритм шифрования, а также ключ к сообщению, без которых информация представляет собой всего лишь набор символов, не имеющих смысла.
Классическими примерами таких алгоритмов являются симметричные криптографические алгоритмы, перечисленные ниже:
Простая перестановка
Простая перестановка без ключа — один из самых простых методов шифрования. Сообщение записывается в таблицу по столбцам. После того, как открытый текст записан колонками, для образования шифртекста он считывается по строкам. Для использования этого шифра отправителю и получателю нужно договориться об общем ключе в виде размера таблицы. Объединение букв в группы не входит в ключ шифра и используется лишь для удобства записи несмыслового текста.
Одиночная перестановка по ключу
Более практический метод шифрования, называемый одиночной перестановкой по ключу, очень похож на предыдущий. Он отличается лишь тем, что колонки таблицы переставляются по ключевому слову, фразе или набору чисел длиной в строку таблицы.
Двойная перестановка
Для дополнительной скрытности можно повторно шифровать сообщение, которое уже было зашифровано. Этот способ известен под названием двойная перестановка. Для этого размер второй таблицы подбирают так, чтобы длины её строк и столбцов отличались от длин в первой таблице. Лучше всего, если они будут взаимно простыми. Кроме того, в первой таблице можно переставлять столбцы, а во второй строки. Наконец, можно заполнять таблицу зигзагом, змейкой, по спирали или каким-то другим способом. Такие способы заполнения таблицы если и не усиливают стойкость шифра, то делают процесс дешифрования гораздо более занимательным.
Перестановка «Магический квадрат»
Магическими квадратами называются квадратные таблицы со вписанными в их клетки последовательными натуральными числами от 1, которые дают в сумме по каждому столбцу, каждой строке и каждой диагонали одно и то же число. Подобные квадраты широко применялись для вписывания шифруемого текста по приведенной в них нумерации. Если потом выписать содержимое таблицы по строкам, то получалась шифровка перестановкой букв. На первый взгляд кажется, будто магических квадратов очень мало. Тем не менее, их число очень быстро возрастает с увеличением размера квадрата. Так, существует лишь один магический квадрат размером 3 х 3, если не принимать во внимание его повороты. Магических квадратов 4 х 4 насчитывается уже 880, а число магических квадратов размером 5 х 5 около 250000. Поэтому магические квадраты больших размеров могли быть хорошей основой для надежной системы шифрования того времени, потому что ручной перебор всех вариантов ключа для этого шифра был немыслим.
В квадрат размером 4 на 4 вписывались числа от 1 до 16. Его магия состояла в том, что сумма чисел по строкам, столбцам и полным диагоналям равнялась одному и тому же числу — 34. Впервые эти квадраты появились в Китае, где им и была приписана некоторая «магическая сила».
| 16 | 3 | 2 | 13 |
| 5 | 10 | 11 | 8 |
| 9 | 6 | 7 | 12 |
| 4 | 15 | 14 | 1 |
Шифрование по магическому квадрату производилось следующим образом. Например, требуется зашифровать фразу: «ПриезжаюСегодня.». Буквы этой фразы вписываются последовательно в квадрат согласно записанным в них числам: позиция буквы в предложении соответствует порядковому числу. В пустые клетки ставится точка.
| 16. | 3 и | 2 р | 13 д |
| 5 з | 10 е | 11 г | 8 ю |
| 9 С | 6 ж | 7 а | 12 о |
| 4 е | 15 я | 14 н | 1 П |
После этого шифрованный текст записывается в строку (считывание производится слева направо, построчно):
.ирдзегюСжаоеянП
При дешифровании текст вписывается в квадрат, и открытый текст читается в последовательности чисел «магического квадрата». Программа должна генерировать «магические квадраты» и по ключу выбирать необходимый. Размер квадрата больше чем 3х3.
История
Требования
Полная утрата всех статистических закономерностей исходного сообщения является важным требованием к симметричному шифру. Для этого шифр должен иметь «эффект лавины» — должно происходить сильное изменение шифроблока при 1-битном изменении входных данных (в идеале должны меняться значения 1/2 бит шифроблока).
