Файл: Мнтоды кодирования данных.pdf

Если ключ известен, или он раскрывается, то весь процесс шифрования обнуляется. Следовательно, наибольшая проблема технологии шифрования AES заключается в управлении ключами. При этом должны быть обеспечены: генерация ключей с использованием генератора истинных случайных чисел, а не псевдослучайной последовательности; хранение ключей в защищенном элементе системы шифрования; невозможность перехвата ключей непосредственно во время их передачи.

Асимметричное шифрование всегда использует два разных ключа - закрытый и открытый. При этом они всегда генерируются в виде связанной пары. Закрытый ключ всегда остается у его отправителя, в то время как открытый ключ передается по незащищенному каналу принимающей стороне. Открытый ключ может использоваться для шифрования сообщений, которые могут быть расшифрованы только с помощью связанного с ним закрытого ключа. Закрытый ключ может генерировать электронную подпись, с помощью которой получатель получает возможность однозначно идентифицировать отправителя с помощью связанного открытого ключа.

Асимметричное шифрование основано на идее использования односторонних математических функций. Они должны быть как можно более простыми для расчета, но для них очень сложно выполнить обратное вычисление. Поскольку постоянное повышение вычислительной мощности улучшает способность компьютеров в части вычисления сложных реверсивных функций, то для обеспечения надлежащей безопасности ключи должны быть соответствующей длины. В настоящее время как безопасные классифицируются ключи на 2048 бит, такие как RSA 2048. Поскольку, по мере увеличения длины ключа, скорости шифрования и дешифрования уменьшаются, то асимметричные методы являются практически целесообразными только для обработки небольших объемов данных.

Альтернативой для традиционного асимметричного шифрования является эллиптическая криптография, основанная на методе эллиптических кривых над конечными полями (Elliptic Curve Cryptography, ECC). Данный метод реализуется на том же подходе, что и асимметричная технология, но использует для шифрования точки на эллиптических кривых. Это делает вычислительные операции гораздо более сложными, таким образом, в соответствии с текущим уровнем техники, безопасный уровень достигается даже при использовании 256-битных ключей. Технология шифрования ECC с 256 точками уже не требует значительного увеличения затрат времени на выполнение операций по сравнению с относительно безопасными симметричными методами шифрования.

Если выбирается симметричное шифрование пользовательских данных, но при этом не достигнут требуемый уровень безопасности, технология может быть улучшена с помощью гибридного шифрования. В этом случае симметричный ключ отправляется в зашифрованном виде с помощью асимметричного открытого ключа. Это означает, что только авторизованный получатель с соответствующим закрытым ключом может принять и расшифровать переданный симметричный ключ. В то же самое время отправитель симметричного ключа использует свой закрытый ключ для создания электронной подписи, которая позволяет получателю, используя соответствующий открытый ключ, однозначно его идентифицировать. Основа для организации симметрично зашифрованного канала связи будет заложена только после того, как произошел обмен этими ключами, и они были расшифрованы.

Этот комбинированный способ устраняет недостатки двух отдельных методов, а именно: небезопасная передача ключа для симметричного шифрования и малая скорость, присущая асимметричной технологии шифрования.

1.4. Аппаратное и программное шифрование

Каждый метод кодирования данных (шифрования) может быть реализован с помощью программного обеспечения или аппаратно.

Шифрование на основе программного обеспечения имеет существенный недостаток: программа не является автономной и самодостаточной составляющей, она всегда зависит от своего окружения, такого как, например, операционная система. В результате она чувствительна к ошибкам, сбоям и атакам. Здесь есть и еще один отрицательный момент: если микроконтроллер или процессор встроенной системы должен дополнительно обрабатывать сложное шифрование и дешифрование, то при этом неизбежна потеря производительности.

Альтернативой является шифрование с использованием специально разработанных микросхем. Поскольку их единственная и основная функция - это операции, связанные с шифрованием, то в системе нет потери в производительности. Многие микросхемы шифрования дополнительно защищены еще и от физических атак. Таким образом, безопасность этих компонентов и ключей, не зависит от безопасности системы в целом.

В настоящее время имеется целый ряд различных решений в виде микросхем для шифрования, которые отвечают требованиям целого ряда приложений. Это и простые чипы аутентификации, такие как микросхемы серии Infineon Optiga Trust, которые используются для асимметричного шифрования (ECC 163). И микросхемы, которые являются хорошим выбором для аутентификации оригинальных аксессуаров из области потребительской электроники, такие как, например, серия микросхем Optiga Trust E с ECC 256 и SHA 256, которые обеспечивают аутентификацию медицинского оборудования. Они также используются в системах безопасности «умных домов», в промышленности и в технологии облачных вычислений для аутентификации и управления лицензиями. Серия микросхем Optiga Trust P с ECC 521 и RSA 2048 оснащена операционной системой на базе Java, в которой могут быть запрограммированы выделенные апплеты (прикладные мини-программы). Продукты компании STMicroelectronics STSAFE (ECC 384, SHA 384, AES 256) также предлагают самую высокую защиту, основанную на надежной аутентификации, шифрованной связи, защищенном депонировании ключей, а также защите при запуске обновления прошивки. Кроме того, имеются и стандартизированные модули Trusted Platform Modules (TPM), сочетающие в себе шифрование высокой сложности и безопасное депонирование большого количества ключей и подписей с защитой от физического считывания данных, хранящихся в них. Они, например, предлагаются компаниями Infineon и Microchip/Atmel.

Компания Microchip/Atmel разработала и смогла запустить в августе 2016 г. решение для защиты каналов передачи информации «от начала до конца» в структуре «Интернета вещей» (IoT), использовав для этого подключение к облачному сервису Amazon Web Services IoT (AWS IoT).

AWS IoT работает в соответствии со строгими критериями проверки подлинности и всеобъемлющего шифрования на всех соединительных точках пути передачи информации. Это гарантирует, что обмен данными между устройствами и AWS IoT никогда не происходит без подтвержденного идентификатора. Новые микросхемы – идентификаторы для аутентификации от Microchip/Atmel AWS-ECC508 позволяют максимально упростить соответствие требованиям AWS IoT Cloud. Это связано с тем, что компаниям - производителям конечного оборудования, не нужно загружать какие-либо закрытые ключи или сертификаты в микросхему во время своего производственного процесса. Дело в том, что микросхема АМС-ECC508 заранее должным образом уже сконфигурирована на предприятии-изготовителе и полностью готова к тому, чтобы сразу же быть обнаруженной в качестве одобренного устройства в системе технологии AWS IoT Cloud.

Вывод: Таким образом, существует огромное число хороших и качественных алгоритмов кодирования данных в шифровании информации, однако даже их использование, к сожалению, никак не исключает возможности несанкционированного доступа к данным.

2. Квантовое кодирование данных

В свете последних технологических прогрессов, а именно направление на создание квантовых компьютеров, обладающих более высокой вычислительной способностью, чем современные компьютеры, появилась новая бурно развивающееся направление науки - квантовая криптография или квантовая передача информаций по совершенно безопасному каналу.

Несмотря на то, что сегодня уже имеются коммерчески доступные устройства квантовой криптографий, научная деятельность в данном направлении продолжает развиваться. С момента рождения интернета 29 октября 1969 года, когда была произведена первая в мире передача информаций между Калифорнийским университетом Лос-Анджелеса и Стэндфордским исследовательским институтом, остро встал вопрос защиты и конфиденциальности передаваемой информации.

Кодирование информации в квантовых состояниях впервые было предложено в работах Стефана Вейснера. Позднее Чарльз Беннет и Жиль Брассард предложили использовать квантовые объекты для передачи секретного ключа. В 1984 г. они опубликовали статью, в которой описывался протокол квантового распространения ключа ВВ84.

Носителями информации в протоколе ВВ84 являются фотоны, поляризованные под углами 0, 45, 90, 135 градусов.

Далее идея была развита Экертом в 1991 году. В основе метода квантовой криптографии лежит наблюдение квантовых состояний фотонов. Отправитель задает эти состояния, а получатель их регистрирует. Здесь используется квантовый принцип неопределенности Гейзенберга, когда две квантовые величины не могут быть измерены одновременно с требуемой точностью. Таким образом, если отправитель и получатель не договорились между собой, какой вид поляризации квантов брать за основу, получатель может разрушить посланный отправителем сигнал, не получив никакой полезной информации. Эти особенности поведения квантовых объектов легли в основу протокола квантового распространения ключа.

2.1. Методы квантовой криптографии

Методы криптографии можно подразделить в зависимости от количества ключей, которые используются в соответствующих алгоритмах:

- двухключевые;

- одноключевые;

- бесключевые.

В двухключевых алгоритмах используется два ключа: открытый и секретный. В одноключевом используется обычный секретный ключ. И в бесключевом алгоритме не используются какие-либо ключи вообще.

Следует также отметить и остальные криптографические методы, такие как:

1. Электронная подпись, где алгоритм использует два вида ключей: секретный и открытый. Используется для подтверждения целостности данных и авторства.

2. Аутентификация. Данный метод позволяет определить действительно ли пользователь является тем, за кого себя выдает.

3. Методы криптографического контрольного суммирования:

- вычисление имитоприставок;

- ключевое и бесключевое хеширование;

- использование кодов аутентификации сообщений.

Все эти методы используются в защите данных, когда нельзя использовать электронную подпись и в разных схемах аутентификации.

4. Генераторы случайных и псевдослучайных используются в криптографии, в частности:

- для генерации секретных ключей;

- в большинстве алгоритмов электронной подписи;

- в большинстве схемах аутентификации.

Алгоритмы шифрования можно разделить на две категории:

- алгоритмы асимметричного шифрования;

- алгоритмы симметричного шифрования.

Схема практической реализации квантовой криптографии показана на рисунке. Передающая сторона находится слева, а принимающая - справа. Ячейки Покеля необходимы для импульсной вариации поляризации потока квантов передатчиком и для анализа импульсов поляризации приемником. Передатчик может формировать одно из четырех состояний поляризации. Передаваемые данные поступают в виде управляющих сигналов на эти ячейки. В качестве канала передачи данных может быть использовано оптоволокно. В качестве первичного источника света можно использовать и лазер.

Схема практической реализации квантовой криптографии

На принимающей стороне после ячейки Покеля установлена кальцитовая призма, которая расщепляет пучок на два фотодетектора (ФЭУ), измеряющие две ортогональные составляющие поляризации. При формировании передаваемых импульсов квантов возникает проблема их интенсивности, которую необходимо решать. Если квантов в импульсе 1000, есть вероятность, что 100 квантов по пути будет отведено злоумышленником на свой приемник. В последующем, анализируя открытые переговоры между передающей и принимающей стороной, он может получить нужную ему информацию. Поэтому в идеале число квантов в импульсе должно быть около одного. В этом случае любая попытка отвода части квантов злоумышленником приведет к существенному изменению всей системы в целом и, как следствие, росту числа ошибок у принимающей стороны. В подобной ситуации принятые данные должны быть отброшены, а попытка передачи повторена. Но, делая канал более устойчивым к перехвату, специалисты сталкиваются с проблемой "темнового" шума (получение сигнала, который не был отправлен передающей стороной, принимающей стороной) приемника, чувствительность которого повышена до максимума. Для того, чтобы обеспечить надежную передачу данных, логическому нулю и единице могут соответствовать определенные последовательности состояний, допускающие коррекцию одинарных и даже кратных ошибок.

Дальнейшего повышения отказоустойчивости квантовой криптосистемы можно достичь, используя эффект EPR, который возникает, когда сферически симметричный атом излучает два фотона в противоположных направлениях в сторону двух наблюдателей. Фотоны излучаются с неопределенной поляризацией, но в силу симметрии их поляризации всегда противоположны. Важной особенностью этого эффекта является то, что поляризация фотонов становится известной только после измерения. Экерт предложил криптосхему на основе эффекта EPR, которая гарантирует безопасность пересылки и хранения ключа. Отправитель генерирует некоторое количество EPR фотонных пар. Один фотон из каждой пары он оставляет для себя, второй посылает своему партнеру. При этом, если эффективность регистрации близка к единице, при получении отправителем значения поляризации 1, его партнер зарегистрирует значение 0 и наоборот. Таким образом партнеры всякий раз, когда требуется, могут получить идентичные псевдослучайные кодовые последовательности.