Algorithm for applying cascade encryption and key derivation functions in stream data processing environment

Full Text

Введение

В настоящее время использование информационных технологий требует соблюдения мер безопасности для хранимых и передаваемых данных. Без использования шифрования передаваемая информация будет доступна для перехвата злоумышленниками: от личных сообщений и фотографий до данных банковских карт и коммерческой тайны. Подавляющее большинство данных передаётся посредством сети Интернет. В данной статье предложен алгоритм применения каскадного шифрования поточными шифрами и функциями формирования ключа. Алгоритм рассчитан на работу в поточном режиме, то есть данные читаются последовательно и только один раз. Это позволяет шифровать потоки данных, такие как видео или данные с датчиков, без задержек, связанных с необходимостью загружать весь объем данных на устройство в оперативную память или на диск.

В алгоритме используются поточные шифры. Поточный шифр – это симметричный алгоритм, в котором шифрование каждого элемента открытого текста зависит от текущего состояния алгоритма и производится в реальном времени [1].

Роль пароля и функции формирования ключа

 

Пароль подаётся в формате base64 [2]. Использование base64 обусловлено наличием возможности использовать в пароле символ переноса строки (0xA) как часть пароля. Символ переноса строки предполагается использовать для разделения одного пароля от другого, поэтому необходимо выполнить преобразование пароля для использования в алгоритме. Поступающий пароль будет декодирован из формата base64, что обеспечивает корректную обработку пароля независимо от используемых в пароле значений байт.

Когда пароль введён, срабатывает функция формирования ключа (key derivation function или KDF). KDF – это функция, формирующая один или несколько секретных ключей на основе секретного значения [3].  KDF участвует в шифровании ключа для последующего хранения, а также значительно усложняет процесс взлома методом перебора. Ключ представляет из себя случайную последовательность (например, /dev/random), которая будет использоваться в алгоритмах шифрования данных. Применение случайной последовательности делает зашифрованные данные уникальными, даже при одинаковых исходных данных.

В качестве функций формирования ключа предполагается использовать Argon2 и/или scrypt. Ключевой особенностью данных функций является интенсивное использование вычислительных ресурсов и оперативной памяти, что делает массовый параллельный перебор паролей на специализированном оборудовании крайне затратным и медленным [4, 5].

Обработанный функцией пароль используется для шифрования случайного секретного ключа с помощью логической операции XOR. Основное преимущество данного подхода в том, что пароль и производная от пароля не используются для непосредственного шифрования данных. Шифруется случайный ключ, который применяется в поточных шифрах. Это также позволяет менять пароли без необходимости повторно шифровать данные. Повторному шифрованию подвергнутся только ключи.

Результатом операции будет служить зашифрованный секретный ключ. Схема шифрования пароля обозначена на рис. 1.

Алгоритм шифрования ключа выглядит следующим образом:

EK = KDF(password)Åkey,

где EK – это зашифрованный ключ (encrypted key). Аналогично выглядит алгоритм дешифрования:

key = KDF(password)ÅEK.

 

Рис. 1. Шифрование ключа с применением KDF

 

Каскадное шифрование данных

 

Предполагается шифровать дважды: первый раз с использованием потокового шифра ChaCha20, второй – HC-256, так же потокового.

На рис. 2 показана схема применения двойного шифрования данных.

Рис. 2. Схема применения двойного шифрования данных

 

Оба перечисленных шифра являются поточными, то есть данные шифруются операцией XOR с псевдослучайной последовательностью, генерируемой на основе ключа. Двойное шифрование обеспечивает дополнительный уровень защиты, поэтому если один из ключей или алгоритмов шифрования будет скомпрометирован, данные останутся защищёнными благодаря второму уровню шифрования. Для взлома злоумышленнику потребуется подобрать оба ключа одновременно, что вычислительно крайне затратно при использовании современного оборудования.