Также важным требованием является отсутствие линейности (то есть условия f(a) xor f(b) == f(a xor b)), в противном случае облегчается применение дифференциального криптоанализа к шифру.
Общая схема
В настоящее время симметричные шифры — это:
-
. Обрабатывают информацию блоками определённой длины (обычно 64, 128 бит), применяя к блоку ключ в установленном порядке, как правило, несколькими циклами перемешивания и подстановки, называемыми раундами. Результатом повторения раундов является лавинный эффект — нарастающая потеря соответствия битов между блоками открытых и зашифрованных данных. , в которых шифрование проводится над каждым битом либо байтом исходного (открытого) текста с использованием гаммирования. Поточный шифр может быть легко создан на основе блочного (например, ГОСТ 28147-89 в режиме гаммирования), запущенного в специальном режиме.
Большинство симметричных шифров используют сложную комбинацию большого количества подстановок и перестановок. Многие такие шифры исполняются в несколько (иногда до 80) проходов, используя на каждом проходе «ключ прохода». Множество «ключей прохода» для всех проходов называется «расписанием ключей» (key schedule). Как правило, оно создается из ключа выполнением над ним неких операций, в том числе перестановок и подстановок.
Типичным способом построения алгоритмов симметричного шифрования является сеть Фейстеля. Алгоритм строит схему шифрования на основе функции F(D, K), где D — порция данных размером вдвое меньше блока шифрования, а K — «ключ прохода» для данного прохода. От функции не требуется обратимость — обратная ей функция может быть неизвестна. Достоинства сети Фейстеля — почти полное совпадение дешифровки с шифрованием (единственное отличие — обратный порядок «ключей прохода» в расписании), что значительно облегчает аппаратную реализацию.
Операция перестановки перемешивает биты сообщения по некоему закону. В аппаратных реализациях она тривиально реализуется как перепутывание проводников. Именно операции перестановки дают возможность достижения «эффекта лавины». Операция перестановки линейна — f(a) xor f(b) == f(a xor b)
Операции подстановки выполняются как замена значения некоей части сообщения (часто в 4, 6 или 8 бит) на стандартное, жестко встроенное в алгоритм иное число путём обращения к константному массиву. Операция подстановки привносит в алгоритм нелинейность.
Зачастую стойкость алгоритма, особенно к дифференциальному криптоанализу, зависит от выбора значений в таблицах подстановки (S-блоках). Как минимум считается нежелательным наличие неподвижных элементов S(x) = x, а также отсутствие влияния какого-то бита входного байта на какой-то бит результата — то есть случаи, когда бит результата одинаков для всех пар входных слов, отличающихся только в данном бите.
Параметры алгоритмов
Существует множество (не менее двух десятков) алгоритмов симметричных шифров, существенными параметрами которых являются:
Виды симметричных шифров
-
(англ. Advanced Encryption Standard ) — американский стандарт шифрования — советский и российский стандарт шифрования, также является стандартом СНГ (англ. Data Encryption Standard ) — стандарт шифрования данных в США (Triple-DES, тройной DES) (Шифр Ривеста (Rivest Cipher или Ron’s Cipher)) (International Data Encryption Algorithm, международный алгоритм шифрования данных) (по инициалам разработчиков Carlisle Adams и Stafford Tavares) и Khafre
-
(алгоритм шифрования с ключом переменной длины) (Software Efficient Algorithm, программно-эффективный алгоритм) (World Auto Key Encryption algorithm, алгоритм шифрования на автоматическом ключе)
Сравнение с асимметричными криптосистемами
Достоинства
Недостатки
Для компенсации недостатков симметричного шифрования в настоящее время широко применяется комбинированная (гибридная) криптографическая схема, где с помощью асимметричного шифрования передаётся сеансовый ключ, используемый сторонами для обмена данными с помощью симметричного шифрования.
Важным недостатком симметричных шифров является невозможность их использования в механизмах формирования электронной цифровой подписи и сертификатов, так как ключ известен каждой стороне.