 |
Основные режимы работы алгоритма DES
|
|
|
|
Алгоритм DES вполне подходит как для шифрования, так и для аутентификации данных. Он позволяет непосредственно преобразовывать 64-битовый входной открытый текст в 64-битовый выходной шифрованный текст, однако данные редко ограничиваются 64 разрядами.
Чтобы воспользоваться алгоритмом DES для решения разнообразных криптографических задач, разработаны четыре рабочих режима:
· электронная кодовая книга ECB(Electronic Code Book);
· сцепление блоков шифра CBC (Cipher Block Chaining);
· обратная связь по шифртексту CFB (Cipher Feed Back);
· обратная связь по выходу OFB (Output Feed Back).
Режим «Электронная кодовая книга». Длинный файл разбивают на 64-битовые отрезки (блоки) по 8 байтов. Каждый из этих блоков шифруют независимо с использованием одного и того же ключа шифрования (рис.19).
Основное достоинство – простота реализации. Из-за фиксированного характера шифрования при ограниченной длине блока 64 бита возможно проведение криптоанализа «со словарем». Блок такого размера может повториться в сообщении вследствие большой избыточности в тексте на естественном языке. Это приводит к тому, что идентичные блоки открытого текста в сообщении будут представлены идентичными блоками шифртекста, что дает криптоаналитику некоторую информацию о содержании сообщения.
Рис. 19. Схема алгоритма DES в режиме электронной кодовой книги
Режим «Сцепление блоков шифра» (рис. 20). В этом режиме исходный файл М разбивается на 64-битовые блоки: М = М1М2...Мn. Первый блок М1 складывается по модулю 2 с
64-битовым начальным вектором IV, который меняется ежедневно и держится в секрете (см. следующий рис.). Полученная сумма затем шифруется с использованием ключа DES, известного и отправителю, и получателю информации. Полученный 64-битовый шифр С1 складывается по модулю 2 со вторым блоком текста, результат шифруется и получается второй 64-битовый шифр С2, и т.д. Процедура повторяется до тех пор, пока не будут обработаны все блоки текста.
|
|
|
Таким образом, для всех i из {1,…,n} (n – число блоков) результат шифрования Сi определяется следующим образом:
Сi =DES (Мi Å Ci–1),
где С0 = IV – начальное значение шифра, равное начальному вектору (вектору инициализации).
Очевидно, что последний 64-битовый блок шифртекста является функцией секретного ключа, начального вектора и каждого бита открытого текста независимо от его длины. Этот блок шифртекста называют кодом аутентификации сообщения (КАС).
Рис. 20. Схема алгоритма DES в режиме сцепления блоков шифра
Код КАС может быть легко проверен получателем, владеющим секретным ключом и начальным вектором, путем повторения процедуры, выполненной отправителем. Посторонний, однако, не может осуществить генерацию КАС, который воспринялся бы получателем как подлинный, чтобы добавить его к ложному сообщению, либо отделить КАС от истинного сообщения для использования его с измененным или ложным сообщением.
Достоинство данного режима в том, что он не позволяет накапливаться ошибкам при передаче.
Блок Мi является функцией только Сi–1 и Сi. Поэтому ошибка при передаче приведет к потере только двух блоков исходного текста.
Режим «Обратная связь по шифру» (рис. 21). В этом режиме размер блока длиной k битов может отличаться от 64 бит (см. рис. ниже). Файл, подлежащий шифрованию (расшифрованию), считывается последовательными блоками длиной k битов, k 
64.
Рис. 21. Схема алгоритма DES в режиме обратной связи по шифртексту
Входной блок (64-битовый регистр сдвига) вначале содержит вектор инициализации, выровненный по правому краю.
Предположим, что в результате разбиения на блоки мы получили n блоков длинойk битов каждый (остаток дописывается нулями или пробелами). Тогда для любого i из {1,…,n} блок шифртекста получается по правилу
|
|
|
Сi = Mi Å Pi–1,
где Рi–1 обозначает k старших битов предыдущего зашифрованного блока.
Обновление сдвигового регистра осуществляется путем удаления его старших k битов и записи Сi в регистр. Восстановление зашифрованных данных также выполняется относительно просто: Рi–1 и Сi вычисляются аналогичным образом и Мi = Сi Å Рi–1.
Режим «Обратная связь по выходу» (рис. 22). Этот режим тоже использует переменный размер блока и сдвиговый регистр, инициализируемый так же, как в режиме СFB, а именно – входной блок вначале содержит вектор инициализации IV, выровненный по правому краю (см. следующий рис.). При этом для каждого сеанса шифрования данных необходимо использовать новое начальное состояние регистра, которое должно пересылаться по каналу открытым текстом.
