Защита информации. 13

1.1 Защита информации.

В современном мире любому человеку потеря какой-то ценной для него вещи доставляет много неприятностей.

В наше время все большая часть информации хранится в цифровом виде, на компьютерных носителях. Оказывается, это обстоятельство не упрощает, а усложняет проблему защиты информации.  Причем эта проблема принимает настолько глобальный характер, что государством принимаются специальные законы о защите информации, создаются новые службы, которых не было раньше.  В 1997 году Госстандартом России разработан ГОСТ основных терминов и определений в области защиты информации*.

Развитие новых информационных технологий и всеобщая компьютеризация привели к тому, что информационная безопасность становится не только обязательной, но и одной из характеристик информационной системы. Более того, существует довольно обширный класс систем обработки информации, при разработке которых фактор безопасности играет первостепенную роль (например, банковские информационные системы).

 Под безопасностью ИС понимается защищенность системы от случайного или преднамеренного вмешательства в нормальный процесс ее функционирования, от попыток; хищения (несанкционированного получения) информации, модификации или физического разрушения ее компонентов. Иначе говоря, это способность противодействовать различным возмущающим воздействиям на ИС.

Под угрозой безопасности информации понимаются события или действия, которые могут привести к искажению, несанкционированному использованию или даже к разрушению информационных ресурсов управляемой системы, а также программных и аппаратных средств. 
Виды умышленных угроз безопасности информации:

Пассивные угрозы направлены в основном на несанкционированное использование информационных ресурсов ИС, не оказывая при этом влияния на ее функционирование, несанкционированный доступ к базам данных, прослушивание каналов связи и т.д.

Активные угрозы имеют целью нарушение нормального функционирования ИС путем целенаправленного воздействия на ее компоненты. К активным угрозам относятся, например, вывод из строя компьютера или его операционной системы, искажение сведений в БнД, разрушение ПО компьютеров, нарушение работы линий связи и т.д.

Источником активных угроз могут быть действия взломщиков, вредоносные программы и т.п. Умышленные угрозы подразделяются также на внутренние и внешние.

 Внутренние угрозы чаще всего определяются социальной напряженностью и тяжелым моральным климатом в организации. Внешние угрозы могут вызываться злонамеренными действиями конкурентов, экономическими условиями.

К основным угрозам безопасности информации и нормального функционирования ИС относятся:

• утечка конфиденциальной информации;
• компрометация информации; несанкционированное  использование  информационных  ресурсов;
• ошибочное использование информационных ресурсов;
• несанкционированный обмен информацией между абонентами;
• отказ от информации; 
• нарушение информационного обслуживания;
• незаконное использование привилегий.

Утечка конфиденциальной информации — это бесконтрольный выход конфиденциальной информации за пределы ИС или круга лиц, которым она была доверена по службе или стала известна в процессе работы. 

Для предотвращения потери информации разрабатываются различные механизмы ее защиты, которые используются на всех этапах работы с ней.

1.2 Методы и средства защиты электронной информации

В современной теории безопасности сформулированы три базовых принципа защиты электронной информации:

► целостность данных - предусматривает защиту от сбоев, ведущих к потере информации;

► конфиденциальность информации;

► доступность информации только для авторизованных пользователей.

Предупреждение возможных угроз и противоправных действий в области охраны электронной информации может быть обеспечено различными методами и средствами, от создания в коллективе благоприятного климата до формирования прочной системы защиты физическими, аппаратными и программными средствами.

Характеристики защитных действий:

♦ по ориентации — персонал, материальные и финансовые ценности, информация;

♦ по характеру угроз — разглашение, утечка, несанкционированный доступ;

♦ по направлениям — правовая, организационно-техническая, инженерная;

♦ по способам действий — предупреждение, выявление, обнаружение, пресечение, восстановление;

♦ по охвату — территория, здание, помещение, аппаратура, элементы аппаратуры;

♦ по масштабу — объектовая, групповая, индивидуальная.

Средства защиты данных:

♣ уровни защиты - идентификация пользователя, допуск в систему, к данным, к задачам;

♣ уровни защиты данных - база данных, массив, набор, запись, поле;

♣ тип замка — ключевой процедурный;

♣ идентификация — одноуровневая, многоуровневая;

♣ вид пароля - статический (ключ), разовый, изменяемый (пользователем, администратором);

♣  динамическая проверка защищенности — в момент открытия базы, в момент утверждения на обмен данными.

