Безопасные информационные системы

Мы живем в информационную эпоху. В транспортной сети информация должна быть защищена от нападений и сохранена от неправомочного доступа (конфиденциальность), защищена от неправомочного изменения (целостность) и доступна только разрешенному объекту, когда это ему необходимо (доступность).

Основой любых систем защиты информационных систем являются идентификация и аутентификация, так как все механизмы защиты информации рассчитаны на работу с поименованными субъектами и объектами. Идентификация и аутентификации применяются для ограничения доступа случайных и незаконных субъектов к ресурсам сети.

Общий алгоритм работы таких систем заключается в том, чтобы получить от субъекта (например, пользователя) информацию, удостоверяющую его личность, проверить ее подлинность и затем предоставить (или не предоставить) этому пользователю возможность работы с системой.

Идентификация – присвоение субъектам и объектам доступа личного идентификатора и сравнение его с заданным.

Аутентификация (установление подлинности) – проверка принадлежности субъекту доступа предъявленного им идентификатора и подтверждение его подлинности.

В качестве идентификаторов в системах аутентификации обычно используют набор символов (пароль, секретный ключ, персональный идентификатор и т. п.), который пользователь запоминает или для их запоминания использует специальные средства хранения (электронные ключи). В системах идентификации такими идентификаторами могут являться физиологические параметры человека (отпечатки пальцев, рисунок радужной оболочки глаза и т. п.) или особенности поведения (особенности работы на клавиатуре и т. п.).

Термин авторизация (authorization) происходит от латинского слова auctoritas, показывающий уровень престижа человека в Древнем Риме и соответствующие этому уровню привилегии. Авторизация —это процедура контроля доступа легальных пользователей к ресурсам системы и предоставление каждому из них именно тех прав, которые ему были определены администратором.

В отличие от аутентификации, которая позволяет распознать легальных и нелегальных пользователей, авторизация имеет дело только с легальными пользователями, успешно прошедшими процедуру аутентификации.

Кроме обычных данных по линиям связи периодически возникает необходимость передавать секретные документы: сведения из баз данных, номера кредитных карточек и файлы самого разного содержания. Самый надежный технический метод защиты такой информации основан на использовании криптосистем.

Криптография, слово с греческим происхождением, означает "тайное письмо". Это наука преобразования сообщений, которая делает их безопасными и придаёт иммунитет к атакам.

Шифрование - это преобразование данных в нечитабельную форму (тарабарщину). Шифрование позволяет обеспечить конфиденциальность, сохраняя информацию в тайне от того, кому она не предназначена.

5.1 Симметричное и асимметричное шифрование.

Существуют две методологии криптографической обработки информации с использованием ключей – симметричная и асимметричная.

Симметричная (секретная) методология, где и для шифрования, и для расшифровки, отправителем и получателем применяется один и тот же ключ, об использовании которого они договорились до начала взаимодействия (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 – Принципы симметричного шифрования

Если ключ не был скомпрометирован, то при расшифровывании автоматически выполняется аутентификация отправителя, так как только отправитель имеет ключ, с помощью которого можно зашифровать информацию, и только получатель имеет ключ, с помощью которого можно расшифровать информацию. Так как отправитель и получатель - единственные люди, которые знают этот симметричный ключ, при компрометации ключа будет скомпрометировано только взаимодействие этих двух пользователей.

Алгоритмы симметричного шифрования используют ключи не очень большой длины и могут быстро шифровать большие объемы данных. Cимметричное шифрование используется, например, в сети банкоматов.

Симметричные системы шифрования имеют один общий недостаток, состоящий в сложности рассылки ключей. При перехвате ключа третьей стороной такая система криптозащиты будет скомпрометирована. Так при замене ключа его надо конфиденциально переправить участникам процедур шифрования. Очевидно, что этот метод не годится, когда нужно установить защищенные соединения с тысячами и более абонентов Интернет. Основная проблема, связана с этой методологией, и состоит она в том, как сгенерировать и безопасно передать ключи участникам взаимодействия. Как установить безопасный канал передачи информации между участниками взаимодействия для передачи ключей по незащищенным каналам связи? Отсутствие безопасного метода обмена ключами ограничивает распространение симметричной методики шифрования в Интернет.

