Файл: MethodFull.doc

Режим электронной шифровальной книги

Режим электронной шифровальной книги (electronic codebook, ECB) – это наиболее очевидный способ ис­пользовать блочный шифр: блок открытого текста заменяется блоком шифротекста. Так как один и тот же блок открытого текста заменяется одним и тем же блоком шифротекста, то теоретически возможно создать шифр о-вальную книгу блоков открытого текста и соответствующих шифротекстов. Однако, если размер блока – 64 би­та, то кодовая книга будет состоять из 2б4 записей – слишком много для предварительного вычисления и хран е-ния. И не забывайте, для каждого ключа понадобится отдельная шифровальная книга.

Это самый легкий режим работы. Все блоки открытого текста шифруются независимо. Нет необходимости в последовательном шифровании файла, можно зашифровать сначала 10 блоков из середины текста, затем последние блоки, и наконец, первые. Это важно для шифрованных файлов с произвольным доступом, например, для баз данных. Если база данных зашифрована в режиме ЕСВ, то любая запись может быть добавлена, удале­на, зашифрована или расшифрована независимо от любой другой записи (при условии, что каждая запись состоит из целого числа блоков шифрования). Кроме того, обработка может быть распараллелена, если используются несколько шифровальных процессоров, они могут независимо друг от друга шифровать или дешифрир о-вать различные блоки.

Проблемой режима ЕСВ является то, что если у криптоаналитика есть открытый текст и шифротекст для нескольких сообщений, он может начать составлять шифровальную книгу, не зная ключа. В большинстве реаль­ных ситуаций фрагменты сообщений имеют тенденцию повторяться. В различных сообщениях могут быть оди­наковые битовые последовательности. У сообщений, которые подобно электронной почте создаются компьютером, может быть регулярная структура. Сообщения могут иметь высокую степень избыточности или содержать длинные строки нулей или пробелов.

Если криптоаналитик знает, что блок открытого текста "5еО81Ьс5" при шифровании превращается в блок шифротекста "7еа593а4," то он может мгновенно расшифровать этот блок шифротекста, в каком-бы другом с со­общении он не появился. Если в шифрованном сообщении много повторов, которые имеют тенденцию занимать одинаковое место в различных сообщениях, криптоаналитик может получить много информации. Он может попытаться статистически вскрыть используемый открытый текст, независимо от силы блочного шифра.

Особенно уязвимы начало и окончание сообщений, где находится информация об отправителе, получателе дате и т.д. Эта проблема иногда называется стандартными заголовками и стандартными окончаниями.

Положительной стороной является возможность шифровать несколько сообщений одним ключом без снижения безопасности. По сути, каждый блок можно рассматривать как отдельное сообщение, шифрованное тем же самым ключом. При дешифрировании битовые ошибки в шифротексте приводят к неправильному дешифрированию соответствующего блока открытого текста, но не влияет на остальной открытый текст. Однако, если бит шифротекста случайно потерян или добавлен, то весь последующий шифротекст будет расшифрован неправильно, если для выравнивания границ блоков не используется какая-нибудь кадровая структура.

Набивка

Большинство сообщений точно не делятся на 64-битные (или любого другого размера) блоки шифрования, в конце обычно оказывается укороченный блок. ЕСВ требует использовать 64-битные блоки. Способом решения этой проблемы является набивка.

Последний блок дополняется (набивается) некоторым регулярным шаблоном - нулями, единицами, чер е-дующимися нулями и единицами - для получения полного блока. При необходимости удалить набивку после дешифрирования запишите количество байтов набивки в последний байт последнего блока . Например, пусть размер блока - 64 бита, и последний блок состоит из 3 байтов (24 бит). Для дополнения блока до 64 бит требу­ется пять байтов, добавьте четыре байта нулей и последний байт с числом 5. После дешифрирования удалите последние 5 байтов последнего расшифрованного блока. Чтобы этот метод работал правильно, каждое сообщ е-ние должно быть дополнено. Даже если открытый текст содержит целое число блоков, вам придется добавить один полный блок. С другой стороны, можно использовать символ конца файла для обозначения последнего байта открытого текста и дополнить этот символ ег.

Повтор блока

Более серьезной проблемой режима ЕСВ является то, что враг может изменить шифрованные сообщения, не зная ключа или даже алгоритма, чтобы обмануть предполагаемого получателя.

Для иллюстрации этой проблемы рассмотрим систему передачи денег, которая переводит деньги из банка в банк. Чтобы облегчить жизнь банковских компьютеров, банки согласовали примерно следующий стандартный формат сообщения для передачи денег:

Блок соответствует 8-байтному блоку шифрования. Сообщения шифруются с помощью некоторого блочного алгоритма в режиме ЕСВ.