Для защиты от чужого вторжения обязательно предусматриваются определенные меры безопасности.

Основные функции, которые должны осуществляться программными средствами:

● идентификация субъектов и объектов;

● разграничение (иногда и полная изоляция) доступа к вычислительным ресурсам и информации;

● контроль и регистрация действий с информацией и программами.

Процедура идентификации и подтверждения подлинности предполагает проверку того, является ли субъект, осуществляющий доступ (или объект, к которому осуществляется доступ), тем, за кого себя выдает. Подобные проверки могут быть одноразовыми или периодическими (особенно в случаях продолжительных сеансов работы).

В процедурах идентификации используются различные методы:

▪ простые, сложные или одноразовые пароли;

▪ обмен вопросами и ответами с администратором;

▪ ключи, магнитные карты, значки, жетоны;

▪ средства анализа индивидуальных характеристик (голоса, отпечатков пальцев, геометрических параметров рук, лица);

▪ специальные идентификаторы или контрольные суммы для аппаратуры, программ, данных.

Для защиты самого пароля выработаны определенные рекомендации, призванные сделать пароль надежным:

● пароль должен содержать по крайней мере восемь символов. Чем меньше символов содержит пароль, тем легче его разгадать;

● не следует использовать в качестве пароля очевидный набор символов, например имя, дату рождения, имена близких или наименования ваших программ. Лучше всего использовать для этих целей неизвестную посторонним формулу или цитату.

Защита ЭВМ осуществляется на трех уровнях:

♦ аппаратуры;

♦ программного обеспечения;

♦ данных.

Защита на уровне аппаратуры и программного обеспечения предусматривает управление доступом к вычислительным ресурсам: отдельным устройствам, оперативной памяти, операционной системе, специальным служебным или личным программам пользователя.

Защита информации на уровне данных направлена:

● на защиту информации при обращении к ней в процессе работы на ПЭВМ и выполнение только разрешенных операций над ними;

● на защиту информации при ее передаче по каналам связи между различными ЭВМ.

При выборе эффективных мер по обеспечению компьютерной безопасности очень важно своевременно выявить потенциальные опасности и угрозы, реализация которых может привести к компьютерным преступлениям. В процессе создания системы информационной безопасности важное место должно быть отведено предупреждению компьютерных преступлений и защите данных в компьютерных сетях.

Как правило, при предупреждении компьютерных преступлений выделяют технические, организационные и правовые меры.

● К техническим мерам можно отнести защиту от несанкционированного доступа к системе путем установления специальных паролей, резервирование особо важных компьютерных подсистем, организацию вычислительных сетей с возможностью перераспределения ресурсов в случае нарушения работоспособности отдельных звеньев, установку оборудования обнаружения и тушения пожара, оборудования обнаружения воды, принятие конструктивных мер для защиты от хищений, саботажа, диверсий, взрывов, установку резервных систем электропитания, оснащение помещений замками, установку сигнализаций и др.

● К организационным мерам относят охрану вычислительного центра, тщательный подбор персонала, исключение случаев ведения особо важных работ только одним человеком, наличие плана восстановления работоспособности центра после выхода его из строя, организацию обслуживания вычислительного центра посторонней организацией или лицами, не заинтересованными в сокрытии фактов нарушения работы центра, универсальность средств защиты от всех пользователей (включая высшее руководство), возложение ответственности на лиц, которые должны обеспечить безопасность центра, выбор места расположения центра и т. п.

● К правовым мерам следует отнести разработку норм, устанавливающих ответственность за компьютерные преступления, защиту авторских прав программистов, совершенствование уголовного и гражданского законодательства, а также судопроизводства. К правовым мерам относятся также вопросы общественного контроля разработчиков компьютерных систем и принятие международных договоров об ограничениях распространения информации, которая влияет или может повлиять на военные, экономические и социальные аспекты жизни стран, заключающих соглашение, а также доступа к ней.