Эту проблему постарались разрешить, разработав Асимметричную (открытую) методологию шифрования. Она шифрует документ одним ключом, а расшифровывает другим. Каждый из участников передачи информации самостоятельно генерирует два случайных числа (секретный и открытый ключи). Открытый ключ передается по открытым каналам связи другому участнику процесса криптозащиты, но секретный ключ хранится в секрете. Отправитель шифрует сообщение открытым ключом получателя, а расшифровать его может только владелец секретного ключа. Открытый ключ не нужно прятать. Неважно кому известен данный ключ, поскольку он предназначен только для шифрования данных.

Математически открытый ключ и закрытый ключ связаны между собой, но из открытого ключа получить закрытый вычислительно не представляется возможным. Из-за использования различных ключей на стороне отправителя и получателя такого рода криптографические алгоритмы называют двухключевыми или асимметричными.

Этот метод пригоден для широкого применения. Если присвоить каждому пользователю в Интернет свою пару ключей и опубликовать открытые ключи как номера в телефонной книге, то практически все смогут обмениваться друг с другом шифрованными сообщениями.

Закрытый ключ обязательно должен быть защищен и недоступен другим пользователям. Закрытый ключ хранится в профиле пользователя или компьютера, или, что является наилучшим вариантом на физическом устройстве (смарт карта, usb-token, и т.п.). Открытый ключ, являющийся фактически атрибутом сертификата, распространяется свободно.

Рисунок 5.2 – Ассиметричное шифрование

Асимметричные криптосистемы являются объектом атак путем прямого перебора ключей, и поэтому в них должны использоваться гораздо более длинные ключи, чем те, которые используются в симметричных криптосистемах, для обеспечения эквивалентного уровня защиты. Это сразу же сказывается на вычислительных ресурсах, требуемых для шифрования.

В криптографии с симметричными ключами, символы переставляются или заменяются другими; в асимметрично-ключевой криптографии числа преобразуются с помощью математических функций.

Симметричные и асимметричные системы шифрования имеют каждая свои достоинства и недостатки. Недостатки симметричной системы шифрования в сложности замены скомпрометированного ключа, а недостатки асимметричной системы шифрования в относительно низкой скорости работы. Шифрование и расшифровывание в данном случае идут очень, очень, очень медленно, на два-три порядка медленнее, чем аналогичные операции при симметричном шифровании. Кроме того, ресурсов на это шифрование тратится также значительно больше. Да и сами ключи для данных операций существенно длиннее аналогичных для операций симметричного шифрования, так как требуется максимально обезопасить закрытый ключ от подбора по открытому. А значит, большие объемы информации данным способом шифровать просто невыгодно.

Если провести аналогию с замками, то шифрование с открытым ключом можно представить себе следующим образом:

Любой способен запереть замок, просто защелкнув его, чтобы он закрылся, но отпереть его может только тот, у кого есть ключ. Запереть замок (зашифровывание) легко, почти все могут это сделать, но открыть его (расшифровывание) имеет возможность только владелец ключа. Понимание того, как защелкнуть замок, чтобы он закрылся, ничего не скажет вам, как его отпереть. Можно провести и более глубокую аналогию:

Представьте, что Алиса проектирует замок и ключ. Она бдительно охраняет ключ, но при этом изготавливает тысячи дубликатов замков и рассылает их по почтовым отделениям по всему миру. Если Боб хочет послать сообщение, он кладет его в коробку, идет на местный почтамт, просит «замок Алисы» и запирает им коробку. Теперь уже ему не удастся открыть коробку, но когда коробку получит Алиса, она сможет открыть ее своим единственным ключом.

Замок и защелкивание его, чтобы он закрылся, эквивалентны общему ключу для зашифровывания, поскольку все имеют доступ к замкам и все могут воспользоваться замком, чтобы закрыть сообщение в коробке. Ключ от замка эквивалентен секретному ключу для расшифровывания, потому что он имеется только у Алисы, только она сможет открыть замок, и только она сможет получить доступ к находящемуся в коробке сообщению.