Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

Это не проблема. Все, что нужно сделать, — это скопировать зашифрованный блок 12 (с премией Ким) и заменить им блок 4 (с премией Лесли). Даже не зная содержимого блока 12, Лесли может рассчитывать на гораздо более веселое Рождество. (Можно скопировать и зашифрованный блок 8, но скорее всего это обнаружат; да и Лесли, в общем-то, не жадная.)

Режим сцепления блоков шифра

Чтобы противостоять подобным атакам, все блочные шифры можно модернизировать так, чтобы замена одного блока вызывала повреждение других блоков открытого текста после их расшифровки, превращая их (начиная с модифицированного места) в мусор. Один из таких методов — сцепление блоков шифра (cipher block chaining) (илл. 8.16). Перед зашифровкой каждый блок открытого текста складывается по модулю 2 с предыдущим уже зашифрованным блоком. Следовательно, блокам открытого текста не соответствуют одни и те же блоки зашифрованного текста, и этот метод не является большим моноалфавитным подстановочным шифром. Первый блок складывается по модулю 2 со случайно выбранным вектором инициализации (Initialization Vector, IV), который передается в виде открытого текста вместе с зашифрованными блоками.

Илл. 8.16. Сцепление блоков шифра. (а) Шифрование. (б) Дешифрование

Рассмотрим сцепление блоков шифра на примере, представленном на илл. 8.16. Сначала мы вычисляем C0 = E(P0 XOR IV), затем C1 = E(P1 XOR C0) и т.д. При дешифровании мы также используем операцию XOR, чтобы обратить этот процесс: P0 = IV XOR D(C0) и т.д. Следует заметить, что блок i является функцией всех блоков открытого текста с 0 по i – 1, поэтому один и тот же исходный блок текста преобразуется в разные зашифрованные блоки в зависимости от их расположения. При таком способе шифрования преобразование, произведенное Лесли, приведет к появлению двух блоков бессмысленного содержания, начиная с поля премии Лесли. Для сообразительного сотрудника службы безопасности эта странность может послужить подсказкой в последующем расследовании.

Сцепление блоков шифра также обладает преимуществом, при котором одни и те же блоки открытого текста преобразуются в разные зашифрованные блоки, что усложняет криптоанализ. По правде говоря, именно поэтому данный метод и используется.

Режим шифрованной обратной связи

Однако у метода сцепления блоков шифра есть один недостаток: прежде чем начнется дешифрование, должен появиться целый 64-битный блок данных. Для побайтового шифрования может применяться режим шифрованной обратной связи (cipher feedback mode) с использованием DES (тройного), как показано на илл. 8.17. Для AES принцип тот же, только применяется 128-разрядный сдвиговый регистр. На рисунке мы видим состояние шифровальной машины после того, как байты с 0-го по 9-й уже зашифрованы и отправлены. Когда приходит 10-й байт открытого текста (илл. 8.17 (а)), алгоритм DES обрабатывает 64-разрядный сдвиговый регистр, чтобы произвести 64-разрядный зашифрованный блок. Самый левый байт этого зашифрованного текста извлекается, складывается по модулю 2 с P10 и передается по линии. Затем сдвиговый регистр смещается влево на 8 разрядов. При этом байт C2 извлекается с левого конца регистра, а байт C10 вставляется на освободившееся место справа от C9.

Илл. 8.17. Режим шифрованной обратной связи. (а) Шифрование. (б) Дешифрование

Обратите внимание, что содержимое сдвигового регистра зависит от всей предыстории открытого текста, так что повторяющиеся фрагменты исходного текста будут кодироваться каждый раз по-новому. Как и в случае сцепления блоков шифра, для запуска процесса требуется вектор инициализации.

При использовании этого метода дешифрование аналогично шифрованию. В частности, содержимое сдвигового регистра шифруется, а не дешифруется, поэтому байт, который складывается по модулю 2 с C10 для получения P10, равен тому байту, который складывается по модулю 2 с P10 для получения C10. Пока содержимое двух сдвиговых регистров идентично, дешифрование выполняется корректно (илл. 8.17 (б)).

Проблемы с режимом шифрованной обратной связи возникают, когда при передаче зашифрованного текста один бит случайно инвертируется. При этом искажаются 8 байт, которые дешифруются во время нахождения поврежденного байта в сдвиговом регистре. Когда этот байт покидает сдвиговый регистр, открытый текст снова дешифруется корректно. Таким образом, последствия инверсии одного бита относительно локализованы: искажается столько битов, сколько помещается в сдвиговом регистре, остальная часть сообщения не повреждается.

Режим группового шифра

Однако встречаются сценарии применения, в которых один испорченный при передаче бит приводит к порче 64 бит открытого текста, а это слишком много. Для таких случаев существует четвертый вариант, называемый режимом группового (потокового) шифра (stream cipher mode). Его суть заключается в том, что выходной блок получают путем шифрования вектора инициализации с использованием ключа. Затем этот выходной блок снова шифруется с помощью ключа, чтобы вычислить второй выходной блок, который, в свою очередь, шифруется для получения третьего, и т.д. Последовательность выходных блоков, называемая ключевым потоком (keystream), может иметь произвольную длину. Она расценивается как одноразовый блокнот и складывается по модулю 2 с открытым текстом. В результате получается зашифрованный текст (илл. 8.18 (а)). Обратите внимание: вектор инициализации используется только на первом шаге. После этого шифруются выходные блоки. Кроме того, ключевой поток не зависит от данных, поэтому в случае необходимости он может быть вычислен заранее и совершенно нечувствителен к ошибкам передачи. Процесс дешифрования показан на илл. 8.18 (б).

Илл. 8.18. Групповой шифр. (а) Шифрование. (б) Дешифрование

Дешифрование происходит путем создания точно такого же ключевого потока на принимающей стороне. Поскольку он зависит только от вектора инициализации и ключа, ошибки передачи зашифрованного текста на него не влияют. Таким образом, ошибка в одном бите передаваемого шифра приводит к ошибке лишь в одном бите расшифрованного текста.

Важно никогда не использовать одну и ту же пару (ключ, вектор инициализации) в одном и том же групповом шифре, иначе каждый раз будет получаться одинаковый ключевой поток. Повторное использование ключевого потока может привести к взлому шифра при помощи многократного использования ключевого потока (keystream reuse attack). Допустим, блок открытого текста P0 шифруется с помощью ключевого потока, в результате вычисляется P0 XOR K0. Затем берется второй блок открытого текста Q0 и шифруется тем же ключевым потоком (получаем Q0 XOR K0). Криптоаналитик, перехвативший оба блока зашифрованного текста, может просто сложить их вместе по модулю 2 и получить P0 XOR Q0, тем самым убирая ключ. Теперь у него есть XOR двух блоков открытого текста. Если один из них известен (или его можно угадать), найти второй не проблема. В любом случае взломать XOR двух блоков открытого текста можно, используя статистические свойства сообщения.