Алгоритм двойного шифрования выглядит следующим образом:

ED = cipher2(key2, cipher1(key1, data)),

где ED – это зашифрованные данные (encrypted data). Аналогично выглядит алгоритм для дешифрования:

data = cipher1(key1, cipher2(key2, ED))

 Ввод и вывод данных

Порядок ввода и вывода данных представлен на рис. 3. В алгоритм подаётся два пароля (в формате base64 каждый) по очереди, производится операция шифрования или дешифрования (если используется соответствующий аргумент или переменная окружения). Выходные данные при шифровании будут следующими: первые 32 байта занимает зашифрованный ключ, вторые 32 байта – второй ключ, после чего некоторое место занимают данные, а последние 32 байта занимает зашифрованная хеш-сумма (например, «Стрибог» в режиме 256 бит [6]) оригинальных данных для проверки целостности.

В случае, если данные подлежат дешифровке, входной поток будет идентичным, но выходной поток будет содержать расшифрованную информацию. Последний байт в потоке, после окончания дешифровки, служит меткой о целостности расшифрованных данных на основе проверки хэш-суммы.

Рис. 3. Порядок ввода и вывода данных (режим шифрования)

 

Параметры функций формирования ключа

 

Параметры KDF следует задавать таким образом, чтобы использовать наибольший доступный объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и приемлемое время при формировании ключа. Это создаст дополнительные затраты атакующему, так как в случае подбора ключа грубой силой, будет необходимо применять идентичные параметры KDF.

Набор параметров, использующий 4гб ОЗУ и затрачивающий 32,76 секунд в Argon2d будет следующий: p=4096000, t=15, p=1.

Для Scrypt параметры будут следующие: log_n=22, r=8, p=4. Использование ОЗУ будет идентичным, а затрачиваемое время будет около 30,73 секунд.

Были использованы библиотеки на языке RUST: argon2 версии 0.5.3 и scrypt версии 0.11.0. Затрачиваемое время на формирование ключа было определено в ходе проведения тестов используя процессор AMD Ryzen 5 3600x в однопоточном режиме.

Следует отметить, что процессы формирования ключей не требуют последовательного исполнения и могут быть разделены на несколько потоков, но в таком случае объем использования ОЗУ будет суммироваться.

 Заключение

 Представленный в данной статье алгоритм применения каскадного шифрования с применением поточных шифров и функциями формирования ключа можно использовать для долгосрочного хранения чувствительных данных: паролей, данных паспорта, договоров и других частных данных, нуждающихся в защите от несанкционированного доступа при хранении и передаче посредством сети Интернет.

Конечный размер данных будет увеличен на 96 байт (64 байта в начале сообщения и 32 байта в конце сообщения), что позволяет прогнозировать итоговый размер зашифрованных данных.

В случае применения использования иных алгоритмов шифрования или функции хэширования, которые имеют отличные от представленных объемы ключей или хеш-сумм, итоговый объем данных можно вычислить следующим образом:

S = ∑ Sk_i + Sd + Ssh,

где S – итоговый объем, Sk – объем ключа, Ssh – объем хэш-суммы.

Алгоритм может иметь ограничения по количеству данных, подлежащих шифрованию. Поточные шифры имеют внутренние n-битные счётчики, что задаёт данное ограничение. ChaCha20 имеет ограничение в 256 Гб, так как имеет 32-битный счётчик и использует 8 байт на блок [7]. Шифр HC-256 же способен генерировать ключевую последовательность длиной до 2¹²⁸ бит [8].

Решением данной проблемы является замена алгоритмов потокового шифрования на другие с большим счётчиком состояний или создание производных ключа для генерации новых псевдослучайных последовательностей, однако, второй вариант может повлечь неустановленные риски криптостойкости, так как создаёт связь между генерируемыми последовательностями.

Другим явным недостатком является необходимость использования двух разных паролей, что может оказаться трудным для запоминания или внести дополнительную сложность для реализации автоматической системы шифрования.

_______________________________

© Войтенко М.С., Барабанов В.Ф., 2025

About the authors

Maksim S. Voytenko

Voronezh State Technical University

Author for correspondence.
Email: voytenkom@yandex.ru

graduate student

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia

Vladimir F. Barabanov

Voronezh State Technical University

Email: bvf@list.ru

Dr. Sc. (Technical), Professor

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia

References

Supplementary files