Положим М = М1 М2 ... Mn. Для всех i из {1,…, n}
Сi = MiÅ Pi,
где Рi – старшие k битов операции DES (Сi–1).
Отличие от режима обратной связи по шифртексту состоит в методе обновления сдвигового регистра.
Это осуществляется путем отбрасывания старших k битов и дописывания справа Рi.
Рис. 22. Схема алгоритма DES в режиме обратной связи по выходу
ОбластипримененияалгоритмаDES
Каждому из рассмотренных режимов (ЕСВ, СВС, CFB, OFB) свойственны свои достоинства и недостатки, что обусловливает области их применения.
Режим ЕСВ хорошо подходит для шифрования ключей: режим CFB, как правило, предназначается для шифрования отдельных символов, а режим OFB нередко применяется для шифрования в спутниковых системах связи.
Режимы СВС и CFB пригодны для аутентификации данных. Эти режимы позволяют использовать алгоритм DES для:
· интерактивного шифрования при обмене данными между терминалом и главной ЭВМ;
· шифрования криптографического ключа в практике автоматизированного распространения ключей;
· шифрования файлов, почтовых отправлений, данных спутников и других практических задач.
Первоначально стандарт DES предназначался для шифрования и расшифрования данных ЭВМ. Однако его применение было обобщено и на аутентификацию.
|
|
|
В системах автоматической обработки данных человек не в состоянии просмотреть данные, чтобы установить, не внесены ли в них какие-либо изменения. При огромных объемах данных, проходящих в современных системах обработки, просмотр занял бы слишком много времени. К тому же избыточность данных может оказаться недостаточной для обнаружения ошибок. Даже в тех случаях, когда просмотр человеком возможен, данные могут быть изменены таким образом, что обнаружить эти изменения человеку очень трудно. Например, «do» может быть заменено на «do not», «$1900» – на «$9100». Без дополнительной информации человек при просмотре может легко принять измененные данные за подлинные. Такие опасности могут существовать даже при использовании шифрования данных. Поэтому желательно иметь автоматическое средство обнаружения преднамеренных и непреднамеренных изменений данных.
Обыкновенные коды, обнаруживающие ошибки, непригодны, так как если алгоритм образования кода известен, противник может выработать правильный код после внесения изменений в данные. Однако с помощью алгоритма DES можно образовать криптографическую контрольную сумму, которая может защитить как от случайных, так и преднамеренных, но несанкционированных изменений данных.
Этот процесс описывает стандарт для аутентификации данных ЭВМ (FIPS 113). Суть стандарта состоит в том, что данные зашифровываются в режиме обратной связи по шифртексту (режим CFB) или в режиме сцепления блоков шифра (режим СВС), в результате чего получается окончательный блок шифра, представляющий собой функцию всех разрядов открытого текста. После этого сообщение, которое содержит открытый текст, может быть передано с использованием вычисленного окончательного блока шифра, служащего в качестве криптографической контрольной суммы.
Одни и те же данные можно защитить, пользуясь как шифрованием, так и аутентификацией. Данные защищаются от ознакомления шифрованием, а изменения обнаруживаются посредством аутентификации. Алгоритм аутентификации можно применить как к открытому, так и к зашифрованному тексту. При финансовых операциях, когда в большинстве случаев реализуются и шифрование, и аутентификация, последняя применяется и к открытому тексту.
|
|
|
Шифрование и аутентификацию используют для защиты данных, хранящихся в ЭВМ. Во многих ЭВМ пароли зашифровывают необратимым образом и хранят в памяти машины. Когда пользователь обращается к ЭВМ и вводит пароль, последний зашифровывается и сравнивается с хранящимся значением. Если обе зашифрованные величины одинаковы, пользователь получает доступ к машине, в противном случае следует отказ.
Нередко зашифрованный пароль вырабатывают с помощью алгоритма DES, причем ключ полагается равным паролю, а открытый текст – коду идентификации пользователя.
С помощью алгоритма DES можно также зашифровать файлы ЭВМ для их хранения.
Одним из наиболее важных применений алгоритма DES является защита сообщений электронной системы платежей (ЭСП) при операциях с широкой клиентурой и между банками.
Алгоритм DES реализуется в банковских автоматах, терминалах в торговых точках, автоматизированных рабочих местах и главных ЭВМ. Диапазон защищаемых им данных весьма широк – от оплат $50 до переводов на многие миллионы долларов. Гибкость основного алгоритма DES позволяет использовать его в самых разнообразных областях применения электронной системы платежей.
|
|
|