Защита информации в современных условиях приобретает особую актуальность. Сложность создания системы защиты информации определяется тем, что данные могут быть похищены из компьютера и одновременно оставаться на месте, ценность некоторых данных заключается в обладании ими, а не в уничтожении или изменении.

В последнее время многочисленные виды защиты информации группируются в три основных класса:

► Средства физической защиты, включающие средства защиты кабельной системы, систем электропитания, средств архивации, дисковых массивов и т. д.

► Программные средства защиты, в том числе антивирусные программы, системы разграничения полномочий, программные средства контроля доступа.

► Административные меры защиты, включающие контроль доступа в помещения, разработку стратегии безопасности фирмы, планов действий в чрезвычайных ситуациях и т. д.

Для защиты информации активно используются программные средства, особенно при борьбе с вирусами. Наиболее распространенными методами защиты от вирусов являются различные антивирусные программы. Защитные программы подразделяются на три вида:

● фильтрующие (препятствующие проникновению вируса);

● противоинфекционные (постоянно контролирующие процессы в системе);

● противовирусные (настроенные на выявление отдельных вирусов).

1.3. Основные понятия криптологии и шифрования.

Криптолоогия- наука, занимающаяся методами шифрования и дешифрования.

Криптология состоит из двух частей — криптографии и криптоанализа. Криптография занимается разработкой методов шифрования данных; криптоанализ занимается оценкой сильных и слабых сторон методов шифрования, а также разработкой методов, позволяющих взламывать криптосистемы.

Криптограафия — это наука о методах обеспечения конфиденциальности и аутентичности информации. Под конфиденциальностью понимают невозможность получения информации из преобразованного массива без знания дополнительной информации (ключа). Аутентичность информации состоит в подлинности авторства и целостности.

Ключ — секретная информация, используемая криптографическим алгоритмом при шифровании или расшифровке сообщений, постановке и проверке цифровой подписи, вычислении кодов аутентичности (MAC). При использовании одного и того же алгоритма результат шифрования зависит от ключа. Для современных алгоритмов сильной криптографии утрата ключа приводит к практической невозможности расшифровать информацию. 

Основные направления использования криптографических методов – передача конфиденциальной информации по каналам связи (например, электронная почта), установление подлинности передаваемых сообщений, хранение информации (документов, баз данных) на носителях в зашифрованном виде.

Итак, предметом изучения криптографии является шифрование информации с целью ее защиты от несанкционированного доступа. Из оригинального документа (обычный текст, цифровое изображение, звуковой сигнал и др.), который называют открытым текстом, при шифровании образуется его зашифрованная версия, которую называют шифротекстом, закрытым текстом, криптограммой.

Основным видом криптографического преобразования информации является шифрование. Под шифрованием понимается процесс преобразования открытой информации в зашифрованную информацию (шифротекст) или процесс обратного преобразования зашифрованной информации в открытую. Процесс преобразования открытой информации в закрытую получил название зашифрование, а процесс преобразования закрытой информации в открытую - расшифрование. Вскрытие (взламывание) шифра есть процесс получения защищаемой информации (открытого текста) из шифрованного сообщения (шифртекста) без знания примененного шифра.

С помощью шифрования обеспечиваются три состояния безопасности информации:

• Конфиденциальность -  шифрование используется для скрытия информации от неавторизованных пользователей при передаче или при хранении.

• Целостность - шифрование используется для предотвращения изменения информации при передаче или хранении.

• Идентифицируемость - шифрование используется для аутентификации источника информации и предотвращения отказа отправителя информации от того факта, что данные были отправлены именно им.

Шифр  — какая-либо система преобразования текста с секретом (ключом) для обеспечения секретности передаваемой информации.

Шифры могут использовать один ключ для шифрования и дешифрования или два различных ключа. По этому признаку различают:

• Cимметричные шифр — способ шифрования, в котором для шифрования и расшифрования применяется один и тот же криптографический ключ.  
  До изобретения схемы асимметричного шифрования единственным существовавшим способом являлось симметричное шифрование.  
  Ключ алгоритма должен сохраняться в секрете обеими сторонами. Ключ алгоритма выбирается сторонами до начала обмена сообщениями. 
• Асимметричный шифр - шифр, использующий различные ключи для шифрования и дешифрования, называемые соответсвенно открытым (публичным, общим) и закрытым (личным) ключом. Асимметричные шифры являются довольно медленными, но им не свойственна проблема симметричных шифров с распространением ключа. Открытый ключ можно свободно распространять по незащищенным каналам, так как им можно только зашифровать, но не расшифровать текст.

Возможность создания подобных шифров появилась с развитием теории чисел, а практическое их применение — с развитием вычислительной техники, из-за необходимости вычислений над очень длинными числами (тысячи двоичных разрядов). 

 Шифры могут быть сконструированы так, чтобы либо шифровать сразу весь текст, либо шифровать его по мере поступления. Таким образом, существуют:

• Блочный шифр - шифрует сразу целый блок текста, выдавая шифротекст после получения всей информации.

• Поточный шифр - шифрует информацию и выдает шифротекст по мере поступления, таким образом имея возможность обрабатывать текст неограниченного размера, используя фиксированный объем памяти.

Естественно, что блочный шифр можно превратить в поточный, разбивая входные данные на отдельные блоки и шифруя их по отдельности.

Также существуют неиспользуемые сейчас подстановочные шифры, обладающие (в своём большинстве) слабой криптостойкостью.

В качестве информации, подлежащей шифрованию и расшифрованию, а также электронной подписи будут рассматриваться тексты (сообщения), построенные на некотором алфавите.

Алфавит – конечное множество используемых для кодирования информации знаков.

Текст (сообщение) – упорядоченный набор из элементов алфавита.

Основные задачи (сервисы) криптографии:

1) Обеспечение конфиденциальности – защита информации от ознакомления с ней со стороны лиц, не имеющих доступа к ней (конфиденциальная информация = секретная, ограниченного доступа информация);

2) Аутентификация – это подтверждение подлинности сторон (идентификация) и самой информации в процессе информационного обмена (получатель сообщения хочет убедиться, что сообщение пришло именно от определенного лица, а не от кого-либо другого, даже если это лицо захочет это отрицать);

3) Обеспечение целостности  – гарантирование, что информация  при хранении или передаче  не изменилась.

4) Обеспечение невозможности  отказаться от авторства –  предотвращение отказа субъектов  от факта передачи сообщения  и других совершенных ими действий. Когда сообщение отправлено, получатель  может убедиться, что это сделал  легальный отправитель. Аналогично, когда сообщение пришло, отправитель  может убедиться, что оно получено  легальным получателем.

5) Контроль доступа –  возможность ограничить и контролировать  доступ к системам и приложениям  по коммуникационным линиям.

Таким образом, наука криптология – это важнейшая часть всех  информационных систем. Она предотвращает попытки мошенничества в электронной коммерции и обеспечивает юридическую силу финансовых транзакций.

1.4 История  криптографии

О важности сохранения информации в тайне знали уже в древние времена, когда с появлением письменности появилась и опасность прочтения ее нежелательными лицами. Более того, первоначально письменность сама по себе была криптографической системой, так как в древних обществах ею владели только избранные. С широким распространением письменности криптография стала формироваться как самостоятельная наука. В документах древних цивилизаций - Индии, Египта, Месопотамии - есть сведения о системах и способах составления шифрованных писем.

Историки полагают, что первые протокриптографические приемы появились в Древнем Египте около 4 тыс. лет назад.

 Разработкой методов преобразования информации с целью ее защиты от несанкционированного прочтения занимается криптография.

В истории развития криптографии можно выделить три этапа :

- наивная криптография;

- формальная криптография;

- математическая криптография.

Наивная криптография

Для наивной криптографии (до начала XVI в.) характерно использование любых, обычно примитивных, способов запутывания противника относительно содержания передаваемых сообщений.  Шифровальные системы сводились к использованию перестановки или замены букв на различные символы (другие буквы, знаки, рисунки, числа и т.п.).

Одним из первых зафиксированных примеров является шифр Цезаря, состоящий в замене каждой буквы исходного текста на другую, отстоящую от нее в алфавите на определенное число позиций. Другой шифр, полибианский квадрат, авторство которого приписывается греческому писателю Полибию, является шифром простой однозначной замены. В квадрат выписывались буквы алфавита (для греческого алфавита размер составлял 5x5). Каждая буква исходного текста заменялась на пару цифр – номер строки и столбца на пересечении которых стояла шифруемая буква.

С VIII века н. э. развитие криптографии происходит в основном в арабских странах. В словарь криптологии арабы внесли такие понятия как алгоритм и шифр.

В древние времена широкое применение нашли различные простейшие криптографические устройства:

1. Греческим поэтом Архилохом, жившим в VII веке до н. э. упоминается устройство под названием сцитала (греч. σκυτάλη - жезл). Оно представляет собой цилиндр (иногда жезл командующего) и узкую полоску пергамента, обматывавшуюся вокруг него по спирали, на которой в свою очередь писалось сообщение .

Рис.2.1. Сцитала

Шифруемый текст писался на пергаментной ленте по длине палочки, после того как длина палочки оказывалась исчерпанной, она поворачивалась и текст писался далее, пока либо не заканчивался текст, либо не исписывалась вся пергаментная лента. Однако такой шифр может быть легко взломан. Например, метод взлома сциталы был предложен ещё Аристотелем.

2. Другим широко известным криптографическим устройством защиты информации был «диск Энея», придуманный Энеем Тактиком в IV веке до н. э. Устройство представляло собой диск диаметром 13-15 см и толщиной 1-2 см с проделанными в нём отверстиями, количество которых равнялось числу букв в алфавите. Каждому отверстию ставилась в соответствие конкретная буква. В центре диска находилась катушка с намотанной на неё ниткой.

Рис.2.2. Диск Энея

Для того, чтобы зашифровать послание, необходимо было поочерёдно протягивать свободный конец нити через отверстия обозначающие буквы исходного не зашифрованного сообщения. В итоге, сам диск, с продетой в его отверстия ниткой, и являлся зашифрованным посланием.

Формальная криптография

Этап формальной криптографии (конец XV – начало XX вв.) связан с появлением формализованных и относительно стойких к ручному криптоанализу шифров.

К концу XIV в. между итальянскими городами-государствами в переписке уже применялись «номенклаторы»1 (лат. nomen — «имя» и calator — «раб», «слуга»). Они состояли из кодовых обозначений для слогов, слов и имен, а также алфавитов шифрозамен. Вплоть до XIX в. номенклаторы оставались самой широко используемой системой сокрытия содержания сообщений. Симеоне де Крема (Simeone de Crema) был первым (1401 г.), кто использовал таблицы омофонов для сокрытия частоты появления гласных в тексте при помощи более чем одной шифрозамены (шифры многозначной замены).

Отцом западной криптографии называют учёного эпохи Возрождения Леона Баттисту Альберти. Он предложил вместо единственного секретного алфавита, как в моноалфавитных шифрах, использовать два или более, переключаясь между ними по какому-либо правилу. Он же первым заметил, что шифровать можно и по две буквы за раз - биграммами (хотя первый биграммный шифр Playfair был предложен лишь в XIX веке).

В 1550 г. итальянский математик Джероламо Кардано, состоящий на службе у папы римского, предложил новую технику шифрования - решётку Кардано. Этот способ сочетал в себе как стеганографию (искусство скрытого письма), так и криптографию. Затруднение составляло даже понять, что сообщение содержит зашифрованный текст, а расшифровать его, не имея ключа (решётки) в то время было практически невозможно. Решётку Кардано считают первым транспозиционным шифром, или, как ещё называют, геометрическим шифром, основанным на положении букв в шифротексте.

Значительный толчок криптографии дало изобретение телеграфа. Сама передача данных перестала быть секретной, и сообщение, в теории, мог перехватить кто угодно.

В 1883 г. голландец Огюст Керкгоффс  сформулировал известный «принцип Керкгоффса» - правило разработки криптографических систем, согласно которому в засекреченном виде держится только определённый набор параметров алгоритма, называемый ключом, а сам алгоритм шифрования должен быть открытым.

В 1920 г. вышла монография американского криптографа российского происхождения Уильяма Ф. Фридмана «Индекс совпадения и его применение в криптографии» (англ. «Index of Coincidence and Its Applications in Cryptography»). Двумя годами позже Фридман ввёл в научный обиход термины криптология и криптоанализ. Перед началом Второй мировой войны ведущие мировые державы имели электромеханические шифрующие устройства, результат работы которых считался невскрываемым. Эти устройства делились на два типа - роторные машины и машины на цевочных дисках. К первому типу относят «Энигму», использовавшуюся войсками Германии и её союзников, второго типа - американская M-209. В СССР производились оба типа машин.

Успешные криптоатаки на подобного рода криптосистемы стали возможны только с появлением ЭВМ.

Математическая криптография

После Первой мировой войны правительства стран засекретили все работы в области криптографии. Наибольший прогресс в криптографии достигается в военных ведомствах. Ключевой вехой в развитии криптографии является фундаментальный труд Клода Шеннона «Теория связи в секретных системах» (англ. Communication Theory of Secrecy Systems) - секретный доклад, представленный автором в 1945 г., и опубликованный им в «Bell System Technical Journal» в 1949 г. В этой работе, по мнению многих современных криптографов, был впервые показан подход к криптографии в целом как к математической науке.

В 1960-х годах начали появляться различные блочные шифры, которые обладали большей криптостойкостью по сравнению с результатом работы роторных машин. Однако они предполагали обязательное использование цифровых электронных устройств - ручные или полумеханические способы шифрования уже не использовались.

Примерно в это время Хорст Фейстель после перехода из ВВС США на работу в лабораторию корпорации IBM, занимается разработкой новых методов в криптографии и разрабатывает ячейку Фейстеля, ставшего первым в мире открытого государственного стандарта на шифрование данных. На основе ячейки Фейстеля были созданы и другие блочные шифры, в том числе TEA (1994 год), Twofish (1998 год), IDEA (2000 год), а также ГОСТ 28147-89, являющийся стандартом шифрования в России.

В 1976 г. публикуется работа Уитфилда Диффи и Мартина Хеллмана «Новые направления в криптографии» (англ. «New Directions in Cryptography»). Данная работа открыла новую область в криптографии, теперь известную как криптография с открытым ключом. Также в работе содержалось описание алгоритма Диффи - Хеллмана, позволявшего сторонам сгенерировать общий секретный ключ, используя открытый канал связи.

Первой реальной криптосистемой с открытым ключом считают алгоритм RSA(названный по имени авторов - Рон Ривест (R. Rivest), Ади Шамир (A. Shamir) и Леонард Адлеман (L. Adleman)). Опубликованная в августе 1977 года, работа позволила сторонам обмениваться секретной информацией, не имея заранее выбранного секретного ключа.

В России для шифрования с открытым ключом стандарт отсутствует, однако для электронной цифровой подписи (органически связанной с шифрованием с открытым ключом) принят ГОСТ Р 34.10-2001, использующий криптографию на эллиптических кривых.

Создание ассиметричных криптосистем подтолкнуло математиков и криптоаналитиков к изучению способов факторизации, дискретного логарифмирования, операций над эллиптическими кривыми в конечном поле и т.д.

Относительно новым методом является вероятностное шифрование. Вероятностное шифрование предложили Шафи Гольдвассер (Goldwasser) и Сильвио Микэли (Micali). Шифрование было названо «вероятностным» в связи с тем, что один и тот же исходный текст при шифровании с использованием одного и того же ключа может преобразовываться в совершенно различные шифротексты. При использовании криптосистем с открытым ключом существует возможность подбора открытого текста сопоставлением перехваченного шифротекста с результатом шифрования. Вероятностное шифрование позволяет на порядки увеличить сложность такого вида атаки.

Беннет (Bennet) и Брассард (Brassard), опираясь на работу Уиснера (Wiesner), разработали теорию квантовой криптографии, которая базируется скорее на квантовой физике, нежели на математике. Процесс отправки и приёма информации выполняется посредством объектов квантовой механики, например, при помощи электронов в электрическом токе, или фотонов в линиях волоконно-оптической связи. Основанная на принципах квантовой механики, эта система, в отличие от обычной криптографии, теоретически позволяет гарантированно защитить информацию от злоумышленника, даже если тот обладает самой современной технологией и неограниченными вычислительными мощностями. На данный момент, разрабатываются только прототипы квантовых криптосистем.