Мэллори, который подслушивает линию связи между банками, банком Алисы и банком Боба, может использовать эту информацию для обогащения. Сначала, он программирует свой компьютер для записи всех шифрованных сообщений из банка Алисы в банк Боба. Затем, он переводит $100 из банка Алисы на свой счет в банк Боба. Позже, он повторяет эту операцию еще раз. С помощью своего компьютера он проверяет записанные с со­общения, разыскивая пару идентичных сообщений. Этими сообщениями являются те сообщения, которыми он переводит $100 на свой счет. Если он находит несколько пар одинаковых сообщений (что больше похоже на реальную жизнь), он делает еще один денежный перевод и записывает результат. В конце концов он сможет выделить сообщение, которым был проведен именно его перевод.

Теперь он может отправить это сообщение по каналу связи, когда захочет . Каждое сообщение приведет к з а-числению на его счет в банке Боба еще $100. Когда оба банка сверят свои переводы (возможно в конце дня), они обнаружат переводы-призраки, но если Мэллори достаточно умен, он уже сбежит в какую-нибудь банан о-вую республику без договора об экстрадиции, прихватив с собой деньги. И скорее всего он использует суммы несколько больше $100 и провернет операцию сразу для нескольких банков.

На первый взгляд банки могут легко пресечь это, добавляя метки времени к своим сообщениям .

В такой системе два идентичных сообщения будут легко обнаружены . Тем не менее, с помощью метода, на­зываемого повтором блока, Мэллори все же сможет обогатиться. На 7-й показано, что Мэллори может собрать восемь блоков шифротекста, соответствующих его имени и номеру счета : блоки с 5 по 12. В этот момент умест­но дьявольски рассмеяться, ведь Мэллори уже в полной готовности .

РисБлоки шифрования в записи приведенного примера.

Он перехватывает сообщения из банка Алисы в банк Боба и заменяет блоки с 5 по 12 сообщения байтами , соответствующими его имени и номеру счета. Затем он посылает измененные сообщения в банк Боба. Ему не нужно знать, кто был отправителем денег, ему даже не нужно знать переводимую сумму (хотя он может связать подправленное сообщение с соответствующим увеличением своего счета и определить блоки, соответствующие определенным денежным суммам). Он просто изменяет имя и номер счета на свои собственные и следит за ро с-том своих доходов. (Я помню, что Мэллори надо быть осторожным, чтобы не модифицировать сообщение о снятии денег, но предположим на минутку, что у этих сообщений другая длина или иной отличительный пр и-знак.)

Для обнаружения такого способа банкам одного дня не хватит. Когда они сверят свои переводы в конце дня, все суммы совпадут. Возможно, пока настоящий вкладчик не заметит, что его вклады не зачисляются на счет , или пока кто-нибудь не обратит внимание на неожиданную активизацию работы со счетом Мэллори, банки не смогут заметить никаких следов. Мэллори не глуп и к этому времени закроет свой счет, изменит имя и купит виллу в Аргентине.

Банки могут минимизировать эту проблему, часто меняя свои ключи, но это означает только, что Мэллори придется действовать побыстрее. Однако, добавление MAC также решит проблему. Несмотря на это рассматри­ваемая проблема фундаментальна для режима ЕСВ. Мэллори удалять, повторять или заменять блоки по своему усмотрению. Решением является способ, называемый сцеплением.

Режим сцепления блоков шифра

Сцепление добавляет к блочному шифру механизм обратной связи: результаты шифрования предыдущих блоков влияют на шифрование текущего блока. Другими словами, каждый блок используется для изменения шифрования следующего блока. Каждый блок шифротекста зависит не только от шифруемого блока открытого текста, но и от всех предыдущих блоков открытого текста.

В режиме сцепления блоков шифра (cipher block chaining, CBC) перед шифрованием над открытым тек­стом и предыдущим блоком шифротекста выполняется операция XOR. На 6-й (а) показано шифрование СВС в действии. ,Когда блок открытого текста зашифрован, полученный шифротекст сохраняется в регистре обратной связи. Прежде чем будет зашифрован следующий блок открытого текста, он подвергается операции XOR вместе

с содержимым регистра обратной связи. Таким образом создаются входные данные для следующего этапа пр о-цедуры шифрования. Полученный шифротекст снова сохраняется в регистре обратной связи, чтобы подвер г-нуться операции XOR вместе со следующим блоком открытого текста, и так до конца сообщения . Шифрование каждого блока зависит от всех предыдущих блоков.

Дешифрирование является обратной операцией. Блок шифротекста расшифровывается как обычно, но сохраняется в регистре обратной связи. Затем следующий блок дешифрируется и подвергается операции XOR вместе с содержимым регистра обратной связи. Теперь следующий блок шифротекста сохраня­ется в регистре обратной связи, и так далее, до конца сообщения .

Математически это выглядит следующим о бразом: