Секреты и ложь. Безопасность данных в цифровом мире

Шнайер Брюс

Часть II

Технологии

 

 

Система безопасности, как луковица, состоит из слоев. На внешнем слое находятся пользователи, по-разному использующие систему, по-разному всем доверяющие и по-разному же реагирующие на баги системы. Внутри «луковицы» находятся связи, обеспечивающие безопасность взаимодействия пользователя с системой и контактов различных систем. Еще ближе к сердцевине расположены программные средства, наверняка содержащие ошибки; поэтому естественно ожидать, что для них у нас есть какие-то элементы защиты. Эти программы работают в сетях и на отдельных компьютерах. Двигаясь глубже, мы обнаружим теоретически идеальные протоколы обмена данными. И в самой сердцевине (иногда) располагается криптография: математические уравнения, описывающие условия безопасности.

Защита – это процесс, а не продукт. Он включает в себя большое количество компонентов. Как и в любом процессе, одни из них – более сильные, надежные, гибкие и безопасные, чем остальные. Кроме того, компоненты должны работать совместно. Чем лучше они совместимы, тем лучше идет весь процесс. Часто наименьшей надежностью обладают именно связи между компонентами.

Защита также похожа на цепь. Она состоит из многих звеньев, и для прочности цепи важно каждое из них. И, подобно цепи, надежность всей системы безопасности определяется надежностью самого слабого ее звена. В этой части книги мы коснемся различных технологий защиты, из которых состоит эта цепь, постепенно продвигаясь от сердцевины «луковицы» к внешним слоям.

И мы постараемся не злоупотреблять смешением плохо согласующихся между собой метафор.

 

Глава 6

Криптография

Криптография весьма загадочна. С одной стороны – это набор сложных математических выражений. Шифровальщики вечно изобретают сложные математические преобразования, а им вечно противостоят криптоаналитики, находя все более оригинальные способы нарушить работу этой математики. У шифрования длинная и славная история: с его помощью наперсники, любовники, тайные общества и правительства на века сохраняли свои секреты.

С другой стороны, криптография – это одна из основных технологий в киберпространстве. Она позволяет нам взять все те деловые и социальные структуры, с которыми мы привыкли иметь дело в физическом мире, и переместить их в киберпространство. Криптография – это технология, позволяющая нам обеспечить безопасность в киберпространстве и бороться с теми атаками и злоумышленниками, о которых шла речь в части I. Без криптографии никогда бы не смогла распространиться электронная торговля. Криптография не являет собой панацею, для полной надежности вам потребуется еще много всего другого, но она, несомненно, важна.

Для того чтобы понять, как обеспечивается безопасность в киберпространстве, вы должны уяснить, как устроена криптография. Вам не обязательно разбираться в математике, но придется освоить некоторые приемы ее применения. Следует иметь представление о том, что может криптография и, что еще важнее, чего она не может. Вы должны уметь рассматривать ее в контексте компьютерной и сетевой безопасности. Две следующие главы не превратят вас в шифровальщиков, а только научат грамотно пользоваться криптографией.

С точки зрения пользователя, криптография представляет собой туманный объект, выполняющий функции защиты, – вроде Бэтмана – нечто грозное, но справедливое и наделенное мистической силой. Если пользователь уделит ей немного внимания, криптография предстанет перед ним целым собранием акронимов, которые способны обеспечить решение самых различных задач безопасности. Например, IPsec защищает трафик в Интернете. С его помощью обеспечивается безопасность виртуальных частных сетей (VPN). Протокол SSL (Secure Sockets Layer) отвечает за безопасность соединений Всемирной Сети. Системы PGP (Pretty Good Privacy) и S/MIME гарантируют надежность электронной почты; они не дают прочитать сообщения никому, кроме адресата, и не допускают фальсификации авторства. Протокол SET защищает операции, проводящиеся в Интернете с использованием кредитных карт. Все вышеперечисленное – это протоколы. Существуют протоколы для защиты цифровой информации (музыки, фильмов и т. п.), для аутентификации сотовых телефонов (чтобы предотвратить мошенничество), для электронной торговли и для многого другого. Чтобы создать эти протоколы, шифровальщики используют различные алгоритмы: алгоритмы шифрования, цифровой подписи и т. д.

Симметричное шифрование

Исторически криптография использовалась с одной единственной целью: сохранить секрет. Даже сама письменность была своего рода шифрованием (в Древнем Китае только высшие слои общества могли обучаться чтению и письму), а первый опыт применения криптографии в Египте относится примерно к 1900 году до н. э.: автор надписи пользовался необычными иероглифами. Есть и другие примеры: дощечки из Месопотамии, на которых зашифрована формула изготовления керамической глазури (1500 год до н. э.), еврейский шифр ATBASH (500—600 годы до н. э.), греческое «небесное письмо» (486 год до н. э.) и шифр простой подстановки Юлия Цезаря (50-60 год до н. э.). Кама Сутра Ватсьяяны даже помещает искусство тайнописи на 44-е, а искусство секретного разговора на 45-е место в списке 64 искусств (йог), которыми должны владеть мужчины и женщины.

Основная идея, лежащая в основе криптографии, такова: группа людей может секретным способом записывать послания так, что они будут непонятны всем остальным. Пусть имеются сообщения (их еще называют открытым текстом), которые кто-то хочет сохранить в секрете. Представим, что кто-то (назовем ее Алиса) хочет послать сообщение кому-то другому (например, Бобу); а может, она хочет сама перечитать его через несколько дней. Но она точно не хочет, чтобы кто-нибудь другой, кроме Боба, смог этот текст прочесть.

Поэтому Алиса зашифровывает сообщение. Она придумывает какие-нибудь преобразования (их называют алгоритмом), превращающие открытый текст в зашифрованный. Такое зашифрованное сообщение кажется абсолютной абракадаброй, поэтому перехватчица (назовем ее Евой), в чьи руки оно попало, не может превратить его опять в открытый текст, а значит, не сумеет понять смысла сообщения. А Боб знает, как произвести обратное преобразование и превратить шифрограмму в открытый текст.

Такая схема более или менее работает. Алиса может при помощи изобретенного ею алгоритма зашифровать свой секрет глазури для керамики. Алиса и Боб могут договориться об алгоритме, чтобы поделиться друг с другом мыслями о Кама Сутре. Целый общественный класс – китайская знать (хотя, скорее всего, никого из них Бобом не звали) – использовал письменность, чтобы утаить от крестьян государственные тайны.

Но возникают определенные сложности. Во-первых, алгоритм должен быть надежным. Не надейтесь, что Ева посмотрит на зашифрованное сообщение, пожмет плечами и отступится. Она твердо намерена прочесть открытый текст. Если Ева – это правительство Великобритании времен Второй мировой войны, она наймет лучших математиков, лингвистов и шахматистов страны, запрет их и еще 10 000 человек в тайной резиденции в Блетчли Парк и создаст компьютер – только так она сможет взломать алгоритм и восстановить текст сообщения. Агентство национальной безопасности – единственный в своем роде крупнейший потребитель компьютерного оборудования и работодатель математиков. Алисе нужно быть очень ловким шифровальщиком, если ей предстоит перехитрить Еву такого уровня. Я еще расскажу об этом позже.

Во-вторых, сложно включать и исключать людей из группы избранных, которым известен алгоритм. Чтобы обмениваться тайными посланиями с китайским аристократом, вам придется научиться китайской грамоте. Это потребует времени. Если через какое-то время вы утратите расположение правительства, у последнего будет только один способ помешать вам читать все сообщения. Вы знаете, как осуществляется шифрование, и если правительство не хочет, чтобы вы читали его переписку и дальше, ему придется вас убить. (Во время Второй мировой войны американская армия использовала в качестве шифра язык навахо. Те, кто говорил на этом языке, сохранили секрет от японцев, но вся система могла бы рухнуть, если бы хоть один навахо перешел на вражескую сторону.)

Останься эти две проблемы неразрешенными, в наше время криптография могла бы стать почти бесполезной. Представьте, что вы, один из скольких-то там миллионов пользователей Интернета, хотите посекретничать с сотней своих лучших друзей. Вы хотите пользоваться не одним и тем же тайным языком для всех ста друзей, а использовать сто разных секретных алгоритмов. (Вам необходима попарная секретность. И того же желают остальные несколько миллионов пользователей Интернета.) Это означает, что вам придется создать эти 100 различных алгоритмов шифрования, обменяться ими с каждым из друзей, самостоятельно запрограммировать все алгоритмы в своем компьютере (вы ведь никому этого не доверите) и надеяться на то, что вы умнее тех, кто, возможно, попытается понять ваш алгоритм.

Очень маловероятно.

В этом прелесть ключа. Замок на вашей двери – это серийный продукт какой-то безликой компании, которую нисколько не заботит ценность вашей коллекции марочных вин, но вы и не должны им доверять. Они не говорят вам: «Помните, любой, у кого есть замок такой же марки, может открыть ваш замок». У вас есть ключ. Набор шпеньков в замке, соответствующий вашему ключу, отличает ваш замок от всех остальных замков в округе, несмотря на то что у них может быть та же модель. (На самом деле пример упрощен. Вы все же должны принять на веру, что они правильно собрали замок и не припасли запасных ключей. Но мы пока что не принимаем это во внимание.)

Дверной замок служит примером такой же модели защиты, какую в 1466 году привнес в криптографию Леон Баттиста Альберти, известный итальянский архитектор эпохи Возрождения, создав криптографический ключ. У кого угодно могут быть замки одинаковых моделей, но ключи у всех разные. Конструкция замка не является уникальной – у слесарей есть книги с подробными схемами, а большинство хороших моделей описаны в общедоступных патентах, – но ключ является тайной. У вас есть ключ, значит, вы можете отпереть дверь. Если вы одолжите ключ другу, то он сможет войти в дом. А тот, у кого ключа нет, останется на улице. (Слесарями в данном случае будут криптоаналитики; до них мы доберемся позднее.)

Применение такой модели в криптографии решает обе упомянутые выше проблемы. Алгоритмы, так же как и замки, можно стандартизировать. Стандарт шифрования данных (Data Encryption Standard, DES) – это общепринятый криптографический алгоритм, широко распространенный с 1977 года. Его использовали в тысячах различных программ для любых приложений. Самые сокровенные подробности устройства DES были опубликованы с первого дня его существования; их опубликовали даже до того, как этот алгоритм приняли в качестве стандарта. Доступность этого алгоритма не сказывается на безопасности, поскольку различные группы пользователей выбирают себе разные секретные ключи. Если Алиса и Боб пользуются одним ключом, значит, они могут общаться. Ева ключа не знает, следовательно, она не сможет прочесть их сообщения – даже если у нее есть точно такие же шифровальные программы, как у Алисы и Боба.

С помощью ключей решается задача включения и исключения людей из группы избранных. Если Алиса и Боб договорились о совместном использовании одного ключа и хотят, чтобы Ким Филби смог присоединиться к их общению, они просто дадут ему копию ключа. Если позже они решат, что Филби передает секреты Советскому Союзу, им нужно просто сменить ключ и не сообщать об этом Филби. С этого момента он исключен из системы и больше не сможет читать сообщения, зашифрованные новым ключом. (Увы, он все же может прочитать старые.)

Современная криптография традиционно устроена именно таким образом. Алгоритмы заменяют традиционные ручку и бумагу – они оперируют битами вместо символов алфавита, компьютеры оснащены эффективными микропроцессорами и интегральными схемами, – но философия остается прежней. Алгоритм доступен для всех, а общающиеся стороны договариваются о секретном ключе, который они применят для этого алгоритма.

Такие алгоритмы называют симметричными, потому что отправитель и получатель используют один и тот же ключ. Ключ представляет собой случайную строку битов некоторой длины: в 2000 году хорошей длиной ключа считалась длина в 128 бит. У различных симметричных алгоритмов – разная длина ключей.

Симметричные алгоритмы можно обнаружить в шифровальных системах всего компьютеризованного мира. Общепринятыми алгоритмами считают DES и тройной DES, RC4 и RC5, IDEA и Blowfish. Улучшенный стандарт шифрования (Advanced Encryption Standard, AES) вскоре станет стандартным алгоритмом шифрования правительства США. При помощи этих алгоритмов обеспечивается безопасность частных сообщений электронной почты, индивидуальных файлов, электронных банковских операций и кодов запуска ракет с ядерными боеголовками. Эти алгоритмы препятствуют нарушению конфиденциальности.

Но они несовершенны.

Проблема в распределении ключей. Для того чтобы описанная система работала, Алиса и Боб должны договориться о секретном ключе перед тем, как получат возможность обменяться тайными сообщениями. Если они достаточно сообразительны, то будут регулярно менять ключ, скажем, раз в день. Им необходимо как-то тайно уславливаться об этих ежедневно изменяющихся ключах, так как, перехватив ключ, кто угодно сможет читать все сообщения, зашифрованные с его помощью. Кроме того, поскольку необходима попарная секретность, количество ключей будет возрастать пропорционально квадрату количества пользователей. Двум пользователям нужен только один ключ, но сеть из десяти пользователей требует 45 ключей, чтобы предоставить каждой паре возможность секретного общения. А сеть из 100 пользователей потребует 4950 различных ключей. В 80-х годах корабли Военно-Морского флота США отправлялись в плавание с полным набором ключей, предоставляемых Агентством национальной безопасности – каждый ключ был напечатан на бумажной ленте, перфокарте или на чем-нибудь еще; этого было достаточно для всех сеансов связи на все время выполнения задания. Но недостаточно только распространять ключи секретно: их нужно секретно хранить, секретно использовать, а затем секретно уничтожать. Алиса и Боб обязаны хранить свои ключи в тайне в течение всего времени, пока им необходимо общаться друг с другом и быть уверенными, что ни у кого больше нет их ключей. Секретность должна соблюдаться как до и во время использования ключа, так и впоследствии.

Это означает, что уничтожение ключей имеет большое значение. Алиса и Боб не могут просто выбросить свой ключ в корзину в конце работы и надеяться, что его никто не найдет. Перехватчики не пренебрегают хранением зашифрованных посланий, которых не способны прочесть, в надежде, что найдут к ним ключ через несколько дней. Агентство национальной безопасности получило возможность расшифровать русский трафик VENONA (вспомните эту историю; это действительно поучительно) только благодаря тому, что СССР повторно использовал ключ, который, должно быть, ранее выбросил, и тому, что АНБ хранило все эти советские шифрованные сообщения более 10 лет.

Есть множество исторических примеров, когда недостаточное внимание к обращению с ключами приводило к разгадке безупречного шифрования. Джон Уокер служил в военно-морском флоте США и был офицером безопасности, ответственным за обеспечение безопасности ключей, но одновременно он делал и другую карьеру, фотографируя ключи флота и отсылая фотографии русским. Японская секта поклонников смерти Аум Синрике зашифровала свои компьютерные записи, но она была настолько неосторожна, что оставили копии ключей на дискете, обнаруженной полицией. Это произошло в 1995 году: не кажется ли вам, что приверженцы культа смерти могли бы к тому времени кое-что знать о ключах.

Типы криптографических атак

Что означает «взломать» алгоритм? На первый взгляд очевидно – кто-то сможет прочитать сообщение, не имея ключа. Но на самом деле все сложнее.

Если злоумышленник просто берет зашифрованное сообщение и восстанавливает открытый текст, то такую атаку называют атакой с использованием только шифрованного текста (cipher text-only attack). Их, как правило, больше не используют – современные алгоритмы слишком хороши, чтобы их одолеть атаками такого рода.

С большей вероятностью можно встретить атаки с использованием известного открытого текста (known-playn text attack): у дешифровщика есть образец открытого и шифрованного текста, что позволяет ему восстановить ключ. На первый взгляд может показаться, что это бесполезно, но на самом деле смысл есть. Если при помощи этого же ключа будут зашифрованы другие тексты, злоумышленник сумеет взять ключ и прочесть остальные тексты. Например, почти у всех компьютерных файлов есть заголовок. Все файлы Microsoft Word, например, начинаются с нескольких сотен одинаковых байтов. (Это «невидимые» символы – служебные байты программы, и они не отображаются в окне.) Если криптоаналитик может, воспользовавшись имеющимся открытым текстом, воспроизвести ключ, то сумеет прочитать документ Word полностью. Атаки, при которых известен открытый текст, с большим успехом применяли против немецкой «Энигмы». Аналитики получали в руки единственный незашифрованный текст, например прогноз погоды, а через некоторое время один из отдаленных немецких постов в Норвегии начинал пунктуально присылать ежедневные одинаковые сообщения: «Нечего сообщать». (Открытый текст можно еще называть шпаргалкой.) Обычно таким образом узнавали ключ текущего дня, а затем с помощью ключа читали зашифрованные сообщения.

Еще более действенной является атака с помощью избранного открытого текста (chosen-plain text attack). При такой атаке криптоаналитик имеет возможность выбрать сообщение, которое после этого зашифровывают. Затем он получает зашифрованное сообщение и восстанавливает ключ. Атаки этого рода срабатывали против немецких шифров: союзники сознательно допускали утечку определенной информации для того, чтобы получить зашифрованный текст, или провоцировали сообщения о событиях в городах с уникальными названиями, служащие особенно хорошими шпаргалками. Эти атаки хорошо срабатывают и против некоторых систем, использующих смарт-карты, в результате чего злоумышленники получают возможность помещать на карту нужную им информацию.

Все эти атаки объединяет то, что аналитикам известны детали алгоритма. (Единственным исключением, которое мне известно, сегодня является японский код PURPLE.) Это не просто ученый ярлык, а очень хороший механизм. Если в программах будут использовать какой-то алгоритм, то его «раскрутят» и в обратную сторону. Среди секретных когда-то алгоритмов, которые уже «раскрутили» – RC4, все алгоритмы шифрования цифровой сотовой связи, DVD– и DIVX-алгоритмы шифрования видеоизображений и алгоритм Firewire. Захватят и расшифруют даже алгоритмы, глубоко запрятанные в военном оборудовании. Примерами могут служить «Энигма» во Второй мировой войне или почти все алгоритмы НАТО и Варшавского договора во времена холодной войны. (Мы их не знаем, но весьма компетентные военные занимались их расшифровкой.) Полезно предполагать, что врагу известны подробности вашего алгоритма, потому что в конечном итоге они все равно станут ему известны. Август Керхкофф первым сформулировал это положение в 1883 году: «В алгоритме нет никакой тайны, вся тайна в ключе».

Распознавание открытого текста

В разговоре об атаках всегда возникает один вопрос: как криптоаналитик распознает открытый текст? Ответ прост: его легко узнать, потому что он выглядит как открытый текст. Это сообщение на английском языке или файл компьютерного приложения, изображение в формате JPEG или база данных в каком-нибудь приемлемом формате. Когда вы смотрите на расшифрованный файл, он похож на что-нибудь вам известное. Когда вы смотрите на зашифрованный файл или файл, расшифрованный с применением неправильного ключа, он выглядит как полная тарабарщина. Человек или компьютер могут понимать эту разницу.

В 1940-х годах Клод Шеннон ввел понятие расстояния уникальности (unicitydistance). Среди прочего, расстояние уникальности измеряет количество необходимого зашифрованного текста, позволяющее однозначно воспроизвести открытый текст. Это значение зависит и от свойств открытого текста, и от длины ключа, характерной для такого алгоритма шифрования.

Например, алгоритм RC4 зашифровывает данные в байтах. Представьте себе одну единственную букву в ASCII-кодировке в качестве открытого текста. На 26 букв приходится 256 возможных вариантов кодирования. Любой случайный ключ, если использовать его для расшифровки этого текста (буквы), с вероятностью 26/256 даст верный открытый текст. У аналитика нет никакого средства, позволяющего отличить ошибочный открытый текст от правильного.

Представьте теперь сообщение электронной почты размером 1 Кбайт. Аналитик пытается применять случайные ключи, и в конечном счете возникает открытый текст, который выглядит как сообщение электронной почты: слова, фразы, предложения, грамматика. Вероятность того, что это неправильный открытый текст, бесконечно мала.

Для стандартного англоязычного сообщения расстояние уникальности равно К/6,8, где К – это длина ключа в битах. (6,8 – степень естественной избыточности английского языка. Для других открытых текстов она будет больше или меньше, но незначительно.) Для ASCII-кода, применяемого согласно стандарту DES, расстояние уникальности составляет 8,2 байт. Для 128-битового шифра это примерно 19 байт. Таким образом, для англоязычных сообщений, длина которых превышает 19 байт, расшифрованный текст, похожий на английский, с большой вероятностью будет истинным открытым текстом. Почти такое же значение расстояния единственности имеют файлы электронных таблиц, текстовых процессоров и баз данных. (На самом деле оно может быть намного меньше, потому что форматы файлов предполагают стандартное начало файла.) Для сжатых файлов расстояние уникальности могло бы быть в два-три раза больше (но опять-таки, стандартное начало может его существенно снизить).

Отсюда мораль: «Распознать открытый текст просто, и для этого не требуется большого количества информации».

Коды аутентификации сообщений

Коды аутентификации сообщений (Message authentication codes или MACs) – это следующий базисный элемент, о котором мы поговорим. Они не обеспечивают секретность, но гарантируют аутентификацию и целостность. Они дают уверенность, что сообщение пришло именно от того человека, который обозначен как автор (это аутентификация), и что сообщение по пути не изменилось (а это целостность).

Вы можете рассматривать MAC как защищающую от вскрытия оболочку сообщения. Кто угодно может прочесть сообщение – оболочка не обеспечивает секретность. Но кто-то, кто знает ключ MAC, может удостовериться, что сообщение не было изменено. Конкретнее, MAC – это номер, который прикреплен к цифровому сообщению.

Для MAC применяют секретные ключи совместного использования, типа симметричных алгоритмов шифрования. Сначала Алиса договаривается о ключе с Бобом. Затем, когда она хочет послать Бобу сообщение, она вычисляет MAC сообщения (применяя секретный ключ) и присваивает его сообщению. У каждого сообщения есть уникальный MAC для любого возможного ключа.

Когда Боб получает сообщение, он вычисляет его MAC (опять-таки используя все тот же совместный ключ) и сравнивает его с тем значением MAC, которое прислала Алиса. Если они совпадают, то он может быть уверен в двух вещах: сообщение действительно пришло от Алисы (или от кого-то, кто знает секрет общего ключа) – потому что только применяя этот ключ, можно вычислить MAC, и это сообщение цельное и не измененное – так как MAC можно вычислить только по полному и точному сообщению. Если бы Ева (помните нашу перехватчицу?) прослушивала связь, она смогла бы прочитать сообщение. Однако если бы она попыталась изменить текст сообщения или MAC, то вычисленный Бобом MAC не был бы равен тому значению, которое он получил. Еве пришлось бы изменить сообщение, а затем изменить MAC, чтобы он был правильным для нового сообщения, но она не могла бы этого сделать, так как не знает ключа. Банки используют такую простую систему аутентификации уже несколько десятилетий.

Алиса может прибегнуть к той же уловке, чтобы установить подлинность информации, содержащейся в базе данных. Добавляя информацию в базу данных, она вычисляет MAC и хранит его вместе с информацией. Когда она извлекает информацию, то снова вычисляет MAC и сравнивает его с тем значением, которое хранилось в базе данных. Если они совпадают, то она приобретает уверенность, что никто не изменил информацию.

MAC постоянно используются в Интернете. Их применяют, например, в протоколе IPsec, чтобы гарантировать, что IP-пакеты не были изменены в промежутке между отправлением и прибытием на место назначения. Их используют во всевозможных протоколах межбанковских переводов для установления подлинности сообщений. Большинство MAC сконструированы с применением симметричных алгоритмов или односторонних хэш-функций. Например, в СВС-МАС применяется симметричный алгоритм, а в НМАС и NMAC – хэш-функции.

Односторонние хэш-функции

Односторонние (однонаправленные) хэш-функции напоминают цифровые отпечатки пальцев: небольшие фрагменты данных, которые могут служить для идентификации достаточно больших цифровых объектов. Это общедоступные функции, у них нет никаких секретных ключей.

Они названы односторонними из-за своей математической природы. Любой может вычислить одностороннее хэш-значение чего угодно (например, текста этой книги). Однако если имеется хэш-значение этой книги, исходя из вычислений невозможно создать другую книгу с таким же значением хэш-функции или получить подлинный текст книги.

Хэш-функция также может обеспечивать аутентификацию и целостность. Если бы вы загрузили эту книгу из Интернета, у вас не было бы никакого способа узнать, написал все это я или кто-то другой все же частично изменил мои слова. Однако, если бы я дал вам в руки хэш-значение для этой книги (типичный 20-байтовый код), вы смогли бы сравнить расчетный результат с тем значением, которое дал я. Если они совпадают, то это моя книга, без изменений.

Хэш-функции широко применяются в криптографии и компьютерной безопасности. Они используются почти во всех протоколах Интернета, чтобы обрабатывать ключи, связывать последовательность событий или аутентифицировать события. Они также важны для алгоритмов цифровой подписи (подробнее об этом – позднее). Они, возможно, – наиболее полезный инструмент в коллекции шифровальщика.

В настоящее время используется целый набор односторонних хэш-функций. Стандарт на хэш-функцию SHA-1 принят правительством США. Для алгоритма безопасности хэширования (Secure Hash Algorithm) есть акронимы, и они приведены в соответствующем стандарте (Secure Hash Standard, SHS). RIPEMD-160 – это европейский алгоритм. MD4 выходит из употребления (хотя вы все еще можете его неожиданно встретить), a MD5 демонстрирует существенные недостатки, и его больше не используют для создания чего-либо нового.

Шифрование открытым ключом

Помните проблему распределения ключей, о которой я упоминал в разговоре о симметричном шифровании? Как два человека могут убедиться, что у них один и тот же ключ и что они могут пользоваться алгоритмом симметричного шифрования или функцией MAC? Шифрование открытым ключом (или асимметричное шифрование) решает эту проблему. Оно позволяет вам посылать секретное сообщение людям, которых вы никогда раньше не встречали и с которыми вы не договаривались о секретном ключе. Оно допускает возможность двум людям обмениваться данными у всех на виду и в результате этого обмена получить секретные данные, которые не сможет получить кто-то, подслушивавший переговоры. Говоря в терминах физического мира, такое шифрование позволяет вам и вашему приятелю прокричать друг другу числа в кафе, битком набитом математиками, – так что, когда вы закончите, вы и ваш приятель получите одно и то же число, и никто, кроме вас двоих, совсем ничего не поймет.

Звучит нелепо? Это кажется невозможным. Если бы вы спросили шифровальщиков со всего света в 1975 году, все они сказали бы, что это невозможно. Так что можете себе представить всеобщее изумление, когда в 1976 году Витфилд Диффи и Мартин Хеллман объяснили, как это сделать. Или удивление британской разведки, когда Джеймс Эллис, Клиффорд Кок и М. Д. Уильямсон осуществили то же самое на несколько лет раньше.

Основная идея в том, чтобы использовать математическую функцию, которую просто вычислять в одном направлении и тяжело – в другом. Одна из таких функций – разложение целых чисел на множители. Если даны два числа, их легко перемножить и найти произведение. Но если дано только произведение, практически невозможно разложить число на множители и определить исходные числа. Как раз такого плана математику можно применять для создания шифрования с открытым ключом: в нее входят арифметические операции над абсолютными значениями чисел, возведение в степень и большие многоразрядные (до нескольких тысяч битов) исходные числа. Сегодня существует добрые полдюжины алгоритмов с названиями вроде RSA, Эль-Гамаль и алгоритм эллиптических кривых. (Алгоритмы, в основе которых лежит так называемая «задача о ранце», конкурировали с ними на ранних стадиях, но по прошествии 20 лет их так или иначе взломали.) Математика для каждого алгоритма своя, но концептуально они все одинаковы.

Вместо единственного ключа совместного пользования у Алисы и Боба есть два ключа: один для шифрования, а другой для расшифровки. Ключи различны, и невозможно, зная один ключ, вычислить другой. То есть если у вас есть ключ для шифрования, вы не сумеете найти ключ для расшифровки.

Вот в этом-то и есть самое интересное. Боб может создать пару таких ключей. Он может взять и обнародовать ключ для шифрования. Он может послать его друзьям, опубликовать на своем веб-сайте или поместить в телефонной книге. Алиса может найти этот ключ. Она может с его помощью зашифровать сообщение для Боба. Затем она может послать ему сообщение. Боб, используя свой ключ расшифровки (который он предусмотрительно не размещал на веб-сайте), сможет расшифровать и прочитать послание Алисы. Заметим, что Алисе не приходится встречаться с Бобом в какой-нибудь темной аллее и договариваться об общем секрете. Бобу даже не обязательно знать Алису. И, как ни странно, даже Алисе не обязательно знать Боба. Если Алиса сможет найти ключ, который Боб обнародовал, она сможет послать ему тайное сообщение, которое никто, кроме Боба, не сможет прочитать. Такое постоянно происходит с пользователями PGP; один из их ключей находится на каком-либо сервере, и тогда совершенно посторонний человек может отправить им зашифрованные сообщения. Даже если вы что-то смыслите в математике, это не менее удивительно.

Детали этого процесса содержат в себе целую кучу хитростей. Например, я не рассказал, как Боб создал открытый и закрытый ключи и как он сделал свой личный ключ секретным. (Он не может его помнить – ведь ключ состоит из более чем тысячи случайных цифр.) И я пропущу здесь рассказ о невероятно сложной задаче – как Алиса узнает, что она получила именно ключ Боба, а не какой-то старый, или неправильный, или ключ какого-либо злоумышленника. Мы вернемся к этому позднее.

А сейчас я хочу обратить ваше внимание на то, что никто не применяет шифрование с открытым ключом для кодирования сообщений. Все операционные системы используют гибридные технологии, в которых задействованы оба типа криптографии. Причина интереса к этому подходу в его эффективности. На самом деле, когда Алиса хочет послать сообщение Бобу, она зашифровывает сообщение при помощи симметричного алгоритма, используя произвольный ключ, который создает «из воздуха» (так называемый сеансовый ключ). Она зашифровывает этот произвольный ключ при помощи открытого ключа Боба, а затем отправляет вместе зашифрованный ключ и зашифрованное сообщение для Боба. Когда Боб их получает, он производит обратную операцию. При помощи личного ключа он расшифровывает произвольный симметричный ключ, а затем использует его для расшифровки сообщения.

Это может показаться сверхъестественным, но все совершенно нормально. Повторюсь, никто не использует криптографию с открытым ключом непосредственно для шифрования сообщений. Все применяют гибридные технологии. Так устроены все программы, обеспечивающие безопасность электронной почты, – PGP, РЕМ, S/MIME и любые другие. Так обеспечивается защита сообщений Веб, TCP/IP, телефонной связи и всего остального.

Схемы цифровой подписи

Шифрование с открытым ключом – вещь довольно удивительная, но цифровые подписи (сигнатуры) – еще более интересный и важный инструмент. Цифровые подписи обеспечивают тот же уровень аутентификации сообщений, что и MAC. А в современном бизнесе аутентификация намного важнее секретности,

Как и шифрование с открытым ключом, цифровые подписи используют пару ключей: открытый и закрытый. Вы также не можете установить по одному ключу другой. Но в этом случае ключи меняются местами.

У Алисы есть открытый текст сообщения. Применяя свой закрытый ключ, она сообщение зашифровывает. Поскольку это ее личный ключ, то только им можно зашифровать сообщение абсолютно тем же способом. Таким образом, зашифрованное сообщение становится Алисиной подписью на сообщении. Открытый ключ Алисы общедоступен. Кто угодно способен достать этот ключ и расшифровать сообщение, удостоверившись таким образом, что его подписала (то есть зашифровала) Алиса. Подпись является функцией сообщения, поэтому она уникальна для сообщений: злостный фальсификатор не может снять подпись Алисы с одного документа и поместить ее на другой. Подпись – это функция личного ключа Алисы, то есть она уникальна для нее.

Конечно, реальные системы более сложны. Так же как Алиса не зашифровывает сами сообщения при помощи алгоритмов шифрования с открытым ключом (она зашифровывает только ключ сообщения), она и не подписывает непосредственно сообщение. Вместо этого она вычисляет одностороннюю хэш-функцию сообщения и затем ее подписывает. Опять же, подписывание хэш-значения на несколько порядков быстрее, и надо иметь в виду, что существует математическая проблема защиты при подписывании сообщений напрямую.

Таким образом, большинство алгоритмов цифровых подписей на самом деле не зашифровывают подписанные сообщения. Идея та же, но математическое исполнение отличается. Для того чтобы создать подпись, Алиса производит некоторые вычисления исходя из сообщения и своего личного ключа. Эта подпись прикрепляется к сообщению. Боб проделывает другие вычисления, основываясь на сообщении, подписи и открытом ключе Алисы, чтобы проверить подпись. Ева, которая не знает личного ключа Алисы, может проверить подпись, но не может подделать сообщение или полноценную подпись.

В настоящее время применяются несколько алгоритмов цифровой подписи. Наиболее популярен RSA. Алгоритм цифровой подписи американского правительства (Digital Signature Algorithm, DSA), который применяют в стандарте цифровой подписи (Digital Signature Standard, DSS), также используется часто. Вы можете иногда встретить алгоритм Эль-Гамаль. А еще существуют алгоритмы подписей, в основе которых лежит криптография эллиптических кривых; они похожи на все прочие, но в некоторых ситуациях работают эффективнее.

Хотя алгоритмы цифровой подписи с открытым ключом похожи на MAC, они лучше в одном важном нюансе. Используя MAC, Алиса и Боб применяют совместный секретный ключ для аутентификации сообщений. Если Алиса получит сообщение и проверит его, она будет знать, что сообщение пришло от Боба.

Но она не сможет доказать это правосудию. В чем можно его убедить – это в том, что письмо пришло или от Боба, или от Алисы: как-никак оба они знали ключ MAC. При помощи MAC можно убедить получателя, что письмо поступило от отправителя, но MAC нельзя использовать для убеждения третьей стороны. Цифровые подписи позволяют уверить третью сторону, решающую проблему отказа от подписи: Алиса не может отправить Бобу письмо, а позднее утверждать, что никогда его не посылала.

К несчастью, действительность такова, что все, что касается подписей, является черным или белым, как это предполагает математика. Законы о цифровых подписях существуют в законодательстве многих стран, но меня беспокоит, что они не жизнеспособны. Цифровые подписи не являются аналогом автографа (собственноручной подписи). Я расскажу об этом подробнее в главе 15.

Генераторы случайных чисел

Случайные числа – это простой элемент криптографии, о котором меньше всего говорят, но он важен не менее, чем остальные. Почти всем системам компьютерной безопасности, в которых применяется криптография, необходимы случайные числа – для ключей, уникальных чисел в протоколах и т. п. – и безопасность таких систем часто зависит от произвольности ее случайных чисел. Если генератор случайных чисел ненадежен, вся система выходит из строя.

В зависимости от того, с кем вы разговариваете, генерация случайных чисел выглядит или тривиальной, или невозможной. Теоретически это невозможно. Джон фон Нейман, отец вычислительной техники, сказал: «Любой, кто считает, что существуют арифметические методы получения случайных цифр, безусловно, грешит». Он имел в виду, что невозможно получить что-то случайное в полном смысле слова на выходе такого детерминированного зверя, как компьютер. Это правда, но, к счастью, кое-что сделать мы можем. От генератора случайных чисел нам необходимо не то, чтобы числа были действительно случайными, а чтобы их невозможно было предсказать и воспроизвести. Если у нас будут выполнены эти два условия, мы сможем достичь безопасности.

С другой стороны, если мы нарушаем эти два условия, безопасности нет. В 1994 году в казино Монреаля установили компьютерный генератор случайных чисел для лотерей. Один наблюдательный игрок, проводивший в казино очень много времени, заметил, что выигрышные номера были каждый день одни и те же. Он успешно сорвал три Джек-Пота подряд и получил 600 000 долларов. (Как следует позаламывав руки, поскрежетав зубами и расследовав все, казино заплатило выигрыш.)

Существует несколько обширных классов генераторов случайных чисел. В основе некоторых из них лежат физические процессы, которые можно считать довольно случайными. Агентство национальной безопасности любит использовать в своей аппаратуре для создания случайных чисел электрические шумы диодов. Другие возможности – счетчик Гейгера или приемники радиопомех. Одна система в Интернете использует цифровой фотоаппарат, направленный на несколько стробоскопов. В других системах применяется турбулентность воздуха в дисководах или момент поступления сетевых пакетов.

Некоторые генераторы случайных чисел отслеживают случайные движения пользователя. Программа может попросить пользователя набрать на клавиатуре большую строку произвольных символов; она может задействовать последовательность символов или даже время между нажатиями клавиш для создания случайных чисел. Другая программа запросто способна потребовать у пользователя туда-сюда подвигать мышью или похрюкать в микрофон.

Некоторые генераторы случайных чисел применяют эту введенную информацию без изменений. В других она служит затравкой (начальным числом) для математических генераторов случайных чисел. Этот прием работает лучше, если системе требуется случайных чисел больше, чем их обеспечивает ввод информации.

Какого бы происхождения ни была случайность, генератор создаст ряд случайных битов. Затем их можно использовать как криптографические ключи и для всего остального, что нужно системе.

Длина ключей

Один из простейших критериев сравнения криптографических алгоритмов – длина ключа. Пресса любит обращать на нее внимание, поскольку ее легко считать и сравнивать. Как и в большинстве случаев, когда речь идет о безопасности, реальность более сложна. Короткий ключ плох, но длинный ключ не будет хорошим автоматически. Почему это так, я расскажу в следующей главе, а сейчас лучше разъяснить понятие длины ключа и его важность.

Начнем с самого начала. Криптографический ключ – это секретное число, которое делает криптографический алгоритм уникальным для тех, кто совместно пользуется этим ключом. Если Алиса и Боб договорились об общем ключе, то при помощи алгоритма они могут тайно пообщаться. Если Ева-перехватчица не знает ключа, ей придется исследовать и ломать алгоритм.

Одна очевидная вещь, которую можно сделать, – это перепробовать все возможные ключи. Это так называемая атака «в лоб», или лобовая атака. Если длина ключа n битов, то существует 2^n всевозможных комбинаций ключей. При длине ключа в 40 бит, придется перебрать около триллиона вариантов ключей. Такая задача покажется ужасно скучной для Евы, но компьютеры неутомимы. Они лучше всех решают ужасно скучные задачи. В среднем компьютеру пришлось бы испробовать половину ключей, прежде чем он найдет правильный, то есть компьютер, который мог бы проверять миллиард ключей в секунду, потратил бы на поиски правильного 40-битового ключа примерно 18 минут. В 1998 году Electronic Frontier Foundation создала машину, которая могла атакой «в лоб» ломать DES-алгоритм. Эта машина, названная DES Deep Crack, проверяла 90 миллиардов ключей в секунду; она могла найти 56-битовый ключ DES в среднем за 4,5 дня. В 1999 году распределенный интернет-проект подбора ключей для взлома DES, distributed net (включающий в себя Deep Crack), был способен проверить 250 миллиардов ключей в секунду.

Все схемы таких взломов «в лоб» линейны: вдвое большее количество ключей потребует вдвое больше компьютерного времени. Но сложность такого взлома зависит от длины ключей экспоненциально: добавим один бит к длине ключа, и взлом «в лоб» станет в два раза сложнее. Добавим два бита – в четыре раза. Десять битов – в тысячу раз сложнее.

Сила атак «в лоб» в том, что они работают против любого алгоритма. Поскольку эта атака не касается внутренней математики алгоритма, ей все равно, что же там внутри. Одни алгоритмы могут быть быстрее других, и поэтому атака «в лоб» проходит быстрее, но длина ключа легко это перевешивает. Достаточно просто сравнить длины ключей различных алгоритмов, чтобы выяснить, какие из них более уязвимы для лобовой атаки.

В 1996 году группа шифровальщиков (включающая и меня) исследовала различные технологии, которые можно использовать для создания дешифрующих машин, действующих по принципу лобовой атаки, и пришла к выводу, что 90-битовый ключ сможет обеспечивать безопасность до 2016 года. Ключ Triple-DES состоит из 112 бит, а наиболее современные алгоритмы имеют по меньшей мере 128-битовые ключи. (Улучшенный стандарт шифрования (AES) правительства США поддерживает длины ключей 128,192 и 256 бит.) Даже машине, работающей в миллиард раз быстрее Deep Crack, потребовался бы миллион лет, чтобы перебрать 2^112 ключей и восстановить открытый текст; еще более, чем в тысячу раз, возрастает время при переходе к 128-битовому ключу. Он будет обеспечивать безопасность в течение тысячелетия.

К этим числам нужно относиться с некоторым скептицизмом. Я – не ясновидящий и ничего не знаю о будущих достижениях компьютерных технологий. Реальная безопасность зависит от нескольких вещей: насколько ваши данные ценны, как долго их требуется хранить в тайне и т. п. Но это означает, что должны существовать «законсервированные» числа – длины ключей для симметричных алгоритмов и MAC. Хэш-функции должны иметь длину, равную удвоенной длине ключа.

Длина ключа для симметричного алгоритма открытого ключа определяется более сложным образом. Наиболее эффективная атака против RSA, например, состоит в том, чтобы разложить на множители большое число. Наиболее действенная атака против Эль-Гамаля, алгоритма Диффи-Хеллмана, DSA и других систем – вычислить нечто, называемое дискретным логарифмом. (По существу, это – та же проблема.) Алгоритмы эллиптических кривых еще более сложны.

Для алгоритмов с открытым ключом специалисты сейчас рекомендуют 1024-битовые и более ключи. Параноики используют ключи еще длиннее. Системы, для которых не слишком важна долговременная секретность, пользуются 768-битовыми ключами. (Для алгоритмов эллиптических кривых применяют разные длины ключей.)

Трудно оценивать будущие трудности разложения на множители и вычисления дискретных логарифмов, поскольку нет никакого математического доказательства, что эти задачи имеют фиксированную степень сложности. (С другой стороны, мы знаем, насколько трудно перебирать все возможные ключи.) Итак, еще раз: отнеситесь ко всем этим рекомендациям, как к мнению квалифицированных специалистов – и не более того.

 

Глава 7

Криптография в контексте

Если криптография так надежна, то почему же происходят сбои в системах защиты? Почему существуют электронные кражи, мошенничество, нарушения конфиденциальности и все прочие проблемы безопасности, которые обсуждались в предыдущих главах? Почему криптография не соответствует всем без исключения требованиям безопасности? Зачем я докучаю вам такой толстой книгой?

Достаточно неожиданно, но причина этого не в плохом качестве криптографии. (Многое лежит на поверхности, но есть и проблемы, упрятанные гораздо более глубоко.) Ответ нужно искать в различии между теорией и практикой.

Криптография – это раздел математики. Математика – теоретическая наука; она логична. Хорошая математика исходит из правильной предпосылки, следует единственным путем – доказательство за доказательством – через неизведанные земли и заканчивается неопровержимым выводом. По природе своей она хорошо выглядит на бумаге.

Корни проблем безопасности следует искать в физическом мире. Материальный мир во многом нелогичен. Он неупорядочен. В нем не существует единственного пути. В нем есть теории и выводы, но для того чтобы согласиться с выводами, вам необходимо принять предпосылки, модели и взаимосвязи между теориями и реальным миром. А это непросто. Люди не играют по правилам. Они делают то, чего от них не ожидают; они не укладываются в жесткие рамки. То же самое касается технических средств: время от времени все начинает плохо работать, а то и вовсе ломается. Это же можно сказать о программном обеспечении. Оно должно быть логичным и упорядоченным, как-никак это – просто комбинация нулей и единиц, но иногда оно настолько сложно, что становится больше похожим на организм, а не на творение математики. Неважно, насколько хороша криптографическая теория: когда она используется в системе, она сталкивается с практикой.

Я часто говорю о программах, что они – лишь дань моде. Когда реклама утверждает, что используется RSA, тройной DES или любой другой модный алгоритм криптографии, это равносильно заявлению о том, что дом полностью безопасен только потому, что у него надежный дверной замок. Этого недостаточно.

Длина ключа и безопасность

Несмотря на то что я сказал в предыдущей главе, длина ключа почти ничего не определяет в безопасности.

Внутри замка на входной двери вашего дома есть множество штырьков. Для каждого из них существуют различные возможные положения. Когда кто-то вставляет ключ в замочную скважину, все штырьки перемещаются в определенные позиции. Если положение, в которое ключ ставит штырьки, как раз то, которое необходимо, чтобы замок открылся, то он открывается. Если нет – не открывается.

У замков, наиболее часто используемых в жилых домах, пять штырьков, каждый из которых может располагаться в одном из десяти различных положений. Это означает, что существует 100 000 возможных ключей. Взломщик с огромной связкой ключей может перебрать все ключи один за другим и в конце концов попасть внутрь. Ему лучше набраться терпения, поскольку если даже он тратит на один ключ 5 секунд, ему потребуется примерно 69 часов, чтобы найти подходящий ключ (и это без перерывов на сон, еду и душ).

Однажды в вашу дверь звонит торговый агент и предлагает вам купить новый замок. У его замка семь штырьков по двенадцать положений у каждого. Агент скажет, что взломщику придется три года непрерывно перебирать ключи, прежде чем он сможет открыть дверь. Почувствуете ли вы себя в большей безопасности с таким замком?

Наверное, нет. Все равно ни один взломщик не стал бы стоять перед вашей дверью 69 часов. Он, скорее всего, откроет замок отмычкой, просверлит его, вышибет дверь, разобьет окно или просто спрячется в кустах до тех пор, пока вы не отправитесь на прогулку. Замок с большим количеством штырьков и положений не обеспечит вашему дому большую безопасность, поскольку атака, которая таким образом затрудняется – перебором еще большего количества ключей – не та атака, о которой стоит задумываться особо. До тех пор пока количества штырьков достаточно, чтобы сделать недопустимой такую атаку, вам не следует о ней беспокоиться.

То же самое справедливо для криптографических ключей. Если они достаточно длинные, то лобовые атаки просто лежат за пределами человеческих возможностей. Но здесь следует позаботиться о двух вещах. Во-первых, о качестве алгоритма шифрования, а во-вторых, о качестве ключа. Какой ключ является «достаточно длинным», зависит от обеих этих вещей.

Но в первую очередь нужно разъяснить понятие энтропии.

Энтропия – мера беспорядка или, более конкретно в контексте криптографии мера неопределенности. Чем больше неопределенность, тем больше энтропия. Например, случайно выбранный человек из обычной популяции является или мужчиной, или женщиной, в этом случае переменная «пол» составляет один бит энтропии. Если случайный человек сообщает, кто из четырех «Битлз» ему больше нравится, и все варианты равновероятны, этому соответствуют два бита энтропии. Пол члена женской олимпийской команды по бегу – это величина, у которой нет энтропии – они все женщины. Энтропия предпочтений одного из «Битлз» на собрании фан-клуба Джона Леннона существенно меньше двух битов, поскольку наиболее вероятно, что выбранный наугад человек предпочитает Джона. Чем больше определенность переменной, тем меньше энтропия.

То же самое верно для криптографических ключей. То, что алгоритм использует 128-битовый ключ, не означает, что у него 128 бит энтропии для ключа. Или точнее, лучший способ сломать данную реализацию 128-битового алгоритма шифрования может состоять не в том, чтобы перебрать все ключи. «128 бит» – это просто мера максимального количества работы, которая потребуется, чтобы восстановить ключ; но про минимум ничего не сказано.

Во-первых, следует позаботиться о происхождении ключа. Все вычисления, касающиеся длины ключа, я производил, предполагая, что каждый ключ имеет при создании максимальную энтропию. Другими словами, я рассчитывал, что все варианты ключа равновероятны, что генератор случайных чисел, создавший ключ, работает идеально. Это допущение не совсем верно.

Многие ключи создаются на основе паролей и ключевых фраз. Система, принимающая пароль из 10 ASCII-символов, предоставляет для него 80 бит, но ее энтропия будет значительно меньше 80 бит. Некоторые символы ASCII никогда не появляются, а пароли, которые представляют собой реальные слова (или что-то похожее на слова), гораздо вероятнее, чем произвольные строки символов. Я видел оценки энтропии для английского языка, меньшие 1,3 бит на символ; у пароля энтропия меньше, чем 4 бит на символ. Это значит, что пароль из 8 символов будет приблизительно соответствовать 32-битовому ключу, а если вы захотите 128-битовый ключ, вам нужен пароль из 98 символов (на базе английского алфавита).

Видите ли, разумный взломщик не будет перебирать все возможные пароли по порядку. Он сначала испробует наиболее вероятные, а затем проверит остальные – в порядке убывания вероятности. Он проверит тривиальные пароли (типа «пароль» или «1234»), после этого – весь английский словарь, а затем различные заглавные буквы, цифры и т. п. Это называют словарной атакой. Программа для взлома пароля, реализующая такую атаку, называется L0phtcrack; на 400-мегагерцовом Quad Pentium II она может протестировать зашифрованный пароль по 8-мегабайтовому словарю распространенных паролей за считанные секунды.

Вот почему смешно, когда компании вроде Microsoft рекламируют 128-битовое шифрование, а затем берут за основу ключа пароль. (Это в высшей степени характерно для всей системы безопасности Windows NT.) Используемые алгоритмы могут допускать 128-битовый ключ, но энтропия пароля гораздо меньше. Фактически, качество криптографии и длина ключа не важны; причиной выхода системы из строя послужит слабый пароль. (Очевидное решение – не допустить, чтобы люди перебирали множество паролей, – не срабатывает. Я подробнее остановлюсь на этой проблеме в главе 9.)

Это очень важно. Я знаю сложные системы, секретный ключ которых защищен паролем. В основе безопасности практически любого зашифрованного продукта на жестком диске компьютера лежит ключ, запоминаемый пользователем. Почти вся система безопасности Windows NT приходит в негодность из-за того, что она построена на основе пароля, запоминаемого пользователем. Даже система PGP (Pretty Good Privacy) распадется, если пользователь выберет плохой пароль.

Не важно, какие алгоритмы и насколько длинные ключи используются; секреты, которые хранятся в памяти пользователя, беззащитны сами по себе.

Ключ, сгенерированный случайным образом, намного лучше, но проблемы остаются. Генератор случайных чисел должен создавать ключи с максимальной энтропией. Недостатки генератора случайных чисел – те же, что привели к сбоям системы шифрования в Netscape Navigator 1.1. Хотя генератор случайных чисел применяли для создания 128-битовых ключей, максимальная энтропия достигала примерно 20 бит. То есть алгоритм был не лучше, чем если бы использовался 20-битовый ключ.

Второй предмет заботы – это качество алгоритма шифрования. Все предыдущие расчеты предполагали, что алгоритм получал ключи при помощи вычислений и использовал их совершенным образом. Если в алгоритме есть слабые места, доступные для атаки, это существенно снижает энтропию ключей. Например, алгоритм А5/1, используемый европейской сетью сотовых телефонов GSM, имеет 64-битовый ключ, но может быть взломан за время, требующееся для взлома 30-битового ключа при помощи атаки «в лоб». Это значит, что хотя у алгоритма имеется ключ с 64-битовой энтропией, он задействует для ключа только 30 бит энтропии. Вы можете с тем же успехом использовать хороший алгоритм с 30-битовым ключом.

По этой причине проходит довольно много времени, прежде чем шифровальщики начинают доверять новому алгоритму. Когда кто-то предлагает новый алгоритм, у него есть определенная длина ключа. Но обеспечивает ли алгоритм реально ту энтропию, которая заявлена? Может потребоваться несколько лет анализа, прежде чем мы поверим, что он это делает. И даже тогда мы можем легко ошибиться: возможно, кто-то придумает новые математические подходы, которые понизят энтропию алгоритма и сломают его. Поэтому рекламу программ, в которых обещаются тысячебитовые ключи, трудно воспринимать серьезно – ее создатели не имеют понятия, как работают ключи и энтропия.

Похожая проблема существует и для физических ключей и замков. Принято думать, что слесарь возит в своем грузовике огромное кольцо с ключами от машин. Может потребоваться 10 000 ключей, чтобы открыть все замки, но в реальности несколько дюжин ключей откроют любой из них. Иногда слесарю достаточно просто взять другой ключ, отличающийся от предыдущего на 1-2 «бита», – отметим, что это комбинация анализа и лобовой атаки – и этого уже достаточно. Да, процесс долгий, но совсем не такой, как проверка всех 10 000 возможных ключей (старые замки – четырехштырьковые). Действительная надежность дверного замка существенно отличается от теоретической.

То же самое с комбинациями замков. Вы можете перебрать все возможные комбинации – и существуют машины для взлома сейфов, которые так и делают, – или поступить хитрее. Современные машины для взлома сейфов применяют микрофон, чтобы слушать звук, производимый дисками, когда их поворачивают, и они могут открыть сейф намного быстрее, чем старые, действующие «в лоб».

Сказанное здесь заставляет очень внимательно подходить к выбору алгоритма. Мы еще обсудим это более детально в конце этой главы.

Одноразовое кодирование

Кодирование одноразового использования – это самый простой из всех алгоритмов, его изобрели незадолго до XX века. Основная идея его состоит в том, что у вас есть набор символов ключа. Вы прибавляете один символ ключа к каждому символу открытого текста и никогда не повторяете символы ключа. (Это «одноразовая» часть.) Например, вы прибавляете В (2) к С (3), чтобы получить Е (5), или Т (20) к L (12), чтобы получить F (6). ((20 + 12) mod 26 = 6.) Такая система подходит для любого алфавита, в том числе и бинарного. И это единственный имеющийся у нас алгоритм, безопасность которого может быть доказана.

Вспомним понятие расстояния уникальности. Оно возрастает при увеличении длины ключа. Когда длина ключа приближается к длине сообщения, расстояние уникальности стремится к бесконечности. Это означает, что невозможно восстановить открытый текст, и это доказывает безопасность одноразового кодирования.

Но, с другой стороны, это практически бесполезно. Поскольку ключ должен при этом быть такой же длины, как и сообщение, то проблема не решена. Единственный здравый подход к шифрованию должен предполагать, что очень длинная секретная информация – сообщение – превращается с его помощью в очень короткую секретную информацию – ключ. При помощи одноразового кодирования вы нисколько не сокращаете секретную информацию. Так же сложно доставить шифр получателю, как и доставить само сообщение. Современная криптография зашифровывает большие объекты, например цифровые фильмы, соединения через Интернет или телефонные разговоры, и такое шифрование практически невозможно осуществить, работая с одноразовым кодированием.

Одноразовое кодирование практически использовалось в особых случаях. Русские шпионы применяли для общения алгоритм одноразового кодирования, используя карандаш и бумагу. Агентство национальной безопасности (NSA) раскрыло эту систему, поскольку русские использовали ее повторно. Горячая линия телетайпа между Вашингтоном и Москвой была зашифрована именно таким образом.

Если утверждают, что некая программа использует этот алгоритм, то здесь почти наверняка обман. А если и нет, то программа наверняка непригодна для использования или небезопасна.

Протоколы

Шесть инструментов, о которых я говорил в предыдущей главе, – симметричное шифрование, коды аутентификации сообщений, шифрование с открытым ключом, односторонние хэш-функции, схемы цифровых подписей и генераторы случайных чисел – составляют набор инструментов шифровальщика. С его помощью мы выстраиваем криптографические решения реальных задач: «Как мне послать секретное письмо по электронной почте? Как можно предотвратить мошенничества с телефонными звонками? Как мне обеспечить безопасность системы голосования через Интернет?» Эти задачи безопасности мы решаем, компонуя простейшие элементы в так называемые протоколы. Приходится использовать и другие второстепенные элементы, но, по существу, шесть перечисленных выше элементов составляют ядро любого криптографического протокола.

Например, предположим, что Алиса хочет сохранить в тайне некоторые файлы данных. Вот протокол, который это делает. Алиса выбирает пароль или даже лучше – ключевую фразу. Криптографические программы хэшируют этот пароль, чтобы получить секретный ключ, а затем, применяя симметричный алгоритм, зашифровывают файл данных. В результате получится файл, доступ к которому есть только у Алисы или у того, кто знает пароль.

Хотите создать безопасный телефон? Используйте криптографию с открытым ключом, чтобы сформировать сеансовый ключ, а затем при помощи этого ключа и симметричной криптографии зашифруйте переговоры. Хэш-функция обеспечивает дополнительную безопасность против атак, проводимых человеком. (Подробнее об этом позже.) Чтобы засекретить сообщение электронной почты, воспользуйтесь криптографией с открытым ключом для соблюдения секретности и схемой цифровой подписи для аутентификации. Электронная торговля? Обычно для нее не требуется ничего, кроме цифровых подписей и, иногда, шифрования для секретности. Секретный контрольный журнал? Возьмите хэш-функции, шифрование, может быть, MAC и перемешайте.

То, что мы сейчас делаем, и есть создание протоколов. Протокол – это не сложнее, чем танец. Это последовательность заданных шагов, которую выполняют два (или больше) партнера и которая предназначена для решения поставленной задачи. Представьте себе протокол, которым пользуются продавец и покупатель при покупке мандаринов. Вот необходимые шаги:

1. Покупатель спрашивает у продавца мандарины.

2. Продавец дает ему мандарины.

3. Покупатель платит продавцу.

4. Продавец возвращает ему сдачу.

Все, о ком идет речь в протоколе, должны знать шаги. Например, покупатель знает, что он должен заплатить за мандарины. Все шаги должны быть однозначны: ни продавец, ни покупатель не могут достичь шага, на котором они не знают, что делать. Кроме того, протокол должен обязательно завершаться – в нем не должно быть бесконечных циклов.

Шаг 2 не будет работать как надо, если продавец не поймет семантическое содержание шага 1. Продавец не выполнит шаг 4, если на шаге 3 не признает деньги настоящими. Попробуйте купить мандарины в США на польские злотые и посмотрите, как вам это удастся.

Нас особо волнуют протоколы безопасности. Кроме всех перечисленных выше требований мы хотим, чтобы покупатель и продавец не имели возможности обманывать (что бы ни означало «обманывать» в нашем контексте). Мы не хотим, чтобы продавец мог заглянуть в бумажник покупателя на шаге 3. Мы не хотим, чтобы продавец не отдал покупателю сдачу на шаге 4. Мы не хотим, чтобы покупатель застрелил продавца на шаге 3 и ушел с украденными мандаринами. Такие способы обмана распространены и в материальном мире, а анонимность киберпространства только увеличивает опасность.

Даже в физическом мире были разработаны более сложные протоколы, чтобы снизить опасность всякого рода жульничества. Вот как в общих чертах выглядит протокол продажи автомобиля.

1. Алиса передает Бобу ключи и документы.

2. Боб дает Алисе чек на сумму покупки.

3. Алиса кладет деньги в банк.

Здесь Боб запросто может сжульничать. Он может дать Алисе фальшивый чек. Она не будет знать, что чек фальшивый, и не узнает, пока ей не скажут об этом в банке. К тому времени Боб с ее машиной будет уже далеко.

Когда я продавал машину несколько лет назад, во избежание такой атаки придерживался несколько модифицированного протокола.

1. Боб выписывает чек и идет с ним в банк.

2. Когда на счет Боба поступит достаточно денег, чтобы покрыть чек, банк «заверяет» чек и возвращает его Бобу.

3. Алиса передает Бобу ключи и документы о праве собственности.

4. Боб дает Алисе заверенный чек на сумму покупки.

5. Алиса кладет деньги в банк.

Что при этом происходит? Банк в такой коммерческой сделке выступает доверенной третьей стороной. Алиса полагается на то, что банк выплатит по заверенному им чеку полную сумму. Боб верит, что банк сохранит деньги на счете, а не вложит их в рискованные предприятия в странах третьего мира. Алиса и Боб могут осуществить свою сделку, даже если они не доверяют друг другу, – поскольку они оба доверяют банку.

Такая система работает не потому, что банк – солидное учреждение, за которым стоит много, включая хорошую рекламную кампанию, а потому, что банк не заинтересован в выгоде кого-либо одного – Алисы или Боба – и имеет надежную репутацию. Банк будет придерживаться протокола заверения чека, что бы ни произошло. Если на счету Боба достаточно денег, банк выдаст чек. Если Алиса представит чек к оплате, банк его оплатит. Если бы банк все же скрылся с деньгами, не многое бы от него осталось. (В этом и есть сущность репутации.)

Данный протокол защищает Алису, но не Боба от покупки фальшивых документов или краденой машины. Для этого нам нужен другой протокол.

1. Алиса передает ключи и документы о праве собственности юристу.

2. Боб отдает юристу чек.

3. Юрист проверяет чек в банке.

4. По прошествии оговоренного временного промежутка, который отводится на то, чтобы проверить чек и зарегистрировать машину, юрист отдает Бобу документы. Если клиринг чека не удается осуществить в течение оговоренного времени, юрист возвращает документы Алисе. Если Боб не может получить новые документы на машину (поскольку Алиса дала ему недействительные документы), Боб предоставляет юристу соответствующие доказательства и получает назад свои деньги.

Как и в предыдущем протоколе, здесь привлекается третья доверенная сторона. В данном случае это юрист. Алиса не доверяет Бобу, Боб не доверяет Алисе, но оба они верят, что юрист на последнем шаге поведет себя беспристрастно. Юрист совершенно не заинтересован в чьей-либо выгоде – ему все равно, отдаст он документы Бобу или Алисе. Он задержит деньги на депоненте и будет действовать в соответствии с соглашением между Бобом и Алисой.

Другие протоколы могут быть более простыми и не требовать столь сложного обмена. Например, протокол, в соответствии с которым банк в состоянии удостовериться, что чек подписан Алисой.

1. Алиса подписывает чек.

2. Банк сравнивает подпись на чеке с подписью на папке Алисы.

3. Если они совпадают, банк дает Алисе деньги. Если не совпадают – не дает.

Теоретически, такой протокол обеспечивает защиту от того, что Боб обманным путем получит деньги Алисы, но, конечно, в реальности все сложнее. Боб может уметь подделывать подписи. Банк может давать рискованные займы Парагваю и разориться. Алиса может вытащить пистолет. Существуют, вероятно, тысячи способов нарушить этот протокол, но с разумными допущениями он работает.

Протоколы цифрового мира во многом похожи на предыдущие примеры. Цифровые протоколы при помощи криптографии делают то же самое: сохраняют секреты, проводят аутентификацию, охраняют справедливость, обеспечивают аудит и т. п.

В Интернете используется множество протоколов безопасности; я расскажу о них в следующем разделе. У других цифровых сетей есть свои протоколы безопасности. Индустрия сотовых телефонов применяет целый ряд протоколов – как для секретности, так и для предотвращения мошенничества (с переменным успехом). У компьютерных приставок к телевизору также есть протоколы безопасности. И у смарт-карт тоже.

Протоколы, содержащие цифровые подписи, особенно полезны для различных задач аутентификации. Например, при помощи схемы цифровых подписей можно создать подписи, которые сможет идентифицировать только определенный получатель. Это полезно для информаторов или доносчиков, поскольку получивший сообщение в силах установить, кто его отправил, но не сумеет доказать это третьему лицу. (Представьте, что вам на ухо прошептали секрет. Вы знаете, кто вам его сообщил, но никак не можете доказать, что это сделал именно он.) При помощи протоколов цифровых подписей можно подписать программу, и тогда только тот, кто приобрел программный пакет законным образом, сможет проверить подпись и узнать, что это не подделка; обладатели пиратских копий не могут быть в этом уверены. Мы можем создать групповые подписи, так что для людей, не входящих в группу, подпись будет казаться подписью группы в целом, а члены группы различат, чья конкретно эта подпись.

Более сложные протоколы дают криптографии возможность прыгнуть через любые препятствия. Можно предоставлять так называемые доказательства с нулевыми знаниями, когда Алиса способна доказать Бобу, что она что-то знает, не открывая, что именно. Криптографические протоколы также могут обеспечивать систему одновременного подписания контрактов через Интернет. Можно создать цифровой аналог заказных писем, когда Алиса сумеет прочесть письмо, только отослав обратно «расписку в получении».

При помощи протокола, называющегося совместным управлением секретностью (secret sharing), мы можем предписывать требование соглашения о доступе (collusioninaccess) – секрет, который нельзя узнать, если многие люди не действуют сообща. Это – действительно необходимая вещь. Представьте себе ядерную ракетную установку. Для того чтобы запустить ракету, два человека одновременно должны повернуть ключи и разблокировать систему. А замочные скважины (или в данном случае их цифровой аналог) достаточно сложны, чтобы один-единственный солдат не мог повернуть все ключи и убить всех; чтобы запустить ракету, по крайней мере два человека должны действовать сообща. Или представьте себе контроль счетов корпорации, в соответствии с которым для особо ценных чеков требуется две подписи: по крайней мере два из пяти членов правления корпорации должны подписать чек. Мы можем создать что-то подобное при помощи криптографии.

Получится даже еще лучше. Можно создать протокол для тайного голосования в Интернете – такой, что только зарегистрированный избиратель сможет проголосовать, никто не сумеет проголосовать дважды, никто не сможет узнать, кто за кого голосовал, и все будут уверены, что выборы честные. Можно даже создать электронную валюту, однако кто-нибудь попытается использовать эти платежные средства дважды…

Честно говоря… если вы захотите, мы сможем сделать и это.

Однако существуют и проблемы, которым посвящено достаточно места в этой книге.

Криптографические протоколы Интернета

Для Интернета криптография относительно нова и появилась она в нем только благодаря коммерциализации сети. Интернет небезопасен; чтобы обеспечить безопасность в сети, необходима криптография. Вот почему на практике криптографические протоколы являются важнейшей составной частью протоколов Интернета. Примеры, приведенные здесь, характерны для 2000 года, со временем их характер, конечно, будет меняться.

Первой областью применения криптографии в Интернете стала электронная почта. В ней работали два соответствующих протокола: S/MIME и OpenPGP. OpenPGP – это протокол в составе PGP и его разновидностей. S/MIME – стандартный интернет-протокол во всех других случаях.

Netscape изобрела SSL (Secure Sockets Layer – протокол, гарантирующий безопасную передачу данных по сети; комбинирует криптографическую систему с открытым ключом и блочным шифрованием данных) на заре существования Веб, когда люди захотели заниматься безопасной электронной торговлей при помощи своих браузеров. SSL существовал в нескольких воплощениях (он был полем боя во время войны браузеров Netscape и Microsoft и в итоге был назван TLS (Transport Layer Security)). Эти протоколы встроены в браузеры и позволяют людям зашифровать секретную информацию, посылаемую на различные веб-сайты.

Более новые криптографические протоколы разработаны для защиты пакетов IP. Среди них Microsoft Point-to-Point Tunneling Protocol (PPTP, у которого есть грубые дефекты), Layer Two Tunneling Protocol (L2TP) и IPsec (он существенно лучше, хотя и слишком сложен). IKE (Internet Key Exchange) – это, как видно из названия, протокол обмена ключами. Сегодня эти протоколы используются преимущественно для того, чтобы обеспечить работу виртуальных частных сетей (VPN). Тем не менее протоколы безопасности Интернета «умеют» намного больше, чем протоколы VPN. У них есть возможность обеспечивать безопасность большей части трафика. Со временем, может быть, эта возможность реализуется.

Существуют также и другие интернет-протоколы. SET – разработанный компаниями Visa и MasterCard для защиты операций с кредитными картами во Всемирной паутине. (Эти протоколы никогда не будут широко применяться.) Протокол SSH (Secure Shell – защитная оболочка) используется для шифрования и идентификации команд для удаленных соединений. Другие протоколы имеют дело с сертификатами открытых ключей и инфраструктурой сертификатов: PKIX, SPKI и им подобные. Microsoft использует свои протоколы для защиты Windows NT.

Большая часть этой работы была проделана под эгидой Проблемной группы проектирования Интернета (Internet Engineering Task Force, IETF – одна из групп IAB, отвечающая за решение инженерных задач Интернета, выпускает большинство RFC, используемых производителями для внедрения стандартов в архитектуру TCP/IP). Процесс нуждается в тщательном согласовании, а это значит, что создание подобных вещей требует длительного времени и в результате они получаются более сложными, чем могли бы быть. Как мы увидим позднее, эта сложность не является хорошим фактором.

Типы атак, направленных на протоколы

Так же как существует много различных атак, мишенью которых служат алгоритмы, множество их направлено и против протоколов. Простейшие из них – это пассивные атаки: вы просто присматриваетесь к протоколу и ищете, что можно понять. Часто в результате простого подслушивания можно узнать очень многое.

Существует множество веб-сайтов электронной почты. Чтобы ими воспользоваться, вы идете на этот сайт, набираете ваше имя и пароль. Как правило, такой протокол уязвим для атаки перехвата. Другая серия протоколов, уязвимых для атаки-перехвата, – протоколы для предупреждения мошенничеств с аналоговыми телефонами. Кто-то, у кого есть сканирующее устройство, может прослушать соединение телефона с базовой станцией, а затем оплачивать свои звонки со счета того телефона. (Это называется телефонным клонированием. Цифровые сотовые телефоны в этом смысле лучше, но ненамного.)

Узким местом атак перехвата является то, что не всегда понятно, какая информация представляет ценность. Можете представить себе зашифрованную телефонную сеть, в которой невозможно (учитывая секретность, обеспечиваемую криптографией) подслушивать телефонные разговоры. Однако информация о подключениях остается доступной. Эта информация часто тоже бывает полезной. В военной обстановке, например, вы можете многое узнать из анализа трафика: кто с кем говорит, когда и как долго.

Более сложные атаки – активные: вставка, удаление и изменение сообщений. Они могут оказаться существенно более действенными.

Рассмотрим систему смарт-карт. Люди кладут деньги на счет и затем используют карточку для оплаты. Эта система будет состоять из множества различных протоколов: для помещения денег на карту, для перевода денег с карты на другое устройство, для запросов информации о карте и других.

Активные атаки способны нанести множество повреждений такой системе. Предположим, вы можете вмешиваться в протокол между банком и картой. Если вам доступно воспроизведение старых сообщений, вы можете добавить на карту побольше денег. Или, например, вы умеете удалять сообщение в протоколе перевода денег с карты при покупке – тогда сумма на карте никогда не будет уменьшаться.

Одна из мощных атак – это атака посредника, «человека посередине» (man-in-the-middle-attack). Алиса хочет тайно поговорить с Бобом, применяя какой-то алгоритм с открытым ключом, чтобы создать свой ключ. Ева перехватывает сообщение Алисы. Она представляется Алисе как Боб, завершая протокол обмена ключами. Затем она связывается с Бобом и представляется как Алиса, выполнив тем самым второй протокол обмена ключами с Бобом. После этого она может прослушивать связь. Когда Алиса посылает Бобу сообщение, Ева его перехватывает, расшифровывает, зашифровывает заново и посылает Бобу. Когда Боб посылает сообщение для Алисы, Ева проделывает аналогичную процедуру. Это очень действенная атака.

Безусловно, грамотные разработчики протоколов принимают во внимание такие атаки и пытаются предотвращать их. Лучшие протоколы связи не допускают атак посредничества и, конечно, не дают возможности перехвата пароля. Лучшие протоколы электронной торговли не допускают, чтобы злонамеренные пользователи произвольно добавляли деньги на смарт-карты. Но людям свойственно ошибаться, и во множестве протоколов есть проблемы.

И, повторим снова, не всегда очевидно, какого рода атаки необходимо предотвращать. Существовал протокол идентификации открытого ключа, который описан в литературе, сконструированный так, что пользователи могли аутентифицировать себя для хостов. Этот протокол защищал от атак пассивного прослушивания и от активных атак вставки или удаления. Но, как оказалось, он не защищал от хостов злоумышленников. Алиса может подтвердить хосту свою подлинность, и ни один перехватчик не сможет выдать себя за Алису. Но хост сможет.

Это – интересная атака. В одних обстоятельствах полагают, что хост достоин доверия и этой проблемы нет. В других случаях проблема налицо. Нам легко представить себе, что злонамеренные хосты во Всемирной паутине есть. Если бы банк, работающий через Интернет, использовал этот протокол (насколько мне известно, такого не было), то преступники смогли бы создать ложный банковский вебсайт, у которого немного отличался бы URL. Не подозревающие ни о чем пользователи аутентифицировали бы себя на этом ложном сайте, а он затем представлялся бы реальному банку пользователем.

Множество подобных вещей формализовано. Существуют автоматические инструменты (сервисные программы) для анализа протоколов: формальные логики, компьютерные программы, которые анализируют детали протоколов, и другие. Эти инструменты полезны, они регулярно обнаруживают проблемы в существующих протоколах, но с их помощью нельзя «доказать» надежность протокола.

Выбор алгоритма или протокола

Выбрать криптографический алгоритм или протокол трудно, поскольку нет абсолютных критериев. Мы не можем сравнивать алгоритмы шифрования по тому же принципу, по которому сравниваем алгоритмы сжатия. Со сжатием все просто: вы можете наглядно доказать, что один алгоритм сжимает лучше другого – быстрее, до меньшего размера, по любым другим параметрам. С безопасностью сложнее: хоть вы и можете показать, что определенный алгоритм ненадежен, нельзя доказать, что один алгоритм, который вы не сумели сломать, безопаснее другого. За неимением абсолютных критериев мы используем то доказательство, которое у нас есть: оценку экспертов.

Эту проблему лучше всего проиллюстрировать примером. Допустим, врач говорит вам: «Я знаю, что есть антибиотик, который хорошо помогает при лечении вашей инфекции; у него нет вредных побочных эффектов и десятилетия исследований говорят в пользу такого лечения. Но я собираюсь назначить вам вместо этого толченые сухари, потому что мне кажется, что они тоже помогут». Вы пошли бы к другому врачу.

Врачебная практика непроста. Представители этой профессии не рвутся применять новые лекарства; проходят годы испытаний, прежде чем будет доказана их действенность, установлена дозировка и составлен список побочных эффектов. Хороший врач не будет лечить бактериальную инфекцию лекарством, которое он только что придумал, если в наличии имеются испытанные антибиотики. А умный пациент захочет те же таблетки, которые помогли его приятелю, а не какие-то там другие.

Криптография также сложна. Она соединяет различные разделы математики и вычислительную технику. Она требует многих лет практики. Даже умные, знающие, опытные люди изобретают плохую криптографию. В криптографическом сообществе создатели даже не слишком расстраиваются, когда их алгоритмы и протоколы ломают. Вот насколько все трудно.

Проблема вот в чем: любой человек, сколь угодно неопытный, может разработать элемент криптографии, который сам взломать не может. Это – существенно. Это значит, что кто угодно может сесть и создать криптографический элемент, попытаться его взломать, потерпеть неудачу, а затем сказать: «Я изобрел безопасный алгоритм, протокол или что-то еще». Реально он говорит этим: «Я не могу его взломать, поэтому он безопасен». Первый вопрос, который надо задать в ответ: «Да кто ты такой?» Или более пространно: «Почему я должен верить в надежность чего-то, если ты не смог это взломать? Чем подтверждается то, что если у тебя это не вышло, то и никто другой не сможет этого сделать?»

Криптографическое сообщество обнаружило, что ни один человек не готов предоставить такие доказательства. (Может быть, и есть кто-нибудь в Агентстве национальной безопасности, но эти люди не болтливы.) Нет никакого способа доказать надежность элемента – можно либо продемонстрировать ненадежность, либо признать попытку неудавшейся. Это называется проверкой гипотезы с нулевым разглашением. Лучшее, что могут сказать люди, занимающиеся безопасностью: «Мы не знаем, как взломать этот алгоритм, протокол или что-то другое, и никто другой тоже не знает». Экспертная оценка программы, длительный период испытаний – вот единственное доказательство безопасности, которое у нас есть.

Более того, нет никакого смысла нанимать группу случайных людей, оценивающих элемент; единственный способ отличить хорошую криптографию от плохой – это получить оценку специалистов. Анализировать криптографию трудно, и немногим по плечу делать это грамотно. Прежде чем элемент можно будет действительно считать безопасным, его должны проверять многие эксперты на протяжении ряда лет.

Вот поэтому шифровальщики предпочитают старое и общедоступное новому и самодельному. Открытая криптография – это то, что шифровальщики изучали, о чем писали статьи. О старых средствах написана масса статей. Если бы там были слабые места, их бы уже обнаружили. Новое же наверняка опаснее, потому что оно новое и не исследовано должным образом специалистами.

Посмотрите на следующие три варианта протоколов безопасности.

• IPsec. Его разработка началась в 1992 году. Разработка велась комиссией «в открытую» и была предметом тщательного публичного изучения с самого начала. Все знали, что это важный протокол, и огромные усилия прилагались для того, чтобы все было правильно. Алгоритмы защиты предлагали, взламывали, а затем модифицировали. Версии классифицировались и анализировались. Первый проект стандарта был выпущен в 1995 году. Обсуждались достоинства безопасности и эффективность, простота исполнения, возможности дальнейшего расширения и применения. В 1998 году комиссия представила окончательный вариант протокола. До сих пор каждый, кто интересуется, может открыто его изучать.

• РРТР. Фирма Microsoft разработала свой собственный Point-to-Point Tunneling Protocol (новая сетевая технология, которая поддерживает многопротокольные виртуальные частные сети, позволяя удаленным пользователям безопасно обращаться к корпоративным сетям с помощью коммутируемого соединения, предоставляемого интернет-провайдером или с помощью прямого соединения с Интернетом), который должен выполнять во многом схожие с IPsec функции. Был создан свой протокол аутентификации, свои хэш-функции и свои алгоритмы генерации ключа. Все эти элементы оказались крайне слабыми. В них использовался известный алгоритм шифрования, но использовался таким образом, что не обеспечивал безопасности. Программисты допустили ошибки в реализации, которые еще больше ослабляли систему. Но поскольку их коды были спрятаны внутри, никто не заметил, что РРТР недостаточно надежен. Microsoft использовала РРТР в Windows NT, 95 и 98, а также в своих продуктах для виртуальных частных сетей. Статьи, описывающие недостатки протокола, не публиковались до 1998 года.

Право собственности.

Некоторые компании объявляют о своих собственных решениях задачи безопасности. Они не вдаются в детали или из-за того, что это право собственности, или из-за неоформленности патента. Вам приходится им доверять. Разработчики могут заявить о новом алгоритме или протоколе, который во многом превосходит имеющиеся сегодня. Они могут кричать о математических прорывах… о чем угодно. Очень немногое из этого оказывается правдой. И даже если к системам предоставляется открытый доступ, их запатентованность и контроль соблюдения авторских прав означают, что немногие шифровальщики будут озадачены анализом заявленных преимуществ. С другой стороны, даже если шифровальщики займутся этой проблемой, компании, конечно, не будут ждать годы, пока исследования подтвердят надежность новинок.

Вы можете выбрать одну из этих трех систем для обеспечения надежности своей виртуальной частной сети. Хотя у любой из них есть слабые места, вы сделаете опасность минимальной. Если вы работаете с IPsec – больше уверенности в надежности алгоритмов и протоколов. Конечно, это не гарантия безопасности – реализация может оказаться слабой (см. главу 13) или кто-то придумает новые способы атаки – но по крайней мере вы знаете, что алгоритмы и протоколы прошли какой-то уровень анализа.

Другой пример: рассмотрим симметричный алгоритм шифрования. Их, безусловно, существуют сотни, но давайте ограничимся пятью.

• Тройной DES, который начиная с середины 70-х был проанализирован практически всем криптографическим сообществом.

• AES, который (прежде чем его выберут) будет подвергнут трехлетнему тестированию, вовлекающему практически все криптографическое сообщество.

• Некий алгоритм X, который был представлен на академической конференции два года назад; пока что вышла одна статья с анализом, судя по которой это – надежный алгоритм.

• Алгоритм Y, который кто-то недавно поместил в Интернете и заверил нас в его надежности.

• Алгоритм Z, который компания сохраняет в секрете до получения патента; возможно, они нанимали несколько шифровальщиков для трехнедельного анализа.

Это – нетрудный выбор. Могут существовать ограничения, которые не позволят вам выбрать тот алгоритм, который вы хотите (AES существует главным образом потому, что тройной DES слишком медлителен для многих сред), но выбор достаточно ясен.

Меня постоянно изумляет, как часто люди не выбирают очевидного решения. Вместо того чтобы использовать общедоступные алгоритмы, компании цифровой сотовой связи решили создать собственный запатентованный алгоритм. За последние несколько лет все алгоритмы стали общедоступными. И став общедоступными, они были взломаны. Каждый из них. То же самое случилось с алгоритмом DVD-шифрования, алгоритмом шифрования Firewire, различными алгоритмами шифрования Microsoft и бесчисленным множеством других. Любой, кто создает собственный образец шифрования, – гений или глупец. С учетом соотношения гениев и глупцов в нашей действительности шансы выжить у образца невелики.

Иногда приводится следующий контраргумент: секретная криптография надежнее, потому что она тайная, а открытая криптография опаснее, поскольку она открытая. Это звучит правдоподобно, но если вы на минуту задумаетесь, несоответствия станут очевидными. Открытые образцы созданы так, чтобы обеспечивать безопасность, несмотря на свою открытость. Таким образом, их не опасно сделать общедоступными. Если элемент обеспечивает безопасность, только оставаясь секретным, то он будет работать до тех пор, пока кто-нибудь не разберется в его устройстве и не опубликует способ взлома. Выпускаемые запатентованные элементы включают все алгоритмы, описанные в предыдущем разделе, различные протоколы смарт-карт для электронной торговли, секретные хэш-функции в картах SecurID и протоколы, защищающие мобильный терминал данных полиции MDC-4800 компании Motorola.

Отсюда не вытекает, что все новое ущербно. Что это на самом деле значит – так то, что все новое подозрительно. Новая криптография появляется в академических статьях, а затем в демонстрационных системах. Если она действительно лучше, то в конце концов шифровальщики начнут ей доверять. И только тогда будет разумно использовать ее в реальных программах. Для алгоритма этот процесс может занять от 5 до 10 лет, для протокола или библиотек исходных кодов – поменьше.

Предпочесть патентованную систему – это то же самое, что обратиться к врачу, у которого нет медицинского образования и который лечит по собственной новой методике (какой – он отказывается объяснить), не поддержанной Американской медицинской ассоциацией. Безусловно, возможно (хотя и крайне маловероятно), что он открыл абсолютно новую область медицины, но хотите ли вы быть подопытной морской свинкой? Лучшие методы безопасности усиливаются коллективными аналитическими способностями криптографического сообщества. Ни одна отдельно взятая компания (за исключением военных) не имеет финансовых ресурсов, необходимых для оценки нового криптографического алгоритма или обнаружения недостатков сложного протокола.

В криптографии безопасность приходит путем следования за широкими массами. Доморощенные алгоритмы невозможно подвергать в течение сотен и тысяч часов криптоанализу, через который прошли DES и RSA. Компания или даже промышленное объединение не могут мобилизовать ресурсы, которые использовались, чтобы противостоять аутентификационному протоколу Kerberos или IPsec. Ни один патентованный почтовый протокол шифрования не в состоянии повторить конфиденциальность, предлагаемую PGP или S/MIME. Следуя в общей струе, вы обеспечиваете уровень криптоаналитической экспертизы всемирного сообщества, а это вам – не несколько недель работы ничем не выдающихся аналитиков.

Довольно трудно обеспечить надежную криптографическую обработку в новой системе; просто безумие использовать новую криптографию, когда существуют жизнеспособные тщательно изученные альтернативы. И все же большинство компаний, занимающихся безопасностью, и даже умные и здравомыслящие во всем остальном люди проявляют острую «неофилию», и их легко ослепляют свежеиспеченные блестящие образчики криптографии.

И остерегайтесь врача, который говорит: «Я изобрел и запатентовал абсолютно новый способ лечения, который состоит в употреблении толченых сухарей. Этот метод еще не испробован, но я уверен, что он великолепен». Помните, что новую криптографию часто называют змеиным ядом.

 

Глава 8

Компьютерная безопасность

Защита компьютерной информации и криптография – не одно и то же. Криптография часто применяется в целях защиты, но последняя представляет собой намного более общее понятие. В общепринятом понимании компьютерная защита объединяет такие разные вещи, как контроль санкционированного (и несанкционированного) доступа, управление учетными записями и привилегиями пользователя, защиту от копирования, от вирусов и защиту баз данных. В принципе, к защите компьютерной информации также относятся защита от подсоединения других пользователей через сеть, от подбора пароля и от проникновения вирусов, но такого рода вещи мы обсудим в главе, посвященной безопасности сетей. В век Интернета понятия компьютерной безопасности и безопасности сетей практически слились. Но для ясности в этой книге я проведу некую условную границу между понятиями компьютерной и сетевой безопасности по принципу: актуальна эта проблема безопасности для любого компьютера или только для компьютера, подсоединенного к сети. Полная защита компьютерной информации, которую можно определить как предотвращение и (или) выявление недозволенных действий пользователей компьютерной системы, представляется существенно более сложной, чем простая математика криптографии. Так оно и есть.

Суть проблемы состоит в том, что одна математика не может обеспечить полную безопасность. В криптографии математика дает защите огромное преимущество перед злоумышленником. Добавьте один бит к ключу – и вы вдвое усложните работу по взлому алгоритма. Добавьте десять битов – и вы увеличите эту работу примерно в тысячу раз. Когда речь идет о компьютерной безопасности в целом, стороны находятся в равном положении: злоумышленники и защитники могут извлечь из технологии одинаковую выгоду. Это значит, что, если бы вам было достаточно криптографии для обеспечения безопасности, у вас все было бы в порядке. К сожалению, в большинстве случаев это не так.

Большинство ранних исследований по компьютерной безопасности было посвящено проблеме персонального доступа в системах совместного пользования. Как сделать так, чтобы Алиса и Боб могли пользоваться одним и тем же компьютером и одинаковыми компьютерными программами, но чтобы Алиса не могла видеть, что делает Боб, а Боб не знал, что делает Алиса? Или в общем случае: если системой пользуется большая группа людей, у каждого из которых есть определенные права использовать определенные программы и видеть определенные данные, то как мы можем реализовать такие правила контроля доступа? Вообще говоря, это не та задача, которую можно решить с помощью криптографии, хотя в чем-то она могла бы помочь. Это новая задача.

Компьютерная безопасность требует преодоления и многих других новых проблем. Как компании обеспечить правильную работу с большой базой данных, к которой разные люди имеют различный доступ? Эта проблема может быстро стать чрезвычайно сложной. Только несколько человек имеют право видеть информацию о зарплате, еще меньше людей должны видеть всю совокупность данных: среднюю зарплату, статистические данные о здоровье и т. д.

Могут ли пользователи быть уверены в том, что используемые ими компьютерные программы исправны, что они не были модифицированы? Как им удостовериться, что их данные не изменялись? Как компания, производящая программы, может обеспечить выполнение правил лицензирования: нельзя копировать программы с машины на машину, программу можно одновременно запустить только на пяти компьютерах, только десять пользователей одновременно могут работать с этой программой, программа может работать только в течение одной тысячи часов?

Все это – серьезные требования, и задачи компьютерной безопасности имеют сложные решения.

Определения

Попытки определения понятия компьютерной безопасности стоили огромных усилий. Исторически проблема безопасности имеет три аспекта: конфиденциальность, неприкосновенность и доступность.

Конфиденциальность немногим отличается от секретности, о которой мы говорили в главе 5. Изначально компьютерная безопасность понималась как предотвращение несанкционированного доступа к засекреченной информации. Это предубеждение отчасти развеялось с появлением электронной торговли и практики совершения сделок в Интернете – в этой сфере существенно более важна неприкосновенность, – однако оно сохраняется при разработке большинства систем обеспечения компьютерной безопасности. Основная масса исследовательских работ на тему компьютерной безопасности сосредоточена на обеспечении конфиденциальности, главным образом потому, что большая часть ранних исследований финансировалась военными. На практике, как я заметил, понятия «конфиденциальность» и «безопасность» использовались как синонимы.

Понятию неприкосновенности труднее дать строгое определение. Лучшая из известных мне формулировок звучит так: все данные сохраняются в таком виде, в каком они были оставлены последним лицом, правомочным вносить изменения. В контексте компьютерной безопасности «неприкосновенность» означает защиту от записи. Неприкосновенность данных – это гарантия того, что их не удалит и не изменит кто-то, у кого нет на это права. Неприкосновенность программного обеспечения – это гарантия того, что программы не будут изменены по ошибке, по злому умыслу пользователя или вирусом.

Из определения неприкосновенности видно, что эта проблема аналогична проблеме обеспечения конфиденциальности. Если последняя перекрывает несанкционированный доступ к данным (и программам), то первая предотвращает несанкционированную запись. И фактически обе эти задачи решаются при помощи одних и тех же технологий безопасности (криптографических и других).

Доступность традиционно считают третьим «китом» компьютерной безопасности, хотя на самом деле понятие доступности выходит далеко за рамки этой проблемы. В различных стандартах по обеспечению защиты доступность определяется как «свойство системы, состоящее в том, что ее беспрепятственная эксплуатация возможна, когда это необходимо» или как «свойство системы быть готовой и пригодной к работе по требованию законного пользователя». Эти определения всегда поражали меня недостаточной конкретностью. Их смысл сводится к следующему: мы интуитивно знаем, что подразумеваем под доступностью – нам нужно, чтобы компьютер работал, когда мы того хотим, и так, как мы того хотим.

Конечно, бывает, что программы не работают или работают неправильно, но это – проблемы надежности вычислительных систем и качества программных продуктов и… ни одна из них не имеет отношения к безопасности. В контексте безопасности под доступностью можно понимать гарантию того, что злоумышленник не сумеет помешать работе законных пользователей. В частности, в задачу обеспечения доступности входит исключение возможности атак, вызывающих отказ в обслуживании.

Контроль доступа

Совместное обеспечение конфиденциальности, доступности и неприкосновенности сводится к контролю доступа. Суть проблемы состоит в обеспечении законным пользователям возможности делать все то, что им дозволено делать и на что остальные не имеют права.

Проблема контроля доступа в действительности намного шире и связана не только с компьютерами. Как вообще можно ограничить доступ к чему-либо? Как можно контролировать доступ к совместно используемым ресурсам? Как обозначить уровни доступа, различные у разных людей? Эту проблему трудно решить даже для большого здания: для этого ставят замки на входе и на дверях внутренних помещений и доверяют ключи от них надежным людям, выдают всем пропуска, которые проверяются охранниками, и т. д. В случае компьютерной системы контроль доступа – тоже трудная задача.

Кроме того, актуальность этой задачи то возрастает, то убывает с течением времени. Сначала вообще не требовался контроль доступа к компьютерам, поскольку все доверяли друг другу. По мере того как все большее количество людей приобщалось к работе с большими вычислительными машинами, возникала необходимость контролировать доступ – как для соблюдения секретности, так и для получения отчетов об использовании машинного времени. Контроль доступа был прост в мире с пакетной обработкой данных.

С появлением персональных компьютеров отпала нужда в контроле: у каждого был свой собственный компьютер. Если кто-то хотел закрыть для других доступ к файлам, он просто запирал свою дверь. В настоящее время происходит возврат к системам коллективного пользования: общим сетевым ресурсам, удаленным системам и т. п. Контроль доступа представляет проблему практически для всех независимо от того, пользуются ли разные люди общим компьютером или одной учетной записью на веб-сайте.

Перед тем как поговорить о различных типах контроля доступа, нам необходимо ввести два понятия. Речь идет о так называемых субъектах, у которых есть доступ к неким объектам. Часто, хоть и не всегда, субъектом является пользователь, а объектом – компьютерный файл. Субъектом также может быть компьютерная программа или процесс, а объектом – другая компьютерная программа, сопряженная, например. Объектом может быть запись базы данных. Объектом может быть определенный ресурс, возможно, какая-то часть технического оборудования компьютера или принтер, или часть памяти компьютера. В зависимости от обстоятельств одна и та же компьютерная программа бывает субъектом доступа в одном случае и объектом в другом.

Существует два способа задать условия контроля доступа. Вы можете оговорить, что разрешено делать различным субъектам, или оговорить, что позволено сделать с разными объектами. На самом деле – это взгляд на одну и ту же задачу с двух разных сторон, и у этих подходов есть свои плюсы и минусы. Традиционно, операционные системы работали с ресурсами и файлами; таким образом, условия контроля доступа задавали в терминах этих объектов. Современные системы ориентированы на конкретное применение. Они предлагают услуги конечным пользователям, таким как большие системы управления базами данных. В этих системах часто используются те механизмы, которые контролируют доступ субъектов.

Установление доступа не означает «все или ничего»; могут быть различные его виды. Например, в системе UNIX три вида доступа предоставляют следующие права: читать, писать и выполнять. Все эти права независимы. Например, кто-то, обладающий правом только на чтение файла, не может изменять этот файл. Тот, у кого есть право только на ввод информации, может изменять файл, но не вправе его прочесть. Тот, у кого есть полномочия и на чтение, и на ввод информации, волен делать и то и другое.

Третий тип права доступа – «выполнять» – особенно любопытен. Такое право имеет смысл только для компьютерных программ – исполняемых файлов. Субъект, имеющий право только на выполнение определенных файлов, может запустить программу, но ему нельзя ни прочесть код, ни изменить содержимое. При некоторых обстоятельствах это имеет смысл: вообразите программу, хранящуюся в защищенной памяти – устройство цифровой подписи в модуле, снабженном системой защиты от вторжения, – в этом случае действительно возможно выполнение команды без прочтения кода.

Существование различных видов доступа означает, что кто-то имеет возможность решать, кому какие права предоставить. В системе UNIX это владелец файла. Владелец может установить, кому разрешается читать, записывать и выполнять файл. В UNIX принадлежность устанавливается для каждого файла в отдельности и обычно обусловливается каталогом, в котором файл находится.

В системе Windows NT более сложный набор прав доступа. В ней предусмотрены права читать, писать и выполнять, а также удалять, изменять права доступа и изменять принадлежность. Владелец файла может разрешить кому-то изменять права доступа к этому файлу или менять его принадлежность.

Представьте себе существующую в компьютере сложную систему организации доступа в виде таблицы. По вертикали расположен список всех возможных пользователей, по горизонтали – список всех файлов. В ячейках таблицы находятся условия доступа пользователя к соответствующему файлу. Алиса может иметь право чтения файла А, чтения и записи в файл В и вовсе не иметь доступа к файлу С. Для Боба может быть установлена подобная, не менее сложная схема доступа.

В случае компьютерной системы любого разумного размера эта таблица быстро становится очень сложной. Поэтому приходится прибегать к упрощениям. Можно установить доступ к файлу таким образом, чтобы только его владелец имел возможность читать, записывать и выполнять его. Можно сделать файл общедоступным для чтения, но лишь его владелец будет иметь возможность вносить изменения. Можно создать так называемую «группу», в которую входят несколько человек с одинаковым доступом. В этом случае, если люди, например, работают над одним проектом и должны использовать определенные файлы, только они и никто другой будут иметь необходимый доступ. В системе UNIX это легко осуществимо, причем отдельный пользователь может входить в разные группы.

Один из способов справиться со сложностью контроля доступа состоит в том, чтобы разбить таблицу. В некоторых системах список тех, кто имеет доступ к определенному объекту, хранится вместе с самим объектом. Его часто называют списком контроля доступа (access control list, ACL). Это обычная практика, и ACL часто используется в целях безопасности операционных систем. Хотя существуют и определенные проблемы. Такие списки работают хорошо в простых средах, когда пользователи сами устанавливают права доступа, но несколько хуже в тех случаях, когда доступ устанавливает управляющий персонал. В таких системах, например, не существует простого способа временной передачи прав доступа. Также подобные системы недостаточно хорошо обеспечивают проверку доступа по ходу работы программы. Кроме того, поскольку установка доступа привязана к объектам, а не субъектам, могут возникнуть трудности, когда понадобится лишить доступа определенного субъекта. Если кто-нибудь из сотрудников компании увольняется, система должна перебрать все объекты и исключить этого человека из каждого списка. Наконец, управление системой на основе ACL довольно трудоемко, поэтому множество предлагаемых программ предназначено для облегчения этой задачи.

Модели безопасности

Существует множество теоретических моделей безопасности, разработка многих из них финансировалась Министерством обороны в 70-х и 80-х годах. Поскольку речь шла о системах безопасности для нужд обороны, использовалась военная схема секретности, которую мы обсуждали в главе 5. Такие системы называют многоуровневыми системами безопасности (multilevelsecuritysystem, MLS), поскольку они предназначены для поддержки многочисленных уровней секретности в единой системе. (Альтернативные решения слишком громоздкие. Можно создать одну компьютерную систему для несекретных данных, другую, совершенно независимую, – для конфиденциальных данных, третью – для секретных данных и т. д. Или создать систему наивысшего уровня, в которой весь компьютер относится к самому высокому уровню секретности.)

Наиболее известна модель Белла-Лападулы – в ней определено большинство понятий, связанных с контролем доступа и описанных в предыдущем разделе. В этой модели даются определения субъекта, объекта и операции доступа, а также математический аппарат для их описания. Эта теория долгое время оказывала влияние на проектирование систем, однако она не помогла создать практичные и экономичные системы.

Модель Белла-Лападулы предлагает два основных правила безопасности: одно относится к чтению, а другое – к записи данных. Во-первых, если пользователи имеют категорию допуска «Секретно», то они могут читать несекретные, конфиденциальные и секретные документы, но без права читать совершенно секретные. Во-вторых, если пользователи работают с секретными данными, они могут создавать секретные и совершенно секретные документы, но не могут создавать конфиденциальные и несекретные. (Второе условие также важно. Представьте себе, что кто-то – человек или даже компьютерный вирус – пытается украсть документы. Защита, конечно, предотвратит отправку конфиденциальных документов с используемого компьютера. Но если скопировать текст конфиденциального документа в несекретный, то последний можно будет послать по электронной почте. Чтобы этого не случилось, были введены соответствующие средства управления.) Общее правило звучит так: пользователи могут читать только документы, уровень секретности которых не превышает их допуска, и не могут создавать документы ниже уровня своего допуска. То есть теоретически пользователи могут создавать документы, прочесть которые они не имеют права.

Существует понятие обязательного (мандатного) контроля доступа (по терминологии Белла-Лападулы), который осуществляется системой. Он отличается от используемого в операционных системах, подобных UNIX или NT, «разграничительного» контроля доступа, который позволяет пользователям самим принимать решение о том, кто и с каким файлом может работать. (Впрочем, большинство версий UNIX могут иметь некоторые элементы обязательного контроля доступа: обладатель корневого доступа имеет обязательный доступ на чтение, запись и выполнение всех файлов компьютера.)

Модель Белла-Лападулы имеет большое значение, но у нее есть ряд ограничений. Во-первых, эта модель ориентирована на обеспечение конфиденциальности в ущерб всему остальному, а принципы конфиденциальности основаны на военной схеме секретности. Во-вторых, игнорируется проблема изменения классификации. В модели предполагается, что все сведения каким-то волшебным образом относятся к соответствующему уровню секретности, который остается неизменным. В реальной жизни все меняется: кто-то засекречивает важную по его мнению информацию, а кто-то другой впоследствии рассекречивает ее. Бывает так, что совокупность данных имеет более высокую секретность, нежели каждый элемент данных по отдельности: номера телефонов Агентства национальной безопасности относятся к несекретным данным, но полная телефонная книга АНБ классифицируется как конфиденциальная информация. Это означает, что уровень секретности сведений легко повышается сам собой, а обратный процесс возможен только после тщательной проверки. И в-третьих, бывают случаи, когда пользователи должны работать с данными, которые они не имеют права увидеть. Сведения о том, что самолет несет груз из некоторого количества бомб, возможно, имеют более высокий уровень секретности, чем уровень доступа диспетчера, но диспетчеру тем не менее необходимо знать вес груза.

В теоретической литературе обсуждались и многие другие модели безопасности. В модели под названием «Китайская стена», например, подробно рассматриваются компьютерные системы, которые работают с данными, полученными от не доверяющих друг другу пользователей, и способы, позволяющие гарантировать каждому из них конфиденциальность. (Вообразите компьютеризованную брокерскую систему, клиенты которой имеют доступ к своим счетам. Брокеры хотят исключить возможность, чтобы клиент А увидел портфель клиента Б, даже несмотря на то, что, возможно, оба портфеля классифицируются одинаково.)

Модель Кларка-Уилсона была разработана скорее для коммерческих нужд, нежели для военных структур. Требования коммерческой безопасности преимущественно касаются целостности данных, и именно на нее ориентируется эта модель. Кларк и Уилсон дали определение двум типам целостности: внутреннему соответствию, которое относится к свойствам внутреннего состояния системы, и внешнему соответствию, которое касается свойств системы по отношению к внешнему миру. Затем была построена формальная модель безопасности, в которой были систематизированы эти принципы, так же как и принципы обеспечения конфиденциальности.

В модели Кларка-Уилсона центральным является понятие данных, с которыми позволено оперировать только предписанным способом. Например, при помощи этой модели можно реализовать потребности двойной бухгалтерии: каждый кредит необходимо сопоставить равному дебету, и все должно быть записано в специальный аудиторский файл. Эта модель запрещает производить определенные действия без дополнения их другим соответствующим действием: например, запрещено кредитовать счет без записи дебета.

Ядра безопасности и надежная вычислительная база

Многие операционные системы имеют встроенные средства безопасности. В этом есть здравый смысл – часто лучше всего поместить средства безопасности на нижних уровнях системы: на аппаратном или уровне операционной системы. Тому есть несколько причин.

Во-первых, часто существует возможность обойти средства безопасности на некотором уровне посредством атаки, проведенной уровнем ниже. Например, встроенные функции кодирования в текстовом редакторе не зависят от того, может ли злоумышленник взломать операционную систему, под управлением которой он работает. Таким образом, более надежной является защита на самом низком уровне программного обеспечения.

Во-вторых, так проще. В ядро системы обычно легче ввести дополнительные меры безопасности. Упрощается осуществление и анализ таких мер. И, как следовало ожидать, в результате получается более защищенная система.

В-третьих, часто так получается быстрее. Все средства работают лучше, если они встроены в операционную систему, и средства безопасности не исключение. Криптография, например, может съедать много времени, и имеет смысл сделать ее работу как можно более эффективной.

Поэтому безопасность операционных систем остается предметом исследований уже в течение десятилетий. Раз так, для нее разработан свой собственный набор понятий.

• Монитор обращений. Часть программных средств, которая осуществляет доступ субъектов к объектам. Когда некий процесс делает вызов операционной системы, монитор обращений останавливает процесс и выясняет, следует ли разрешить или запретить вызов. Например, он не позволит пользователю с конфиденциальной регистрационной учетной записью читать секретные документы или создавать несекретные документы.

• Надежная вычислительная база. Это все защитные устройства внутри компьютера – оборудование, программно-аппаратные средства, операционная система, программные приложения и т. д. – все, что используется для осуществления политики безопасности. Некий администратор указывает компьютеру, что, от кого и каким образом следует защищать (это и есть политика безопасности), а надежная вычислительная база обеспечивает выполнение этой задачи.

• Ядро безопасности. Это оборудование, программно-аппаратные средства, операционная система, программные приложения и все остальные элементы надежной вычислительной базы, которые реализуют концепцию монитора обращений.

Монитор обращений – это абстрактное устройство защиты; оно занимается такими вещами, как управление файлами и управление памятью. Ядро безопасности обеспечивает действие монитора обращений. Надежная вычислительная база содержит все средства защиты, в том числе и ядро безопасности. А все в целом реализует некую модель безопасности – Белла-Лападулы или какую-то другую – и осуществляет защиту наиболее простыми и эффективными средствами. И конечно, надежная вычислительная база по определению надежна – пользователи не должны иметь возможность изменить ее, иначе безопасность может быть утрачена.

Эту концепцию трудно осуществить в реальной операционной системе. Компьютер – сложный зверь, и все в нем должно быть надежным. Любая мелочь способна испортить все дело. Если кто угодно имеет доступ к жесткому диску с правом на чтение и запись, то как можно помешать одному пользователю читать то, что пишет другой? Что, если один пользователь хочет, чтобы второй прочитал, что он написал? Возможно ли, чтобы пользователь, используя прерывания, делал что-то, чего он делать не должен? Как защитить доступ к принтеру? Может ли один человек узнать секреты другого через клавиатуру? Что, если базовые средства надежной вычислительной базы выйдут из строя? Как вам удастся выполнить дефрагментацию диска, если у вас есть доступ только к своим файлам?

Исторический пример почти правильной реализации этой теории – это операционная система под названием Multics, которую в конце 1960-х разработали MIT, Bell Labs и Honeywell. В Multics модель Белла-Лападулы построена с нуля. (Фактически, именно проект Multics дал толчок развитию модели Белла-Лападулы.) Разработчики применяли формальную математическую систему этой модели, чтобы продемонстрировать безопасность своей системы, а затем обозначили понятия модели в своей операционной системе. Ни одного кода не было написано до того, как спецификации были одобрены. Multics работала, хотя средства безопасности в ней были слишком громоздкими. К настоящему времени почти все уже забыли о Multics и уроках, вынесенных из этого проекта.

Один из уроков, о которых люди позабыли, – в том, что ядро должно быть простым. (Даже ядро Multics, которое содержало только 56 000 кодовых строк, как выяснилось, слишком сложно.) Ядро – это по определению высоконадежные программы. В главе 13 будет рассказано о надежности программ, мораль же в том, что неразумно ждать, что в программах не будет сбоев защиты. Поэтому чем проще программа, тем меньше в ней будет ошибок безопасности.

К сожалению, современные операционные системы страдают болезнью, известной как «распухание ядра». Это означает, что большой объем кода располагают внутри ядра, а не снаружи. Когда система UNIX была написана впервые, считалось обязательным помещение несущественных кодов за пределами ядра. С тех пор все забыли этот урок. Все имеющиеся сейчас разновидности UNIX в той или иной степени страдают распуханием ядра: у них либо слишком много команд в ядре, либо имеются непонятные утилиты, запускающиеся в случае корневого доступа, либо что-то еще.

Windows NT устроена намного хуже. Эта операционная система может служить примером того, как полностью игнорируются исторические уроки безопасности. То, что находится в ядре, по определению защищено, поэтому с точки зрения разумного проектирования необходимо уменьшить размер ядра, насколько возможно, и убедиться, что оно полностью защищено. Windows, похоже, придерживается мнения, что, поскольку то, что содержится в ядре, защищено по определению, следует просто побольше всего разместить прямо в ядре. Если разработчикам было непонятно, как обеспечить безопасность чего-либо, они просто запихивали это в ядро и считали его уже защищенным. Очевидно, это не помогает при длительной работе.

В системе Windows драйверы принтеров являются частью ядра. Пользователи регулярно загружают эти драйверы или устанавливают их, наверное, не осознавая, что норовистый (или неисправный) драйвер принтера может полностью уничтожить защиту их системы. Было бы намного разумнее разместить драйверы принтеров снаружи ядра, тогда они не должны были бы быть надежными, но это вызвало бы у разработчиков больше трудностей. А философия Windows NT в том, чтобы всегда отдавать предпочтение простому над безопасным – и в обращении, и в разработке.

Windows 2000 еще хуже.

Тайные каналы

Тайные каналы – это головная боль разработчиков моделей защиты. Помните, что одно из двух основных правил безопасности в том, что пользователь или процесс не может записывать данные на более низком уровне доступа? Тайные каналы – это способ обойти этот контроль.

Тайные каналы – это способ для субъекта с доступом более высокого уровня послать сообщение на более низкий уровень защиты – обычно посредством какихто ресурсов совместного использования. Например, злоумышленная программа, уровень доступа которой «Совершенно секретно», могла бы послать, манипулируя сетевой пакетной передачей (два пакета подряд означают единицу, а два пакета с промежутком между ними – нуль), сообщение, в котором сообщались бы коэффициент загрузки ЦПУ, распределение памяти, доступ к жесткому диску, установка очередности печати и т. п. Тайным каналом могут быть и пробелы в документе, и «случайное» заполнение в конце записи базы данных. Не быстро, но вполне осуществимо отправить сообщения процессов высокого уровня доступа процессам более низкого уровня, разрушая модель безопасности.

Создавать тайные каналы просто и забавно. Опасность представляют не те пользователи, которые копируют с экрана данные с грифом «Совершенно секретно» и переправляют их в Китай, а те, кто пишет программы, которые могут тайно собирать данные, оставаясь в тени.

Разработчики систем тратят много времени на то, чтобы закрыть определенные тайные каналы или, по крайней мере, свести к минимуму количество информации, которую можно было бы по ним переслать. Циклы ЦПУ могут иметь фиксированные такты специально для того, чтобы сделать невозможной утечку по отдельным тайным каналам. К программам пакетной передачи может быть добавлена система случайного шума, чтобы существенно снизить использование этого тайного канала. Но фактически невозможно перекрыть все тайные каналы, и часто пытаются выйти из положения, жестко ограничивая пропускную способность. Тем не менее, если интересующая вас информация – это всего-навсего крошечный 128-битовый криптографический ключ, вы найдете тайный канал, по которому ее можно отправить.

Критерии оценки

Если вы собираетесь приобрести компьютерную систему с определенной моделью безопасности или с определенным типом ядра, вам потребуется гарантия, что эта модель надежна. Или, другими словами, некая гарантия, что система обеспечивает достаточную защиту.

Есть два основных способа получить такую гарантию. Первый – это IVV, что означает «независимые верификация и проверка достоверности» (independent verification and validation). Основная его идея в том, что один коллектив разрабатывает и создает систему, а другой – оценивает эту разработку, вплоть до того, что иногда создает идентичную систему, чтобы сравнивать с ней оцениваемую. Это дорогой путь, его применяют в таких важных случаях, как создание системы управления ядерным оружием или компьютеров космических кораблей многоразового использования.

Более дешевый путь – оценивать систему по какому-то независимому набору критериев и присваивать ей определенный рейтинг безопасности.

Первым набором критериев оценки систем была «Оранжевая книга». В какой-то мере она уже устарела, но все же оказала большое влияние на компьютерную безопасность в 80-х годах, и до сих пор можно услышать, как перебрасываются терминами из «Оранжевой книги» – вроде «уровня безопасности С2».

На самом деле «Оранжевая книга» называется так: «Критерии оценки надежности компьютерных систем Министерства обороны США» (U.S. Department of Defense Trusted Computer System Evaluation Criteria), но это название трудно выговорить, а обложка у книги оранжевая. Она была опубликована в 1985 году Национальным центром компьютерной безопасности, который в некоторой степени можно считать подразделением Агентства национальной безопасности. Задачей «Оранжевой книги» было определить требования безопасности и стандартизировать правительственные требования поставок. Она дала фирмам-изготовителям вычислительных машин возможность измерить безопасность своих систем и подсказала им, что они должны ввести в свои защищенные программы. Кроме того, она предложила систему классификации различных уровней компьютерной безопасности и способы проверить, удовлетворяет ли определенная система заданному уровню.

Эта классификация выглядит так: D (минимальная секретность), С (защита по усмотрению), В (обязательная защита) и А (подтвержденный доступ). Внутри некоторых этих уровней существуют подуровни. Есть, например, С1 и С2 – защита по усмотрению и защита с контролируемым доступом, последняя более эффективная. С1 не является защищенным уровнем; это, по сути, то, что вы получаете с новеньким с иголочки UNIX'OM. (Вы ведь не замечали большого количества систем, которые гордились бы своим рейтингом безопасности C1.) C2 лучше; это, наверное, наиболее подходящий уровень безопасности для коммерческих продуктов. В основе большинства процедур контроля доступа лежит модель Белла-Лападулы, которая берет начало с уровня B1 – уровни Bl, B2, B3 и А, как считали, больше подходят для военных систем.

Основная проблема такого подхода – с уровнями безопасности – была в том, что они не означали, что система защищена. Приобретение системы уровня В1, например, не давало гарантированной безопасности компьютера. Это всего лишь означало, что изготовители установили в систему обязательный контроль доступа и имели необходимую документацию, чтобы получить рейтинг безопасности В1. Безусловно, обязательный контроль доступа делает систему уровня В1 намного более защищенной, чем система уровня С2, но ошибки защиты одинаково вероятны в любой системе. Единственное, что было доподлинно известно, – в первом случае разработчики больше старались.

Кроме того, «Оранжевая книга» применима только к автономным системам и полностью игнорирует возможное подсоединение компьютера к сети. Несколько лет назад фирма Microsoft предпринимала большие усилия, чтобы присвоить Windows NT рейтинг безопасности С2. Усилия пошли на убыль, когда стало известно, что об этом рейтинге можно говорить, только если компьютер не подсоединен к сети, у него вовсе нет сетевой карты, дисковод заклеен эпоксидной смолой, а процессор – Compaq 386. Рейтинг С2 системы Solaris столь же необоснован. В недавних модификациях «Оранжевой книги» с переменным успехом делались попытки иметь дело с компьютерами, соединенными с сетью.

Кроме того, как известно, рейтинг имеет узкое значение. Рейтинг системы относится только к определенной конфигурации и определенному типу установленного программного обеспечения. Если версия 1.0 операционной системы имела определенный уровень безопасности, нет никакой гарантии, что версия 1.1 имеет такой же уровень. Если рейтинг компьютерной безопасности относится к определенной конфигурации – с определенным набором установленного программного обеспечения, – то нельзя ничего сказать о безопасности компьютеров других конфигураций.

В сегодняшнем мире, где всегда все взаимосвязано, «Оранжевая книга» вышла из употребления. Некоторые национальные и международные организации делали попытки модернизировать ее. Канадцы создали свои «Канадские критерии оценки надежности компьютерных продуктов» (Canadian Trusted Computer Products Evaluation Criteria). EC ответил «Критериями оценки безопасности информационных технологий» (Information Technology Security Evaluation Criteria, ITSEC), предварительно одобренными в 1995 году. Еще одно предложение США было названо «Федеральными критериями».

Недавно все собрались вместе, чтобы прекратить это сумасшествие. Были разработаны «Общие критерии» с целью удовлетворить всех и объединить хорошие идеи из всех остальных документов. Появился стандарт ISO (International Organization for Standardization, Международная организация по стандартизации) (15408, версия 2.1). Основная его мысль в том, что «Общие критерии» предоставляют свод концепций безопасности, которые пользователи могут включать в профиль защиты, представляющий собой, по сути, формализованные потребности пользователя в отношении безопасности. Кроме того, каждый отдельный продукт можно проверить соответственно профилю защиты. Предполагается, что правительство станет следить за тем, чтобы методология «Общих критериев» выполнялась как надо, а коммерческие лаборатории будут осуществлять фактическое тестирование и сертификацию.

«Общие критерии» основаны на соглашении о взаимном признании сертификатов качества, то есть различные страны договорились признавать проведенную друг другом сертификацию. В соглашении участвуют Австралия, Канада, Франция, Германия, Новая Зеландия, Великобритания и Соединенные Штаты.

Это огромный шаг в правильном направлении. «Общие критерии» разработаны, чтобы дать общую оценку безопасности (не работы) программ, которые можно приобрести, по ряду различных требований. Индустрия смарт-карт тратит много времени на разработку своего профиля безопасности в рамках «Общих критериев». Я связываю с этой программой большие надежды.

Будущее безопасных компьютеров

Формальные модели хороши для блестящей теории, но менее полезны на практике. У них есть принципиальные ограничения; нет гарантии, что, реализовав модель безопасности, вы обязательно получите систему, имеющую определенные свойства защиты. Модели могут привести к системе, непригодной для использования; принудительная подгонка системы под модель способна выработать чересчур замысловатые конструкции. Может потребоваться уйма времени, чтобы разработать и создать их. И хуже того, они даже не гарантируют безопасности. Если система соответствует требованиям формальной модели безопасности, в лучшем случае она в силах гарантировать защиту от злоумышленников, которые придерживаются этой модели. Ушлые взломщики изобретательны и всегда выдумывают что-нибудь новенькое. И в результате, поскольку злоумышленники не придерживаются моделей разработчиков, они снова и снова взламывают защиту.

Из тех систем, которые сейчас находятся в употреблении, практически ни одна не создана по формальной модели безопасности. Системы используют некоторые формальные идеи безопасности – так, все операционные системы имеют надежную вычислительную базу, – но для того, чтобы системы оставались полезными и пригодными, приходится искать компромисс. Только это и имеет смысл.

Безопасность операционной системы, а значит, и защита компьютера имеет несколько ключевых компонентов. Один из них – это жесткий мандатный механизм безопасности более общего типа, чем в формальных моделях. Этот мандатный механизм безопасности реализует политику администратора, который не обязательно является пользователем. Более того, стратегия политики безопасности заключается также в контроле доступа и шифрования. То есть политика должна устанавливать, кто (человек или процесс) и к каким данным (или другим процессам) может иметь доступ и какие средства управления шифрованием должны быть применены к этим данным. Такого рода стратегия (как и ничто другое) не может перекрыть тайные каналы, но полезна для прекращения тех злоупотреблений, с которыми мы имеем дело сегодня.

Вторым ключевым компонентом безопасной операционной системы является выверенный канал. Это механизм, с помощью которого пользователь (или процесс) напрямую взаимодействует с надежной вычислительной базой, который может быть задействован пользователем или проверенными программами и который не может быть подменен посторонним программным обеспечением. Например, разве это не здорово, если пользователь видит экран входа в систему и уверен, что это настоящий экран входа, а не троянский конь, пытающийся выудить его пароль? Механизмы реализации выверенного канала также будут иметь большое значение для снижения ущерба, ожидаемого от программ злоумышленников.

На рынке существуют надежные операционные системы, которые снабжены этими компонентами, но они все еще мало известны потребителям. Мне хотелось бы увидеть, как большинство этих идей реализуются в основных операционных системах, таких как Microsoft Windows. Но не похоже, что это случится в ближайшее время.

 

Глава 9

Идентификация и аутентификация

Независимо от того, какую систему защиты вы используете, чаще всего первым шагом работы является идентификация и подтверждение подлинности (аутентификация): кто вы такой и можете ли это доказать? Как только компьютер узнает вас, он сможет выяснить, что вам разрешено и чего не позволено делать. Другими словами, контроль доступа не может начаться прежде, чем завершатся идентификация и аутентификация.

Давайте поговорим об этом. У Алисы есть некие возможности для работы на компьютере, и мы хотим быть уверены в том, что эти возможности есть только у нее. Иногда это – возможность получить доступ к какой-либо информации: файлам, балансу счетов и т. д. Иногда – получение доступа ко всему компьютеру: никто другой не сможет включить его и воспользоваться данными Алисы и ее программами. В других случаях возможность носит более конкретный характер: получить деньги из банкомата, воспользоваться сотовым телефоном, отключить охранную сигнализацию. Эта возможность может быть связана с веб-сайтом: например, доступ к странице Алисы или банковским документам. Иногда эта возможность – доступ к шифровальному ключу, который слишком длинен для запоминания. (Система PGP – набор алгоритмов и программ для высоконадежного шифрования, применяет контроль доступа для защиты частных ключей.) Не важно, что из перечисленного мы рассматриваем, – важно то, что некоторые меры контроля доступа требуют идентификации Алисы.

На самом деле меры контроля доступа должны обеспечить две вещи. Во-первых, Алиса должна попасть в систему, а во-вторых, система должна оставить других снаружи. Сделать только первое или только второе легко – открытая дверь позволит и Алисе, и кому-нибудь другому войти; а заложенная кирпичом дверь будет держать снаружи как остальных, так и Алису, – но выполнить оба условия сразу сложнее. Нам нужно что-нибудь, что даст возможность узнавать Алису и пускать ее внутрь, но так, чтобы другие не смогли в это повторить. Мы должны уметь идентифицировать Алису, а после этого проверить подлинность идентификации. (На самом деле меры контроля доступа обязаны осуществлять еще и третью функцию – протоколирование всего, что происходило.)

Традиционно опознавательные и проверочные меры основываются на чем-то одном из трех: «что вы знаете», «кто вы такой» и «что вам позволено». Это реализуется в виде паролей, биометрических методов распознавания и опознавательных знаков доступа. Иногда системы используют совместно любые две из этих вещей. Параноидальные системы используют все три.

Пароли

Традиционным подходом к проверке подлинности является применение пароля. Вы наблюдаете повсеместно. Когда вы регистрируетесь в компьютерной системе, то вводите имя пользователя и пароль. Чтобы сделать звонок по телефону с использованием телефонной карты, вам необходимо набрать номер своего счета и пароль. Чтобы получить деньги в банкомате, вы вставляете свою карту и набираете идентификационный номер (пароль).

Два шага, применяемые в каждом из этих примеров, отражены в названии данной главы. Первый шаг называется идентификацией (опознаванием): вы сообщаете компьютеру, кто вы (имя пользователя). Второй шаг называется аутентификацией (подтверждением подлинности): вы доказываете компьютеру, что вы именно тот, кем себя назвали (пароль).

Компьютер, который вас опознает, имеет список имен пользователей и паролей. Когда вы вошли под своим именем пользователя и паролем (или номером вашего счета и идентификационным номером), компьютер сличил введенные данные с записями, хранящимися в его списке. Если вы ввели имя пользователя, имеющееся в списке, и пароль, соответствующий этой записи, то попадете внутрь. Если нет, вы останетесь вне системы. Иногда система будет повторно спрашивать вас об имени пользователя и пароле. Иногда она будет заблокирована после определенного числа неудачных попыток. (Вы ведь не хотите, чтобы кто-нибудь, укравший карточку банкомата, затем пробовал перебрать все десятки тысяч возможных идентификационных номеров, один за другим, в попытке найти единственный подходящий.)

К несчастью, система имен пользователей и паролей работает не столь хорошо, как предполагают люди.

Понятие паролей, вообще говоря, основывается на попытке совместить несовместимое. Идея в том, чтобы набрать легкую для запоминания случайную последовательность. К сожалению, если нечто легко запомнить, то оно не будет случайным, например «Сюзанна». А если это будет набрано наугад, например «r7U2*Qnpi», то оно запоминается нелегко.

В главе 7, когда я говорил о длине ключей и безопасности, я обсуждал проблемы изобретения и запоминания пользователями ключей. Пароль – это форма запоминания пользователем ключа, и словарные нападения на пароли поразительно эффективны.

Как работает это нападение? Подумаем о системе контроля доступа к компьютеру или веб-сайту. У компьютера есть файл имен пользователей и паролей. Если нападающий получит доступ к этому файлу, то узнает все пароли. В середине 70-х годов эксперты по компьютерной безопасности пришли к лучшему решению: вместо хранения всех паролей в файле они решили хранить хэш-функцию пароля. Теперь, когда Алиса набирает свой пароль в компьютере или на веб-сайте, программное обеспечение вычисляет хэш-значение и сравнивает его с сохраненным в файле. Если они совпадают, Алиса допускается в систему. Теперь нет файла паролей, который можно было бы украсть, – есть только файл хэшированных паролей. И так как назначение хэш-функции – воспрепятствовать незваному гостю зайти слишком далеко в своих намерениях, злоумышленник не сможет восстановить настоящие пароли из хэшированных.

И тут ему на помощь приходят словарные нападения. Предположим, что нападающий владеет копией файла хэшированных паролей. Он берет словарь и подсчитывает хэш-значение каждого слова в словаре. Если хэш-значение какого-либо слова соответствует одной из записей файла, тогда он нашел пароль. Он попробует перебрать таким образом все слова, попытается переставлять буквы, набирать некоторые буквы прописными и т. п. В конце концов он попробует все характерные комбинации короче заданной длины.

Ранее словарные нападения были сложны из-за медленной работы компьютеров. Они стали более легкими, потому что компьютеры стали гораздо быстрее. L0phtcrack является примером хакерского инструмента, предназначенного для восстановления паролей и оптимизированного для паролей Windows NT. Windows NT имеет две парольные защиты: более сильную, предназначенную для NT, и более слабую, совместимую со старыми сетевыми протоколами входа в систему. Эта функция работает без учета регистра с паролями не длиннее семи символов. L0phtcrack облегчает работу в парольном пространстве. На Pentium II с тактовой частотой 400 МГц L0phtcrack может перебрать каждый буквенно-цифровой пароль за 5,5 часа, каждый буквенно-цифровой пароль с прочими символами за 45 часов и каждый из возможных паролей, включающий любой знак клавиатуры компьютера, – за 480 часов. Это не сулит ничего хорошего.

Некоторые пытались решить эту проблему, используя все более и более «сильные» пароли. Это означает, что пароли сложней для угадывания и их появление в словаре менее вероятно. Старая универсальная система контроля доступа на мэйнфрэймах (RACF) требовала от пользователей ежемесячной смены паролей и не разрешала использовать слова. (В Microsoft Windows нет такого контроля, и вам услужливо предлагается сохранить любой пароль.) Некоторые системы создают пароли для пользователей случайным образом – путем связывания случайных слогов в произносимое слово (например, «талпудмокс») или соединения чисел, символов и смены регистра: например FOT78hif#elf. Система PGP использует парольные фразы, которые представляют собой сложные предложения с бессмысленным контекстом: например «Телефон ЗЗЗЗЗЗ, это должно быть вы говорите мне приятным голосом 1958???!телефон». (Однако это не так просто для запоминания и набора, как вам хотелось бы.)

Эти ухищрения становятся все менее и менее эффективными. В течение последних десятилетий действие закона Мура делает возможной «атаку в лоб» для ключей, имеющих все большую энтропию. В то же самое время есть максимум энтропии, до которого средний компьютерный пользователь (или даже пользователь уровнем выше среднего) может что-то запомнить. Вы не можете ожидать от него запоминания 32-символьного случайного шестнадцатеричного числа, так что же должно произойти, чтобы он запомнил 128-битовый ключ? Вам действительно не стоит полагаться, что он введет при входе в систему фразу с использованием набора алгоритмов и программ высоконадежного шифрования, описанных в предыдущем параграфе. Эти два фактора пересеклись; сейчас взломщики паролей могут вычислить все, что (в пределах разумного) может запомнить пользователь.

Конечно, есть исключения. Производство высоконадежных компьютеров, применяемых в ядерной отрасли, надежные дипломатические каналы, системы, применяемые для связи со шпионами, живущими на вражеской территории, – случаи, когда пользователи найдут время, чтобы запомнить длинные и сложные парольные фразы. Эти применения не имеют ничего общего с современными компьютерными сетями и паролями для продажи товаров в электронной торговле. Проблема в том, что средний пользователь не может и даже не пытается запомнить достаточно сложные пароли для предотвращения словарных нападений. Атаковать защищенную паролем систему часто легче, чем напасть на шифровальный алгоритм с 40-битовым ключом. Пароли ненадежны, если вы не в силах предотвратить словарных нападений.

Как ни плохи пароли, люди находят способ сделать их еще хуже. Если вы попросите их выбрать пароль, он будет паршивый. Если вы принудите их выбрать хороший пароль, они напишут его на почтовой карточке и прикрепят к монитору. Если вы попросите поменять его, они сменят его на пароль, которым пользовались месяц назад. Только изучение действующих паролей обнаруживает, что в 16% из них насчитывается три и менее цифры и 86% могут быть легко взломаны. Многочисленные исследования лишь подтверждают данную статистику.

Одни и те же люди выбирают одни и те же пароли для множества приложений. Хотите украсть группу паролей? Создайте веб-сайт, содержащий какую-либо интересную информацию: порно, результаты хоккейных турниров, сведения об акциях или все, что касается демографии. Не делайте платным его посещение, а введите регистрацию имен пользователей и паролей для просмотра информации. В большинстве случаев вы будете получать те же самые имя пользователя и пароль, которые пользователь использует в последнее время. Может быть, они позволят вам войти в его банковский счет. Сохраняйте и неправильные пароли; иногда люди по ошибке вводят пароль, предназначенный для системы А, в систему В. Заставьте пользователя заполнить небольшую анкету при регистрации: «Какие другие системы вы используете регулярно? Банк X, брокерскую фирму Y, службу новостей Z?» Я знаю, что один исследователь сделал нечто подобное в 1985 году – он получил дюжины паролей системных администраторов.

И даже когда люди выбирают хорошие пароли и меняют их регулярно, они слишком часто хотят поделиться ими с другими, состоящими и не состоящими в организации, особенно когда им нужна помощь, чтобы справиться с работой. Ясно, что такие откровения несут величайший риск для безопасности, но в сознании людей риск представляется минимальным, а потребность выполнить работу преобладает.

Это не говорит о том, что нет лучших или худших паролей. Предшествующий пример парольной фразы из PGP все еще защищен от словарных нападений. В целом, чем проще пароль для запоминания, тем он хуже. Вообще словарные нападения пытаются сначала разгадать заурядные пароли: словарные слова, перевернутые слова, слова с некоторыми прописными буквами, их же с незначительными изменениями – как, например, с числом 1 вместо буквы I, и т. п.

К сожалению, многие системы ненадежны так же, как и самые слабые пароли. Когда нападающий хочет получить вход в систему, его не волнует, чей он получает доступ. Согласно рабочим тестам, L0phtcrack восстанавливает около 90% всех паролей менее чем за день и 20% всех паролей в течение нескольких минут. Если на 1000 входов 999 пользователей выберут исключительно сложные пароли, такие что L0phtcrack не сможет установить их, программа взломает систему, подобрав единственный слабый пароль.

С другой стороны, с точки зрения пользователя это может быть примером того, что «нет необходимости бегать быстрее медведя – достаточно опережать тех, кто рядом с вами». Любое словарное нападение будет успешным против тех многих входов, чей пароль «Сюзанна» – они-то в первую очередь и станут жертвой атаки. Если же ваш пароль «молот-бабочка», то, хотя он тоже достаточно уязвим для словарных нападений, вероятно, не он станет жертвой.

Принимая в расчет вероятный тип нападающего, вы можете сделать систему с длинными и сильными паролями надежной. Но все постоянно меняется: закон Мура гласит, что сегодняшние сильные пароли – это завтрашние слабые пароли. В общем, если система основана на паролях, нападающий может организовывать словарное нападение в ожидании времени, когда система станет уязвимой. Периодически.

Подведем итоги. Все основывалось на нападающем, захватившем файл хэшированных паролей. Стоит предотвратить словарные нападения, и пароли снова станут пригодными. Это возможно, хотя и нелегко для компьютеров с общим доступом. Парольный файл UNIX, например, может читать кто угодно. В наши дни в UNIX есть теневой парольный файл; в нем находятся действительные хэшированные пароли, а в общедоступном парольном файле не содержится ничего полезного. Файл хэшированных паролей в NT хорошо защищен, и его трудно украсть; для этого вам нужен или доступ администратора, чтобы разыскать хэшированные пароли через сеть (хотя поздние версии NT и Windows 2000 предотвращают и это), или же вам нужно отлавливать пароли, когда они используются для других сетевых приложений.

Система также может «захлопываться» после нескольких попыток неудачного ввода пароля, например десяти. Таким образом, если кто-то пытается войти под именем Алисы и начать угадывать пароли, он введет только 10 вариантов. Конечно, это будет надоедать Алисе, но это лучше, чем подвергать риску ее имя пользователя. И точное определение времени «замораживания» может зависеть от обстоятельств. Может быть, ее вход будет закрыт на 5 минут или на 24 часа. Может быть, до тех пор пока она не поговорит с каким-нибудь администратором. Высоконадежные механизмы после определенного числа попыток неудачного ввода пароля или его неправильного набора могут замораживаться надолго, с уничтожением информации внутри.

Другое решение состоит в том, чтобы использовать интерфейс, несовместимый с компьютером. Ваша магнитная карта, по которой вы вправе получить наличные деньги, защищена четырехзначным идентификационным номером. Что может быть более незначительным для компьютерного взлома? Требуется несколько миллисекунд, чтобы перебрать все возможные 10 000 идентификационных номеров, но в данном случае компьютер сложно присоединить к интерфейсу пользователя. Человек может стоять у банкомата и перебирать все эти номера один за другим. И для того, чтобы проверить все 10 000 идентификационных номеров, может потребоваться вместо 10 секунд – 28 часов безостановочной работы.

Так же как люди способны быть достаточно отчаянными, чтобы постараться осуществить такое нападение, так и банкомат будет «глотать» карточки, если вы вводите слишком много неверных паролей. До сих пор эта мера безопасности все еще применяется во многих системах: кодах дезактивации сигнализации (конечно, вы можете попытаться перебрать 10 000 возможных кодов, но на это у вас есть всего лишь 30 секунд), электронных дверных замках, телефонных карточках и т. п. Эти системы работают потому, что здесь нападение не может быть автоматизировано; но если вы сумеете использовать компьютер для перебора всех идентификационных номеров (или паролей) данных систем, вы взломаете эти системы.

Большинство системных проектировщиков не осознают разницы между системой с ручным интерфейсом, которая может быть надежна с четырехзначным личным идентификационным кодом, и системами, имеющими компьютерный интерфейс. Это та причина, по которой мы видим слабые, подобные идентификационному коду, пароли в очень многих веб-системах (включая некоторые брокерские сайты).

Что все-таки делать, если вы не можете предотвратить словарные нападения? Один из приемов – найти более объемный словарь. Другой – прибавить случайные числа к паролям (как говорят, «посолить»). В работе должно быть несколько различных типов визуальных и графических паролей; идея состоит в том, что чем больше возможных паролей, тем, следовательно, сложнее устроить словарное нападение. Однако все это ограничено памятью пользователя.

Пароли – это то, что знает пользователь. Другие техники проверки подлинности базируются на том, кем является пользователь, – на биометрических данных, и на том, что пользователь имеет, – на опознавательных знаках доступа.

Биометрические данные

Идея проста: вы сами подтверждаете свою подлинность. Ваш «отпечаток голоса» отопрет дверь в вашем доме. Сканирование сетчатки глаза пустит вас в офис. Отпечаток большого пальца зарегистрирует вас в вашем компьютере. Это использовалось даже в фильме «Звездный путь»: капитан Пикард «подписывает» электронный бортовой журнал отпечатком своего большого пальца.

Биометрические данные – самые старая из форм опознавания. Физическое узнавание является биометрикой; наши предки использовали его задолго до того, как они эволюционировали в людей. Коты метят свою территорию. Дельфины издают индивидуальные, как подпись человека, звуки.

Биометрические данные также используются для опознавания в системах связи. Если вы разговариваете по телефону, человек на другом конце провода идентифицирует вас по голосу. Ваша подпись в контракте идентифицирует вас как лицо, подписавшее его. Ваша фотография идентифицирует вас как лицо, на имя которого выдан именно этот паспорт.

Для большинства методов биометрические данные нужно сохранять в базе данных, как и пароли. Голос Алисы будет служить биометрическим опознавательным знаком в разговоре по телефону, если вы Алису уже знаете. Если она незнакомка, то вам это не поможет. Точно так же и с почерком Алисы – вы можете узнать его, только если уже видели. Для разрешения этой проблемы карточки с подписями хранятся в банках в картотеке. Алиса пишет свое имя на карточке, когда открывает свой счет; эта карточка хранится в банке. Когда Алиса подписывает чек, банк сопоставляет ее подпись с той, что хранится в картотеке, для того чтобы убедиться, что чек имеет силу. (На практике это случается редко. Проверить письменную подпись так долго, что банк не побеспокоится сделать это за сумму, меньшую 1000 долларов. Он предполагает, что если возникнут проблемы, то кто-нибудь пожалуется. И разобраться с редкой проблемой дешевле, чем платить кому-либо за постоянную проверку.) Вы можете точно так же поступить и с Алисиным голосом – сравнив его с аналогичным образцом, хранящимся в центральной базе данных.

Исключения составляют ситуации, где биометрические данные подтверждаются как часть запутанного и необычного протокола. Когда Алиса подписывает контракт, например, у Боба еще нет копии ее подписи. Однако протокол работает – так как Боб знает, что он сможет проверить подпись впоследствии, если возникнет такая необходимость.

Существует много различных типов биометрических данных. Я уже упомянул почерк, звучание голоса, узнавание лица, отпечатки пальцев. К биометрикам также относятся линии на руке, сканирование сетчатки, сканирование радужной оболочки глаза, динамические характеристики подписи (не только то, как она выглядит, но и с каким нажимом, с какой скоростью она была начертана и т. д.) и другие. Одни технологии надежнее других – отпечатки пальцев намного надежней распознавания лица – но ситуация может измениться, поскольку технологии совершенствуются. Некоторые навязчивы – одна несостоявшаяся технология базировалась на образце отпечатка губ и требовала от пользователя поцеловать компьютер. В целом, биометрические данные будут считываться все лучше и лучше.

«Лучше и лучше» имеет два разных смысла. Во-первых, это значит, что самозванец не будет неправильно опознаваться в качестве Алисы. В целом, роль биометрических данных заключается в том, чтобы доказать, что Алиса-претендент и есть настоящая Алиса. Таким образом, если самозванец может успешно одурачить систему, то она работает не очень хорошо. Это называется ложной уверенностью. Во-вторых, это значит, что система не будет пытаться представить Алису как самозванца. Вернемся к началу: если роль биометрических данных – доказать, что Алиса – это Алиса, и если она не может убедить систему, что она – это она «не поддельная», тогда система также работает плохо. Это называется ложным отрицанием.

С течением времени биометрические опознавательные системы стали работать лучше в плане как ложной уверенности, так и ложного отрицания. Например, они устанавливают проверку отпечатков, так что ни пластиковый палец, ни чей-либо настоящий, но чужой палец не одурачат устройство, считывающее его отпечаток. Они лучше делают работу по отслеживанию ежедневных изменений в индивидуальных биометрических данных. Они более легки для использования.

Вообще, вы можете настроить биометрическую систему как в сторону допущения ошибки ложной уверенности, так и в сторону ложного отрицания. Здесь весьма нечеткие границы: если система получает отпечаток пальца, который, похоже, принадлежит Алисе, впустит ли она ее внутрь? Это зависит от того, склонна она в большей степени допустить ложную уверенность, или ложное отрицание. Если Алиса уполномочена взять карандаш со склада, то лучше допустить ошибку ложной уверенности; здесь больше неприятностей с отказом законному пользователю, чем если бы несколько карандашей просто потерялись. Если система защищает большие суммы денег, то ложное отрицание предпочтительней: оставить неправомочных пользователей снаружи более важно, чем иногда отказать в доступе законному пользователю. Если система приступает к выполнению ряда последовательных операций для запуска ядерных ракет, страшны оба варианта.

Биометрические данные значат очень много, так как на самом деле их сложно подделать: очень трудно нанести ложный отпечаток на свой палец или сделать сетчатку своего глаза похожей на чужую. Некоторые люди могут говорить голосами других (например, эстрадные имитаторы), а Голливуд способен сделать лица людей похожими на других. Но вообще подделать биометрические данные очень тяжело.

С другой стороны, биометрические данные даже слишком легки для подделки: не проблема украсть биометрики после того, как были сделаны начальные измерения. Во всех случаях, которые мы обсуждали, проверяющему необходимо было бы удостовериться не только в том, что биометрические данные верны, но и в том, что они были введены правильно. Вообразим удаленную систему, которая использует узнавание лица как биометрику. «Для получения разрешения возьмите свою фотографию, сделанную „Полароидом", и отправьте ее нам. Мы сравним картинку с той, что хранится у нас в файле». Как здесь осуществить нападение?

Легко. Чтобы выдать себя за Алису, возьмите ее фотографию, сделанную «Поляроидом», так, чтобы владелица об этом не знала. Потом, несколькими днями позже, используйте ее, чтобы обмануть систему. Это нападение работает потому, что получить фотографию Алисы просто, это совсем не то, что сделать свое лицо таким, как у нее. И так как система не проверяет, что это изображение вашего лица, а только то, что оно соответствует Алисиному лицу в картотеке, мы в состоянии обмануть ее.

Подобным образом мы можем подделать биометрику подписи, используя фотокопировальную машину или факсимильный аппарат. Тяжело подделать президентскую подпись на официальном документе, дающем вам продвижение по службе, но легко вырезать его подпись с другого документа, поместить на письмо, дающее вам повышение, и отправить его по факсу в департамент трудовой занятости населения. Они не смогут установить, что подпись была вырезана с другого документа.

Мораль в том, что биометрические данные будут работать прекрасно только в случае, если проверяющий станет удостоверяться в двух вещах: во-первых, что они действительно поступили именно от лица, которое подлежит проверке, и во-вторых, что они соответствуют образцу в картотеке. Если система не в силах одновременно поддержать два эти условия, она ненадежна.

Еще один пример: отпечатки больших пальцев для получения разрешения на вход в систему с удаленным доступом. Алиса помещает отпечаток своего большого пальца в считывающее устройство, находящееся на клавиатуре. (Не смейтесь, большое количество компаний хотят, чтобы так и было, а технология уже существует.) Компьютер посылает цифровой отпечаток хосту. Хост проверяет его, и если он соответствует отпечатку, хранящемуся в файле, дает Алисе доступ. Это не будет работать потому, что легко украсть цифровой отпечаток Алисиного большого пальца, и когда он у вас будет, то обманывать хост снова будет легко.

Защищенные от несанкционированного вмешательства аппаратные средства помогают до тех пор (в пределах ограничений главы 14), пока они включают и устройство, считывающее биометрические данные, и механизм подтверждения.

Это не сработает, если защищенное от несанкционированного доступа считывающее устройство посылает данные об отпечатке пальца через ненадежную сеть.

Мы подошли ко второй главной проблеме с биометрическими данными: эта система плохо справляется с отказами. Представим, что Алиса пользуется отпечатком своего большого пальца как биометрикой, и кому-нибудь вздумается украсть его. Что теперь? Он не является цифровым сертификатом (мы вернемся к этому в главе 15), который некая доверенная третья сторона может ей заменить. Это ее большой палец. У нее их всего два. Как только кто-нибудь украдет ваши биометрические данные, они останутся таковыми на всю жизнь; и их нельзя будет вернуть обратно.

Это та причина, по которой биометрические данные не могут выступать в роли шифровальных ключей (даже в том случае, если вам удастся разрешить противостояние между неясной логикой биометрических данных и безусловной математической логикой проблемы). Время от времени я вижу системы, которые используют шифровальные ключи, порожденные биометрическими данными. Это прекрасно работает до тех пор, пока данные не украдены. И я не думаю, что у кого-нибудь физически отрежут палец или нужный отпечаток пальца будет сымитирован на чьем-либо чужом пальце; я думаю, что кто-нибудь украдет цифровой отпечаток пальца. Однажды, когда это случится, система перестанет работать. (Ну, может быть, до тех пор, пока не будут украдены все 10 отпечатков пальцев…)

Биометрические данные могут быть хорошим механизмом, подтверждающим подлинность, но использовать их надо должным образом.

Опознавательные знаки доступа

Третьим способом доказательства идентичности является использование чего-либо, что вы имеете: физического опознавательного знака любого рода. Это старая форма контроля доступа: материальный ключ ограничивает доступ в сундук, комнату, здание. Обладание королевской печатью уполномочивает кого-либо на действия от имени короля. Более современные системы могут быть автоматизированными – электронные ключи в номере отеля – или ручными – распространенные предметы, предоставляющие доступ в здание. Основная идея та же самая; физический предмет служит подтверждением подлинности своего хозяина.

Для этого можно пойти по нескольким путям. Наиболее простой путь, когда хозяин может просто доказать, что данный знак принадлежит ему. Есть компьютеры, включаемые физическим ключом; так работают компьютеры, которым требуется смарт-карта. Основная идея любого опознавательного знака в том, что вы помещаете знак в некоторое отверстие в каком-то месте, и после этого компьютер подтверждает, что вы действительно это сделали. Если это так, вы попадаете в систему.

Наиболее серьезная проблема с такой системой в том, что знаки могут быть украдены. Например, если кто-нибудь украдет ключи от вашего дома, то он сумеет открыть его. Таким образом, система в действительности не может подтвердить подлинность лица; она подтверждает подлинность знака. Большинство компьютерных систем для преодоления этой уязвимости соединяют в себе знак доступа с паролем, который иногда называют личным идентификационным кодом (PIN). Примером могут быть банковские карты. Банкоматы подтверждают подлинность карты и спрашивают идентификационный номер для подтверждения подлинности пользователя. Идентификационный номер бесполезен без знака доступа. Некоторые сотовые телефонные системы работают точно таким же образом: вам нужен физический телефон и код доступа, чтобы сделать звонок, оплачиваемый с частного телефонного счета.

Кроме того, что знак могут украсть, кто-нибудь может скопировать его. Некоторые знаки скопировать легко, например физические ключи. Таким образом, знаки могут быть украдены, скопированы и перемещены без ведома своего владельца.

Другая проблема в том, что должен быть некий путь, подтверждающий, что опознавательный знак в действительности там, где он должен находиться. Подумайте о знаке как о перемещаемой, изменяемой биометрике – и вы получите все проблемы проверки безопасности из предыдущего раздела. Однако здесь при необходимости знак может быть изменен.

Проиллюстрирую эту проблему на примере использования кредитных карт. Сложно подделать физическую кредитную карту потому, что фальшивку опасно подсунуть при покупке вещей в магазине. Нельзя полагаться, что служащий магазина не заметит, что карта не настоящая. Легче использовать поддельную кредитную карту по телефону. В магазине служащий проверит подлинность как номера счета на кредитной карте, так и ее саму – как знак. По телефону оператор не сумеет определить подлинность физического знака, только номер счета.

В этом – другая, относительно менее значимая проблема, которую можно наблюдать на примере некоторых знаков. Если пользователи могут оставить знак в отверстии, куда поместили его для операции, они часто это и делают. Если пользователи должны вставить смарт-карту в прорезь перед тем, как она загрузится, они, вероятно, оставят ее там на весь день и всю ночь, даже если их самих там не будет. На слишком долгое для идентификации время.

Все эти обсуждения предполагают, что какой-нибудь вид считывающего устройства общается со знаком, и пользователь поместил его в считывающее устройство. Но часто такой возможности не бывает: у большинства компьютеров нет требуемого считывающего устройства, или система работает с мобильным пользователем, который сидит где-то в другом месте, а не за своим привычным компьютером. С этой ситуацией связаны две различные технологии.

Первая – это «вызов/ответ». Знак – устройство идентификации – карманный калькулятор с цифровой клавиатурой и маленьким экраном. Когда пользователь хочет подключиться, он вызывает удаленный хост. Он отправляет этот вызов со своего знака. Знак подготавливает соответствующий запрос, который передает в компьютер, а тот переправляет его хосту. Хост производит аналогичные вычисления и, если результат соответствует ожидаемому, подтверждает подлинность.

Вторая технология основана на временной синхронизации. Знаком является аналогичный карманный калькулятор с одним экраном. На экране регулярно сменяются номера, обычно раз в минуту. Удаленный компьютер просит пользователя напечатать то, что показано на экране. Если ответ пользователя соответствует тому, что ожидает удаленный компьютер, он производит подтверждение подлинности. Таким образом работает адаптер SecurID.

Конечно, полная система может также включать пароль, знак вызова/ответа, для начала работы может даже потребовать дополнительно ввода пароля; и другие вспомогательные меры безопасности. Основная идея все-таки в том, что некое секретное вычисление происходит внутри электронного ключа, который подменить нельзя. Нападающий не станет притворяться, будто у него есть знак, потому что не знает, как рассчитывать ответы, основанные на вызовах, или не знает, как рассчитывать величины, основанные на временной синхронизации. Сделать это можно только одним путем – имея настоящий знак.

Это работает в большей или меньшей степени. Шифровальные техники, кодирование или хэширование обеспечивают безопасность. Удаленный компьютер знает, как провести расчеты, так что система безопасна в такой же степени, что и ключевой код главного хоста. Любой, кто перепроектирует знак, сможет выяснить, как произвести расчеты; таким образом, система безопасна ровно настолько, что и знаки (см. главу 14). Но это достаточно хорошо и, конечно, намного лучше, чем «голые» пароли. Проблемы безопасности возникают в сети и при подтверждении подлинности компьютера.

Напоследок обсудим еще один знак: записанный пароль. В сообществе, занимающемся проблемами безопасности, существует реакция коленного рефлекса на запись паролей, но если это сделано должным образом, то может значительно улучшить защиту. Кто-нибудь, кто записывает свой пароль, превращает то, что он знает (свой пароль), в то, что он имеет (клочок бумаги). Эта уловка позволяет ему использовать более длинные пароли, которые являются более надежными. Здесь есть все проблемы простого знака: он может быть скопирован или украден. Защита не будет работать, если Алиса написала свой пароль на желтом липком листочке, наклеенном на монитор ее компьютера. Для нее будет лучше положить свой пароль в бумажник – это надежнее. Возможно, лучшим решением будет иметь две части пароля: одну будет помнить Алиса, а другая будет записана на листочке, лежащем в ее бумажнике.

Есть системы с одноразовыми паролями. У пользователя находится список паролей, записанных и используемых однократно. Конечно, это хорошая система подтверждения подлинности – список паролей является знаком – до тех пор, пока список находится в безопасном месте.

Протоколы аутентификации

Протоколы аутентификации – это криптографические способы подтверждения подлинности личности Алисы через сеть. Основной протокол аутентификации достаточно прост.

1. Алиса набирает свое имя пользователя и пароль на компьютере-клиенте. Клиент отправляет эту информацию серверу.

2. Сервер ищет указанное имя пользователя в базе данных и отыскивает соответствующий пароль. Если он соответствует паролю, набранному Алисой, ей предоставляется доступ.

Проблема в том, что база данных паролей должна быть защищена. Решение в том, чтобы хранить не пароли, а хэш-функции паролей.

1. Алиса набирает свое имя пользователя и пароль на клиенте. Клиент отправляет эту информацию серверу.

2. Сервер хэширует набранный Алисой пароль.

3. Сервер ищет имя пользователя с именем Алиса в базе данных и отыскивает соответствующее хэш-значение. Если это хэш-значение соответствует хэш-значению пароля Алисы, ей предоставляется доступ.

Уже лучше. Главная проблема со вторым протоколом в том, что пароли открыто посланы по сети. Кто-нибудь, рыскающий по сети, может собирать имена пользователей и пароли. Решение включает в себя хэширование пароля перед тем, как отослать его (более старые версии Windows NT делают это), но словарные нападения в состоянии справиться и с этим.

Так как словарные нападения стали более мощными, системы начали использовать прием, известный как «соление» (на самом деле они делали это и ранее, хороший пример предусмотрительности проектировщика). «Соль» – это известная случайная константа, хэшируемая вместе с паролем. Вследствие чего сделать словарные нападения сложней; вместо единственного хэш-значения для пароля «кот» могут быть 4096 различных вариантов для «кот» плюс 12 бит случайной «соли». Словари хэшированных паролей должны были бы быть в четыре раза «толще». Но способность произвести быстрые словарные нападения в реальном времени делает эту контрмеру устарелой; словари просто включают все возможные значения «соли».

Kerberos («Цербер») является более хитрым протоколом аутентификации. Здесь Алиса должна иметь долгосрочный ключ, используемый совместно с надежным сервером в сети, называемым Kerberos-сервером. Чтобы войти во взятый наугад сервер в сети – назовем его сервером Боба, – выполняется следующая процедура:

1. Алиса запрашивает разрешение у сервера Kerberos для входа на сервер Боба.

2. Сервер Kerberos проверяет, допускается ли Алиса на сервер Боба. (Примечание: серверу Kerberos не нужно знать, что Алиса – та, кем она себя назвала. Если это не она, протокол прервется на шаге 6.)

3. Сервер Kerberos высылает Алисе «билет», который она обязана отдать серверу Боба, и ключ к сеансу, который она может использовать, чтобы доказать Бобу, что она Алиса.

4. Алиса использует ключ к сеансу с сервера Kerberos для создания «удостоверения», которое она будет использовать, чтобы убедить Боба, что она Алиса.

5. Алиса посылает Бобу и билет, и удостоверение.

6. Боб проверяет. Если все подтверждается, он дает Алисе доступ. (Боб также имеет используемый совместно с сервером Kerberos долгосрочный ключ. Билет – это сообщение с сервера, зашифрованное в долгосрочном ключе Боба.)

Этот протокол защищен тем же способом, что и протоколы физических билетов. Сервер Kerberos печатает билеты. Он дает билеты Алисе, а она в свою очередь может предоставить их Бобу. Боб может утвердить билет, так как он знает, что Алиса получила его с сервера Kerberos.

И у этого протокола есть несколько приятных свойств. Долгосрочные ключи Алисы и Боба, которые похожи на пароли, никогда не посылались по сети. Отрицательная сторона в том, что системе для работы нужен сервер Kerberos. Сервер Kerberos является доверенной третьей стороной. Это может стать «узким местом» в системе в 9:00 утра, когда каждый пытается войти в свой компьютер.

Kerberos был изобретен Массачуссетским технологическим институтом в 1988 году и с того времени используется в мире UNIX. Kerberos является частью Windows 2000, но исполнение Microsoft отличается от стандартного и несовместимо с остальным миром Kerberos. Я могу только предполагать, что это было сделано намеренно по соображениям, связанным с рынком, но сделано таким образом, что ослабило защиту. Нельзя всего лишь изменить протокол безопасности и предполагать, что измененный протокол так же надежен.

Другие подтверждающие подлинность протоколы входа в систему используют открытые шифровальные ключи. IPsec и SSL, например, пользуются протоколами аутентификации с открытыми ключами. Некоторые системы прибегают к более простым, но тайным протоколам. Протокол, в котором звонящий с сотового телефона доказывает, что он может сделать телефонный звонок в этой частной сети, является одним из них.

Однократная регистрация

Вещь, которая изрядно раздражает пользователей в системе со строгими требованиями к безопасности, – это большое число паролей. Пользователь должен набирать один пароль для входа в свой компьютер, другой для входа в сеть, третий для входа на отдельный сервер в сети и т. д. Люди задают вопрос: не было бы лучше, если бы пользователь зарегистрировался один раз, с одним паролем, и затем мог бы управлять компьютерами как ему угодно, без использования других паролей?

Однократная регистрация – это решение пользовательской проблемы. К несчастью, она не очень хорошо работает. Во-первых, нетрудно увязнуть в болоте различных приложений и мер безопасности, которые плохо согласуются между собой. Это значит не просто ограничиться выбором определенного пароля для каждого – что плохая идея, – но учесть все проблемы множества взаимодействующего программного обеспечения. Во-вторых, дополнительный риск связан с тем, что возможная уязвимая точка является единственной. Есть разница между потерей одной кредитной карточки и целого бумажника.

Продукты с одноразовой регистрацией существуют, и в некоторых ситуациях они работают. Но они ни в коем случае не являются панацеей, как о том любят объявлять их продавцы.

 

Глава 10

Безопасность компьютеров в сети

В этой главе я хочу поговорить об атаках, совершаемых через Интернет. Такие атаки можно считать компьютерными, тогда их следовало бы рассматривать в главе 8. Можно отнести их и к сетевым нападениям, о которых речь пойдет в главе 11. Но я выделяю эти атаки в самостоятельный класс и посвящаю им отдельную главу.

Разрушительные программы

Самое первое, с чем большинство из нас сталкивается при первом знакомстве с проблемами компьютерной безопасности – это именно разрушительные программы, то есть программы, умышленно причиняющие неприятности. Даже в том случае, если компьютер не подключен к сети и доступ к нему имеется только у вас, вам не следует забывать о вирусах. Ведь вы не знаете точно, какие программы в данный конкретный момент выполняются вашим компьютером, и только можете надеяться, что выполняемые программы работают как надо. Запуская программы, в надежности которых вы не уверены, вы рискуете.

К разрушительным программам кроме вирусов относятся так называемые «троянские кони» и «черви». Они обычно состоят из двух частей: «полезной нагрузки» и механизма распространения. «Полезная нагрузка» – это та составляющая, которая, собственно, и вызывает сбои. Традиционно нагрузка была не очень разнообразна – прототипы вирусов выводили на экран какое-либо надоедливое сообщение, переформатировали жесткий диск компьютера жертвы либо не делали вообще ничего. Но в некоторых случаях нагрузка способна причинить и большие неприятности: изменить установки контроля доступа компьютера, украсть секретный ключ и отправить его по электронной почте и т. п. Результат таких действий может оказаться опасным, и я считаю, что следует ожидать появления более коварных нагрузок в ближайшие годы. В этой книге для нас наибольший интерес будут представлять механизмы распространения, по которым мы и классифицируем разрушительные программы.

Компьютерные вирусы

Биологический вирус представляет собой невидимый в оптический микроскоп инфекционный агент, вызывающий болезни растений, животных и бактерий. По существу, он состоит из белковой оболочки, содержащей РНК или ДНК. Вирусы не способны воспроизводиться вне клетки-хозяина, поэтому их, как правило, не относят к живым организмам. Таким образом, налицо прямая аналогия с вирусами компьютерными. Компьютерный вирус представляет собой фрагмент компьютерного кода, который может прикрепляться к другой компьютерной программе (сам по себе этот фрагмент существовать не может). Прикрепившись, он воспроизводится, делает новые собственные копии, которые внедряются в другие программы. И так далее.

В 1983 году студент Фред Коэн (Fred Cohen) написал первый компьютерный вирус. Он сделал это, только чтобы создать прецедент (удивительно, но большинство людей не верили, что это возможно). Многие скопировали этот вирус, большинство этих людей хотели просто досадить окружающим. В настоящее время насчитывают от 10 000 до 60 000 вирусов (в зависимости от критериев подсчета), большинство которых написаны для IBM-совместимых персональных компьютеров. По некоторым оценкам, которые мне встречались, ежедневно создаются шесть новых вирусов, но я считаю, что это – ложь и паникерство. Всего несколько сотен вирусов встречаются «в диком виде» (имеется в виду «на жестком диске у людей, не принимающих непосредственного участия в исследованиях компьютерных вирусов»), но те, которые встречаются, могут быть разрушительными.

Вирусы можно подразделить на три основных класса: файловые вирусы, загрузочные вирусы (вирусы, поражающие загрузочный сектор) и макровирусы.

Долгое время наиболее распространенными были файловые вирусы. Они работали, присоединяясь к программным файлам, например к текстовому редактору или компьютерным играм. При запуске инфицированной программы этот вирус размещается в памяти так, чтобы заразить другие приложения, запускаемые пользователем. Таким способом вирус распространяется по компьютеру пользователя, а если пользователь даст кому-то дискету с инфицированным приложением (или пошлет это приложение по сети), то зараженным окажется и другой компьютер.

Большинство файловых вирусов уже вышли из употребления. Изменения в устройстве компьютеров привели к тому, что вирусы потеряли способность запускаться; программное обеспечение часто требует обновления при установке новой операционной системы или нового процессора. Многие файловые вирусы вымерли после того, как в 1992 году была выпущена Windows 3.1; вирусы просто рушили эту операционную систему и в результате не могли распространяться.

Загрузочные вирусы менее распространены. Эти вирусы размещаются на специальном участке диска (дискеты или жесткого диска), данные с которого загружаются в память при загрузке компьютера. После того как этот вирус внедряется в память, он может заразить соответствующие секторы всех имеющихся жестких Дисков и гибких дисков, вставленных в дисковод, и таким образом распространиться на другие системы. Загрузочные вирусы чрезвычайно эффективны, и, даже несмотря на гораздо меньшее количество штаммов (различных разновидностей), они какое-то время преобладали над файловыми вирусами.

Загрузочные вирусы могут мирно сосуществовать с Windows 3.1, но большинство из них не пережили появления Windows 95. Несовместимость при загрузке и появляющиеся на экране предупреждения сильно затруднили распространение вирусов. Были вирусы, созданные специально для Windows 95, но ни один из них не получил широкого распространения, поскольку никто уже не загружается с гибкого диска.

Последний класс вирусов – это макровирусы. Они написаны на языке сценариев и заражают не программы, а файлы данных. Во многих текстовых процессорах, электронных таблицах и программах, работающих с базами данных, используются специальные языки разработки сценариев. Такие сценарии (программы на макроязыке, или просто макросы) используются для автоматизации задач и хранятся вместе с данными. Первый макровирус для Microsoft Word – Concept – впервые обнаружили в «диком виде» в 1995 году; в текстовом редакторе Emacs такие вирусы существовали уже в 1992 году.

Макровирусы могут распространяться существенно быстрее других, поскольку люди гораздо чаще обмениваются данными, чем программами. А поскольку программное обеспечение электронной почты и передачи файлов делается все проще в обращении, эти вирусы станут распространяться еще быстрее. Бывают макровирусы, способные существовать в различных операционных средах: некоторые макровирусы для Microsoft Office могут заражать как компьютеры Windows, так и Macintosh.

Макровирусы – это будущее компьютерных вирусов. Все вирусы, которые быстро распространяются по Интернету, – это макровирусы. Лучшие из вирусов используют психологические приемы, побуждающие пользователя установить, запустить или размножить их.

Антивирусное программное обеспечение – это более выгодный бизнес, чем написание вирусов. (Я полагаю, это очевидно: за вирусы никто денег не платит.) Большинство антивирусных программ сканируют файлы, выискивая вирусы. В программах есть база данных, содержащая «отпечатки пальцев» вирусов – фрагменты кода, про которые известно, что они являются частью вирусов. Когда программа находит такой же отпечаток, она получает информацию, что файл заражен, и, чтобы «дезинфицировать» его, удаляет вирусный код. Метод сканирования «отпечатков» работает только после того, как компания, создавшая антивирусную программу, выделила вирус в лаборатории и включила в список новый отпечаток. Поэтому усовершенствование антивирусного программного обеспечения – бойкий бизнес.

Все вирусы, которые встречались до сих пор, были направлены против крупных вычислительных машин, а не против периферийных или встроенных систем. Однако можно написать вирус на языке PostScript. Он мог бы распространяться от документа к документу. Он мог бы воздействовать на принтеры. Можно создать вирус, заражающий сотовые телефоны и распространяющийся по сотовой сети. Нам уже встречался вирус, специализирующийся на устройствах WebTV. Можно создать вирус, заражающий практически любую компьютерную систему. Если его еще нет, то только потому, что люди, которые обладают необходимыми знаниями и не отягощены строгой моралью, до сих пор не удосужились его создать.

Чтобы обнаружить ранее не известные вирусы, полиморфные вирусы (видоизменяющиеся при каждом инфицировании) и зашифрованные вирусы (скрывающие свои «отпечатки» при помощи криптографии), некоторые антивирусные программы тестируют компьютерную систему, выискивая подозрительное поведение. (Обычные программы поиска вирусов довольно глупы – чтобы их обмануть, иногда достаточно просто изменить какую-нибудь мелочь.) Такие программы работают довольно хорошо, однако они перекладывают на пользователя бремя принятия решения: вирус это или ложная тревога?

«Лекарства» от вирусов не существует. Математически доказано, что всегда можно написать вирус, который не сможет нейтрализовать ни одна из существующих антивирусных программ. (Даже модель Белла-Лападулы не предохраняет от вирусных атак.) Я не буду вдаваться в подробности, но основная идея в том, что если создатель вируса знает, что именно ищет антивирусная программа, он всегда имеет шанс разработать свой вирус, незаметный для нее. Конечно, после этого программисты, борющиеся с вирусами, могут усовершенствовать свою программу, которая будет определять уже и новый вирус.

Черви

Червями называют те разрушительные программы, которые специализируются на компьютерах, подключенных к сети. Это самовоспроизводящиеся программы, которые, в отличие от вирусов, не прячутся в других программах. Они существуют самостоятельно, блуждают по компьютерным сетям, причиняя повреждения.

Роберт Т. Моррис (Robert T. Morris) «выпустил» самого известного червя в 1988 году. Это был интернет-червь, который вывел из строя более 6000 компьютеров: 10% всех серверов Интернета. Червь появлялся на одной машине. Затем он предпринимал попытку проникнуть по сети в другие машины, используя несколько основных приемов. Когда это удавалось, червь засылал на новый компьютер копию своего кода. А затем эта копия повторяла весь процесс, пытаясь проникнуть в очередную машину. Обычно черви работают именно так. Тот червь мог бы причинить более крупные неприятности, если бы не счастливая ошибка. Изначально не планировалось, что 6000 зараженных компьютеров будут выведены из строя; червь должен был заразить их тайно, не привлекая всеобщего внимания. Ошибка в программе червя вызвала повреждение зараженных компьютеров. В главе 13 я более подробно расскажу о том, как работал тот червь и в чем конкретно заключалась ошибка.

Еще один червь известен под названием Pretty Park. Эта программа, функционирующая в среде Windows, приходит по электронной почте как вложение в сообщение. Если вы запускаете эту программу, она рассылает свои копии всем адресатам вашей записной книги в Outlook Express. Кроме того, она пытается подсоединиться к серверу IRC (Internet relay chat) и отправить сообщения участникам чата. Автор червя может к тому же использовать это соединение, чтобы получать информацию из вашего компьютера. ILOVEYOU и все его варианты по сути своей – тоже черви.

Троянские кони

Троянские кони – это разрушительные фрагменты, которые встроены в какие-то «нормальные» программы, чтобы одурачить пользователя, который будет думать, что это нечто полезное. Помните, откуда появилось это название? Греки десять лет осаждали Трою, но она не сдавалась. То ли от отчаяния, то ли от скуки Одиссей приказал греческим воинам построить большого деревянного коня, внутри которого могли бы спрятаться несколько человек. Этот сюрприз греки оставили троянцам как признание поражения, а затем сделали вид, что уплывают. Троянцы привезли деревянного коня в город – все художники изображают коня стоящим на платформе с колесами, – несмотря на предсказание Кассандры о том, что это приведет к гибели Трои. Ночью греки вылезли из коня, открыли ворота и впустили внутрь остальную греческую армию. После этого греки истребили троянцев, варварски разграбили и сожгли город. (По крайней мере, Гомер все описал именно так. Никто не знает, правда это или нет. Даже сам город считали мифом, пока Генрих Шлиман не обнаружил Трою в конце XIX века.)

Аналогично, цифровой троянский конь – это код, преднамеренно помещенный в вашу систему, который маскируется под безвредную (или полезную) программу, но делает что-то неожиданное или нежелательное. (С формальной точки зрения код, который вы сознательно размещаете в вашей системе, – это троянский конь, а код, который вводит в вашу систему кто-то другой, называют логической бомбой). Программист вписывает такой код в крупное программное приложение, которое в результате может начать работать неправильно, если, например, программист будет исключен из платежной ведомости. Тимоти Ллойд (Timothy Lloyd), диспетчер сети в Omega Engineering, в 1996 году установил логическую бомбу, которая подорвала производственные мощности его бывших работодателей и обошлась им более чем в 12 миллионов долларов.

Троянским конем может быть программа, которая тайно устанавливается в вашем компьютере, следит за буфером клавиатуры до тех пор, пока не обнаружит нечто, напоминающее номер кредитной карты, – правильное количество цифр, совпадение контрольной суммы, – и посылает этот номер кому-нибудь при помощи TCP/IP. Это также и приложение Java, которое прерывает соединение вашего модема и соединяет вас с 900 номерами в Молдавии (такой троянский конь на самом деле существовал).

Атака троянского коня коварна и опасна, поскольку вы можете и не догадываться о его работе. Один из популярных троянских коней для Microsoft Windows называется Back Orifice. Если он имеется на вашем диске, удаленный пользователь может эффективно подсоединиться к вам через Интернет и хозяйничать в вашем компьютере. Он может загружать себе ваши файлы, а вам – свои, удалять файлы, запускать программы, изменять конфигурации, захватывать управление клавиатурой и мышью, видеть все, что отображается на экране сервера. Тот же удаленный пользователь может вести более разрушительную деятельность: перезагружать компьютер, показывать произвольные диалоговые окна, включать и отключать микрофон или камеру, перехватывать нажатия клавиш (и пароли). А кроме того, существует расширяемый язык, позволяющий писать модули. (Я все жду, что кто-нибудь распространит модуль, который будет автоматически выискивать и записывать закрытые ключи PGP или последовательности регистрации для Всемирной паутины.)

Кроме Back Orifice и других хакерских инструментов по принципу троянских коней могут работать многие программы удаленного администрирования. DIRT (Data Interception by Remote Transmission, перехват данных с помощью удаленной передачи) – это троянский конь, разработанный правительством США и находящийся в распоряжении полиции.

Это все грубо действующие троянские кони, но бывают и более коварные. Некоторые из них собирают и отсылают автору имена и пароли пользователей. Другие незаметно изменяют шифровальную программу так, что выбор ключей становится ограничен. (Мне встречались измененные таким образом версии PGP.) Вас могут заставить поверить во что угодно, подсунув на ваш компьютер фальшивый сертификат. (Эта идея использовалась для лабораторных демонстраций нападений на систему кодовых обозначений Microsoft.) Эти троянские кони не делают ничего такого, о чем вы могли бы легко догадаться, но они способны на многое, что никогда не придет вам в голову. Распределенные атаки, приводящие к отказу в обслуживании, осуществлявшиеся с помощью Интернета, используют троянских коней для заражения промежуточных компьютеров.

Наиболее сложный этап при подобных атаках – это помещение троянского коня на компьютер ничего не подозревающей жертвы. Один из вариантов – проникнуть в офис жертвы и установить троянца на нужный компьютер; в следующей главе мы обсудим некоторые способы защиты от атак такого рода. Можно убедить жертву собственными руками установить троянского коня; о манипулировании людьми мы поговорим в главе 17. Можно атаковать компьютер через Интернет – мы вернемся к этому в главе 11. И наконец, можно проникнуть в компьютер при помощи самих разрушительных программ, создавая вирусы.

Современные разрушительные программы

Для программного обеспечения, призванного причинять неприятности, 1999 год стал переломным. Различные типы – вирусы, черви и троянские кони – слились и перемешались. И стали в результате еще более опасными. Новизна состояла не в автоматической пересылке разрушительных программ по электронной почте – до этого были Christma exec в 1987 году (через систему электронной почты PROFS (Professional Office System, профессиональная офисная система)) и ShareFun в 1997 году, – но 1999 год стал первым годом, когда распространяющиеся по электронной почте «вредные» программы смогли заразить крупные зоны Интернета. Новые типы этих программ игнорировали средства корпоративной защиты и тонеллировали сквозь брандмауэры. Это действительно значительный шаг.

Вирус продолжает существовать, если он воспроизводится на новых компьютерах. До Интернета компьютеры сообщались в основном при помощи гибких дисков. Следовательно, большинство вирусов передавались при помощи дискет, и лишь изредка через электронные доски объявлений (bulletin board system, BBS).

Дискеты как переносчики инфекции имеют свои особенности. Во-первых, заражающие программы распространяются довольно медленно. Компьютер инфицирует через дискету другой компьютер, с него переходит на пять других, и по истечении недель или месяцев этот процесс приведет к эпидемии. Хотя возможно, что кто-то поместит инфицированную вирусом программу на электронную доску объявлений, тогда тысячи компьютеров заразятся за одну-две недели.

Во-вторых, перенос программ при помощи дискет легко блокировать. Большинство антивирусных программ могут автоматически сканировать все гибкие диски. Опасные программы на входе блокируются. Электронная доска объявлений способна все же доставить некоторые проблемы, но большинство пользователей приучили себя к тому, что не следует загружать программы с ненадежных BBS. А кроме того, антивирусные программы могут автоматически сканировать новые файлы в поисках опасного кода.

И в-третьих, при таком способе распространения вирусов антивирусные программы справляются со своей задачей. Написать программу, блокирующую известные опасные программы, в общем, не сложно. Она будет работать по принципу сканирующего поиска кода, характерного для вируса (так называемых сигнатур). Найдя зараженный участок, программа автоматически удалит вирус и вернет все в нормальное состояние. Процедура удаления уникальна для каждого вируса, но разработать ее сравнительно нетрудно. Антивирусные программы включают десятки тысяч сигнатур, каждая из которых характерна для определенного вируса. Компании выпускают новые программы в тот же день, как узнают о новом вирусе. И при условии, что вирус распространяется медленно, такая защита работает. Ежемесячно происходит автоматическое обновление большинства антивирусных программ. До 1999 года такая защита была вполне удовлетворительна.

Все изменилось с распространением электронной почты. 1999 год принес нам макровирус Melissa для Microsoft Word и червя Worm.ExploreZip, a 2000 год – червя ILOVEYOU и массу его разновидностей, не говоря обо всем остальном. Разрушительные программы такого типа размножаются по электронной почте и используют ее особенности. Эти программы отправляют себя по почте людям, с которыми переписывается хозяин инфицированного компьютера, обманом заставляя получателей открыть или запустить их. В таком случае процесс распространения вирусов занимает не недели и не месяцы, а считанные секунды.

Антивирусные компании по мере возможности выпускают усовершенствованные версии программ, которые умеют ловить определенные вирусы, но если вирус может заразить 10 миллионов компьютеров в течение нескольких часов (так оценивают скорость распространения ILOVEYOU), то прежде, чем его удастся зафиксировать, он вызывает множество повреждений. А что если вирус постарается «спрятаться», чтобы его код не обнаружили в течение нескольких дней? Что, если червь нацелен на конкретную машину и удаляет свой код из всех компьютеров, у которых идентификатор пользователя не соответствует заданному? Сколько времени потребовалось бы на то, чтобы его обнаружить? Что, если этот червь отправляет по электронной почте в анонимный почтовый ящик копию регистрационного имени пользователя (в большинстве случаев содержащего пароль) и лишь затем самоуничтожается? Что, если такой код способен автоматически обновляться? Что, если он автоматически зашифровывает свои распространяющиеся копии при помощи системы PGP? А если он видоизменяется и ускользает от антивирусных программ? Или неделями прячется в системе? Даже минутные размышления на эту тему заставляют нас нарисовать себе довольно жуткую картину.

Поскольку электронная почта встречается повсеместно, путешествующие с ее помощью опасные программы в силах проникнуть куда угодно. Они могут просочиться через такое интернет-соединение, через которое больше ничего не проходит. Их нельзя остановить брандмауэром; они проникают сквозь него, неожиданно оказываются внутри системы и производят повреждения. Эффективность брандмауэров будет снижаться по мере того, как мы будем расширять перечень используемых служб (e-mail, Веб и т. п.) и добавлять все более сложные приложения во внутреннюю сеть, а авторы разрушительных программ будут принимать все это во внимание. Такой метод «проникновения внутрь с последующей работой» еще более ухудшит ситуацию.

В настоящее время, разрабатывая средства для защиты от вирусов, червей и троянов, стараются подражать биологическим принципам борьбы с вирусами. Тем не менее я настроен скептически по двум причинам. Прежде всего биологические вирусы эволюционируют медленно: удачные новые мутации со временем могут закрепиться, а затем медленно распространиться по виду. Биологические иммунные системы приспособлены именно к атакам такого рода. А компьютерные вирусы, в отличие от биологических, специально создают «смертельными».

Вторая причина моего скепсиса в том, что биологические иммунные системы ориентированы на то, чтобы защищать вид за счет отдельной особи. Относительно генофонда – это правильная стратегия, но для защиты конкретного компьютера от разрушительных программ она не годится.

Мне кажется более интересным такое решение: связать компьютеры с центром автоматического выявления вирусов. Если какой-нибудь компьютер замечает подозрительный код, он отсылает его для последующего анализа. Такой подход имеет помимо перспективы и ряд новых опасностей. Кроме того, он все-таки не сможет обеспечить необходимую скорость обнаружения вирусов. Любая крупная рассредоточенная система в любом случае допускает возможность заражения вирусами. Если система безопасности не продумана снизу доверху, мы должны быть постоянно готовы к борьбе с попытками установить контроль над системой.

Легко критиковать Microsoft за усугубление проблемы. Языки сценариев Microsoft являются довольно мощным средством, однако они созданы в предположении, что все, с чем вы работаете, заслуживает доверия. Эти языки позволяют иметь доступ ко всем ресурсам операционной системы (сравните с моделью безопасности Java). Они позволяют разрушительным программам использовать свойства Microsoft Outlook для автоматической рассылки своих копий корреспондентам пользователя. Microsoft, безусловно, заслуживает порицания за то, что созданные ею мощные средства – Word и Excel – размывают границы между исполняемыми файлами, которые потенциально таят опасность, и файлами данных, бывшими до сих пор безопасными. Он заслуживает осуждения и за то, что интегрированная в Outlook 2000 поддержка языка HTML допускает возможность внедрения основанной на HTML разрушительной программы при простой загрузке электронного сообщения (оно автоматически открывается в режиме предварительного просмотра). А также за то, что разрушительная программа может использовать интеграцию ActiveX в Internet Explorer 5.0, чтобы распространяться без участия пользователя. Microsoft создала операционную среду, в которой разрушительные программы легко создаются, легко распространяются и могут причинять множество неприятностей. Но основная проблема, состоящая в том, что мобильный код не заслуживает доверия, намного более остра.

Модульная программа

В прежние времена (в 1970-х) компьютерные программы были крупными и громоздкими, их было трудно писать, и еще труднее использовать. Затем кому-то пришла идея поделить большие программы на мелкие, более простые для понимания компоненты. Объектно-ориентированное программирование, C++, подключаемые модули – все это различные реализации этой идеи. Проблема в том, что современное программное обеспечение, в основе которого лежат небольшие компоненты, намного сложнее защитить.

Рисунок 10.1 иллюстрирует принцип, по которому построены старые программы: большие приложения опираются на небольшую операционную систему. Большинство современных программ похожи на Приложение 1 – приложения с компонентами – или на Приложение 2 – приложения с компонентами, состоящими из компонентов (рис. 10.2).

Рис. 10.1. Устройство старого программного обеспечения

Рис. 10.2. Современная структура компонентно-ориентированного программного обеспечения

Представьте себе, как устроен браузер. Одним из компонентов является виртуальная машина Java (Java Virtual Machine). Апплеты Java запускаются на самом верху этой конструкции. Некоторые апплеты Java могут заменяться. Имеются все виды макросов для вашего текстового редактора и электронных таблиц. Вы можете загружать сменные PGP для Eudora. He исключено, что каждую неделю вы загружаете те или иные сменные модули для своего браузера.

В действительности, хотя браузер и продается как единая программа, он состоит из множества работающих вместе разнообразных компонентов. Так же устроены текстовый редактор и электронные таблицы; в Microsoft Word свыше тысячи компонентов. Таким образом, вы имеете дело со схемой Приложение 3: небольшое приложение-основа, к которой крепится множество компонентов, состоящих, в свою очередь, из компонентов. Даже операционная система построена по тому же принципу; на рис. 10.3 представлена модель Windows NT: компоненты состоят из компонентов.

Рис. 10.3. Архитектура Windows NT

Безопасность страдает из-за применения динамической компоновки. В старых программах фрагменты программы соединялись вместе изготовителем (так называемая линковка, сборка – на программистском жаргоне) еще до того, как вы ее купили. Программисты связывали части программ и проверяли, что все работает как надо. Сейчас компоненты часто связываются динамически при запуске приложения. Пользователи Windows знают о так называемых библиотеках динамической компоновки (Dynamic Link Libraries, DLL); пользователям UNIX и Macintosh они известны как библиотеки коллективного доступа (shared libraries).

Проблемы безопасности нужно рассматривать одновременно с нескольких точек зрения. Во-первых, вы не можете быть уверены, что все модули надежны. В предыдущем разделе я рассказывал о «вредных» программах; возможно, что один или несколько модулей являются разрушительными или просто неисправными. Во-вторых, вы не должны допускать, что все модули написаны настолько хорошо, что будут работать во всех возможных конфигурациях. Достоинством крупных компьютерных программ было то, что они тестировались как единое целое. Браузер, работающий на вашем компьютере, со всеми дополнительными модулями, которые вы загружали в произвольном порядке, может быть совершенно уникален. Маловероятно, что это сочетание кто-то уже тестировал.

И в-третьих, еще не существует такой операционной системы, которая помогла бы решить две вышеуказанные проблемы. При старом принципе построения программ различные части программного обеспечения сообщались только через операционную систему. Хорошая операционная система могла обеспечивать взаимодействие программ и не допускать, чтобы одна программа повреждала другую. Современные компоненты непосредственно обращаются друг к другу, без посредничества операционной системы, поэтому применяемые в последних меры безопасности могут не работать.

Эти проблемы безопасности пытались решать с применением некоторых общих методов, одни из которых принесли больший, другие – меньший успех. Но все эти подходы лучше выглядят в теории, чем работают на практике.

Автономность (Isolation) и защита памяти. Эта мера направлена на то, чтобы помешать одному из компонентов умышленно или случайно воздействовать на остальную систему: читать или вносить изменения в память другого компонента, выходить за пределы отведенной ему памяти и приводить к поломке системы или доставлять другие неприятности. Автономное использование памяти предполагает, что каждому компоненту отводится свой участок памяти, за пределами которого этот компонент не может ни читать, ни записывать. Время от времени контролирующие программы (program checkers), установленные на машине пользователя, проверяют коды компонентов, чтобы убедиться, что не происходит ничего недозволенного. Примером реализации этой идеи служит «песочница» (sandbox) Java: все компоненты вынуждены «играть» в отдельных «песочницах», из которых они не могут повредить друг друга. Этот принцип защиты работает хорошо, но некоторые ошибки он не позволяет обнаружить, кроме того, за него приходится расплачиваться скоростью работы программ.

Контроль доступа в интерфейсе. Сделав компонент полностью изолированным, мы не решаем проблему полностью: ведь ему необходимо взаимодействовать с другими компонентами (а также с экраном, клавиатурой, мышью и т. д.). На рис. 10.2 показаны пути взаимосвязей между компонентами. Устанавливая правила контроля доступа в точках соприкосновения, мы можем надеяться, что компоненты правильно взаимодействуют друг с другом. Проблема в том, что вы должны выбрать политику контроля доступа, которая должна быть достаточно жесткой, чтобы приносить действительную пользу. «Песочницы» Java позволяют добиться хороших результатов, однако недостаток их политики состоит в том, что она либо чересчур бескомпромиссная, либо излишне либеральная – «золотой середины» в реальности не существует. (Java 2 имеет мелкомодульный контроль, но он недостаточно используется.)

Подписывание кода (Codesigning). Представьте себе закрытую частную вечеринку, попасть на которую реально, только предъявив какой-нибудь солидный документ (например, водительские права). При таком подходе в дом смогут пройти только друзья хозяина. Такой же смысл имеет подписывание кода. Программист подписывает отдельные компоненты. На основании этих подписей пользователь принимает решение, какие компоненты допустить на свой компьютер, а какие – нет. (В случае ActiveX подписывание кода – основной способ защиты от злонамеренного кода.) В своем сегодняшнем виде подписывание кода имеет массу проблем. Во-первых, непонятно, исходя из каких соображений пользователь должен решать, заслуживает ли доверия автор подписи. Во-вторых, сам факт существования подписи у компонента не означает, что он безопасен. В-третьих, то, что каждый из двух компонентов имеет подписи, не означает, что их можно использовать вместе: совместная работа чревата множеством непредвиденных опасных ситуаций. В-четвертых, к проблеме безопасности не следует подходить с позиции «все или ничего»: существуют разные степени безопасности. И в-пятых, фиксирование компьютером нападения (сохранение подписи кода) практически бесполезно с точки зрения атаки: при ее осуществлении злоумышленник может удалить или изменить подпись или просто переформатировать диск, на котором она была сохранена. Чем больше приходится размышлять о подписывании кода, тем меньше смысла видится в этой процедуре.

Новые технологии, зарождающиеся в университетских лабораториях, помогут когда-нибудь найти лучшее решение, но это произойдет не ранее, чем через несколько лет. Тем временем модульная программа, вероятно, станет еще большей проблемой безопасности. Все больше и больше программных пакетов обладают способностью к самоусовершенствованию, то есть регулярно загружают новые модули. Например, Internet Explorer 4.0 и последующие версии дают возможность подписаться на обновление программного обеспечения. Если вы этим пользуетесь, то программа автоматически обновляется, загружая новые модули с веб-страницы корпорации Microsoft. Это очень полезное свойство, если не пускать дело на самотек. В противном случае вы можете обнаружить, что среди ночи ваш компьютер автоматически подсоединяется к Интернету. Как может на это отреагировать пользователь, видно по следующему отрывку из программы новостей:

«Ранним утром я полез в холодильник, и вдруг услышал, что компьютер сам подключился к Интернету, – рассказал один пользователь, занимающийся бета-тестированием

???

повредить его рабочим взаимоотношениям с Microsoft. – Я очень испугался и вытащил телефонную вилку из розетки».

Здесь нет ничего постыдного – пользователь просто не осознал, что происходит. Но большинство компьютерных пользователей не имеют ни малейшего представления, что происходит внутри их компьютеров. И если они привыкли, что их компьютер куда-то звонит среди ночи, они могут однажды с удивлением обнаружить, что какая-то гнусная программа резко увеличила сумму телефонного счета, позвонив по 900 номерам в Молдавии.

Переносимый код

Если задуматься, использование программ, написанных кем-то другим, – это всегда риск. Вы принимаете на веру, что программист не злоумышленник и что программы, которые вы запускаете, работают так, как надо. (Мы снова вернемся к проблемам человеческого фактора в главе 17.) На заре существования вычислительной техники пользователи просто не имели возможности пользоваться чужими программами. Программы нужно было писать или, по крайней мере, компилировать для каждого компьютера особо.

Появление персональных компьютеров и таких программ, как VisiCalc, вынуло компьютеры из рук инженеров и поместило их на столы пользователей. Пользователи стали доверять готовым прикладным программам, они, не задумываясь, запускали программу, не имея представления о ее содержимом, поскольку не обладали достаточной для этого квалификацией.

Я уже говорил о вирусах и троянских конях; они распространились потому, что люди обменивались копиями готовых программ (иногда нелегально), не беспокоясь о проблемах безопасности. Антивирусные средства помогли решить проблему, и на протяжении последних 20 лет пользователи безоговорочно доверяли программному обеспечению.

Однако с появлением Интернета эта прочно укоренившаяся вера стала создавать крупные проблемы.

В предыдущем разделе я объяснил, почему появление сетей сделало разрушительные программы более опасными. Там приведены и примеры переносимого кода и связанные с ними проблемы. К сожалению, существуют и более серьезные неприятности.

С появлением модульных программ все больше фрагментов программного обеспечения рассылается по Интернету. Сейчас любое ваше приобретение с большой вероятностью получено с веб-сайта: новый дополнительный модуль для браузера, драйвер для принтера, блестящая утилита или апплет на Java, который делает какие-то классные штучки. Поэтому вам следует задать себе следующие важные вопросы. Надежна ли эта программа? Надежен ли этот веб-сайт? Можно ли быть уверенным, что эта программа будет правильно взаимодействовать с остальным содержимым компьютера? И какая есть защита на случай, если эта программа окажется разрушительной? Редко встречаются пользователи, которые задаются подобными вопросами, но еще реже – те, которые могут на них ответить.

JavaScript, Java и ActiveX

JavaScript, Java, ActiveX и загружаемые дополнительные модули – все они имеют различные модели защиты. Я по очереди расскажу о каждом из них.

JavaScript – это язык сценариев Netscape, при помощи которого можно вставлять фрагменты кода на веб-страницу. Его поддерживают все основные браузеры. Его сходство с Java исчерпывается первыми четырьмя буквами. При помощи программы на JavaScript можно проделывать обычные простые действия: открывать и закрывать окна, изменять формы на веб-страницах, настраивать параметры браузера и т. п. Все, чем докучают некоторые веб-сайты при попытке закрыть их страницы, – это тоже JavaScript.

Сам по себе JavaScript достаточно безвреден, но именно он лежит в основе множества атак всех видов, предпринятых за последние несколько лет. Приведу несколько примеров: 1997 год – контроль посещаемости сайтов пользователями; 1998 – чтение случайно выбранных файлов на машине пользователя; тот же 1998 – перехват адреса электронной почты пользователя. Для большинства этих атак требуется слегка обмануть пользователя, заставив его сделать незначительную глупость, но это и не сложно. Недостатки в обеспечении безопасности браузеров, допускавшие такие атаки, были выявлены довольно быстро и устранены. Но регулярно обнаруживаются новые «дыры».

В ActiveX применяется защита при помощи подписывания кода. По сути, у каждого фрагмента кода ActiveX, называемого «control», проверяется цифровая подпись. (Microsoft вводит для этого понятие кода аутентичности.) После этого браузер открывает диалоговое окно и показывает пользователю имя программиста или компании, которые подписали код. Если пользователь соглашается принять код, программа загружается в браузер.

Любой подросток, к которому на вечеринку заявлялись случайные гости не лучшего сорта, знаком с этой проблемой. Безопасность системы полностью находится в руках пользователя. Как только код ActiveX проникает на машину пользователя, он может сделать все что угодно: переформатировать жесткий диск, изменить ваши однодолларовые ставки в тотализаторе на стодолларовые, собрать все ваши полные чувств любовные письма и послать их кинопродюсеру в Лос-Анджелес и пр. и пр.

Microsoft возразила, что подписи, конечно, будут указывать на автора, но это знание будет небольшим утешением человеку, у которого только что «рухнул» компьютер. Это все равно, что обязать преступников носить визитные карточки и перестать запирать двери на замок. «Мы сожалеем, что они вошли в ваш дом, съели всю вашу еду, сломали всю вашу мебель и унесли все ваши ценности. Но, по крайней мере, мы знаем, кто они». Причем в случае Интернета может быть такое уточнение: «Это были два подростка из страны, с которой у США нет договора об экстрадиции. Вам стало легче?» Кроме того, предполагается, что вы сможете определить, какая именно программа из десятков имеющихся у вас на жестком диске вызвала проблемы. Один исследователь показал, что при соединении двух безвредных средств управления ActiveX они способны стать разрушительными; и кто будет виноват в этом случае?

Существуют и более серьезные проблемы. В главе 17 подробно рассказывается о том, насколько сомнительно, что пользователи примут правильное и безопасное решение, здесь же достаточно сказать, что большинство людей не беспокоятся о том, каким средствам ActiveX можно доверять, а каким – нет. А это предполагает наличие инфраструктуры открытого ключа (PKI), поддерживающей подписи, о чем я еще буду сокрушаться в главе 15. Существует много возможностей обмануть PKI и заставить ее поверить, что средство управления подписано, когда это не так.

На самом деле ActiveX – это расширение старой системы компонентов Microsoft, так называемой DCOM. Это система, при помощи которой, например, Internet Explorer открывает и показывает таблицы Excel. Большинство используемых программами DLL на самом деле служат только транспортным средством для объектов DCOM. Explorer просто вставляет внутреннее содержимое книги Excel посредством DCOM и ActiveX. Это – невероятно мощная система, более гибкая, более доступная, более интересная архитектурно и невообразимо более опасная, чем аналогичные способы в других операционных системах.

В Java применяется совершенно иная модель. Это – просто язык программирования, специально разработанный для переносимого кода, создатели которого не забывали и о безопасности. Программы Java, запускаемые при помощи веб-браузера, называются апплетами, и им для работы отводится определенный участок памяти, «песочница», которая позволяет ограничить возможные повреждения. «Песочницы» защищаются по трем схемам.

Во-первых, существует так называемый верификатор байтового кода. При каждой загрузке апплета Java верификатор байтового кода сначала проверяет программу. Верификатор гарантирует, что байтовый код имеет правильный формат и не создаст каких-либо общих проблем.

Во-вторых, имеется загрузчик класса. Этот компонент определяет, как и когда апплет может быть добавлен к среде Java. Его задача – убедиться, что апплет не заменит уже существующую важную программу.

И в-третьих, есть администратор безопасности. Это устройство чем-то похоже на мониторы обращений, о которых шла речь в главе 8; к нему обращаются всякий раз, когда апплеты Java пытаются проделать что-то потенциально опасное: открыть файл, установить связь с сетью и т. д. В зависимости от способа установки апплета эти операции будут или разрешены, или запрещены. (Например, апплет, загруженный по Сети, имеет больше ограничений, чем апплет, установленный на компьютер при покупке операционной системы.)

Модель «песочницы» слишком сложна, но это лучшее, что у нас есть в настоящее время. Последние версии Java имели две модификации – хорошую и плохую. В Java 1.1 реализовано подписывание кода, что роднит его с ActiveX. Апплеты, которым пользователи доверяют, могут выходить за пределы «песочницы» и без ограничений работать на машине пользователя. Нужно ли говорить, насколько при этом делаются актуальными все проблемы безопасности модели ActiveX?

В Java 2 усовершенствована модель «песочниц». Вместо подхода «все или ничего» – или в «песочнице», или за ее пределами – Java 2 обеспечивает большую гибкость модели безопасности. Апплеты получают именно такие полномочия, которые необходимы для выполнения их работы. Например, один апплет может иметь доступ к файловой системе компьютера, но не иметь сетевого доступа. Другому разрешен сетевой доступ, но запрещен доступ к файловой системе. Третий апплет может иметь только доступ к определенной части файловой системы. То есть каждому апплету предназначается своя «песочница». Такая система работает намного лучше, но, как оказалось, она сложна в использовании.

Дополнительные модули хуже всего, поскольку они автоматически считаются надежными. Это – программные модули, которые вы можете добавить к своему браузеру, чтобы расширить его функциональные возможности, например средства просмотра файлов формата PDF, медиапроигрыватели или что-нибудь еще. У них нет никакой системы безопасности. Если вы их загружаете и устанавливаете, значит, вы им доверяете. Точка.

Безопасность Веб

HTTP (протокол, используемый в Веб), как и большая часть информации, блуждающей в Интернете, незашифрован и неаутентифицирован. Многие боятся доверять номера своих кредитных карт незашифрованной веб-связи. (Я не думаю, что в этом есть смысл, но кое-что я бы посылать по Сети незашифрованным не стал.) Чтобы решить эту проблему, в ранние версии Netscape Navigator включали специальный протокол, так называемый SSL. Этот протокол, который был со временем переименован в TLS, обеспечивает шифрование и аутентификацию веб-связи. SSL довольно хорош, и все его проблемы касаются сертификатов и их применения (подробности – в главе 15). Некоторые веб-сайты предоставляют вам возможность выбрать защищенный SSL сеанс связи с браузером. (Веб-страница должна иметь этот параметр; браузер не будет использовать SSL, если на сервере нет соответствующих установок.) Браузер и веб-сервер применяют шифрование открытым ключом для обмена ключами и симметричное шифрование для кодирования данных. Присутствие в нижней части браузера зеленого ключа или желтого замка дает пользователю возможность почувствовать себя намного свободнее.

Однако нельзя упускать из виду, что пока пользователь не проверит вручную присланный сервером сертификат, он не имеет ни малейшего представления о собеседнике. Я повторяю, SSL устанавливает безопасную связь между браузером и кем-то на другом конце соединения. Если пользователь не проверит, кто находится на другом конце соединения, он не будет знать, с кем он секретничает. Представьте себе, что двое незнакомых друг с другом людей входят в абсолютно темную комнату со звуконепроницаемыми стенами. Они знают, что их разговор никто не подслушает. Но кто доверит свои секреты незнакомцу? Это одна из проблем, возникающих при использовании SSL-сертификатов.

Кроме того, SSL не обеспечивает защиты данных на сервере. В начале 2000 года хакеры неоднократно взламывали веб-сайты и крали информацию: номера кредитных карт, информацию о лицевых счетах и многое другое. SSL не в состоянии это предотвратить.

Взлом URL

На унифицированный указатель информационного ресурса (URL) направлен целый ряд атак, некоторые из них рассчитаны на ошибку пользователя, а некоторые – просто на его необразованность. Первый класс – это атаки, при которых разные серверы крадут трафик друг у друга. Может быть, на ваш взгляд, это ерунда – зачем веб-сайту, продающему водопроводное оборудование, трафик веб-сайта финансовых новостей, – но некоторые сайты, например порнографические, таким образом хотят повысить посещаемость своих страниц.

Один из способов получить чужой трафик – обмануть поисковую машину. Машины поиска в большинстве своем довольно глупы: вы спрашиваете их о сайтах про водопроводное оборудование и получаете в ответ все веб-страницы, на которых где-то в тексте есть словосочетание «водопроводное оборудование». (Более современные машины поиска чуть умнее, но основной принцип сохранился.) Некоторые сайты имеют на своих страницах посторонний текст в качестве приманки для поисковой машины. Этот текст не отображается на экране – он может быть спрятан (например, белый текст на белой странице), может быть представлен в виде ключевых слов или мета-тегов в непечатаемой части страницы, – но он просматривается поисковой машиной. Так, на порнографическом сайте могут находиться слова: «котировки ценных бумаг; погода; выборы президента; Кливленд; кулинария; садоводство», и при поиске по этим словам машина найдет, в числе прочих, этот порносайт.

Создатели некоторых веб-сайтов идут еще дальше, используя переключатели страниц. Подстраивая свои ключевые слова и мета-теги (встроенные в веб-страницы команды, которые сообщают поисковой машине параметры страницы), эти сайты обманывают поисковую машину, которая не отличает их от популярных вебсайтов и при выводе результата помещает их непосредственно перед этими популярными сайтами. Ничего не подозревающие пользователи загружают поддельный сайт вместо настоящего. Главным образом, такую тактику применяли создатели порнографических сайтов, чтобы привлечь посетителей, но вы можете себе представить взлом по типу переключателя страниц, при котором поддельный сайт еще и выглядит как настоящий. Это было бы неприятной проблемой.

Атаки такого рода не ограничиваются веб-страницами и поисковыми машинами. Небольшие компании иногда включают в свои пресс-релизы название и эмблему более крупной компании, и в результате люди, которые ищут ту большую компанию, получат и этот пресс-релиз. Это называется столкновением наименований (ticker symbols mashing) и может выглядеть примерно так: «SmallCompany com объявила, что ее новая программа не имеет ничего общего с Microsoft». Даже при описании лота на аукционе eBay используются слова, которые будут притягивать к нему поиск: «Этот дешевый свитер (не Прада, не Армани) красного цвета».

Возвращаясь к Веб, отмечу, что одним из способов подобных атак является регистрация сайтов, имена которых похожи на имена популярных сайтов. Этим занимаются тайпсквоттеры («пираты» опечаток). Например, адрес wwwpainewebber com (без точки, вместо www painewebber com) приведет кого-то на порнографический сайт. Люди, которые неправильно набрали название страховой компании (Geigo вместо Geico), окажутся на сайте, которым владеет Progressive Insurance. (Эти атаки, происходящие в результате опечаток пользователя, скорее всего, уже никому не повредят; во время написания книги проходили несколько судебных процессов как раз по такому поводу.)

Подобные инциденты могут возникать и спонтанно. Компания eToys попыталась возбудить судебный процесс против группы артистов etoy, несмотря на то что доменное имя etoy com было зарегистрировано за два года до того, как появилось eToys com. (Хотя имена доменов действительно совпали случайно, оказалось, что etoy занимались переключением страниц на сайты Playboy.)

Все перечисленные выше случаи не относятся к киберсквоттингу. Этим термином обозначают регистрацию имени домена, которое может представлять интерес для кого-то. Например, кому-то другому, но не мне принадлежат имена applied-cryptography com и applied-cryptography com, а именно так называется моя первая книга.

Веб-спуфинг (Web-spoofing), или получение доступа обманным путем, – еще один вариант мошенничества в Интернете. Подделывая адреса URL на сайте клиента, злоумышленник может вынудить жертву всегда совершать поиск через определенный сайт. Этот сайт, которым владеет злоумышленник, может перехватывать весь сеанс поиска жертвы. Злоумышленник может сохранить записи о том, на какие сайты заходила его жертва, ее различные учетные записи, пароли и т. п. Злоумышленник может также слегка изменять различные страницы, например менять адрес отправления купленного жертвой продукта.

Такая атака возможна даже при SSL-связи. Как я отмечал ранее, SSL гарантирует только то, что канал связи недоступен посторонним. А если секретная связь установлена со злоумышленником, это мало поможет. Несколько других трюков облегчают нападение, поэтому выключение JavaScript в браузере дает некую защиту. Некоторые веб-сайты, например AskJeeves, усугубляют проблему, размещая у себя веб-страницы других людей и представляя их информацию как свою. В момент написания книги не было данных о существовании такого рода атак «в диком виде».

Cookies

Cookies – это программная хитрость, встроенная в браузеры Всемирной Сети изобретательными программистами. По своей сути cookies – это небольшие порции информации, которую веб-сервер поставляет браузеру. Браузер сохраняет эти данные на компьютере пользователя и отсылает их на сервер всякий раз, когда браузер возвращается к серверу. Cookies позволяют сделать массу полезных и хороших вещей. Но, к сожалению, они также допускают множество разрушительных действий. В первую очередь я объясню, как они работают, а затем расскажу о проблемах, с ними связанных.

HTTP – по сути, протокол, не идентифицирующий пользователя. Это значит, что сервер не знает, кто с ним работает. Сервер просто обслуживает веб-страницы. Браузер запрашивает веб-страницу – сервер ему ее выдает. Сервер не имеет представления, тот ли это браузер, что и раньше, или другой – ему все равно. Такой подход замечательно работает для простых, статических веб-сайтов, содержащих только страницы с фиксированным содержанием.

Сложные веб-сайты имеют динамическое устройство. На веб-сайтах розничной торговли есть «корзины», с которыми вы перемещаетесь при просмотре сайта. На информационных сайтах с платным доступом имя пользователя и пароль требуется вводить при переходе со страницы на страницу. (На мой взгляд, утомительно набирать имя пользователя и пароль каждый раз, когда я хочу посмотреть еще одну статью на веб-сайте New York Times.) Cookies дают возможность управиться с этим.

Отправляя браузеру cookies, а затем запрашивая их обратно, сервер как бы вспоминает, кто вы. «А, конечно, вы – пользователь 12467, вот ваша корзина». Cookies позволяют браузеру добавлять возможность идентификации к протоколам Интернета. Это выглядит, как огромная рассредоточенная база данных, фрагменты которой хранятся в миллионах браузеров.

До сих пор я рассказывал о пользе cookies. Они, главным образом, полезны, если сервер, их разместивший, играет по правилам. Сервер устанавливает, сколько времени действителен cookie: хорошее значение – несколько дней. Сервер может установить ограничения на доступ к cookie. Сервер может ограничивать доступ к другим серверам в том же домене; это значит, что если ваш cookie пришел с inchoate-merchant com, то только inchoate-merchant com может иметь к нему доступ.

Проблемы возникают при нарушении правил игры. Некоторые серверы используют cookies, чтобы прослеживать пользователя от сайта к сайту, а некоторые с помощью cookies идентифицируют пользователя. Вот простой пример: компании занимаются перепродажей места для размещения рекламы на популярных сайтах. Одна из таких компаний – DoubleClick; именно через нее размещены многие объявления, которые вы видите на коммерческих сайтах. Если вы будете просматривать sex-site com, вы увидите часть того окна, которое пришло с DoubleClick com. DoubleClick com предоставляет вам cookie. Позже (в этот же день или, может быть, в другой) вы будете просматривать CDnow com, на котором DoubleClick разместила другую рекламу. DoubleClick может запросить cookie вашего браузера и установить, что он был создан в то время, когда вы посещали секс-сайт, после чего вам будет отправлена целевая реклама, хотя вы интересуетесь CDnow. Поскольку DoubleClick сотрудничает с целым рядом коммерческих сайтов, по ее cookies можно проследить пользователя на всех этих сайтах.

Еще более серьезные проблемы вас ожидают, если вы оставите свой электронный адрес на каком-то из этих сайтов, а они отошлют эту информацию в DoubleClick. Все, что от вас требуется – один раз набрать этот адрес, заказать одну-единственную вещь, и он останется у них навечно. (Или до окончания срока cookies, что может затянуться на годы.)

Такие действия не являются большим секретом. DoubleClick открыто признает, что собирает данные и использует их, чтобы направлять рекламу определенным пользователям. До 2000 года они отрицали создание идентификационных баз данных, но в конце концов признали это после сообщения в USA Today. С тех пор они отступили от идеи связывать cookies с именами и адресами. (Хотя, возможно, выплывут новые факты в результате какой-нибудь публикации.)

Идем дальше. Сайты способны послать вам по электронной почте cookie, при помощи которого они могут вас идентифицировать, если вы позже посетите этот сайт. Вот как это работает: сайт посылает вам сообщение в формате HTML. (Это предполагает, что вы пользуетесь программами для электронной почты, поддерживающими сообщения HTML; среди таких программ – Microsoft Outlook и Outlook Express, Netscape Messenger и Eudora.) Сообщение содержит уникальный URL, скрытый графикой, который сайт может использовать, чтобы послать вам cookie. Если URL имеет вид www gotcha com/[email protected] com/pixels gif, значит, у них в cookie – ваш адрес электронной почты. Тогда, если вы просматриваете сайт в какой-то последующий день, сайт может по cookie определить ваш адрес электронной почты и отследить ваши перемещения в Интернете.

Сами cookies не умеют осуществлять активных действий. Они не могут похитить информацию из вашего компьютера. Cookies – это просто некоторые данные, которые сервер сообщает браузеру, а браузер позже возвращает. Cookies не могут украсть у вас пароли или файлы. (ActiveX, Java и JavaScript в этом отношении гораздо более опасны.) Cookies не в силах похитить номера ваших кредитных карт, но может оказаться так, что «глупые» сайты включат в cookie номер вашей кредитной карты.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что cookies – по своей сути полезный инструмент, но при неумелом обращении они могут работать на злоумышленников. Это простейший способ, позволяющий веб-программистам контролировать взаимосвязи. Большинство браузеров допускают полное отключение cookies, можно купить дополнительные программы, позволяющие лучше управляться с ними. Хотя некоторые сайты – например, Hotmail и Schwab Online – не соединяются с браузерами, не принимающими cookies.

Веб – сценарии

Мишенью всех атак, рассмотренных выше, является компьютер пользователя, а сейчас речь пойдет об атаке, направленной на сервер.

Общий шлюзовый интерфейс (Common Gateway Interface, CGI) – это стандартный способ, которым веб-сервер передает запрос клиента размещенным на нем приложениям и отсылает ответ пользователю. Если вы посылаете поисковый запрос на веб-сайт – например, на сайт розничной электронной торговли, – веб-сервер передает запрос в приложение базы данных и затем форматирует ответ перед тем, как предоставить его пользователю. Или если посетитель заполняет анкету на веб-странице, то эта информация передается в соответствующее приложение для последующей обработки. Иногда вы можете видеть команды CGI в адресной строке браузера – это непонятные значки и цифры в конце URL; в других случаях они не видны пользователю. Это часть HTTP, все ею пользуются. Сценарии CGI – это небольшие программы на веб-сервере, которые работают с данными. Например, они задают принцип обработки анкет на веб-страницах.

Сложности при работе со сценариями CGI в том, что каждый из них – потенциальная прореха в системе безопасности. Манипулируя сценариями CGI, можно совершать самые неожиданные веши. Вот ряд примеров (все они действительно имели место): загрузка файла с веб-сервера, просмотр всего содержимого базы данных, загрузка списка покупателей и их персональных записей, кража денег у клиентов электронного банка, торговля чужими контрольными пакетами акций и просмотр системных журналов веб-сервера, в которых записаны договоры клиентов.

Другие похожие атаки проводятся путем помещения исполняемого кода (обычно сценарии Perl или код JavaScript) в текстовые поля. Таким путем можно заставить веб-сервер внести изменения в домашнюю страницу, показать секретный ключ SSL или доставить другие неприятности, о которых сказано в предыдущем абзаце. Этот метод также позволяет использовать переполнение буфера и другие ошибки программирования (см. главу 13), чтобы вызвать поломку веб-сервера или, что еще лучше, захватить этот сервер в свои руки.

Один пример: в 1998 году в результате атаки против Hotmail стало возможным увидеть учетные записи электронной почты других людей. eBay также подвергся атаке; злоумышленники поместили троянского коня, написанного на JavaScript, в поле описания товара. Это поле видел любой, кто просматривал товары, выставленные на продажу, и в результате злоумышленники получали информацию о тысячах учетных записей.

Один недостаток CGI позволил злоумышленникам загружать секретную персональную информацию с различных сайтов. Другие сценарии CGI использовались, чтобы взломать веб-сервер. В конце 1999 года были предприняты две атаки – атака Poison Null («отравленный» нуль), позволившая хакерам просматривать и изменять файлы на веб-сервере, и атака Upload Bombing (бомбежка при пересылке), наводнившая веб-серверы бесполезными файлами, которые очень быстро превращались в атаки-сценарии, так что любой мог при желании их использовать.

Включения на стороне сервера (Server Side Includes, SSI) – это указания для вебсерверов, встроенных в HTML-страницы. Непосредственно перед отправкой страницы браузеру веб-сервер выполняет все SSI, содержащиеся на странице, и помещает на нее результаты своей работы. Атаковать SSI так же выгодно, как и все остальное.

Можно атаковать уязвимые места в стороннем программном обеспечении: на специфических веб-серверах, в их приложениях. Сюда относятся приложения для баз данных, программы «корзины», сервер транзакций и другие. Эти атаки зависят не от того, как сайт использует приложение, а от самого приложения (СУБД Oracle, например). Злоумышленники могли бы загрузить исходную программу с веб-сервера, разрушить сервер, получить привилегии доступа на уровне администратора для входа на сервер, запустить на сервере произвольную программу и т. п. В отличие от прорех безопасности, вызванных сценариями CGI, установление уязвимых мест в дополнительных приложениях не находится под контролем сайта; это обязанность поставщиков стороннего программного обеспечения.

Существует множество похожих атак. Внося изменения в скрытые поля на некоторых веб-страницах (эти поля можно увидеть при просмотре начала страницы), есть шанс взломать сценарии CGI и заставить некоторые программы «корзин» изменить цены предлагаемых товаров. (Вплоть до «назовите свою цену».) Некоторые атаки направлены на cookies: порча cookie. Злоумышленники входят на сервер и вручную меняют свои аутентификационные cookies на cookies других пользователей. Иногда эти cookies зашифрованы, но часто не очень надежно.

Некоторые атаки носят название написания перекрестных сценариев. Это довольно неудачное название: атаки заключаются не столько в написании сценариев, и речь не идет о пересечении. То, что они так называются, сложилось исторически. Суть в том, что Веб скрывает в себе множество мелких хитростей; когда вы смешиваете сценарии CGI, JavaScript, фреймы и cookies, cookies и SSL, итог может оказаться неожиданным и нежелательным. Использование различных платформ одновременно – это спорный путь, в результате нетрудно получить непредсказуемое взаимодействие различных компонентов сложных систем.

Такие атаки по нескольким причинам направлены преимущественно на сценарии CGI. Большинство сценариев CGI написаны непродуманно, и они широко распространены среди пользователей. Вы получаете набор сценариев вместе с программным обеспечением или от своего провайдера. Часто люди, занимающиеся написанием сценариев, не имеют опыта в программировании. Они не слишком хорошо разбираются в проблемах безопасности, которые могут возникнуть из-за применения сценариев или вследствие взаимодействия сценариев с другими частями программного обеспечения сервера. А веб-сервер не имеет возможности контролировать работу CGI-сценариев. Поэтому иногда сценарий создается для одной цели и, если он используется для другой, повреждает защиту.

Атаки CGI – мощные, против них мало что устоит. Конечно, можно написать безопасный CGI-сценарий, но едва ли кто-то это сделает. Одна компания занималась проверкой веб-сайтов на предмет недостатков в приложениях вроде CGI-сценариев – она не нашла ни одного сайта, который нельзя взломать. Это – стопроцентная уязвимость.

Веб – конфиденциальность

Номинально веб-просмотр анонимен. В реальности существует много способов идентифицировать пользователя. Я уже говорил, что по cookies можно следить за перемещением пользователя с сайта на сайт и даже включить в cookie адрес электронной почты или другую личную информацию (если пользователь заполняет анкету или отвечает на электронное сообщение).

Вдобавок на большинстве веб-серверов все доступы регистрируются. В регистрацию обычно входит IP-адрес пользователя, время запроса, информация о том, какая запрошена страница, и имя пользователя (если оно известно из каких-нибудь регистрационных протоколов). Впрочем, большинство веб-сайтов просто выбрасывают эти регистрационные записи.

Конечно, IP-адрес пользователя – это все же не имя пользователя, но многие веб-браузеры установлены на машинах с единственным пользователем, напрямую подключенных к Всемирной паутине. Те пользователи, которым приходится дозваниваться, обладают большей анонимностью, чем пользователи с кабельным модемом или DSL-соединением (Digital Subscriber Line, цифровая абонентская линия), но часто для идентификации достаточно установить провайдера. Например, в 1999 году неизвестный угрожал бомбой, отправив сообщение с регистрационной записи Hotmail. Электронная почта Hotmail содержит IP-адреса веб-браузеров, с которых отправляли почту. IP-адрес принадлежал America Online, и полиция, сравнив его и записи Hotmail, смогла проследить электронное сообщение до индивидуального пользователя America Online.

В данном случае для нарушения конфиденциальности были экстренные причины, но большинство таких действий можно автоматизировать. Коммерческие веб-сайты, как правило, не слишком стараются защитить конфиденциальность клиента. Фактически, многие из них делают деньги на рекламе. Другие сайты сознательно посягают на конфиденциальность посетителя, чтобы осуществлять направленную рекламу: это разные «цифровые бумажники», список компаний, производящих программное обеспечение и всякое другое. Многие компании рассматривают целевую рекламу как своего рода бизнес при помощи Интернета.

 

Глава 11

Сетевая безопасность

Сетевая безопасность тесно связана с компьютерной безопасностью: в наши дни сложно отделить одно от другого. Все, от электронного замка на дверях отеля до сотового телефона и настольных компьютеров, присоединено к сетям. При этом надо иметь в виду, что, как ни тяжело создать надежный автономный компьютер, гораздо тяжелее создать компьютер, который надежен, будучи подключенным к сети. Последние более уязвимы: атакующий вовсе не должен находиться перед вашим компьютером во время нападения, а вполне может находиться на другой половине земного шара и атаковать его через Сеть. Сетевой мир, может быть, более удобен, но он намного менее безопасен.

В наши дни невозможно говорить о компьютерной безопасности, не затрагивая темы сетевой безопасности. Даже специализированные клиринговые системы кредитных карт работают, используя сети. Таким же образом работают сотовые телефоны и системы сигнализации. Автоматы в казино подключены к сети, как и некоторые торговые автоматы. Компьютеры ваших кухонных приборов скоро будут объединены в сеть, так же как и бортовой компьютер вашего автомобиля. В итоге все компьютеры будут подключены к сети.

Существует множество различных типов сетей, но я собираюсь посвятить большую часть времени обсуждению интернет-протокола TCP/IP. Кажется, все сетевые протоколы используются в Интернете, так что разумнее всего говорить именно о Всемирной Сети. Это не значит, что протоколы Интернета менее надежны, чем другие, – хотя, конечно, при их разработке мало думали о безопасности. Как будет ясно из дальнейшего обсуждения, наиболее фундаментальным является вопрос, что предпочесть – общеизвестный протокол, который долгое время атаковался хакерами и чья надежность, следовательно, постоянно улучшалась, или протокол малоизвестный и, возможно, менее безопасный. Помните об этом во время чтения данной главы.

Как работает сеть

Компьютерные сети – это группы компьютеров, соединенных между собой. При этом компьютеры либо соединены физически – при помощи проводов офисной ЛВС, выделенной линии (возможно, ISDN или DSL), телефонной коммутации, оптического волокна, либо же используется электромагнитная связь – радио, высокочастотные волны и т. п.

Если один компьютер должен связаться с другим, он создает послание, называемое пакетом, с указанием имени компьютера-получателя, и отправляет его через сеть. Здесь обнаруживается фундаментальное отличие от телефонных переговоров. Когда Алисе хочется поговорить с Бобом, она сообщает компьютерной сети телефонной компании сетевое имя Боба (то есть его телефонный номер), и в сети замыкается цепь при помощи различных средств коммуникации – медных проводов, спутника, сотовой ячейки, волокна – всего, что может дать в итоге неразрывное соединение. Алиса и Боб общаются с помощью этой цепи до тех пор, пока кто-нибудь из них не повесит телефонную трубку. Тогда телефонная сеть разрывает это соединение, и другие люди получают возможность пользоваться такими же средствами для своих звонков. В следующий раз, когда Алиса позвонит Бобу, они будут соединены через совершенно другие звенья цепи. (По большей части другие, хотя телефонная линия и первичные коммутаторы будут теми же самыми.)

Компьютеры не используют цепи для переговоров друг с другом. Они не ведут разговоры, как люди, – они обмениваются небольшими пакетами данных. Эти пакеты могут содержать части самых разнообразных данных: посланий электронной почты, сжатых графических изображений обнаженных женщин, видео– и аудиопотоков, телефонных переговоров в Интернете. Для того чтобы облегчить передачу, компьютеры делят большие файлы на пакеты. (Представьте себе, что письмо объемом 10 страниц было отправлено по частям в 10 различных конвертах. Получатель вскрывает все послания и восстанавливает изначальный вид письма. При этом пакеты не обязаны прибывать в последовательности, соответствующей порядку расположения страниц, и приходить к адресату одними и теми же путями.)

Эти пакеты посылаются через сеть по маршрутам. Есть разные протоколы – Ethernet, TCP и другие, – но базовые принципы их работы одинаковы. Маршрутизаторы перенаправляют пакеты по указанным в них адресам. Они могут не знать точно местонахождения адресата, но имеют некоторые представления о том, в каком направлении следует отправить пакет. Это несколько напоминает почтовую систему. Почтальон приходит в ваш дом, забирает всю исходящую корреспонденцию и доставляет ее в местное почтовое отделение. Там могут вовсе не знать, где находится дом 173 по Питтерпат Лэйн, Фингербон, Айдахо, в котором проживает мистер X, но располагают сведениями, что конверт вместе со всей остальной корреспонденцией нужно погрузить в автомобиль, который едет в аэропорт. Служащие почты аэропорта также не осведомлены, где живет мистер X, но знают, что должны отправить письмо самолетом в Чикаго. В почтовом отделении аэропорта Чикаго знают, что должны переложить письмо в самолет, вылетающий в Бойсе. В почтовом отделении города Бойсе знают, что письмо нужно доставить к поезду, который идет в Фингербон. И наконец, на почте Фингербона имеют точную информацию, где находится указанный адрес, и почтальон доставит письмо.

Безопасность IP

Нетрудно видеть, что любая сеть, построенная по этой модели, совершенно ненадежна. Рассмотрим Интернет. Так как пакеты проходят сначала по одному маршруту, затем по второму, третьему и т. д., их данные, иногда называемые полезной нагрузкой, открыты для каждого, кто захочет их прочесть. Предполагается, что маршрутизаторы считывают только адрес получателя в заголовке пакета, но ничто не может помешать им просматривать и содержимое. Большая часть трафика (с использованием межсетевого протокола IP) проходит по немногочисленным высокоскоростным соединениям, составляющим скелет Интернета. Между отдаленными пунктами, находящимися, например, в США и Японии, пакеты проходят только по нескольким определенным маршрутам.

Хакеру сложно контролировать весь Интернет, но легко отслеживать, что происходит в небольшой части Сети. Все, к чему он стремится, – это получить доступ к отдельным компьютерам. Тогда он сможет просматривать все пакеты, проходящие через данный участок, в поисках интересующих его. Если он получает доступ к компьютеру, близко расположенному к компьютерам компании А, то, вероятно, сможет перехватывать все ее исходящие и входящие информационные потоки. (Конечно, имеется в виду «близко» в Сети, а не обязательно физически рядом.) Если ему не удастся проникнуть в компьютер рядом с компанией А, то он сможет перехватывать лишь малую часть информационного обмена этой компании (или не увидеть совсем ничего). Если он наиболее типичный хакер, которому все равно, какую компанию прослушивать, то это не имеет для него значения.

Пакеты с паролями внутри особенно интересны. Выуживание пароля легко осуществимо, это обычное нападение в Интернете. Нападающий устанавливает анализатор пакетов, позволяющий узнавать имена пользователей и пароли. Все, что делает программа, – это сохраняет первые две дюжины (или около того) символов, отправляемых в начале каждого сеанса. Эти символы почти наверняка содержат имя пользователя и пароль (обычно незашифрованный). А если он зашифрован, нападающий использует программу взлома паролей, а добытые пароли – для взлома других компьютеров. Это трудно обнаружить потому, что анализаторы паролей малы и незаметны. Это похоже на снежную лавину.

Возможно не только прослушивание, но также и активные нападения… на самом деле их даже легче осуществить. В большинстве систем связи значительно проще вести пассивное прослушивание сети, чем вставлять и удалять сообщения. В Интернете все с точностью до наоборот: подслушать сложно, а послать сообщение просто; любой уважающий себя хакер способен это сделать. Так как процесс передачи информации основан на пакетах, и они путешествуют многими различными путями, встречаясь лишь у своего адресата, легко незаметно подсунуть один пакет вместе с остальными. Многие нападения основаны на вставке пакетов в существующие каналы связи.

Это называется подменой адреса (IP-spoofing) [36]Подмена адреса отправителя в заголовке IP-пакета с целью взломать аутентификацию, основанную на определении IP-адреса источника пакета. – Примеч. ред.
и легко осуществимо. В пакетах присутствует информация об источнике и адресате, но нападающий может изменить их как пожелает. Он может создавать пакеты, которые с виду прибывают от некоего отправителя, хотя на самом деле это не так. Компьютеры в Интернете не в состоянии проверить, соответствуют ли действительности сведения об отправителе и адресате; таким образом, если компьютер получает пакет, пришедший от известного ему отправителя, которому можно доверять, то содержимое пакета также считается заслуживающим доверия. Нападающий может с выгодой использовать эти отношения взаимного доверия, чтобы внедриться в машину: он отправляет пакет, который будет выглядеть, как поступивший от проверенного компьютера, в надежде, что адресат, на которого нацелено нападение, поверит ему.

Это – атаки на маршрутизацию: нападающий сообщает двум узлам в Интернете, что кратчайший маршрут между ними пролегает через его компьютер. При этом легко можно прослушивать отдельные узлы. Данную тему можно продолжать и продолжать, многие книги уже написаны об атаках в Интернете.

Решение этих проблем выглядит очевидным в теории, но трудно осуществимо на практике. Если вы зашифровываете пакеты, никто не сможет прочесть их при пересылке. Если вы проверяете их подлинность, ни у кого не получится вставить дополнительные пакеты, которые имитируют адрес отправителя, а удаление пакетов не пройдет незамеченным и будут приняты меры к их восстановлению.

Фактически в Интернете уже реализуется шифрование пакетов. Программы типа SSH шифруют и аутентифицируют внешние связи пользователя с другими компьютерами через сеть. Протоколы типа SSL могут шифровать и подтверждать подлинность веб-трафика в Интернете. Протоколы типа IPsec, возможно, будут способны шифровать все и аутентифицировать всех.

Безопасность DNS

Domain Name Service (DNS) – система доменных имен (механизм, используемый в Интернете и устанавливающий соответствие между числовыми IP-адресами и текстовыми именами), – по существу, огромная распределенная база данных. Большинство компьютеров в Интернете – узлы, маршрутизаторы и серверы – имеют доменные имена, вроде brokenmouse com или anon penet fi. Эти имена созданы для удобства запоминания и использования, например, в указателях информационного ресурса (URL) или адресах электронной почты. Компьютеры не понимают доменных имен; они понимают IP-адреса, наподобие 208.25.68.64. IP-адреса используются при отправке пакетов по сети.

DNS преобразует доменные имена в IP-адреса. Когда компьютер получает имя домена, он запрашивает сервер службы доменных имен для перевода этого имени в IP-адрес. Тогда он знает, куда послать пакет.

Проблема в том, что система службы доменных имен не имеет никакой защиты. Таким образом, когда компьютер посылает запрос серверу DNS и получает ответ, он воспринимает ответ как верный и сервер DNS как подлинный. Фактически при этом нет никакой гарантии, что сервер DNS не взломан. И ответ, который компьютер получает от сервера службы доменных имен, мог прибыть вовсе не с этого узла – он может быть сфальсифицирован. Если нападающий произведет изменения в таблицах DNS (фактических данных, которые переводят домены в IP-адреса и наоборот), компьютер будет всецело доверять измененным таблицам.

Несложно представить себе виды нападений, которые могут быть осуществлены при таком состоянии дел. Нападающий способен убедить компьютер, что ему можно доверять (изменив таблицы службы доменных имен так, чтобы компьютер нападающего выглядел как заслуживающий доверия IP-адрес). Нападающий в состоянии завладеть сетевым подключением (изменив таблицы таким образом, что кто-нибудь, желающий подключиться к legitimate company com, в действительности получит соединение с evil hacker com). Нападающий может сделать все что угодно. У серверов DNS есть процедура обновления информации: если один сервер службы доменных имен изменит запись, он сообщит об этом другим серверам DNS, и они поверят ему. Таким образом, если нападающий сделает изменения в нескольких точках, есть вероятность распространения этих поправок по всему Интернету.

В 1999 году было совершено такое нападение: кто-то взломал систему службы доменных имен для того, чтобы трафик к Network Solutions – так называлась одна из компаний регистрации доменных имен – был переадресован другим компаниям, занимающимся аналогичной деятельностью. Подобная же атака, рассчитанная на огласку, была проведена в 1997 году. Это случилось до того, как регистрация домена стала предметом конкурентной борьбы. Евгений Кашпурев, владелец альтернативного сайта AlterNIC, в качестве акции протеста перенаправил трафик Network Solutions на свой собственный сайт. Он был арестован, осужден и получил два года условно.

В 2000 году злоумышленники получили обманным путем доступ к таблицам службы доменных имен и присвоили домашнюю страницу RSA Security. Это не то же самое, что внедриться на веб-сайт и стереть страницу. Нападающий создает фальшивую домашнюю страницу и переадресует на нее весь трафик посредством манипулирования записями DNS. Хакер осуществляет вторжение, взламывая не DNS-сервер RSA, а серверы DNS в направлении, противоположном основному потоку в Сети. Умно и очень легко. Получение обманным путем доступа к записям службы доменных имен – это тривиальный путь взлома реального веб-сайта. И чтобы дела «похищенного» сайта обстояли еще хуже, взломщик вводит людей в заблуждение: они думают, что взломан веб-сайт компании А, в то время как на самом деле злоумышленниками контролируется сервер службы имен домена компании В.

Это серьезные проблемы, и они не могут быть легко решены. Аутентификация с использованием криптографии в конечном счете поможет преодолеть эти трудности, потому что больше не будет компьютеров, безоговорочно доверяющих сообщениям, которые якобы прибыли с сервера DNS. В настоящее время продолжается работа по созданию надежной версии системы DNS, которая справится с этими проблемами, но ждать придется долго.

Нападения типа «отказ в обслуживании»

В сентябре 1996 года неизвестный хакер или группа хакеров атаковали компьютеры нью-йоркского интернет-провайдера Panix. Они посылали сообщения hello (пакеты синхронизации SYN) на компьютеры Panix. Обычно предполагается, что удаленный компьютер отправляет Panix приветственное сообщение, ожидает ответа и после этого продолжает сеанс связи. Нападавшие фальсифицировали обратный адрес удаленных компьютеров, так что Panix пытался синхронизироваться с компьютерами, которые в действительности не существовали. Компьютеры Panix 75 секунд ожидали ответа удаленного компьютера, прежде чем прервать связь. Хакеры «топили» Panix со скоростью более 50 сообщений в секунду. Это превышало возможности компьютеров Panix, что и привело их к аварийному отказу. Такое нападение называется атакой синхронизации (SYN flooding).

Это был первый получивший огласку случай атаки на хосты Интернета, приводящей к отказу в обслуживании. С тех пор было предпринято много других. Атака, приводящая к отказу в обслуживании, – это особо вредоносная атака на коммуникационные системы, поскольку они разрабатывались именно для связи. В сети лавинная адресация запросов на установление связи является хорошим способом привести компьютер к аварийному выходу из строя. И часто не бывает возможности отождествления организатора этого нападения.

Существует возможность вызвать «отказ в обслуживании» обычного почтового сервиса: злоумышленник подписывает жертву на все каталоги почтовых заказов и на прочие издания, которые только могут прийти на ум. Жертва получает так много корреспонденции, допустим, 200 единиц в день, что шансы потери полезной почты среди ненужного хлама увеличиваются соответственно. Теоретически так обязательно и случится. Единственный способ воспрепятствовать этому нападению – ограничить количество рассылок ненужного хлама. А в Интернете почтовые серверы по определению рассылают почту. В 1995 году Фронт освобождения Интернета (Internet Liberation Front – это, скорее всего, вымышленное название, с тех пор о нем не было упоминаний) направил поток сообщений по электронной почте в журнал Wired и его автору Джошуа Квиттнеру. Поток был так велик, что компьютеры перестали работать.

Эта атака известна как бомбежка почтой, и она весьма эффективна. Отправьте кому-нибудь достаточное количество почтовых посланий, и его почтовый сервер будет принимать почту до тех пор, пока не «захлебнется». Наилегчайший путь сделать это – подписать жертву на тысячи почтовых рассылок. На дисках жертвы может не остаться места, сетевое подключение может перестать работать, или компьютеры могут прийти к аварийному отказу. И если вы замаскируете происхождение потока электронной почты, никто вас не поймает.

Есть другие нападения, приводящие к отказу в обслуживании. Некоторые нацелены на компьютеры, подобно только что описанному нападению на сервер электронной почты. Другие ориентированы на маршрутизаторы. Некоторые настроены на вебсерверы. Основная идея – та же самая: завалить цель таким большим количеством хлама, что он остановит ее работу. WinNuke может привести к аварийному отказу компьютеров с операционной системой Windows 95 и более ранней. Одиночное нападение в Интернете в апреле 1999 года вызвало сбой 6000 компьютеров с Windows 95.

Иногда может быть трудно отличить нападение, приводящее к отказу в обслуживании, от неправильных действий. Представьте себе городские магистрали. В нормальное время по ним можно ехать быстро. В часы пик там много заторов. Во время демонстраций они вообще закрыты. В 1999 году демонстрация против Всемирной торговой организации парализовала движение в центре Сиэтла, что, несомненно, можно рассматривать как атаку типа «отказ в обслуживании». Несколько раньше, когда пилоты American Airlines стали сказываться больными намного чаще обычного и у компании возникли проблемы с обслуживанием рейсов, это было менее очевидной разновидностью этой атаки. В 2000 году после выхода в эфир специальной телевизионной программы «Кто хочет выйти замуж за мультимиллионера» веб-сайты телеканала были сокрушены наплывом желающих войти и зарегистрироваться для участия в шоу. Было ли это нападением, приводящим к отказу в обслуживании?

Некоторые исследователи предложили средства защиты, вынуждающие клиента производить длительные вычисления, прежде чем он получит возможность соединения. Идея состоит в том, что если клиент должен потратить время на вычисления, то он не сможет «затопить» адресата многочисленными соединениями. Это хорошая идея, но она не будет работать против распределенных нападений типа «отказ в обслуживании», о чем мы поговорим в следующем разделе этой главы.

Некоторые полагают, что всему виной недостаточная аутентификация в Интернете. Это утверждение бессмысленно. Нападения типа «отказ в обслуживании» причиняют вред тем, что присылают пакеты; будут ли пакеты аутентифицированы или нет, никакого значения не имеет. Обязательная аутентификация никак не сможет предотвратить такие нападения или помочь в идентификации нападающих. Было бы иначе, если бы аутентификация могла быть проверена в каждой точке Сети. Это привело бы к изменениям в способе работы Интернета и значительно уменьшило бы пропускную способность сетей: вместо простой маршрутизации пакетов все коммутаторы и маршрутизаторы должны были бы еще аутентифицировать их.

Здесь может помочь крупномасштабная фильтрация сети интернет-провайдерами; если сеть в состоянии заблокировать нападение типа «отказ в обслуживании», оно никогда не достигнет цели. Здесь аутентификация может оказаться полезной. Но фильтрация интернет-провайдерами потребует больших усилий и значительно уменьшит сетевую пропускную способность. Подобным образом повсеместное использование коммутаторов и маршрутизаторов Интернета, в работу которых были бы внесены некоторые изменения, способствовало бы решению этой проблемы: они могли бы отказаться пересылать пакеты, которые явно подделаны. И опять-таки, это потребует значительных изменений.

И наконец, несмотря ни на что, с нападениями, которые попросту заваливают адресата потоками информации, ничего нельзя поделать. Некоторые нападения основываются не только на использовании лавинного эффекта: они также эксплуатируют определенные слабые места в защите; и они могут быть предотвращены, если будут заблокированы эти уязвимые точки. Но если у нападающего достаточно мощный «пожарный брандспойт», он может «затопить» свою жертву.

Нападения, приводящие к отказу в обслуживании, не являются вторжениями. Они не затрагивают данных веб-сайтов. Эти нападения не могут привести к завладению номерами кредитных карт или являющейся частной собственностью информацией. С их помощью нельзя перевести деньги с банковского счета или торговать акциями от чужого имени. Нападающие не в силах извлекать выгоду из своих нападений сиюминутно. (Они могут внезапно продать акции и после этого напасть на компанию.)

Это не говорит о том, что такие нападения не реальны или они не имеют значения. Для большинства крупных корпораций самый большой риск – это возможность потери дохода или репутации. И то и другое может быть изящно осуществлено при помощи блистательного нападения, приводящего к отказу в обслуживании. А если речь идет о компаниях, в режиме реального времени оперирующих данными, имеющими важное значение для решения критических задач или от выполнения которых может зависеть чья-то жизнь, нападения типа «отказ в обслуживании» буквально могут стать опасными для жизни людей.

Распределенные нападения типа «отказ в обслуживании»

Распределенные нападения, приводящие к отказу в обслуживании, – это поистине опасная разновидность атак такого типа. Автоматические инструментальные средства для этих нападений были выпущены в 1999 году. Университет Миннесоты стал первой целью в августе того же года, а поток высококлассных нападений в начале 2000 года привел к тому, что сообщения о них попали на первые полосы всех газет.

Эти нападения точно такие же, как и традиционные нападения типа «отказ в обслуживании», только на сей раз нападение не имеет единственного источника. Нападающий сначала внедряется через Интернет в сотни или тысячи незащищенных компьютеров, называемых «зомби», и устанавливает программу атаки. После этого он координирует все эти машины для одновременного нападения. Поскольку цель подвергается нападению сразу из многих мест, ее традиционная защита не работает, и она падает «замертво».

Сказанное можно проиллюстрировать на примере доставки пиццы: Алисе не нравится Боб, и она обзванивает сотни компаний, доставляющих пиццу на дом, и просит доставить пиццу Бобу домой в 11 часов утра. В 11 часов подъезд Боба заполнен сотней разносчиков пиццы, которые требуют от него оплаты доставки. Бобу кажется, что за ним охотится мафия пиццы, но ее разносчики тоже жертвы. Настоящий же виновник происшествия никому не будет известен.

От этой атаки защититься невероятно сложно, если вообще возможно. При традиционном нападении, приводящем к отказу в обслуживании, компьютер жертвы может оказаться способным выяснить, куда ведут следы, и закрыть соответствующие соединения. При распределенном нападении такого единственного источника нет. Компьютер может закрыть все соединения, кроме заслуживающих доверия, но это не подходит для открытого сайта.

В последние годы проводилось несколько научных конференций по проблеме распределенных нападений типа «отказ в обслуживании», и по общему мнению никакой глобальной защиты от них не существует. Отчасти помогает непрерывный контроль сетевого подключения, поскольку дает возможность переключаться на дублирующие серверы и маршрутизаторы. Иногда отдельные ошибки, которыми воспользовались для нападения, могут быть исправлены, но многие неисправимы. При разработке Интернета не были предусмотрены меры противодействия этому классу посягательств. Со временем это нападение, вероятно, станет еще более опасным.

Современные средства, обеспечивающие распределенные атаки типа «отказ в обслуживании», требуют от нападающего способности внедриться в большое количество машин, установить зомбирующие программы, принять меры к тому, чтобы эти программы не были обнаружены, и скоординировать нападение… и на каждом этапе он должен оставаться не пойманным. В качестве новейших инструментальных средств могут использоваться вирусы или троянские кони. Они могут распространить «зомбирующие» программы и затем автоматически начать нападение с помощью некоего кодового слова в открытом форуме.

Уже было одно нападение типа «отказ в обслуживании», которое произошло по подобному сценарию. В 1999 году кто-то отправил по почте фальшивое обновление Internet Explorer, якобы исходящее от Microsoft. Это был настоящий троянский конь, который заставил инфицированный компьютер посылать пакеты компьютерам болгарской телекоммуникационной компании, что на долгое время создало для нее проблемы, связанные с отказами в обслуживании.

Отслеживание нападающего также невероятно трудно. Возвращаясь к примеру с доставкой пиццы, можно сказать: единственное, что может предпринять жертва – это попросить разносчиков пиццы помочь ему поймать злоумышленника. Если бы все они сверили свои регистрационные записи заказов по телефону, возможно, удалось бы определить, кто заказал доставку всех пицц. Иногда подобное возможно в Интернете, но маловероятно, что промежуточные сайты аккуратно ведут журнал регистрации. К тому же легко скрыть свое местоположение в Интернете. И если нападающий действует из некоей восточно-европейской страны с неразвитым законодательством об уголовном преследовании компьютерных преступлений, продажной полицией, не участвующей в международных соглашениях о выдаче преступников, то в этом случае ничего нельзя поделать.

Настоящую проблему представляют сотни тысяч, возможно, миллионы ничего не подозревающих компьютерных пользователей, которые уязвимы для этого нападения. Они пользуются цифровыми абонентскими линиями или кабельными модемами, в Интернете им всегда предоставлены статические IP-адреса, и они могут быть использованы для запуска этих (и других) нападений. Средства массовой информации освещают нападения на крупные корпорации, но действительно заслуживают внимания именно индивидуальные системы.

Подлинное решение состоит в привлечении разнообразных средств «общественной гигиены». Подобно тому как малярия была побеждена в Вашингтоне (округ Колумбия) путем осушения всех болот, есть только один-единственный способ предотвращения этих нападений – это защита миллионов частных компьютеров в Интернете. К сожалению, «болото» разрастается с невероятной скоростью, и обезопасить всех невозможно. Даже если бы 99% индивидуальных пользователей установили брандмауэры, которые все функционировали бы отлично, все равно в Интернете еще осталось бы достаточное количество незащищенных компьютеров, которые можно было бы использовать для подобного рода атак.

Будущее сетевой безопасности

В шестидесятые годы люди поняли, что телефонные коммутаторы могут срабатывать, если свистеть, щелкать, рыгать в телефон. Это была эра телефонного жульничества: «черных» ящиков, «синих» ящиков, свистков капитана Кранча (Captain Crunch). Телефонные компании старались, как могли, защититься от мошенничеств: они блокировали определенные тоны, выслеживали жуликов и стали хранить в тайне технические подробности, но основная проблема состояла в том, что телефонная система была построена с передачей сигналов внутри полосы: контрольный сигнал и сигнал данных передавались по одному и тому же проводу. Это означало, что коммутаторы телефонной системы получали сигналы управления по тому же проводу, по которому велись переговоры, чем и пользовались телефонные жулики.

Телефонную систему решено было полностью перепроектировать. Современные протоколы телефонной коммутации, например SS7, или Система сигнализации 7, были разработаны с передачей сигналов вне полосы. Голосовые сообщения и сигналы управления были разделены, и стали передаваться по отдельным каналам. Сейчас не имеет значения, как сильно вы свистите в телефонную трубку: коммутаторы не слышат. Целые классы нападений просто не работают потому, что нападающие в конечных точках не имеют доступа к коммутатору посередине.

(Это не совсем так. «Красные» ящики все еще работают против таксофонов. Они подражают звону монет, опускаемых в телефон, это является пережитком использования в телефонной системе передачи сигнала внутри полосы: коммутатор получает сигнал по тому же звуковому каналу внутри полосы.)

В долгосрочной программе передача сигнала вне полосы является лучшим способом для того, чтобы исключить многие «слабые места» Интернета. Она не является панацеей – ненадежные узлы еще будут создавать проблемы, – но имеет перспективы.

К сожалению, есть несколько проблем. Интернет был спроектирован как равноправная сеть: любой может «передвигаться» по нему путем простого соединения с другим компьютером. Система сигнала вне полосы должна будет управляться централизованно, как телефонная система. Будут иметься конечные точки и внутренние маршруты, и они будут различными. Эта система не имеет ничего общего с сегодняшним Интернетом.

В настоящее время нет никаких планов по перепроектировке Интернета в соответствии с этой концепцией, и любое подобное мероприятие может быть слишком сложным, чтобы даже обсуждать его.

 

Глава 12

Сетевые защиты

Брандмауэры

Брандмауэры впервые появились на поездах. У паровозов, топившихся углем, в машинном отделении топливо находилось поблизости от топки. Машинист лопатой бросал уголь в топку. При этом образовывалась легко воспламеняющаяся угольная пыль. Время от времени она вспыхивала, и в машинном отделении возникал пожар, который мог перекинуться на пассажирские вагоны. Так как гибель пассажиров сказывалась на доходах железной дороги, паровозы стали оборудовать железными переборками позади машинного отделения. Они препятствовали распространению огня на пассажирские вагоны, но не защищали машиниста, находившегося между углем и топкой. (Есть над чем призадуматься системному администратору.)

В цифровом мире брандмауэр – это средство защиты внутренней компьютерной сети компании от злонамеренных хакеров, алчных преступников и прочих негодяев, которые блуждают по Интернету.

Термины не всегда точны: дело в том, что понятие «брандмауэр» изменило свое содержание с тех пор, как оно появилось в компьютерных сетях. Первые сети были очень несовершенны и могли быть легко разрушены. Брандмауэры были созданы для того, чтобы препятствовать распространению сетевого программного обеспечения, содержащего множество ошибок, на всю сеть с одного ее участка. Подобно физическим брандмауэрам, они были средством локализации пожара в месте его возникновения.

Сегодня брандмауэры выступают в роли защитников границ между локальными сетями и огромной глобальной сетью. Они оставляют снаружи, незваных гостей и впускают внутрь только полномочных пользователей. Правильнее было бы называть их «крепостными стенами», но термин «брандмауэр» уже устоялся.

Я не собираюсь вести разговор о тонкостях устройства брандмауэров и о том, как они работают; об этом написаны многие тома. Я намереваюсь рассказать об общей концепции брандмауэров, о том, насколько эффективно они противодействуют угрозам и какое у них будущее.

Первое: брандмауэр – это граница, линия обороны. Подобно стенам замка он служит для отражения нападений. Точно так же, как и стены замка, он бесполезен против вооруженного мятежа внутри. Билл Чесвик дал брандмауэру следующее определение: «твердая скорлупа, окружающая мягкое ядро». Как только нападающий преодолеет брандмауэр, последний станет бесполезным. И поскольку (согласно исследованиям Института компьютерной безопасности в 1998 году) около 70% всех нападений происходит внутри сети, об этом определенно стоит подумать.

Конечно, можно установить внутренние брандмауэры для дополнительной защиты сегментов сети. Представьте себе замок с внешним и внутренним дворами.

Второе: до изобретения артиллерийских орудий хороший замок был неуязвим; не было возможности забраться на его стены по лестнице, проломить их или сделать под ними подкоп. Однако терпеливый военачальник всегда может устроить осаду замка. Он надеется, что, лишив жителей продовольствия, воды и отрезав от внешнего мира, заставит защитников капитулировать. Иногда это действовало быстро, но некоторые осады продолжались годами. Если в стенах замка был колодец, это давало больше шансов его защитникам. Если из него были прорыты секретные тоннели наружу, они очень помогали. Если у жителей замка начиналась чума, замок не мог помочь им. (Антисанитария победила многих отважных защитников.) Точно так же можно морить голодом сеть, разорвав ее соединения с внешним миром.

Третье: замок должен быть защищен со всех сторон. Не имеет смысла воздвигать отдельно стоящую стену, нападающие просто обойдут ее. Помните Линию Мажино? Франция выстроила ее, чтобы предотвратить немецкое вторжение. Это было сделано, когда была жива память о траншейных боях Первой мировой войны, и подобные укрепления казались неприступными. Но в последующие годы развитие производства танков изменило подходы к ведению войны, и немцы изобрели Блицкриг. Они просто обошли вокруг Линии Мажино, вторгшись во Францию с территории Бельгии. Точно так же брандмауэр должен служить барьером между внутренней сетью и всеми внешними точками доступа. Иначе нападающий просто обойдет брандмауэр и атакует какое-нибудь незащищенное подключение.

И наконец, четвертое: замкам нужны ворота. Бесполезно и глупо строить замок, в который никто не может проникнуть ни при каких обстоятельствах: даже королям иногда нужно выходить на прогулку. Торговцы, курьеры, даже обычные горожане должны иметь возможность свободно входить в замок и выходить из него. Следовательно, в замках были привратники, чьей обязанностью было пропускать людей, желающих войти, или, наоборот, не пускать их.

Великая Китайская Стена не произвела впечатления на Чингисхана. Ему приписывают слова: «Неприступность крепости зависит от отваги ее защитников». Пропускать все, что нужно, и при этом оставлять все, что может представлять опасность, снаружи является главной задачей любого компьютерного брандмауэра. Он должен действовать как привратник. Он должен выяснить, какой код представляет опасность, и не пропустить его. Он должен делать это без необоснованной задержки движения. (Для среднестатистического пользователя Интернета необоснованной задержкой является всякое заметное замедление.) Брандмауэр должен делать это, не раздражая законного пользователя. (Среднестатистический пользователь Интернета не способен отказаться от чего-либо наподобие загрузки новой интернет-игры от компании с названием «Подозрительное программное обеспечение» или прочтения электронной почты от ненадежной машины.) Но если привратник – брандмауэр – допустит ошибку, хакер может проникнуть внутрь сети и стать ее полновластным хозяином.

Есть три основных способа преодолеть брандмауэр. О первом я уже говорил: просто обойти его с другой стороны. В обширной сети много соединений. Большие фотокопировальные устройства часто обладают возможностью подключения к Интернету; в сетевом оборудовании обычно присутствуют порты обслуживания модемной связи. Часто компании подключают свои сети к сетям поставщиков, клиентов и т. п.; иногда намного менее защищенным. Сотрудники компании могут использовать модемы, чтобы иметь возможность работать дома. Одна супружеская пара из Силиконовой Долины периодически работала, не выходя из дома. Муж проверял свою электронную почту, в то время как жена занималась программированием, их компьютеры были объединены в маленькую домашнюю сеть. Внезапно компьютеры его компании начали обнаруживаться в сети ее компании, и наоборот.

Второе, и более сложное нападение – это украсть что-нибудь через брандмауэр. Чтобы сделать это, вы должны обмануть брандмауэр, чтобы он думал о вас, что вы хороший, честный и уполномочены сделать это. В зависимости от того, насколько хорош брандмауэр и насколько хорошо он был установлен, это просто, сложно или почти невозможно.

Основная идея в том, чтобы создать образец кода, который брандмауэр пустит внутрь сети. Код предназначен для того, чтобы использовать некий дефект в компьютерной системе, который позволит установить соединение между хакером снаружи брандмауэра и компьютером внутри него. Если все это срабатывает, хакер попадет внутрь.

Третье нападение – попытка захватить брандмауэр. Это похоже на подкуп и шантаж привратника. Как только вы сумеете заполучить его в свои ряды, он будет делать все, что вы пожелаете. Насколько это будет просто, зависит от брандмауэра. Некоторые брандмауэры работают с программным обеспечением, имеющим уязвимые места, что может помочь злоумышленникам. Некоторые используют в высшей степени ненадежные операционные системы, которые сильно облегчают задачу атакующим.

Так или иначе, разработка брандмауэра сегодня включает все, что нужно для проектирования умного привратника. На самом простом уровне брандмауэр – это маршрутизатор с последовательным набором правил, проверяющий сетевые потоки, проходящие через него, и регулирующий движение в соответствии с правилами. Примером могло бы послужить ограничение движения, основанное на адресе источника, или на адресе назначения, или на типе протокола.

Раньше это было относительно легко, но сегодняшним брандмауэрам приходится иметь дело с мультимедийным трафиком, загружаемыми программами, апплетами Java (переносимыми программами на Java, распространяемыми через вебстраницы) и другими видами разных непонятных вещей. Брандмауэр должен принимать решения, имея в наличии только неполную информацию: он должен решить, можно или нельзя пропустить пакет, до того как просматривать все пакеты в передаче.

Ранние брандмауэры представляли собой пакетные фильтры. Брандмауэр просматривал каждый пакет, после чего пропускал или тормозил его в зависимости от того, соответствует ли заголовок пакета своду правил, которые известны брандмауэру. Первые пакетные фильтры были достаточно «неразумными» и позволяли попадать внутрь целым партиям пакетов, которые было бы лучше оставить снаружи. Со временем они стали умнее.

Сегодня они изменяют параметры своего состояния в процессе исполнения: вместо индивидуального просмотра каждого пакета брандмауэры хранят информацию о состоянии сети и о том, какие типы пакетов ожидаются. Тем не менее у брандмауэров не такая уж долгая память, и медленные нападения зачастую могут пройти.

Сейчас есть достаточно хорошие фильтрующие брандмауэры, но они по-прежнему имеют множество недостатков. Первый и самый главный заключается в том, что они трудны для правильного конфигурирования, а неподходящая конфигурация часто ведет к уязвимости защиты. Многие вещи, которые должны бы блокироваться, допускаются внутрь по умолчанию. Брандмауэры не изменяют пакетов; таким образом, если пакет проходит внутрь, он может сделать все что захочет. Есть группа скрытых нападений на пакетные фильтры: только вообразите бестолковую охрану, которая старается остановить поток опасных писем в замок, разглядывая конверты.

Другой тип брандмауэров – это прокси-брандмауэр, или система, выполняющая преобразование из одного естественного формата в другой. Подумайте о двух стражниках, один из которых находится снаружи перед стеной замка, а другой внутри, за стеной. Стражник снаружи не знает ничего о внутренней части замка. Стражник внутри ничего не ведает о мире за стеной замка. Но они переправляют друг другу пакеты. Прокси-брандмауэры могут служить иллюстрацией этой метафоры. Некоторые прокси-брандмауэры работают только в качестве посредников: если кому-то, находящемуся внутри охраняемой брандмауэром области, необходим документ «из внешнего мира», программное обеспечение клиента спрашивает у брандмауэра (внутреннего стражника) об этом, и брандмауэр (наружный стражник) соединяется с нужным веб-сайтом и получает требуемый документ. Другие прокси-брандмауэры понимают, какие правила и виды протоколов они используют. Существуют прокси-брандмауэры с промежуточным накоплением – они хранят куски данных между передачами и могут фильтровать данные, основываясь на своде правил. Лучшие прокси-брандмауэры узнают свое окружение, и поэтому способны принимать более умные решения относительно пакетов.

Слабые места прокси-брандмауэров – слишком тонкая тема, чтобы обсуждать ее здесь. У них более длительные задержки и более низкая производительность, чем у пакетных фильтров. (Фактически, так как брандмауэры должны исследовать каждый пакет, все они замедляют быстрое сетевое соединение.) Для безошибочной работы брандмауэры-«заместители» должны быть надежно конфигурированы, так же как и пакетные фильтры; в то же время они намного сложнее для конфигурирования и обслуживания; тенденция состоит в том, чтобы прекратить беспокоиться о них.

На рынке представлено около 100 разновидностей брандмауэров, и каждый месяц большое их количество покупается. Большинство из них приспособлены только под протокол IP и не обеспечивают безопасность других протоколов. Чаще всего функционирование брандмауэра основывается не на каком-то одном принципе, а на смешанных технологиях. Прогресс в технологии брандмауэров происходит постоянно и их сложно сравнивать и оценивать. Некоторые организации одобрительно отзываются об эффективности брандмауэров, но большинство хакеров считают это смешным; брандмауэры, которые просматривают пакеты, надежны только против большинства простых нападений. Вообще говоря, лучшие брандмауэры те, которые были правильно конфигурированы и вовремя обновляются.

Я слышал, что к брандмауэрам иногда относятся как к усовершенствованному маршрутизатору. Это верно. Некоторые из лучших профессионалов, хорошо знакомые с работой брандмауэров, даже не принимают их во внимание; они уверены в том, что хорошо конфигурированный маршрутизатор с высокой надежностью в конечных пунктах обеспечивает большую степень безопасности, чем брандмауэр. У них могут быть для этого основания. Конечно, брандмауэры часто создают ложное ощущение безопасности в Интернете.

Брандмауэры являются важной частью системы компьютерной безопасности любой компании, но они не могут обеспечить защиту полностью. Их модель защиты отражает ранние времена в сетевой безопасности, когда организациям нужно было обеспечить сохранность своего имущества и оставить «плохих парней» снаружи. Сегодня, когда ради успеха в торговле приходится открывать сети для покупателей и партнеров, брандмауэры кажутся анахроничными. Они могут играть важную роль, но не являются панацеей.

Демилитаризованные зоны

ДМЗ – это демилитаризованная зона. Примером тому является ничейная земля между Северной Кореей и Южной Кореей, на которую не претендует ни одна сторона.

После всего сказанного о брандмауэрах вы понимаете, что именно в ДМЗ вы должны поместить свои общественные службы. В главе 10 я рассказывал обо всех видах нападений на веб-серверы. Вам не захочется поместить веб-сервер внутрь охраняемой брандмауэром территории, уязвимой для нападения. Вы не можете поставить веб-сервер снаружи брандмауэра, потому что тогда он будет еще более уязвим. Решение состоит в том, чтобы поместить его в ДМЗ.

Это хорошая идея, и она имеет исторические прецеденты. Замки часто имели внутренние и внешние стены. За наружной стеной укрывались жилища слуг, которыми можно было пожертвовать во время штурма. За внутренними стенами находилась резиденция знати, имевшая большую ценность. Защитники старались отстоять внешние стены, но у них оставалась возможность отступить к внутренним.

Для того чтобы выстроить ДМЗ, вам нужно два логических брандмауэра. Один из них защищает ДМЗ от внешнего мира. Другой имеет конфигурацию, которая предоставляет большие возможности для защиты внутренней сети от вторжений из ДМЗ. Результат состоит в том, что эта часть сети становится менее доступной и более защищенной. И эта идея работает.

Частные виртуальные сети

Частная виртуальная сеть (VPN) является просто безопасным соединением через открытую сеть. В прежние времена, если Алиса и Боб хотели связаться, они должны были потратиться на частную линию и организовать свою собственную частную сеть. Сегодня Алисе и Бобу выгоднее использовать общедоступную сеть. Но Интернет не обеспечивает безопасность связи, Алисе и Бобу следует защитить это соединение. Им нужно создать виртуальную частную сеть на основе физической открытой сети. Это и есть VPN.

У виртуальных частных сетей есть два главных применения. Первое – соединить два удаленных отрезка одной и той же сети. У корпорации может быть два офиса в различных частях планеты. У каждого офиса есть собственная сеть, и две сети соединяются посредством организации VPN через Интернет. VPN более приватна, чем «частная линия», обеспеченная телефонной компанией.

Второе применение состоит в том, чтобы соединить мобильных пользователей – работающих из дома и из номеров отелей. Старый путь для введения этих пользователей в большую открытую сеть заключался в том, чтобы подсоединить их непосредственно к сети компании, часто при этом приходилось производить очень удаленное сетевое подключение. Это дорого и вынуждает компанию обслуживать огромный банк модемов. Современный путь – в том, чтобы пользователи дозванивались до местного интернет-провайдера и затем с его помощью через Интернет подключались к компании. Для защиты этого соединения организуется VPN.

Различные VPN обеспечивают защиту, используя различные протоколы шифрования. Наиболее распространен протокол IPsec, хотя вам будут попадаться и другие протоколы, в частности РРТР и L2TP. В некоторых VPN вообще не используется шифрование.

Можно считать, что виртуальная частная сеть образует брешь в брандмауэре. Кто-нибудь, обладающий доступом к VPN, имеет возможность проникнуть через брандмауэр в сеть. И многие взломщики пользуются данной уязвимостью. По этой причине большинство систем безопасности, прежде чем разрешить соединение с VPN, проверяют, с кем имеют дело.

Системы обнаружения вторжений

Системы обнаружения вторжений (IDS) – это сетевые контролеры. Они пристально наблюдают за вашей сетью, выискивая нечто подозрительное. Их можно сравнить с детективами, рыскающими по городу в поисках преступника: они знают, что должно вызывать подозрение – это может быть исследование возможности доступа к системе или попытки обнаружить и использовать ошибки, и они внимательно следят за этим. Они знают, как выглядит нападение. Они знают, как выглядит преступление. Маркус Ранум сравнивал брандмауэр со шлемом и бронежилетом, который вы носите в сражении, а систему обнаружения вторжений – с санитаром, который смотрит на ваше кровоточащее тело и говорит: «Видимо, это проникающее ранение грудной клетки. Это нужно проверить». IDS не являются заменой действенной защиты.

Что же делают системы обнаружения вторжений? Они информируют вас о свершившемся нападении или, возможно, даже о его развитии. Системы, которые работают хорошо, точны: они не воют волком и не заявляют о нападении там, где его нет, в то же время они не пропустят момент, когда оно случится. Хорошие системы реагируют своевременно: они предупреждают вас о нападении в то время, когда оно еще происходит. Они ставят диагноз: на что направлена атака, откуда она исходит, и предлагают лечебное средство.

Современные системы обнаружения вторжений имеют много недостатков, но они постоянно совершенствуются. Самая сложная проблема – ложная тревога. Для объяснения этого момента понадобится напомнить статистику и показать, как вычисляется вероятность ошибки.

Предположим, у врача есть тест определения болезни с точностью 99%. Таким образом, если кто-то болен, то есть вероятность в 99%, что тест определит это, а если кто-то здоров, то есть вероятность в 99%, что тест подтвердит это. Предположим, что в среднем один из десяти тысяч людей болен. Действительно ли этот тест хорош?

Нет. Если врач применяет тестирование к одному взятому наугад человеку и его тест положителен, то есть только однопроцентный шанс, что он на самом деле болен. Из-за того что здоровых людей намного больше, чем больных, тест дает ненадежные результаты, и поэтому бесполезен. (Это не столь просто понять, проще повторно протестировать человека. Но предположите, что ошибочный результат исследования повторится последовательно для этого человека.) Вывод кажется удивительным и противоречит интуиции, но он верен. Это означает, что если вы предположите, что сетевые нападения сравнительно редки, большая вероятность ошибки означает то, что ваши испытания должны быть действительно хороши, чтобы не заметить всех ложных тревог. Системы обнаружения вторжений, которые обычно сигнализируют вам в 3:00 утра о проблеме, которая в действительности не является проблемой, о ночной игре в Quake или о новом интернет-приложении, довольно быстро добьются того, что прекратят свое существование.

Есть и другие проблемы. Первая из них – это своевременное предупреждение. Я упомянул медленное нападение в предыдущем подразделе. Когда система обнаружения вторжений решит, что было произведено нападение, и уведомит вас об этом? Что, если она подумает, что это лишь отчасти выглядит как нападение? Уведомит ли она вас об этом? Когда? Опять-таки, вспомните о проблеме ложного срабатывания. Если система ошибается слишком часто, вы перестанете прислушиваться к ней.

И что вы будете делать, когда получите сигнал тревоги? Поучительные сообщения общего вида «вы подвергаетесь нападению» бесполезны, если у вас нет какого-нибудь способа защиты или даже нет времени, чтобы с этим разобраться. В 1999 году в eBay отключили электричество на 22 часа, и в течение всего этого времени система обнаружения вторжений постоянно подавала сигнал тревоги, но все были слишком заняты, чтобы ответить. В этом величайшая проблема IDS: разумно реагировать на их выводы.

Системы обнаружения вторжений еще находятся на ранней стадии своего развития, и авторы различных идей наперебой заявляют об их превосходстве. Я собираюсь только коснуться некоторых из них, в детали углубляются многие другие книги.

Для создания IDS есть два основных пути. Самый легкий – это обнаружение «неправильного» кода. IDS знают, на что похоже нападение, и ищут его. Подумайте о детекторе вирусов для сетевых пакетов. Как детекторы вирусов просматривают каждый файл, ища строки битов, указывающие на вирус, так и IDS просматривают каждый пакет, ища строки битов, которые свидетельствуют о несомненном нападении. Их легко привести в исполнение и использовать, у них низкая вероятность ложной тревоги, и они могут быть относительно быстры (принимая во внимание то, что они должны просмотреть каждый пакет).

С другой стороны, у них больше промахов. Как детекторы вирусов не в силах обнаружить вирусы, которых они никогда не видели прежде, так и подобная IDS не может обнаружить нападение, на нахождение которого она не запрограммирована. Ее легко обмануть. Иногда это можно сделать, изменив порядок следования команд в коде, предназначенном для проведения атаки. Иногда проще организовать нападение таким образом, чтобы взламывать пакеты выборочно. Так же как антивирусным компьютерным программам нужно постоянное обновление и пополнение новыми образцами кода, этому типу системы обнаружения вторжений необходимо постоянное обновление базы данных образцов нападения. Не ясно, сможет ли когда-нибудь такая база данных не отстать в соревновании с инструментом хакера.

Другим принципом работы системы обнаружения вторжений является обнаружение аномалии. IDS осуществляет некоторое статистическое моделирование вашей сети и вычисляет, что является нормой. Затем, если происходит какое-либо отклонение от нормы, она подает звуки тревоги. Здесь все может быть сделано по правилам (система знает, что нормально, и сигнализирует обо всем остальном), с использованием статистики (система статистически вычисляет, что нормально, и сигнализирует обо всем остальном) или с применением методов искусственного интеллекта.

Существует множество проблем и здесь. Что, если вас атакуют во время обучения системы? Тогда атака рассматривается как норма. Новые вещи случаются в компьютерных сетях постоянно. Знает ли система обнаружения вторжений разницу между безобидной аномалией и аномалией, указывающей на нападение? И если все, что она знает, является нормой, как же она тогда собирается категоризировать нападения? Для этого вида систем вероятность ложной тревоги намного выше, и нападение на такой вид IDS включает выяснение возможности не бить в набат.

В некоторых ранних детекторах вирусов использовался этот принцип, и они забили бы тревогу, если бы вы сделали что-нибудь наподобие установки нового программного обеспечения. Они потеряли свою популярность, так же как и основанные на выявлении подозрительного кода детекторы вирусов, требующие все более совершенных словарей образцов кода; я ожидаю, что то же самое случится и с системами обнаружения атак.

Другие идеи IDS так или иначе основываются на одном из описанных выше принципов. Система обнаружения вторжения непрерывного действия (inline) может работать с сетевыми данными в реальном времени, тогда как проверяющая система использует контрольную информацию, сохранившуюся после совершения нападения. Есть IDS, базирующиеся на хостах (host-based IDS), и есть распределенные по сети IDS (network-based IDS).

Это последнее различие было темой яростных обсуждений в сообществе IDS. В своей основе IDS, распределенные по сети, построены на концепции перехвата сообщений: датчики расположены в сети, они исследуют проходящие пакеты. У этих систем есть преимущество в скрытности – они могут быть развернуты без воздействия на остальную часть сети, и они в большей степени обеспечивают независимость от операционной системы. IDS, базирующиеся на узлах сети, исследуют систему, осуществляют контроль и регистрируют возможные нападения, помещаясь внутри отдельного компьютера. У этих систем имеется различный набор преимуществ и недостатков, составляющих их специфику.

То, что в конечном счете вы можете найти на рынке, – чаще всего гибридные системы: они являются комбинацией систем обнаружения вторжения, базирующихся на главной машине и распределенных по сети, производящих обнаружение аномалии, основанное на ожидании в совокупности с выявлением «неправильного» кода. Вы также можете найти компании, занимающиеся проверкой систем защиты, которые анализируют результаты использования этих продуктов и отвечают на подаваемые ими сигналы тревоги. Подобно брандмауэрам, системы обнаружения вторжения будут становиться все лучше и лучше, поскольку разработчики получают все больше опыта при их проектировании. И так же как у брандмауэров, их надежность в конечном итоге будет зависеть от того, насколько хорошо они конфигурированы и насколько современны их версии. И всегда будут существовать нападения, которые пройдут через них.

Приманки и сигнализации

Сетевые сигнализации и приманки – это разновидности систем обнаружения вторжения, но они заслуживают отдельного раздела. Сигнализации – это особые системы в вашей сети, предназначенные для срабатывания в случае атаки. Приманки – это замаскированные сигнализации, которые выглядят особенно привлекательно для хакеров. Легко понять, что представляют собой сигнализации: особую сетевую команду или фиктивную сеть, про которую никто не думает, что она включает звуковой сигнал тревоги. Маркус Ранум развил эту идею дальше и предположил, что если обнаружено уязвимое место в программе, необходимо также выдавать сигнал предупреждения об опасности.

Приманки используются чаще: целые фиктивные компьютеры и фрагменты сети проектируются для привлечения нападающих. Вы можете получить от этого большое удовольствие: присвойте компьютерам такие имена, как transactions bigcompany com или accounting bank com, маскируя их под производящие впечатление счета и файлы, и используйте их для защиты вашей сети. Когда хакер проникнет в сеть, приманка будет притягивать его, поскольку она выглядит как интересное место для исследования. Затем выдается сигнал тревоги, и приманка начинает следить за активностью хакера и собирать сведения для последующего обращения в суд. Некоторые компании продают заранее сделанные приманки, просто добавляя привлекательные имена.

Интересно, что в обоих этих средствах используется одно и то же преимущество сетевого администратора над хакером: знание сети. Администратор знает, как выглядит сеть и что в ней может произойти. Он может установить сигнализацию точно так же, как домовладелец устанавливает сигнализацию на окна, которые не собирается открывать, или датчики движения в комнате, в которую не предполагает заходить. Администратор использует приманки, зная, что ни один из зарегистрированных пользователей не получит доступа к этим системам. Он может использовать любые виды сигнализации, включая и выключая их несколько раз в день, меняя их, в общем, может делать все, что он хочет. Эти средства действуют наверняка, потому что хакер не имеет информации, где и когда они могут появиться. В отличие от брандмауэров или IDS, где хакер знает, какая защита установлена, сигнализации и приманки специально разработаны для сетей, подвергающихся нападению.

Сканеры уязвимостей

Назначение сканеров, определяющих слабые места защиты, – автоматически сканировать сеть (или компьютер) на предмет обнаружения известных недостатков. Они делают свое дело и затем выдают точный отчет о том, какие уязвимые точки имеет сеть. Обладая этой информацией, вы можете решить – усилить защиту или пользоваться сетью, несмотря на обнаруженные недостатки.

На самом деле с этими устройствами не все так ясно, и все сканеры, имеющиеся на рынке, действуют не совсем так. Если бы они работали так, как можно было бы предположить, то они испортили бы компьютеры и причинили ущерб сети. Никто не использует такие средства, поэтому приходится идти на ухищрения.

Представьте чувствительный сканер, определяющий уязвимые места в вашем доме. Он проверит, чувствительны ли ваши окна к атаке камнем. Очевидный способ сделать это – бросить камень в окно и посмотреть на результат. Но это причинит вред дому, и поэтому сканер ищет обходные пути для получения нужной информации. Он определит, одинарные или двойные стекла в окне. Возможно, постучит по ним для того, чтобы удостовериться, действительно ли это стекло или более прочный пластик. Может быть, он попытается прочитать часть номера на стекле и сделает выводы о качестве литья. Вот такие вещи приходится делать сканирующему устройству.

На самом деле все еще сложнее. Иногда трудно сказать, будет ли успешна исследуемая атака. Например, домашний сканер проверяет электробезопасность, пытаясь перерезать провод. Это ему удается, но свет не гаснет. Что это означает – что сканер на самом деле не смог перерезать линию, или что в доме имеется резервная электростанция? Или, например, сканер перерезает провод, и свет гаснет. Значит ли это, что сканер перерезал линию или сделал что-нибудь другое (несколько последовательных действий, в результате которых свет погас)? Сканер не знает об этом, и в большинстве случаев нет способа определить действительно повлиявший фактор. Сети ненадежны; чаще всего трудно понять, в чем причина неисправности.

Хотя сканирующие устройства недостаточно эффективны для обнаружения слабых мест, и они также не могут точно оценить результат своих действий, они небесполезны. Они могут исследовать, по крайней мере, окольными путями, системы на уязвимость. В результате создается список слабых мест, которые аккуратный системный администратор будет закрывать (а бесчестный хакер будет использовать). Вот тут они работают отлично.

Когда в 1995 году появился SATAN (Securuty Administrator Tool for Analyzing Networks), он произвел настоящий фурор. В средствах массовой информации он был изображен хуже, чем его тезка (сатана), и автор этой программы был уволен с работы. С тех пор отношение к сканирующим устройствам изменилось, и они стали использоваться как часть набора инструментов администратора безопасности. На рынке сейчас присутствуют несколько коммерческих продуктов подобного рода с известными именами. Их можно представлять себе как некую разновидность аудита: это похоже на то, что некоторое частное лицо исследует вашу сеть, и сообщает о слабых местах вашей системы безопасности. Вы можете нанять исследователя для проверки вашей системы, но хакер может нанять того же самого исследователя для проверки возможности атаки. Понятно, что это ограничения технологии.

Безопасность электронной почты

Сейчас электронная почта широко распространена. Любой, кто присутствует в киберпространстве, имеет электронный адрес и, вероятно, получает много сообщений каждый день. Почтовые программы не имеют встроенной системы безопасности.

Любой узел сети по пути следования сообщений между отправителем и получателем способен прочитать электронную почту, так же как и любой другой сетевой пакет. (Вы можете даже увидеть имена некоторых из этих машин в заголовке полученной почты.) Интернет-сообщение можно сравнить с почтовой открыткой: любой – почтальон, сортировщик почты, любопытные перевозчики, – в общем, те, кто соприкасаются с почтовой открыткой, могут прочитать сообщение на обратной стороне. Также нет способа проверки подписи или обратного адреса (знаете ли вы, что написанное в заголовке письма имя отправителя можно легко сфальсифицировать?), поэтому мы не можем знать наверняка, откуда пришло это письмо. (Распространители спама используют это для сокрытия истинных адресов массовых рассылок.) Если хакер хочет все красиво обставить, он может связаться с машиной, которая должна явиться отправителем его сообщения, и действительно послать сообщение с нее. Если ему все равно, то он просто подделывает имя в заголовке письма.

Хотелось бы, чтобы электронная почта обеспечивала две вещи. Во-первых, мы должны быть уверены, что никто не сможет прочитать сообщение, кроме того, кому оно действительно предназначается. Во-вторых, мы должны твердо знать, что сообщение на самом деле пришло от того человека, имя которого указано в заголовке, и что никто не мог его подделать.

С помощью криптографии легко защитить электронную почту, и на рынке имеются десятки продуктов, призванных обеспечить решение этой проблемы. Вот основная последовательность действий.

1. Алиса получает открытый ключ Боба.

2. Алиса подписывает сообщение своим закрытым ключом.

3. Алиса шифрует сообщение с помощью открытого ключа Боба.

4. Алиса отсылает Бобу зашифрованное и подписанное сообщение.

5. Боб расшифровывает сообщение при помощи своего закрытого ключа.

6. Боб проверяет подпись Алисы, используя открытый ключ Алисы.

У вас, скорее всего, возникают вопросы относительно открытых ключей: как их получить, где хранить, как проверять. Я расскажу об этом подробно в главе 15.

Шифрование и сетевая защита

Защиту от сетевых атак нельзя свести просто к применению криптографии в системах. Часто особенности системы не позволяют использовать криптографию. Например, одна часть записи системы доменных имен постоянно изменяется, поэтому непрактично использовать цифровые подписи в этой системе. Подтверждение подлинности с помощью криптографии в данном случае просто не будет работать.

Или представьте себе виртуальный мир, в котором каждый пакет зашифрован с помощью IPsec. Как только пакеты будут зашифрованы, их нельзя будет анализировать. Сетевые инженеры не смогут больше делать анализ трафика. Системы перевода адреса не смогут работать с пакетами. Системы, которые оптимизируют размер пакета для передачи через спутник, тоже не будут работать.

Другой пример: множество сетевых защит рассчитаны на проверку пакетов. Шифрование может препятствовать такой защите.

Рассмотрим антивирусное программное обеспечение, используемое в брандмауэрах, которое автоматически сканирует все входящие электронные сообщения. В больших корпорациях эти программы, просматривая почту, могут находить более 1000 вирусов в день. Если эти корпорации будут шифровать все сообщения, то подобные программы никакой опасности не обнаружат (если они не имеют ключа).

Рассмотрим брандмауэр, который просматривает входящие пакеты на предмет выявления возможного нападения. Если в этой сети везде используется IPsec, то брандмауэры ничего не смогут проверить.

Нет хорошего решения этой проблемы. Один из возможных путей – это снабдить брандмауэр ключом, с помощью которого можно осуществить дешифрацию сообщений. Он несет в себе множество потенциальных проблем безопасности. Другой вариант – это распределенный брандмауэр: распределить защиту по всему сетевому пространству через каждый узел сети. И это решение имеет свой комплекс проблем, но, вероятно, за ним будущее брандмауэров.

Исследователи Интернета бьются над этой проблемой; у меня тоже нет готового ответа.

 

Глава 13

Надежность программного обеспечения

Системные меры безопасности (ядра безопасности, меры контроля доступа, криптография и т. д.) в комплексе с хорошими сетевыми мерами безопасности (брандмауэрами, системами обнаружения вторжения, механизмами проверки) создают впечатление достаточной компьютерной безопасности. Почему же тогда и компьютеры, и сети так ненадежны? Почему мы так часто становимся свидетелями уязвимости компьютеров и почему не происходит изменение в лучшую сторону?

Проблема в том, что такие меры безопасности, как шифрование, ядра безопасности, брандмауэры и прочие, лучше работают в теории, нежели на практике. Другими словами, изъяны системы безопасности значительно чаще случаются при вводе ее в действие, и они намного более серьезны, чем те, что возникают при ее разработке. До сих пор во второй части данной книги говорилось о разработке. В этой главе речь пойдет о вводе в действие.

Дефектный код

В июле 1996 года вследствие ошибки в программе вскоре после запуска взорвалась ракета «Ариан 5» Европейского космического агентства: программа пыталась поместить 64-разрядное число в 16-разрядное пространство, вызвав переполнение. Этот урок особенно важен для понимания проблем компьютерной безопасности. По существу, проблема была связана с фрагментом кода, обрабатывавшего данные о скорости бокового ветра, написанного еще для ракеты «Ариан 4». Через 36,7 секунды после запуска управляющий компьютер попытался преобразовать значение скорости из 64-разрядного формата в 16-разрядный. Число оказалось слишком большим, что и вызвало ошибку. Обычно используется дополнительный код, который отслеживает ошибки такого рода и исправляет их. Но в данном случае программисты-разработчики решили не беспокоиться о подобном коде, так как величина скорости никогда не достигала таких больших значений, чтобы создавать проблемы. Возможно, это было верно для «Ариан 4», но «Ариан 5» – более быстрая ракета. Но хуже всего то, что эти вычисления, содержащие ошибку, не имели смысла с того момента, когда ракета оказывалась в воздухе. Программа, их производящая, была нужна лишь для того, чтобы отладить систему перед запуском, и после этого ее надо было бы сразу отключить. Но инженеры еще при разработке более ранней модели ракеты решили использовать эту функцию в течение первых 40 секунд полета, чтобы облегчить перезапуск системы в случае задержки запуска в последний момент перед стартом. Была резервная система, предназначенная дублировать основную в случае ее отказа, но она работала с тем же самым программным обеспечением, содержавшим те же самые ошибки.

В результате всех этих событий работа системы управления, полностью запутавшей бортовой компьютер «Ариан 5», была прекращена. Это привело к ненужной корректировке курса ракеты и повлекло ее самоуничтожение.

Три года спустя во время сложных маневров исчез искусственный спутник планеты Марс, запущенный NASA. Это не было делом рук марсианской противовоздушной обороны, а произошло вследствие ошибки преобразования данных. Инженеры NASA неудачно перевели значение силы сопротивления из английской системы мер в метрическую. Значения различаются в 4,45 раза: этого оказалось достаточно, чтобы научно-исследовательская станция опустилась на 50 миль ниже и сгорела в марсианской атмосфере.

Эти две катастрофы не связаны с компьютерной безопасностью, но они могут служить для пояснения того, насколько сложно разработать и ввести в действие код без ошибок. И Европейское космическое агентство, и NASA располагают достаточно большими средствами и сильно заинтересованы в том, чтобы обеспечить качество программного обеспечения. Но они до сих пор не в состоянии сделать это.

У других дела обстоят не лучше. В 1999 году eBay потеряла 22 часа из-за связанных с программным обеспечением ошибок в коде, полученном от Sun Microsystems. Выявление ошибки задержало выпуск карманных компьютеров Visor. А в 1998 году дефект в коммутаторах, произведенных компанией Cisco Systems, привел в нерабочее состояние передающую сеть компании AT&T Interspan, что отразилось на работе 6600 клиентов.

Печальная действительность состоит в том, что подобные ошибки программного обеспечения возникают везде. Большинство из них не приводит к таким разрушительным последствиям (перезагрузка электронной таблицы после аварийного отказа вызывает всего лишь незначительное раздражение), но так как сложное программное обеспечение во многих случаях функционирует внутри жизненно важных систем (например, в системах уклонения от автокатастрофы, взлета и посадки самолетов, управления атомной электростанцией), мы, вероятно, станем свидетелями увеличения количества подобных случаев. Проводится большая работа по исправлению ошибок, устранению недостатков, это получило название отказоустойчивой стратегии: например, если в автомобиле откажет система уклонения от автокатастрофы, предполагается, что водитель будет вести себя, как в машине без компьютера, вместо того чтобы позволить ей врезаться в ближайшее дерево. Идея в том, чтобы была уверенность, что небольшие недостатки не приведут к потере контроля над ситуацией, как было в случае с «Ариан 5».

Трудно обнаружить ошибки в программном обеспечении, влияющие на правильное выполнение задачи; обнаружить ошибки в системе безопасности еще труднее.

Надежность означает, что компьютер, в первую очередь программное обеспечение, но также и любые специализированные технические средства должны работать даже при появлении случайных ошибок. Они могут возникать при проектировании (использование одинакового программного обеспечения в основной и резервной системах), при вводе в действие (отсутствие проверки наличия ошибок при преобразовании данных), это могут быть ошибки программирования (вспомните математическую ошибку в чипе Intel Pentium) или ошибки пользователя. Время от времени такие ошибки появляются. Это похоже на компьютер Мерфи: сбои происходят… редко, но постоянно. Если компьютер ошибается время от времени, пусть даже редко, это заметно любому пользователю.

Основная проблема состоит в том, что в любой сложной системе, программном обеспечении, применяемом в ракетной технике, большой базе данных, операционной системе, сетевом программном обеспечении, сложном микропроцессоре очень многие вещи могут работать со сбоями. И это определяет предел сложности. Невозможно предусмотреть или проверить абсолютно все. Неизбежно где-нибудь произойдет сбой.

Компьютерная защита более всего похожа на программирование для компьютера Сатаны. (Росс Андерсон ответствен за этот красивый оборот.) Чтобы быть безопасным, программное обеспечение должно работать, несмотря на появление неуловимых и опасных ошибок, которые могут быть преднамеренно внедрены способным нападающим с целью нанести поражение системе. Надежное программное обеспечение должно пережить и случайные ошибки, которыми может воспользоваться сообразительный хакер. (Представьте себе, что это некий хакер вызвал ошибку переполнения в программном обеспечении «Ариан 5» в самое неподходящее время.) Ошибки происходят случайно, и большинство из них редко встречается при обычном использовании. Но нападающие разыщут потенциальные ошибки и непременно воспользуются ими для достижения своих целей.

Широко применяемая стратегия для обнаружения случайных ошибок – предварительное тестирование: предоставить программное обеспечение большой группе пользователей (бета-тестирование). Люди будут пользоваться программами во всевозможных конфигурациях, на различных типах персональных компьютеров и с различными целями (о некоторых из них проектировщики даже не думали). Если они не смогут сломать систему, возможно, в ней нет ошибок. Сложно проводить предварительное тестирование программного обеспечения ракетной техники, но любое крупное коммерческое программное приложение, которое покупает пользователь, прошло тысячи часов предварительного тестирования для нахождения и исправления ошибок программирования.

Возможно, только что приведенные рассуждения позволили вам расслабиться. Тем не менее, зная, что большинство коммерческих программ содержат большое количество ошибок, трудно доверять подобным испытаниям. Испытания происходят, но сложности остаются. Основную роль играет необходимость быстрого продвижения программных продуктов на рынке. Некоторые компании в связи с этим выпускают в широкую продажу плохо проверенные программы. (Большая часть программного обеспечения Интернета выпущена в предварительных версиях; некоторые даже доказывают, что сам Интернет все еще находится в предварительной версии.) Кроме того, такой натиск на рынок означает, что некоторые компании выпускают программное обеспечение в продажу раньше, чем будут исправлены все ошибки, которые уже установлены. (И если ошибки, найденные в бета-версии, были исправлены, часто не производится повторный цикл предварительных тестов для проверки исправленного кода.)

Нападения на дефектный код

Большинство проблем, связанных с компьютерной безопасностью, которые нам приходится наблюдать, являются результатом дефектов в программном коде. Вот некоторые примеры:

• В 1988 году червь Морриса использовал ошибку в UNIX для получения полного доступа к компьютерам, выполняющим программы. Это привело к переполнению буфера, о чем будет рассказано в следующем подразделе.

• В 1999 году некто обнаружил ошибку в сценарии Hotmail CGI, позволяющую пользователю получить доступ к записям электронной почты другого пользователя. Дефекты такого рода обсуждались в главе 10.

Традиционно дефектный код был орудием, используемым для взлома компьютеров. Например, недостатки программ, отсылающих почту, повлекли за собой огромное количество незаконных проникновений в компьютеры с операционной системой UNIX. Цель подобных нападений состоит в использовании погрешностей таким образом, чтобы нападающий мог взять в свои руки контроль над системой. Нападения незаметны, они могут использовать настройку параметров для получения доступа или лазейки в заголовке сообщения об ошибках для прочтения защищенных файлов, количество таких нападений огромно. Временами кажется, что каждый день происходит новое нападение на почтовые программы, после которого в очередной раз исправляются не найденные до того ошибки. (Производятся ли после этого исправления у пользователей коммерческих программ – это другой вопрос.)

Более недавний пример – это модель безопасности Java. В Java используется модель комплексной безопасности для защиты компьютеров от вредоносных апплетов Java. Ошибка в любом месте программного кода, ответственного за работу защитных механизмов, может сделать все эти механизмы бесполезными, и, если такая ошибка случится, характерные для Java нападения хлынут широким потоком, используя любые недостатки системы.

Эти примеры вызывают больше беспокойства, чем проблема «Ариан» (несмотря на меньшую степень накала страстей), поскольку недостатки, которые могут быть использованы для взлома защиты, обычно не влияют на выполнение программ. Они незаметно присутствуют там до тех пор, пока кто-либо не воспользуется ими. Это очень важно и потому создание защиты сложнее, чем обеспечение надежности. Ошибка, повлекшая за собой катастрофу «Ариан», – это единственный случай, который затронул выполнение. Как только ошибка при выполнении найдена – и предварительное тестирование сможет обнаружить ее – она может быть исправлена. Дефекты защиты не влияют на выполнение и не проявляются в результатах предварительного тестирования. Подробнее о надежности тестирования будет рассказано в главе 22, но мораль в том, что люди постоянно спотыкаются о недостатки в системах безопасности, и только опытные эксперты на самом деле способны отыскать их.

Такое случается постоянно. Когда квалифицированный специалист производит анализ защиты программного обеспечения, он всегда обнаружит случайные недостатки, подрывающие систему безопасности. Всегда. Чем сложнее код, тем больше несовершенства в его защите.

Огрехи защиты, однажды обнаруженные, будут использоваться до тех пор, пока не будут устранены. Предположим, что нападающий нашел брешь в защите торгового протокола, что позволило ему украсть номер кредитной карты или, что еще хуже деньги. Если его действия мотивировались желанием создать саморекламу, он известит о своем достижении прессу и эта ошибка будет исправлена. (Хотелось бы надеяться, что сначала он предупредит компанию.) Если его действиями управляет желание получить деньги, нападающий станет использовать эту возможность снова и снова. Он украдет столько, сколько сможет, пока еще кто-нибудь не обнаружит этот недостаток и не исправит его. В этом основное отличие: недостатки, влияющие на выполнение, заметны, в то время как недочеты защиты могут оставаться невидимыми в течение долгого времени.

Эти недостатки не обязательно находятся в коде, относящемся к системе безопасности. Они могут присутствовать повсюду: в интерфейсе пользователя, в программах обработки ошибок, в любом другом месте. И как мы видели в главе 10, даже программы, не имеющие никакого отношения к компьютерной безопасности, могут повлиять на защищенность компьютеров, работающих в сети. Недостатки в текстовом процессоре, драйвере принтера или мультимедийном проигрывателе могут полностью подорвать систему безопасности вашего компьютера.

Еще один вывод состоит в том, что ошибки в программном обеспечении (и, следовательно, недостатки защиты) неминуемы. Предположение, что огромное пространство Интернета может быть свободно от ошибок, настолько же невероятно, как, то, что программное обеспечение «Ариан 5» было полностью защищено от сбоев и лишь несчастливое стечение обстоятельств привело к таким катастрофическим последствиям.

Мы наблюдали подобные вещи в Windows NT. He проходит и дня без объявления об обнаружении нового просчета в системе безопасности этой программы. Те же тенденции наблюдаются и в Windows 2000.

Переполнения буфера

Переполнения буфера (иногда называемые разрушением стека) являются обычным способом разрушения защиты. Их легко осуществить; атаки достигают своей цели чаще всего именно благодаря буферным переполнениям. Нападения такого рода могут быть разрушительными, часто они заканчиваются получением полного контроля над компьютером. Этот метод использовался во многих выдающихся нападениях. Поскольку уменьшение количества таких атак не наблюдается, стоит детально объяснить, что они собой представляют и как работают.

Давайте начнем с аналогии. Если вы попытаетесь украсть что-нибудь из близлежащего магазина, то вам придется пробираться мимо продавца. Продавец не станет творчески подходить к делу. Скорее всего, он предпримет только те действия, которые предписаны инструкцией. Инструкция служащего – это большой набор протоколов, описывающих различные ситуации. Например: «контакт с лицом, утверждающим, что он служащий».

• Шаг 1. Попросить показать удостоверение.

• Шаг 2. Убедиться, что удостоверение не поддельное.

• Шаг 3. Проверить, что на фотокарточке в удостоверении действительно изображен этот человек.

• Шаг 4. Если это так, впустить его. Если нет, не впускать. Или: «контакт с водителем, привозящим товар»:

• Шаг 1. Взять коробку.

• Шаг 2. Расписаться за коробку.

• Шаг 3. Убедиться, что водитель уезжает.

Водитель не может пройти мимо служащего назад в магазин, потому что в инструкции ясно сказано, что после получения подписанной квитанции водитель должен уехать.

Компьютеры работают почти так же. Программы подобны шагам в инструкции; компьютеры выполняют то, что написано в программах, и ничего больше. Сетевые компьютеры работают аналогично. У них есть набор протоколов, которым они следуют, – эти протоколы описывают процедуру входа в систему, ограничения доступа, защиту паролей, и определяют, кто может быть допущен, а кто нет. Тот, кто действует в соответствии с протоколами, будет пропущен, а кто действует иначе – войти не может.

Один из способов нанести поражение такому протоколу состоит в изменении действующей компьютерной программы. Это подобно замене страницы в инструкции для служащего. Инструкции обычно пишутся для того, чтобы их исполнители не вдавались в размышления. Каждая страница – это шаг: «Если клиент дает вам кредитную карту, смотрите следующую страницу. Если клиент расплачивается наличными деньгами, смотрите страницу 264». Шаги, описывающие контакт с развозчиком товара, могут выглядеть следующим образом.

• Страница 163. Возьмите коробку. Если она одна, смотрите следующую страницу. Если коробок несколько, смотрите страницу 177.

• Страница 164. Возьмите форму для подписи, подпишите и верните ее. Смотрите следующую страницу.

• Страница 165. Спросите водителя, хочет ли он что-нибудь купить. Если он хочет, смотрите страницу 13, если нет, смотрите следующую страницу.

• Страница 166. Попросите водителя уехать. Если он… и т. д.

Всякий раз, когда служащий магазина совершает какое-либо действие, он руководствуется открытой страницей в своей инструкции. Он не может посмотреть на вещи иначе.

Нападение состоит в следующем: притворившись развозчиком, можно поменять страницу в инструкции служащего, когда он будет занят подписью квитанций. Все, что нужно сделать, это дать ему два листа вместо одного. Верхний лист – это квитанция, а нижний – поддельная страница инструкции:

• Страница 165: Отдайте водителю все деньги из кассового аппарата. Смотрите следующую страницу.

Это сработает. Служащий возьмет коробку, как написано на странице 163. Он посмотрит страницу 164 и возьмет квитанцию (вместе с фальшивой страницей). Он положит оба листа на открытую инструкцию, подпишет и вернет квитанцию (оставив фальшивую страницу в инструкции), затем, вернувшись к инструкции, увидит поддельную страницу. Он отдаст все деньги из кассы и увидит следующую страницу (настоящую страницу 165). Шоферу нужно ответить, что он не хочет ничего купить, и уехать. Если служащий магазина на самом деле такой же тупой, как компьютерная система, развозчик сможет уехать с деньгами. Можно использовать этот способ обмана, чтобы убедить служащего магазина пустить нас на склад или чтобы исполнить любой другой замысел. Подложив страницу в инструкцию, можно произвольно поменять его действия.

По сути дела, это способ использовать ошибки переполнения буфера в компьютерных системах. Компьютеры хранят в памяти все программы и данные. Если компьютер запрашивает у пользователя пароль, который должен состоять из 8 символов, и получает пароль из 200 символов, то дополнительные символы могут записаться в какую-то другую область памяти. (Компьютер не может предположить, что происходит что-то неправильное.) Если это подходящая область памяти, и в нее записать нужные символы, то можно изменить команду «запретить подключение» на команду «разрешить доступ» или даже выполнить ваш собственный код.

Червь Морриса является, вероятно, наиболее известным примером использования ошибки переполнения. Он использует переполнение буфера в программе для UNIX, которая должна идентифицировать пользователя по вводимым им данным. К сожалению, в ней не существовало ограничения на размер вводимой информации. Ввод более чем 512 байт приводил к переполнению буфера, и специальный длинный код Морриса позволял установить его мошенническую программу на компьютер, подвергшийся нападению, и выполнить ее. (Эта ошибка, конечно, была исправлена.)

Описание этого червя особенно уместно в данном разделе, поскольку он сам содержит программную ошибку. Он должен был перепрыгивать с компьютера на компьютер в Интернете, копировать сам себя на каждый сервер и затем следовать дальше. Но опечатка в коде привела к тому, что вирус копировался неограниченное число раз на каждом компьютере. Результатом была поломка пораженных компьютеров. Крушение произошло на 6000 серверах Интернета, в то время это составляло 10% от их общего числа.

Умелое программирование способно предотвратить этот род нападений. Программа может сокращать пароль до 8 символов, так что лишние 192 символа никогда не запишутся в память. Сделать это легко, но применить везде – сложно. Проблема состоит в том, что в любой части современного большого и сложного кода есть достаточно мест, где возможно буферное переполнение (которые не столь просто обнаружить, как в этом примере). Очень трудно гарантировать, что нет никаких проблем с переполнением, даже если у вас было время для проверки. Чем больше и сложнее код, тем больше вероятность нападения.

В Windows 2000 содержится 35-60 миллионов строк кода, и никто, кроме самих разработчиков, не видел их.

Вездесущность ошибочного кода

Этот подраздел в основном посвящен Интернету и недостаткам в его безопасности. Это не означает, что в Интернете большее количество недоработок защиты, чем в других сетях. Недостатки Интернета чаще привлекают внимание просто потому, что большинство людей имеют дело с его программным обеспечением и находят там просчеты. Программное обеспечение в других областях киберпространства – в телефонной сети, в банковской электронной сети – точно так же содержит множество ошибок.

По данным Университета Карнеги-Меллона, на 1000 кодовых строк обычно приходится от 5 до 15 ошибок. Большинство этих ошибок не влияет на выполнение программ и никогда не обнаруживается. Но любую из них можно использовать для взлома защиты.

Создается впечатление, что код Интернета быстро улучшается. Недостатки защиты находят постоянно. Некоторые компьютерные журналы еженедельно публикуют сведения об ошибках в почтовых программах, обнаруженных за прошедший период. Создатели этих программ обычно довольно быстро исправляют ошибки, как только те становятся достоянием общественности; но до тех пор большинство из них не будут беспокоиться.

Это, конечно, предполагает, что вы всегда ставите самые последние «заплаты». Обычно вслед за сообщением об уязвимости выпускается заплата. Если вы верите новостям, то история на этом завершится. Но в большинстве случаев заплаты никогда не устанавливаются. Главная проблема Интернета состоит в том, что внесенные исправления не обязательно доходят до пользователей программного обеспечения. «Эпоха Интернета» повлияла и на работу системных администраторов.

Даже при том, что заплаты доступны, прореха остается. По существующим оценкам, более чем 99% всех нападений в Интернете могли быть предотвращены, если бы системные администраторы использовали самые свежие версии системного программного обеспечения. Поэтому сканирующие устройства, определяющие уязвимые места, являются такими подходящими инструментами и для хороших, и для плохих парней.

Даже если предположить, что каждый пользователь всегда работает с последним обновлением какой-либо программы, положение не становится лучше. При выпуске каждой новой версии в ней появляются новые ошибки. Если в версии 1.0 были найдены и исправлены десятки или сотни ошибок защиты, то это ничего не говорит о надежности версии 2.0. Вероятно, версия 2.0 больше и имеет большее количество особенностей; в ней имеются все типы нового кода. Исправления, внесенные в первую версию программы, нельзя перенести во вторую, и, кроме того, там, вероятно, ошибок стало еще больше.

 

Глава 14

Аппаратные средства безопасности

Это древняя идея. Она начала воплощаться, когда первый человек нарисовал линию, обозначающую вход в его пещеру, объявив тем самым, что с одной стороны этой границы находится его территория, и затем охранял свою пещеру от всех, кто был с этим не согласен. К аппаратным средствам безопасности можно отнести массу различных вещей: компьютерные помещения за запертыми дверями и охраняемые заграждения, помехоустойчивые устройства для платного телевидения, безопасные опознавательные знаки для контроля доступа, смарт-карты для приложений электронной коммерции и мины, которые взрываются, если вы пытаетесь обезвредить их. Реализация идеи создания безопасной территории различна в каждом из этих случаев, но основная мысль такова: намного легче построить систему компьютерной безопасности, если некоторые части системы останутся недоступными для большинства людей. Для этого можно использовать изначально заложенные в устройства физические средства защиты.

И это правда. Легче сконструировать безопасную систему платы за парковку, если вы способны предположить, что мошенники не смогут использовать парковочные счетчики, чтобы набить себе карманы. Легче представить себе охрану библиотеки и предположить, что люди не смогут вынести из здания книги, спрятав их под пальто. И легче создать электронный бумажник, если у вас есть основания считать, что люди не смогут присвоить любое количество денег.

Рассмотрим совершенную безналичную денежную систему: каждый имеет при себе бумагу, на которой написано число, представляющее денежную сумму, которой он располагает. Когда кто-нибудь тратит деньги, он зачеркивает старое и пишет меньшее число. Когда он получает деньги, то поступает наоборот. Если каждый честен, система работает. Как только некто заметит, что он может написать на бумаге любое число, которое захочет, системе придет конец.

Однако это в точности та же самая система, которую до эпохи компьютеризации банки использовали для депозитных счетов. Когда кто-то кладет деньги на депозит, это отражается в банковской книге, хранящейся в специальном помещении банка, другая книга находится в распоряжении клиента. В банковской книге записано число, соответствующее количеству денег, которые данное лицо хранит в банке. Если оно вносит или снимает деньги со счета, банк записывает новую сумму в обеих книгах. Эта система работает потому, что одна из книг находится в охраняемом помещении банка. Она и есть «настоящая» книга; книга, которая у вкладчика, – это только ее копия, выдаваемая для его спокойствия. Если вкладчик подделает запись в своей книге, это приведет к несоответствию с записью в книге, хранящейся в банке. Кассир в банке обнаружит эту неувязку, возможно, проверит другие записи, чтобы удостовериться, что действительно была предпринята попытка мошенничества, и поступит соответственно обстоятельствам. Клиент не может изменить записи в книге, хранящейся в банке, поскольку не вправе проникнуть на охраняемую территорию. (Кассир, конечно, имеет гораздо больше возможностей совершить мошенничество.)

Этот пример показывает, насколько важно создать безопасную территорию: система безопасности не будет работать без нее.

Мы можем построить систему анонимных карточек для оплаты таким же образом. Клиенты носят смарт-карты в своих бумажниках. Смарт-карта содержит в памяти информацию о количестве долларов на счете, точно так же, как банковская книга. Смарт-карты могут взаимодействовать друг с другом через некий терминал пункта продажи. Когда клиент что-нибудь покупает, его смарт-карта вычитает сумму потраченных денег из количества, которое хранилось в памяти, и записывает в память новую, меньшую сумму. Когда торговец продает что-нибудь, его смарт-карта прибавляет стоимость товара к числу, хранящемуся в памяти. Такая операция может осуществляться только одновременно с обеими картами (это легко контролировать с помощью секретных ключей смарт-карт), так что всегда сохраняется баланс. И чтобы воспрепятствовать кому бы то ни было проникнуть внутрь смарт-карты и изменить баланс, карты должны быть защищены от вторжения.

Легко ли это? Безопасная территория находится внутри карты – там хранятся ее секреты, и посторонние не могут их узнать – это сразу отметает множество проблем. Без этого единственный способ заставить подобную систему работать – это использовать нудные процедуры обращения к базам данных.

Чеки работают так же, как в первом примере, о котором я говорил: представим себе, что некто хранит в своем бумажнике документ, в котором представлен баланс на его текущем счете. Он может выписать чеки на любую произвольную сумму: ничто не вынуждает его выписывать чек на сумму меньшую, чем находится на счете. Торговцы часто принимают такие чеки на веру; они не могут знать, действительно ли данная персона имеет на счете сумму, покрывающую этот чек. Но так как здесь нет безопасной территории, которая бы вынуждала людей быть честными, существует сложная межбанковская система проверки чеков. Продавец вносит чек на депозит, но не может получить деньги сразу. Банк продавца использует идентификационную информацию на чеке – номер счета, имя банка и т. д., чтобы выяснить, с какого счета должны быть переведены деньги. Затем он обращается в банк покупателя и требует произвести платеж. Банк покупателя проверяет его личный счет. Он снимает деньги со счета клиента и переводит их в банк продавца. Наконец, деньги поступают на его счет.

Конечно, реальная система проверки чеков работает не совсем так – она оптимизирована для большей скорости и эффективности, – но основная ее идея именно такова. Нельзя рассчитывать, что владельцы счетов не станут выписывать негодные чеки, так что банки вынуждают людей быть честными.

Сопротивление вторжению

Системы защиты от вторжения должны были бы помочь решить множество проблем компьютерной безопасности. Подумайте, насколько легче обеспечить защиту от копирования на вашем компьютере, если на нем находится процессор, снабженный такой системой, понимающей только зашифрованные команды. Или насколько легче было бы сконструировать систему условного депонирования ключей (см. главу 16), если бы аппаратные средства систем защиты от вторжения сигнализировали полиции о необходимости прослушивания. С аппаратными средствами систем защиты можно было бы реализовать в Интернете «счетчик», который фиксировал бы доступ к данным, подобно тому как электрический счетчик фиксирует количество использованной энергии.

Вообще говоря, аппаратные средства систем защиты от вторжения идеальны для сложных отношений доверия, когда одна сторона хочет передать в руки другой некий механизм безопасности и при этом иметь уверенность в том, что другая сторона не сможет изменить этот механизм. Например, когда банк хочет контролировать баланс счетов на устройстве, находящемся в руках его клиентов. Или когда полиция хочет хранить копни ключей шифрования, с тем чтобы иметь возможность прослушивать частные разговоры, даже когда люди используют механизмы шифрования. Или для дешифратора кабельного телевидения.

Основная проблема заключается в том, что таких средств защиты от вторжения не существует. Вы не можете создать механизм, в который невозможно проникнуть. Возможно даже, что вы и сделаете устройство, в которое невозможно проникнуть на данном уровне технологии. Но вы не можете создать устройство абсолютно защищенное.

Я мог бы посвятить целую книгу деталям, но они меняются так часто, что это было бы бесполезно. Достаточно сказать, что есть несколько закрытых лабораторий в Соединенных Штатах, в которых могут разрушить любую технологию систем защиты от вторжения. Гораздо больше лабораторий в различных корпорациях могут работать над разрушением сопротивления вторжению, хотя бы они и были созданы для других целей. Лаборатории разведывательного управления, разрабатывающие микросхемы, например, имеют оборудование, которое может быть использовано в основном для изучения микросхем систем защиты от вторжения, имеющихся на рынке.

В соответствии с этими реалиями, многие компании определяют название своих технологий как сопротивление вторжению, которое есть нечто подобное «защите от почти любого вторжения». Я думаю, это разумно: письмо, запечатанное в конверте, может рассматриваться как один из примеров сопротивления вторжению, хотя ЦРУ и другие подобные учреждения имеют потрясающий опыт вскрытия почты.

Проблемы с системами защиты от вторжения выявляются, когда происходит сопротивление реальному вторжению. Представьте себе, что вы создаете систему торговли, основанную на смарт-картах, которая использует в целях безопасности микросхему, обеспечивающую сопротивление вторжению. И это анонимная система, так что сопротивление вторжению – это вся защита, которую вы можете противопоставить широко распространенным подделкам. Насколько сильное сопротивление вторжению вам необходимо? Как вы определите, что защита вполне достаточна? Что вы будете делать, когда появятся новые технологии?

Определяя, насколько серьезное сопротивление вторжению вам необходимо, надо выдвигать выполнимые требования. Вероятно, вы сможете оценить величину возможного ущерба: сколько денег сумеет подделать тот, кто взломает систему сопротивления. Если вы сконструировали хорошую систему, ожидаемо, что вы можете ограничить количество денег, которые могут быть украдены с одной смарт-карты, скажем, сотней долларов. Следующая задача более трудная: как вы узнаете, что обеспечили такие меры по сопротивлению вторжению, что взлом системы обойдется дороже 100 долларов?

На самом деле никто не знает, насколько эффективны различные меры по сопротивлению вторжению. Конечно, в лаборатории скажут вам, сколько времени они потратили, взламывая систему, или сколько стоит оборудование, которое они при этом использовали, но некто в лаборатории на другом конце города способен воспользоваться другой техникой и получить совершенно другую картину. И помните об атаках ради огласки: некий студент последнего курса может позаимствовать оборудование и взломать вашу систему сопротивления вторжению просто шутки ради. А может быть, представители криминальных кругов купят необходимое оборудование и наймут квалифицированных взломщиков. Все это не имеет прямого отношения к простой оценке времени и денег, необходимых для осуществления атаки «в лоб» против имеющегося алгоритма шифрования.

И даже если возможно выяснить, насколько эффективна сегодня техника, отвечающая за сопротивление вторжению, вы ничего не можете сказать о том, насколько эффективна она будет завтра, или на следующий год, или через пять лет. Новые достижения в этой сфере появляются все время. Прогресс в этой области происходит от разнообразия технологий; они могут взаимодействовать неожиданным образом. То, что было трудно взломать в этом году, возможно, будет очень просто взломать в следующем. Наивно полагать, что сопротивление вторжению обеспечивает сколько-нибудь долговременную безопасность.

Другая возможность – создать систему обнаружения вторжения. Это легче, чем реализовать сопротивление вторжению: мы не заботимся о том, что некто может проникнуть в систему, мы заботимся только о том, чтобы он не остался при этом непойманным. Представьте себе игровое устройство с ручным управлением, снабженное такой системой. Игрок может взять его домой и выиграть или проиграть деньги. Поскольку мы собираемся позволить игроку взять устройство к себе домой, и мы знаем, что потенциально ему по силам выиграть тысячи долларов, самое лучшее, что мы можем сделать, – организовать сопротивление вторжению. Но поскольку мы знаем, что надежную систему сопротивления вторжению создать невозможно, в действительности мы полагаемся на обнаружение вторжения. Когда он возвратит игровое устройство и захочет забрать свой выигрыш, мы проверим устройство со всех сторон. Мы будем выяснять, не нарушена ли изоляция, не вскрывалась ли оболочка, не обрезаны ли провода. Конечно, самый лучший атакующий сможет все это замаскировать, но он не сможет сделать вид, что так оно и было.

Неплохо, но все же недостаточно хорошо. Я верю, что не существует абсолютно надежной системы обнаружения вторжения, хотя они имеют разную степень надежности. Использовать такую систему в качестве единственной меры безопасности было бы ошибкой.

Ничто не препятствует применению этих концепций в физическом мире. Многие системы используют устройства против вторжения. Это не обязательно плохо: устройства, осуществляющие сопротивление вторжению, защищают системы от большинства людей и от большинства атак. Меня беспокоит, когда полностью полагаются на средства сопротивления вторжению, вместо того чтобы рассматривать их как один из аспектов более разносторонней системы безопасности.

В качестве примера системы, которая эффективно использует средства сопротивления вторжению как часть общего механизма управления, приведу систему контроля за ядерными вооружениями в США. Риск реален: какой-нибудь недобросовестный командир может осуществить запуск оружия без разрешения, или случится, что тактическое ядерное оружие будет украдено или (если оно находится на заокеанской базе) попадет в руки союзников во время кризиса. Необходимо быть уверенным, что запуск ядерного оружия произойдет только при наличии соответствующей директивы из Вашингтона. Для решения этой проблемы используется система, называемая PAL (permissive active link, разрешающая активная связь), детали которой до сих пор являются секретом. Мы знаем только, что PAL может действительно быть полезной, если она запрятана глубоко внутри большой и сложной системы вооружений. Более простые виды вооружений хранятся в специальных контейнерах – это защитные системы предписанного действия (prescribed action protective systems, PAPS), которые наилучшим образом обеспечивают сопротивление вторжению.

Система сопротивления вторжению, обеспечивающая безопасность ядерных устройств, включает в себя разнообразные «ловушки для дурака»: химические вещества, которые делают ядерный материал непригодным к использованию, небольшие взрывные устройства, способные разрушить критические компоненты оружия и самого атакующего, и т. д. Только шифровальный код, поступивший из Вашингтона, сумеет отключить эти защитные механизмы и привести в действие ядерное оружие.

Эти защитные механизмы экстремальны, но и ситуация подобающая. Бывают экстремальные ситуации в коммерческом мире – ключи корневых сертифицирующих органов (см. главу 15), ключи, используемые банками для осуществления безопасных межбанковских телеграфных переводов, – но меры безопасности, существующие в подобных заботливо сконструированных системах, не являются продуктом массового производства. В обычных случаях меры безопасности в коммерческом мире значительно более примитивны.

И есть фундаментальное различие в системе управления. Ядерные вооружения находятся под экстремальным физическим контролем; это делает меры по сопротивлению вторжению более эффективными.

Представьте себе игровой автомат. Автомат находится на безопасной территории. Если вы сумеете вскрыть автомат, вы можете забрать оттуда все деньги или, что еще серьезнее, изменить микросхемы, так что он выплатит джекпот. Но этот автомат стоит на полу в казино. Там освещение, камеры наблюдения, охрана, люди… если кто-то подойдет слишком близко с дрелью или отверткой, он будет арестован. Теперь представьте, что в казино вам говорят нечто вроде: «Это игровой автомат. Возьми его домой. Играй сколько тебе угодно. Принеси его назад через несколько месяцев. Все выигрыши мы выплатим».

Это совсем другая ситуация. Злоумышленник принесет автомат в свою базовую лабораторию. Он может изучать машину как угодно. Он просветит ее рентгеном. Он может даже купить несколько таких же машин у производителей и разобрать их. В конце концов, у него намного больше возможностей атаковать систему, пользуясь своей базой, чем находясь в казино. И это верно не только для игровых автоматов, но и для банкоматов, банковских сейфов и тому подобных моделей безопасных систем.

(Это не означает, что игровой автомат, стоящий в казино, неуязвим. Деннис Никраш обеспечил себе хорошую жизнь – всего около 16 миллионов долларов, – взломав игровой автомат. Он практиковался на игровых автоматах дома и в конце концов понял, как вскрыть один из них в казино так, чтобы при этом не включилась сигнализация. Ему удалось заменить некоторые микросхемы. Системы блокировки (blockers) скрывали его от телекамер. В итоге он взял на «обработанной» им машине джекпот.)

Мораль этого раздела проста. Первое – сопротивление вторжению в значительной степени миф, но оно создает определенный барьер при входе в систему. Второе – средства сопротивления вторжению должны использоваться совместно с другими контрмерами. И третье – любая система, в которой устройства и секреты, заключенные внутри этих устройств, находятся под контролем разных людей, имеет фундаментальный изъян в системе безопасности. Можно конструировать подобные системы, но надо при этом осознавать, что они неотделимы от этого недостатка.

Нападения через побочные каналы

В последние годы в литературе стали появляться описания новых видов крипто-аналитических атак: атаки, целью которых являются определенные детали выполнения. Тайминг-атака (timingattack, атака, основанная на сравнительных измере ниях времени) вызвала большой шум в прессе в 1995 году: закрытые ключи RSA могли быть восстановлены с помощью измерения относительных интервалов времени операций шифрования. Такие атаки были успешно проведены против смарт-карт и других опознавательных знаков доступа, а также против серверов электронной коммерции в Интернете.

Исследователи обобщают эти методы, относя к ним нападения на системы с помощью измерения энергопотребления, уровня излучения и использования других побочных каналов. Такие атаки могут осуществляться против разнообразных симметричных алгоритмов шифрования с открытым ключом в устройствах аутентификации, снабженных системами сопротивления вторжению. Обобщающие исследования представили анализ нападения: в процессор, осуществляющий шифрование, преднамеренно вводятся ошибки, что дает возможность определить секретные ключи. Последствия такой атаки могут быть разрушительными.

Допустим, нападающий хочет узнать секретные ключи, находящиеся внутри модуля, защищенного от вторжения: смарт-карты, карты PCMCIA или чего-нибудь подобного. Он не может осуществить криптографический анализ алгоритмов или протоколов (они слишком хороши) и не способен взломать систему сопротивления вторжению. Но атакующий умен; вместо того чтобы анализировать только входные и выходные данные, он обращает внимание также на скорость, с которой модуль проводит операции. Критическое рассмотрение атаки измерения времени показывает, что выполнение многих операций шифрования происходит с различной скоростью для различных ключей. Знание скорости, с которой происходит определенная операция, дает информацию о ключе. Знание множества различных скоростей для различных операций помогает получить полную информацию о ключе.

Представьте себе атаку, направленную против склада: вы хотите узнать, что находится внутри. У вас нет возможности заглянуть на склад, чтобы посмотреть, как там расположены вещи. Однако вы можете попросить служащего «получить» материал для вас. Время, которое ему потребуется для того, чтобы сделать ту или иную вещь, скажет вам многое об этом складе. Он каждый раз тратит много времени на то, чтобы принести картридж? Должно быть, картриджи находятся в самом дальнем углу. Расходует ли он больше времени на то, чтобы принести стопку бумаги, через каждые 10 запросов? Тогда, должно быть, бумага сложена в коробки по 10 пачек. Ему требуется больше времени на то, чтобы принести карандаши, чем на то, чтобы принести резинки? Это говорит о том, какие коробки лежат сверху.

Рассмотрим тайминг-атаку против устройства проверки пароля. Берем случайный пароль и варьируем только первый символ. Так как всего букв 26, можно использовать строчные и прописные, еще 10 цифр, несколько знаков пунктуации, итого около 70 паролей. Возможно, один из них устройство будет проверять дольше, чем остальные, прежде чем отклонить. Возможно, это пароль с правильным первым символом. Повторим то же самое с остальными символами. Если вы предпринимаете попытку атаковать пароль из 8 символов, вам нужно проверить всего 560 паролей и измерить соответствующие задержки.

Атакующий не обязательно должен ограничиться тайминг-анализом. Он может посмотреть, сколько энергии затрачено на различные операции. (В случае, когда модуль потребляет разное количество энергии при осуществлении одинаковых по сути операций, в зависимости от ключа.) Он может исследовать также, сколько тепла излучается и даже где в модуле находится источник излучения. Например, атаки измерения энергии (powerattacks) были применены, чтобы раскрыть секреты почти всех смарт-карт, имеющихся на рынке.

Все эти атаки допустимы, поскольку модуль находится в руках атакующего. Если модуль помещен в хранилище, закрытое на замок, злоумышленник не сможет проводить эти виды атак. (Хотя он, вероятно, окажется в состоянии осуществить нападение против другой копии такого же продукта, которая может обеспечить ему получение некоторой интересной информации.) Но в случае, когда проектировщики систем полагаются на аппаратные средства защиты от вторжения и дают возможность нападающему получить копию модуля, они тем самым убирают препятствия для проведения подобных систематических атак.

Иногда возможно осуществлять некоторые нападения удаленно, через сеть. Здесь не получится наблюдать за потерями тепла и энергопотреблением, но вы сможете измерять временные интервалы. Конечно, в сети всегда присутствует некий шум, что не особенно мешает получить результат математически. Или вы можете наблюдать излучение (военные называют это TEMPEST).

TEMPEST заслуживает более подробных объяснений, если по каким-то причинам различные военные ведомства тратят кучу денег на защиту против него. Система нападения извлекает информацию, содержащуюся в излучении электронной аппаратуры, используя чувствительный радиоприемник, специально настроенный на нужный канал, чтобы воспринимать нужную информацию. (Это излучение также называют излучением ван Эка.) Видеомониторы, возможно, наиболее уязвимы – с «правильным» оборудованием вы сможете читать содержимое экрана чужого компьютера, несмотря на блокировку, – но утечка информации в той или иной степени существует везде. Сотовые телефоны, факсимильные аппараты и коммутаторы – через них тоже утекает информация. Не имеет значения, что данные в этих устройствах могут быть зашифрованы; как зашифрованные, так и «открытые» данные излучают, и обладающий достаточными ресурсами атакующий способен отличить одно от другого. Кабели ведут себя как антенны; от них также распространяется излучение, несущее информацию. Линии электропередач – это трубопроводы, по которым течет информация. Это нетривиальная атака, которая может потребовать массу специального оборудования. Иногда это легко – прочитать информацию с экрана чьего-нибудь компьютера, – но в других случаях оказывается сложным и трудоемким.

Правительственное решение проблемы излучения – это экранирование. Военные покупают компьютерное оборудование, которое экранировано от TEMPEST. Когда они создают оборудование для шифрования, они тратят дополнительные деньги, чтобы быть уверенными, что открытый текст не утекает через линии передачи зашифрованных данных или из устройства для шифрования. Они покупают экранированные кабели и для передачи данных и для электропитания. Они даже строят TEMPEST-экранированные помещения или, в критических случаях, целые здания: все это называется SCIFs (Secure Compartmented Information Facilities, средства безопасности для предотвращения утечки информации).

Существуют и другие атаки с использованием побочных каналов. Иногда нагревание или охлаждение модуля может предоставить в ваше распоряжение интересную информацию; в других случаях результат даст изменение напряжения на входе. Один безопасный процессор, например, предоставлял доступ к секретным данным, если входное напряжение мгновенно понижалось. Другой имел генератор случайных чисел, который выдавал их все, если напряжение медленно понижалось. Другие модули уязвимы, когда вы задействуете тики генератора импульсов синхронизации.

Подумайте обо всем этом как о неагрессивных биологических экспериментах. Вы можете многое узнать об организме, если будете просто наблюдать за ним: что он ест, что он выделяет, когда он спит, сколько времени ему требуется для выполнения определенной задачи в различных случаях, в условиях тепла или холода, сырости или сухости. Нет необходимости его вскрывать: вы можете многое узнать о нем в процессе его нормального функционирования.

Вскрыть его всегда интересно, особенно если вы сумеете сделать это, не убивая его. Если мы взломаем систему сопротивления вторжения и не разрушим модуль, мы узнаем множество подробностей о его системе безопасности.

Анализ ошибок – еще одна мощная атака, поскольку шифрование чувствительно к малым изменениям. В главе 7 я говорил о том, как легко это применить к некорректной системе шифрования, нарушив ее безопасность в процессе функционирования. При анализе ошибок аналитик намеренно вводит ошибки в процесс осуществления шифрования – в особых точках, которые обеспечат максимальную утечку информации. Комбинируя это со взломом системы сопротивления вторжению – действуя на ключевые точки в том и другом направлении (не случайно, но специальным образом), – можно провести разрушительную атаку против безопасных модулей.

Систематические атаки недешевы. Маловероятно, что они будут выполнены преступниками-одиночками или сообществом террористов. Это атаки, которые могут осуществляться хорошо финансируемыми противниками: организованной преступностью, промышленными конкурентами, военными разведывательными организациями и академическими лабораториями. Но они работают, и работают хорошо. Системы, подобные смарт-картам, выполняли бы свои функции надежно, если бы заранее предполагалось, что систематические атаки возможны, и была уверенность, что даже в случае их успешного осуществления безопасность системы не будет нарушена.

Атаки с использованием побочных каналов не всегда можно распространить на любые системы. Нападение, основанное на анализе ошибок, невозможно провести, если процесс шифрования осуществляется таким образом, что атакующий не имеет возможности создать и использовать нужные ошибки. Но эта атака намного сильнее стандартных криптаналитических атак против алгоритмов. Например, известная атака против DES с использованием анализа ошибок требует от 50 до 200 блоков зашифрованного текста (без открытого текста) для того, чтобы восстановить ключ. Она работает только на определенных аутентификаторах DES, будучи выполненной определенным образом. Контраст с этим составляет лучшая атака без использования сторонних каналов, которая требует около 64 Тбайт открытого текста и зашифрованного текста для определения единственного ключа.

Некоторые исследователи заявляют, что это обман. Правильно, но в системах, существующих в реальном мире, атакующие всегда обманывают. Их работа – восстановить ключ, а не следовать неким произвольным правилам выполнения атаки. Дальновидные разработчики систем безопасности понимают это и приспосабливаются к обстановке. Мы верим, что наиболее действенные атаки используют информацию, получаемую через побочные каналы. Звук – тоже побочный канал; о прослушивании вращательного движения роторов электромеханических двигателей упоминал в своей книге «The Codebreakers» Дэвид Кан. Военные Соединенных Штатов долгое время разбирались с TEMPEST. И в своей книге «Охотник за шпионами» («Spycatcher») Питер Райт обсуждает утечку секретных данных через линию передач по побочному каналу (метод, известный среди военных как HIJACK), которая позволила взломать шифровальный механизм, использовавшийся французами.

Осуществить защиту трудно. Вы можете либо сократить количество информации, утекающей через побочные каналы, либо сделать эту информацию не соответствующей действительности. Оба метода имеют свои проблемы, хотя исследователи работают над ними. Более дорогие устройства оборудованы датчиками, позволяющими обнаружить подключение на входе, – регуляторами, определяющими падение напряжения, термометрами, фиксирующими попытки охладить устройство, часами, устойчивыми к внешним сбоям, – и не разрушить свои секреты. Другие устройства чувствуют, что их вскрыли, и реагируют подобающим образом. Но эти виды защитных мер преимущественно используются только в системах, которые покупают военные, и даже не применяются в таких безопасных устройствах, как смарт-карты.

Атаки с использованием побочных каналов очень эффективны, и это будет до тех пор, пока не существует хорошей теории, на которой могла бы строиться защита. В любом случае система, в которой устройство находится в руках одной персоны, а секреты, содержащиеся внутри, принадлежат другой, рискованна.

Атаки против смарт – карт

Смарт-карты могут рассматриваться как своего рода «заговоренные пули» компьютерной безопасности – многоцелевой инструмент, который находит применение для контроля доступа, в электронной коммерции, аутентификации, защите секретности и других приложениях. В основном разработчики используют их свойства безопасной территории: процессор и память, находящиеся внутри, неуязвимы (предположительно) для атак. Также они маленькие, переносимые, дешевые и гибкие. Это делает их привлекательными, но недостатки прямого ввода-вывода, применяемого в смарт-картах, придают им большую уязвимость.

Наиболее интересно в смарт-картах то, что существует большое число сторон, вовлеченных в любую систему на основе смарт-карт. Это означает, что смарт-карты чувствительны ко многим видам атак. Большинство этих атак невозможно в обычных компьютерных системах, так как они могли бы иметь место только в случае проникновения внутрь безопасной территории. Но по отношению к смарт-картам все перечисленные ниже атаки вправе вполне обоснованно считаться опасными.

Атаки со стороны терминала против владельца карты или против того, кому принадлежат данные. Когда владелец карты опускает свою карту в терминал, он полагается на то, что терминал правильно осуществит ввод-вывод данных. Безопасность большинства систем с использованием смарт-карт основывается на том факте, что терминал имеет доступ к карте в течение короткого промежутка времени. На самом деле безопасность имеет отношение не только к обмену данными между смарт-картой и терминалом: должна быть законченная система обработки, которая способна отслеживать карты, терминалы и сигнализировать об их подозрительном поведении.

Атаки со стороны владельца карты против терминала. Более тонкими являются атаки владельцев карт против терминала. К ним относятся подмена или изменение карт с использованием программного обеспечения в жульнических целях, для того чтобы нарушить работу протокола обмена между картами и терминалом. Хорошо сконструированный протокол снижает риск подобной атаки. Риск угрозы падает еще больше, если карты имеют физические характеристики, которые сложно подделать (например, голограмма Visa-карты) и которые могут быть непосредственно проверены владельцем терминала.

Атаки со стороны владельца карты против собственника данных. В большинстве коммерческих систем, использующих смарт-карты, данные, хранящиеся на карте, должны быть защищены от ее владельца. В некоторых случаях владелец карты даже не должен знать эти данные. Если карта содержит значение денежной суммы, и ее владелец сумеет изменить это значение, он сможет эффективно создавать деньги из ничего. Было много успешных атак против данных, содержащихся в смарт-картах.

Атаки со стороны владельца карты против того, кто их выпускает. Многие финансовые атаки были направлены против того, кто выпускает смарт-карты, но фактически против целостности и подлинности данных или программ, хранящихся на карте. Если изготовитель карт поместил биты, которые ответственны за разрешение на вход в систему, на карту, он не должен удивляться, если эти биты будут атакованы. Подобные системы основываются на сомнительном предположении, что безопасной территории внутри карты достаточно для решения задачи, перед ней поставленной.

Атаки со стороны владельцев карт против производителей программного обеспечения. Вообще говоря, даже в системах, рассчитанных на враждебного пользователя, предполагается, что он не будет загружать новое программное обеспечение на карту. В некоторых случаях это предположение может оказаться неверным.

Атаки со стороны владельца терминала против изготовителя карт. В некоторых системах владелец терминала и тот, кто выпускает карты, являются различными субъектами. Это разделение создает несколько новых возможностей для атаки. Терминал управляет всеми соединениями между картой и ее изготовителем, и всегда можно сфальсифицировать записи или помешать успешному завершению одного или нескольких шагов транзакции, для того чтобы совершить мошенничество или создать проблемы в обслуживании пользователей.

Атаки со стороны изготовителя карт против владельцев карт. В общем, большинство систем основано на изначальном предположении, что тот, кто выпускает карты, искренно и наилучшим образом заботится об интересах владельцев карт. Но это не всегда так. Эти атаки представляют собой типичные случаи нарушения секретности тем или иным образом. При создании системы смарт-карт, которая должна служить заменой наличных денег, надо позаботиться о том, чтобы сохранились существенные свойства наличных денег: анонимность и обезличенность.

Атаки против собственников данных, возникающие вследствие конструктивных недостатков программного обеспечения. Некоторые конструктивные особенности программного обеспечения могут создавать существенные и неприятные эффекты для собственников данных в системе. Если производители реализовали операционную систему, которая позволяет многим пользователям запускать программы на одной и той же карте, это приводит к появлению ряда новых проблем безопасности, таких как разрушительная деятельность операционной системы, преднамеренно ограниченный генератор случайных чисел или конфликт различных приложений, запущенных на одной смарт-карте.

Все это не означает, что смарт-карты нельзя рассматривать как защищенные устройства. Смарт-карты, которые обращаются в кредитной финансовой системе, например, очень отличаются от карт, которые используются в системе денежных вкладов (stored value system). Системы смарт-карт, которые обеспечивают идентификацию и возможность проверки, также безопасны. Смарт-карты полезны, но их использование сопряжено с известным риском. Безопасная система смарт-карт должна уметь распознавать вышеописанные атаки; она должна быть сконструирована таким образом, чтобы они не могли на нее повлиять. В лучших системах не имеет значения, например, что пользователь может взломать карту. Это очень «по дзенски»: работа не против возможного нападающего, а на основе модели сохранения безопасности.

 

Глава 15

Сертификаты и удостоверения

Понятия сертификата открытого ключа и инфраструктуры открытого ключа являются центральными для шифрования в современном Интернете. Прежде чем их рассматривать, однако, будет нелишне напомнить, что представляет собой цифровая подпись. Цифровая подпись является математической операцией над совокупностью битов, которую можно выполнить только с помощью определенного ключа. Ее подлинность может быть подтверждена с помощью другого, соответствующего первому, ключа. Допустим, ключ шифрования известен только Алисе. Следовательно, понятно, что только Алиса может выполнить операцию и таким образом «подписать» сочетание битов.

Проблема с описанной моделью заключается в следующем: предполагается, что ключ шифрования – это секрет, известный только Алисе. Путем проверки подписи мы можем действительно подтвердить только то, что сообщение подписано с помощью Алисиного ключа; мы не вправе ничего утверждать относительно того, подписала ли его сама Алиса. Мы не знаем, был ли ключ украден кем-либо еще. Мы не знаем ничего относительно намерений Алисы. Когда мы видим Алисину собственноручную подпись на бумаге, мы можем сделать некоторые утверждения относительно ее воли: она прочла и подписала документ, она поняла его содержание. Когда же документ подписан с помощью секретного ключа Алисы, мы даже не можем быть уверены, что она вообще видела его. «Цифровая подпись» – это название, которое настораживает, потому что это не есть подпись.

Это будет важно в дальнейшем изложении темы этой главы. А пока что поговорим о доверенных третьих лицах.

Доверенные третьи лица

Специалисты по криптографии определяют доверенное третье лицо как персону, которой доверяют все участники протокола, помогающую придать протоколу завершенность и безопасность. Мой друг из NSA однажды заметил (определение, отличающееся замечательной ясностью): «Каждый, кто вас знает, может нарушить вашу секретность и не быть пойманным». Вполне достаточно, эти два определения в главном совпадают.

Помните различные протоколы доверенных третьих лиц из главы 7? Любая коммерция, исключая прямой бартер, тем или иным образом использует доверенных третьих лиц. Даже сделки с оплатой наличными: продавец верит, что правительство примет деньги, которые он получил от покупателя. Когда же сделки включают в себя более интересные финансовые инструменты – чеки, кредитные карты, дебетовые карты, командировочные удостоверения, – и продавец и покупатель полагаются на то, что банк или финансовая компания будут вести себя правильно. Предприниматель и клиент не обязательно доверяют друг другу, но доверенное третье лицо должно успешно посредничать между ними. Все заканчивается очень быстро, если компания кредитных карт начинает капризно отвергать карты некоторых владельцев.

Адвокаты играют роль доверенных третьих лиц в персональных делах, выполняя волю свих клиентов. Когда некто говорит своему похитителю: «Если вы убьете меня, то мой адвокат пошлет копии доказательств в ФБР, CNN и New York Times, он использует своего поверенного в качестве доверенного третьего лица. Адвокаты не думают шутить, профессия делает их превосходными доверенными лицами.

Судебная система в целом может рассматриваться как доверенное третье лицо, гарантирующее, что контракты законны и дела ведутся правильно. Рассмотрим такой протокол честного контракта: Алиса и Боб ведут переговоры и подписывают контракт. Если один из них почувствует, что другой не соблюдает контракт со своей стороны, он или она обратятся к доверенной третьей стороне – к судье. Судья выслушает доказательства с обеих сторон и затем свершит правосудие.

Это работает, если они оба верят, что судья честен. В тех случаях, когда юридическая система коррумпирована или ее представители некомпетентны, мы видим крайне малую степень доверия контрактам и совершенно другую систему правил ведения коммерции.

Современная жизнь полна примеров существования доверенной третьей стороны. Магазины, торгующие по накладным, неважно, реальные или в Сети, суть доверенные третьи лица. Также и аукционы. А каждый, кто покупает что-либо через службу доставки? Служба доставки – доверенное третье лицо. То же самое – почтовые переводы. Нотариально заверенный акт подтверждает подлинность личности людей, подписавших законные документы, и обеспечивает проверку доказательств в случае спора. ООН посылает «наблюдателей» в качестве доверенных лиц в те страны мира, где противоборствующие стороны не доверяют друг другу. В Сети появляется служба условного депонирования, действующая как доверенная третья сторона между продавцами и покупателями в случае сделок с привлечением крупных денежных сумм.

В США существует целая индустрия доверенных третьих лиц, проводящих сделки с недвижимостью. Эти компании действуют как доверенные третьи лица между всеми сторонами, вовлеченными в сделки с недвижимостью: между продавцом и покупателем, банком продавца и банком покупателя, агентом по недвижимости продавца и агентом по недвижимости покупателя. Все эти стороны полагаются на агентство по недвижимости в том, что сделка будет завершена успешно.

Доверенные третьи лица играют особо важную роль в электронном мире. В мире, в котором отсутствует контакт лицом к лицу, а порой и голосовой контакт, в котором вы вынуждены полагаться на криптографию и устрашающе ненадежную компьютерную безопасность, это единственное реальное подтверждение, которое вы можете получить.

Помните целую систему открытых ключей, которую мы с вами обсуждали в главе 6? Алиса хочет послать зашифрованное сообщение, используя открытый ключ Боба, и для этого просматривает базу данных открытых ключей, чтобы найти его. Она получает сертификат открытого ключа Боба. Это сообщение, подписанное кем-то еще, которое удостоверяет, что данный ключ действительно принадлежит Бобу. Персона, которая подписала его, – это доверенное третье лицо.

Доверенные третьи лица – это рычаг системы безопасности, поскольку обращение к ним присуще любой системе, которой требуются гарантии безопасности. В плохо сконструированных системах доверенным третьим лицам права предоставляются без учета возможных неожиданностей. Блестяще сконструированные системы вручают мандат доверия по закону.

Удостоверения

Откройте ваш бумажник. Внутри вы обнаружите все виды удостоверений. У вас есть банковская карта. Это удостоверение, предоставленное вам вашим банком; оно необходимо, чтобы подтвердить подлинность вашей личности, когда автоматическая система выдает вам наличные. Вы имеете кредитную карту – удостоверение, врученное вам банком, и можете расплачиваться с ее помощью. У вас есть водительские права, выданные правительством. Они доказывают, что вы имеете все привилегии водителя.

Компании в зарубежных странах, дающие в аренду автомобили, рассматривают это удостоверение как подтверждение вашей способности управлять машиной, но полиция обычно видит в нем лишь легкий путь узнать ваше имя и адрес: они сверяют ваши права со своей базой данных. (Есть несколько историй, когда водительские права использовались в качестве удостоверения, прежде чем вам разрешали расплатиться чеком; отношения с доверенными третьими лицами базируются на предпосылке, что правильная информация об идентификации помогает судебному расследованию.) У вас также есть карта клиента авиационной компании, читательский билет, членский билет какого-нибудь спортивного клуба и бог знает что еще. Если у вас есть паспорт – это еще одно удостоверение.

Все эти удостоверения предоставлены различными доверенными третьими лицами, и каждое из них действует в той области, в которой вручившее его лицо является доверенным. Удостоверения не являются взаимозаменяемыми. Банку доверяют выдачу кредитных карт людям, которые имеют счета. Карта вместе с личным идентификационным номером и актуальной базой данных, дающей возможность видеть баланс на вашем счете, позволит вам снять деньги со счета. Водительские права, поскольку это удостоверение, выданное государственным органом, могут также подтвердить ваш возраст при посещении бара. Бар принимает поручительство государства при проверке возраста. (Я видел бары, которые принимали в качестве доказательства возраста водительские права, выданные государственными органами удостоверения личности и заграничные паспорта, но не паспорта США. Это лишено смысла.) Но если вы хотите заказать что-нибудь, водительские права вряд ли будут полезны. Бар доверяет государству подтвердить вашу дату рождения, но не вашу платежеспособность.

Каждое из доверенных третьих лиц имеет свои собственные правила, которым следует при вручении удостоверений. Чтобы получить паспорт, вы должны предоставить доказательства наличия у вас гражданства и подлинности вашей личности. Чтобы получить водительские права, вы обязаны сдать экзамен и предоставить доказательства того, что живете в том штате, в котором вы хотите их получить. Компания, выпускающая кредитные карты, соберет о вас кучу личной информации, проверит ее в некоей большой базе данных, и лишь после этого вы получите удостоверение. Удостоверение может поначалу обеспечивать небольшой кредит, но если вы и дальше будете строить отношения как постоянный пользователь, он будет возрастать.

Эти физические удостоверения также иллюстрируют проблему аннулирования. Что случится, если ваше удостоверение будет аннулировано? Когда управляющий банка (Master-Card) аннулирует вашу кредитную карту, он не может залезть в ваш бумажник и вытащить ее оттуда. Так что он «аннулирует» ее где-то в базе данных: он просто пометит соответствующий номер карточки как недействительный. Это работает до тех пор, пока тот, кто принимает кредитные карты, сверяется с базой данных. Если вы находитесь в какой-нибудь глубинке, где нет даже телефона, может не найтись способа подтвердить действительность вашего удостоверения.

Другой способ обходиться с аннулированными удостоверениями – это ограничить период времени, когда они могут использоваться, не будучи вновь подтвержденными. Почти все удостоверения имеют срок годности, даже такие, как читательские билеты. (Единственный контрпример, я думаю, знаки принадлежности к некоей корпорации. Это «глухой» номер. Хотя намного более вероятно, что вы смените работу, чем то, что вы разучитесь водить.) Удостоверения недействительны по истечении срока годности, что знает каждый, кто неосторожно пытался заплатить по просроченной кредитной карте или (не дай Бог) вернуться в США с просроченным паспортом. Если срок годности вашего удостоверения истек, вы должны получить новое. Иногда вы обязаны явиться за ним лично (как в случае с паспортом), иногда вам посылают его автоматически, например новую кредитную карту.

Срок годности обеспечивает безопасность. Негодные удостоверения могут существовать некоторое время, но в конце концов окажутся просроченными. Компания кредитных карт должна хранить записи об аннулированных картах только в течение этого срока, так как по его истечении они в любом случае окажутся непригодными. Доверенное лицо, которое выпускает эти удостоверения, может регулировать срок годности, чтобы обеспечить наиболее удобный режим. Ваша первая кредитная карта будет действительна в течение полугода или года, даже в том случае, если вы не оправдываете доверия. Спустя какое-то время ваша карта может обновляться раз в три года. Водительские удостоверения (по крайней мере в Иллинойсе) устаревают через четыре года. Паспорт США действителен в течение 10 лет. Можно представить себе, что в тех сферах, где мошенничество является обычным делом, удостоверения должны обновляться каждую неделю, или каждый день, или каждый час. Это большая головная боль, если в нашем распоряжении только ручка и бумага, но это прекрасно работает в киберпространстве.

Так что мы нуждаемся в удостоверениях, работающих в киберпространстве. Мы хотим иметь цифровой эквивалент кредитных карт, удостоверений, подтверждающих возраст, знаков принадлежности к корпорации, читательских билетов, членских билетов и т. п.

Сертификаты

Сертификат – это удостоверение… один из его видов. Это способ идентифицировать вас, но безотносительно к тому, что вы представляете собой в реальности. И это означает для любого, что можно доверять… может быть. Это определенно не то же самое, что открытый ключ.

Я думаю, нужно начать с начала.

Помните главу 6 и шифрование с применением открытого ключа? Алиса использует это шифрование для цифровой подписи. Она заверяет документы своим закрытым ключом и посылает подписанный документ Бобу. Теперь Боб нуждается в открытом ключе Алисы, чтобы проверить ее подпись. Как он получит его и в каком случае он может быть уверен, что ключ действительно Алисин?

На ранней стадии развития шифрования с использованием открытого ключа предполагалось, что будут существовать обширные базы данных, содержащие открытые ключи, подобно телефонным книгам. Боб мог бы посмотреть Алисино имя в такой базе данных и отыскать соответствующий этому имени открытый ключ.

Хорошо, но если все открытые ключи будут храниться где-то в большой базе данных, что можно сказать о безопасности этой базы данных? Злоумышленник способен натворить кучу бед, если сможет заменить один открытый ключ другим. Он может создать новый открытый ключ, подписать им пачку чеков и затем поместить его в базу данных рядом с именем Алисы. Таким образом, она подписала все эти чеки. Если Боб использует открытый ключ Алисы, чтобы зашифровать сообщение для нее, злоумышленник в силах заменить открытый ключ Алисы на свой; тогда секретное сообщение для Алисы сможет расшифровать взломщик, но не она сама.

Мы должны быть в состоянии защитить базы данных открытых ключей, но пригодна ли сама идея обеспечить свободный и широкий доступ к открытым ключам? Надо признать, что это не работает.

Сертификаты являются решением обозначенной проблемы. Сертификат представляет собой связь между открытым ключом и подтверждением подлинности. Пользующийся всеобщим доверием объект – назовем его Богом – берет имя Алисы и ее открытый ключ, связывает их и затем подписывает все это. Теперь Боб может не беспокоиться. Он получил Алисин сертификат открытого ключа – его не очень заботит, откуда – и проверил подпись Бога на нем. Боб доверяет Богу, так что, если он удостоверился в подлинности подписи, он знает, что открытый ключ принадлежит Алисе, а не какому-то обманщику. Проблема решена; мир теперь безопасен для электронной коммерции.

Однако не совсем. Заметим, что в действительности мы не решили проблему. Все, что мы сделали, возвращает нас к первоначальному вопросу: «Как Боб узнает, что открытый ключ Алисы действительно принадлежит ей?» Или изменим формулировку: «Как Боб узнает, что открытый ключ Бога действительно его ключ?». Боб проверил подлинность подписи Бога на сертификате, прежде чем начал использовать Алисин ключ, так что ему необходим был открытый ключ Бога. И где он его мог получить?

Но мы все же решили кое-что. Вероятно, Боб хочет взаимодействовать со множеством людей, не только с Алисой. И если Бог подписал каждый сертификат, мы свели проблему Боба к меньшей проблеме: теперь вместо подтверждения открытого ключа каждого нужно подтвердить лишь один ключ – Божий. Но эту проблему мы обсудим позже.

Настоящий сертификат представляет собой нечто немного более сложное. Он содержит информацию о персоне (имя, возможно, место работы, возможно, электронный адрес и другие сведения), информацию о сертификате (кем он выпущен, каков его срок годности), информацию об изготовителе сертификата или о том, кто его подписал (кто он, какой алгоритм он использовал для подписания сертификата и информацию относительно открытого ключа (какой алгоритм))… и собственно открытый ключ.

Основная идея состоит в том, что Алиса некоторым образом получает подписанный Богом сертификат открытого ключа. Либо она создает пару открытый ключ/закрытый ключ и отправляет открытый ключ Богу, который возвращает ей сертификат открытого ключа, либо Бог сотворит пару открытый ключ/закрытый ключ для Алисы и пошлет ей закрытый ключ и сертификат открытого ключа. (Здесь мы сталкиваемся с проблемой безопасности этого обмена, но пока что не берем ее в голову.)

Это все работает великолепно до тех пор, пока Алиса не потеряет свой закрытый ключ. Может быть, кто-то украдет его. Может быть, она забудет его. (Или, что более правдоподобно, ее компьютер «полетит» и не останется резервной копии.) Боб собирается попытаться послать ей сообщение, зашифрованное этим потерянным ключом. Или, хуже того, Боб попытается проверить подлинность подписей, созданных после того, как некто украл ключ. Что мы будем делать тогда?

Мы обратимся к Богу, и он аннулирует Алисин сертификат. Он объявит старый сертификат недействительным, неправильным и непригодным. Как он это сделает? Бог не может обшарить каждый уголок в Сети и уничтожить каждую копию сертификата. (Конечно, может быть, Господь Бог и всемогущ, но это только аналогия.) Возможно, он даже не знает, что у Боба есть такая копия.

Так что Бог включает Алисин сертификат в список аннулированных сертификатов, или CRL (certificaterevocationlist). (Вспомним, как 20 лет назад торговцы публиковали списки номеров недействительных кредитных карт. Это CRL.) Бог выпускает CRL регулярно (компании кредитных карт делают это раз в неделю), и это уж дело Боба – удостовериться, что Алисин сертификат не находится в последнем списке, прежде чем он использует его. Он должен также убедиться, что сертификат не просрочен и что он в действительности принадлежит Алисе.

Каким образом Боб может осуществить последнее? Он сравнит имя Алисы с указанным на сертификате. Если они совпадают, сертификат принадлежит ей. Это звучит просто, однако ж не работает.

Это отдельная проблема. Во-первых, никто не может выступать в роли Бога. Или, более точно, не существует организации или объекта, с которым может договориться каждый и чье правосудие не подлежит сомнению. Во-вторых, Алиса может не иметь уникального имени, относительно которого все согласились.

Разберемся со всем по порядку. Сначала первая проблема. Вспомним, чтобы система в целом работала, Алиса должна получить свой сертификат от кого-либо, кому и она, и Боб доверяют. В действительности существует иерархия доверенных лиц, определяющая ценность выданного сертификата. Военная организация, возможно, лучший пример такого рода системы. Командир взвода подписывает сертификат каждому бойцу в своем взводе. Командир дивизии заверяет сертификаты каждому командиру взвода в его подчинении. Генерал армии подписывает сертификаты своим дивизионным командирам. И так далее, до главнокомандующего.

Теперь у Алисы есть целая цепь сертификатов: от главнокомандующего – к генералам армий, от них – к дивизионным командирам, от них – к командирам взводов, и наконец, от командира ее взвода – к ней самой. Она хранит их все и представляет их Бобу. Если она и Боб числятся в одном взводе, у Боба также есть сертификат, выданный командиром взвода. Он знает, как должен выглядеть действительный сертификат, так что может непосредственно проверить и подтвердить ценность Алисиного сертификата. Если они в одной дивизии, но в разных взводах, они оба обладают одинаковыми сертификатами от дивизионного командира. Боб может использовать для подтверждения сертификат Алисиного командира взвода и затем сертификат Алисы. Поскольку Алиса и Боб числятся в одних войсках, каждый из них включен в свою цепь командования. Возможно, потребуется даже сертификат от главнокомандующего, который в данном случае и есть Бог.

Эта система замечательно работает у военных, но гораздо хуже в гражданском обществе. В Интернете сертификаты используются для поддержки множества протоколов: IPsec (Internet Protocol security, интернет-протокол безопасности) и различные системы VPN (Virtual Private Network, виртуальная частная сеть), SSL (Security Socket Layer, протокол безопасности сокета), несколько протоколов электронной коммерции, некоторые протоколы проверки входа в систему. Соответствующие сертификаты выдаются пользователям некоторой инстанцией, называемой бюро сертификации (certificateauthority, СА). СА может быть корпоративной организацией. Правительство также способно выступать в этом качестве. Оно может быть частной компанией, которая сделала своим бизнесом изготовление сертификатов для пользователей Интернета.

Центры сертификации также нуждаются в сертификатах. (Вспомним об иерархии.) Сертификаты выдаются СА другими сертифицирующими органами (возможно, VerySign). В конечном счете мы получаем Бога в этой системе, точнее, целый пантеон Богов. Сертифицирующие органы на самом верхнем уровне имеют корневые сертификаты: они не подписаны кем-либо еще. Такие сертификаты включены в программное обеспечение, которое вы покупаете: ваш браузер, обеспечение частной виртуальной сети и т. д. Это все называется инфраструктурой открытых ключей (public-key infrastructure, PKI). Она работает, но только частично.

Вторая проблема: имя Алисы.

В стародавние времена (примерно в середине 80-х) каждый мечтал о мире, в котором каждая персона, каждый процесс, каждый компьютер, каждый механизм связи – все, что связано с цифровыми коммуникациями, – имели бы уникальное имя. Эти имена хранились бы в широко распространенной базе данных, доступной множеству людей в различных регионах. Этот проект был назван Х.500.

Вообще говоря, сертификаты связывают открытый ключ с уникальным именем (называемым отличительным именем в терминологии Х.500), но, возможно, стоит обсудить, насколько полезна такая связь. Представьте себе, что вы получили сертификат, принадлежащий Джоан Робинсон. Вы, возможно, знаете лично только одну Джоан Робинсон, но сколько людей с таким именем известны центру сертификации? Как вы удостоверитесь, что конкретный сертификат Джоан Робинсон, полученный вами, принадлежит вашей подруге? Вы можете получить ее открытый ключ лично от нее, или она лично подтвердит передачу, но более вероятно, что вы примете сертификат по электронной почте и должны просто поверить, что это «правильная» Джоан Робинсон. Обобщенное имя на сертификате, вероятно, будет дополнено некоторой другой информацией, благодаря которой станет уникальным среди имен, получивших сертификат от одного СА.

Вы знаете эту дополнительную информацию о своей подруге? Знаете ли вы, какой СА выдал ей сертификат?

Вспомним аналогию с телефонным справочником. Если вы захотели найти открытый ключ Джоан Робинсон, вы просмотрели каталог, разыскали ее открытый ключ и послали сообщение, предназначенное только для ее глаз, используя этот открытый ключ. Это могло работать в случае с телефонным каталогом Стэнфордского отделения информационного обеспечения в 1976 году, но сколько Джоан Робинсон присутствуют в телефонном справочнике Нью-Йорка, и насколько это число меньше предполагаемого числа Джоан Робинсон в гипотетическом телефонном справочнике Интернета?

Мы вырастаем в маленьких семьях, где имена служат идентификаторами. К тому времени как нам исполняется пять лет от роду, мы усваиваем этот урок. Имена работают. Это неверно для большого мира, но вещи, впитанные в младенческом возрасте, мы не забываем никогда. В данном случае мы должны внимательно продумать все относительно имен, а не полагаться слепо на опыт пятилетнего ребенка, отложившийся в нашем сознании.

Идея также предполагает, что Алиса и Боб находятся в каких-то взаимоотношениях в физическом мире и хотят перенести эти отношения в киберпространство. Помните времена, когда «киберпространство» было термином из научной фантастики, а все взаимоотношения, о которых мы говорили, – деловые, социальные, банковские, коммерческие – формировались исключительно в мире из плоти и крови? Теперь люди встречаются в Сети и формируют там свои взаимоотношения все время. Иногда им удается свидеться лично через много лет после того, как они уже стали друзьями; в некоторых случаях они так и не входят в личный контакт. В этом прекрасном новом мире система, сконструированная только для того, чтобы проецировать взаимоотношения реального мира в киберпространство, выглядит ограниченной.

Проблемы с традиционными PKI

Инфраструктуры открытых ключей и центры сертификации несут в себе массу других проблем. Например, что может значить, когда бюро сертификации объявляет кого-либо заслуживающим доверия? Согласно литературе по криптографии, это означает лишь, что этот некто правильно обращается со своим собственным закрытым ключом. Это не говорит, что вы можете всегда доверять сертификату, полученному от СА для какой-то определенной цели: оплатить небольшую сумму или подписать заказ на миллион долларов.

Кто дает СА полномочия проводить подобные авторизации? Кто делает их доверенными лицами? Многие сертифицирующие органы обходят вопрос о том, что им никто не давал власти проводить авторизацию путем выпуска идентификационных сертификатов. Каждый может назначать имена. Мы делаем это все время. Инстанция, подтверждающая сертификаты, идет на риск, если она использует идентификационные сертификаты таким образом, что они подразумевают некий вид авторизации. В основном сертификаты только защищают вас от тех, с кем продавцы PKI не захотели даже иметь дела.

И слово «полномочия» («authority») имеет несколько значений. СА могут обладать авторитетом для выпуска сертификатов, но обладают ли они властью в отношении их содержимого? Например, сертификат сервера SSL содержит два массива данных, представляющих потенциальный интерес для целей безопасности: имя держателя ключа (keyholder) (обычно имя корпорации) и имя сервера в системе DNS (Domain Name System, система доменных имен). Существуют органы, обладающие властью назначать имя в системе DNS, но ни один из сертифицирующих органов SSL, представленных в списках, которые можно видеть в популярных браузерах, таковым не является. Это означает, что имя DNS в сертификате не является авторитетно установленным. Есть органы, назначающие корпоративные имена. Такое имя должно регистрироваться, когда некто хочет получить лицензию на какой-либо бизнес. Однако ни один из СА SSL, опубликованных в популярных браузерах, не обладает полномочиями делать это. В добавление ко всему, если сервер получает сертификат SSL-сервера, он имеет разрешение работать по протоколу SSL. Кто дал полномочия сертификационному органу SSL контролировать подобные разрешения? И является ли контроль за этими разрешениями необходимым? Какой вред будет причинен, если несертифицированный сервер будет использовать кодирование? Никакого.

Некоторые центры сертификации, учитывая тот факт, что они не властны Над содержимым сертификата, выделили структуру, называемую бюро регистрации (Registration Authority, RA), которая должна отвечать за содержание. Идея состоит в том, что RA ответственен за проверку информации, находящейся в сертификатах, а СА отвечает за их выдачу.

Модель RA+CA, безусловно, менее безопасна, чем система, при которой СА находится в составе полномочного органа (то есть RA). Модель RA+CA позволяет некоторому объекту (СА), который не является полномочным относительно содержания, подделать сертификат с соответствующим содержанием. Конечно, сертифицирующий орган подписывает контракт, в котором обещает так не делать, но это не исключает подобную возможность. Между тем, поскольку безопасность всей модели зависит от безопасности обеих ее частей и взаимодействия между ними (они должны каким-либо способом взаимодействовать), RA+CA менее безопасна, чем каждая из частей, безотносительно того, насколько силен СА и насколько хорош контракт, который с ним подписан. Конечно, модель, в которой СА находится в составе органа-распорядителя (не со стороны продавца), препятствует некоторым способам ведения бизнеса продавцами в инфраструктуре PKI.

Другую проблему представляет защита закрытого ключа. Вспомним: чтобы вся система цифровых подписей работала, вы должны быть уверены, что ваш закрытый ключ известен только вам. Отлично, но как защитить его? Можно быть почти уверенным, что у вас нет безопасной вычислительной системы, с контролем физического доступа, экранированием TEMPEST, «пространством» сетевой безопасности и другими средствами защиты; вы храните свой закрытый ключ на обычном компьютере. Таким образом, он является объектом для вирусов и иных разрушительных программ. Даже если ваш закрытый ключ в безопасности на вашем компьютере, находится ли этот компьютер в закрытой комнате, снабженной системой видеонаблюдения, уверены ли вы, что никто, кроме вас, никогда не воспользуется им? Если он защищен паролем, то насколько трудно «вычислить» этот пароль? Если ваш ключ хранится на смарт-карте, насколько она устойчива к атакам? Если он содержится на действительно устойчивом к атакам устройстве, то не может ли инфицированный компьютер найти способ «убедить» это заслуживающее доверия устройство подписать то, что вы не хотели бы подписывать?

Здесь дело преимущественно касается термина безотказность (nonrepudation). Подобно «доверенному» объекту, этот термин взят из академической литературы по криптографии. Здесь он используется в специфическом значении, описывая алгоритм создания цифровой подписи, который невозможно разрушить, так что никто не может подделать вашу подпись. Продавцы PKI замыкаются на этом термине и используют его в юридическом смысле, лоббируя законы, согласно которым, если кто-то использует свой закрытый ключ, то он в любом случае не может отказаться от своей подписи. Другими словами, в соответствии с некоторыми законами об использовании цифровой подписи (например, законами штатов Юта и Вашингтон), если ключ вашей подписи сертифицирован правомочным СА, вы отвечаете за все, что с помощью этого ключа делается. Им нет дела до того, кто сидел за клавиатурой компьютера или какой вирус создал эту подпись: вы ответственны по закону.

Считается, что работает следующий механизм: если вы подозреваете, что ваш ключ ненадежен, вы «отправляете» его в CRL. Все, что подписано этим ключом в дальнейшем, автоматически считается недействительным. Это кажется невероятным, но такая система изначально порочна. Боб хочет знать, что ключ Алисы вне подозрений, прежде чем примет ее подпись. Злоумышленник не собирается объявлять о том, что он взломал Алисин ключ. Таким образом, Алиса может понять, что ее ключ взломан, только когда она получит от Боба сообщение, демонстрирующее доказательства подделки ее подписи. В большинстве случаев это может произойти, только если Боб примет ее подпись.

Контраст с этим являет собой практика защиты кредитных карт. Согласно правилам, регулирующим заказы по почте и по телефону, если вы возражаете против какого-либо пункта в счете вашей кредитной карты, вы имеете право отвергнуть его – сказать, что вы не покупали этого, – и продавец должен доказать, что вы на самом деле это купили.

В компьютере существуют различные уязвимые места, которые должны проверяться. Проверка сертификата не имеет отношения к секретному ключу, он подтверждает только открытый ключ. Но чтобы проверить сертификат, нам необходим один или несколько «корневых» открытых ключей: открытые ключи сертифицирующих органов. Если злоумышленник сумеет прибавить свой открытый ключ к этому списку, он может выпустить затем свои собственные сертификаты, и обращаться с ними будут точно так же, как и с законными. Они могут быть даже более чем законными в любом другом отношении, за исключением того, что они содержат открытый ключ злоумышленника вместо корректного открытого ключа.

Некоторые продавцы PKI объявляют, что их ключи находятся в корневых сертификатах и вполне безопасны. Такие сертификаты подписаны ими самими и не предполагают следующего уровня безопасности. Единственным решением будет проведение всех сертификационных проверок на компьютерной системе, защищенной как от вторжения враждебного кода, так и от физического вмешательства.

И наконец, как бюро сертификации идентифицируют владельца сертификата? Будет ли сертификат использоваться только как идентификатор или для другой специфической авторизации, но СА должен идентифицировать претендента перед вручением ему сертификата.

Некоторые кредитные организации подумывают о том, чтобы заняться сертификационным бизнесом. Помимо всего прочего они имеют обширную базу, содержащую данные о множестве людей, так что логично предположить, что они способны с легкостью установить подлинность личности. Если они хотят подтверждать подлинность по сети, они в состоянии сделать это, обеспечив совместный с субъектом доступ к секретной информации и безопасный канал, по которому конфиденциальную информацию можно передавать. SSL обеспечивает безопасный канал.

Помешать подобным кредитным организациям выполнить свою роль может то, что у них не получится сделать совместный доступ секретным. Другими словами, не существует безопасного идентификатора, который мог бы использоваться для запуска всего процесса, потому что такие организации участвуют в продаже имеющейся у них информации другим людям. Хуже того, поскольку кредитные бюро делают такое «доброе» дело, как сбор и продажа информации о людях, другие, кто предположительно имеет информацию о субъекте, возможно, подвергаются сильному давлению, чтобы они помогли найти те секретные данные о субъекте, которые еще не известны этому кредитному бюро.

Между тем, каким-либо образом идентифицировав претендента, как СА проверит, что претендент действительно контролировал закрытый ключ, соответствующий открытому ключу, подтвержденному сертификатом? Некоторые сертифицирующие органы даже не рассматривают эту часть процесса. Другие могут требовать, чтобы претендент подписал некоторый документ тут же на месте, в присутствии СА.

Сертификаты не напоминают некий магический эликсир безопасности, капля которого, добавленная к вашей системе, сделает ее безопасной. Сертификаты должны использоваться правильно, если вы хотите безопасности. Осуществляется ли эта практика с соблюдением твердых гарантий безвредности или это только ритуалы или имитация поведения кого-то еще? Многие случаи из подобной практики и даже некоторые стандарты при ближайшем рассмотрении оказывались скопированными с таких образцов, которые с самого начала не содержали реального ответа.

Как вычисляется время жизни ключа? Почему продавцы используют один год – потому, что это общепринято? Ключ имеет криптографическое время жизни. Он также имеет время жизни до воровства, являющееся функцией от уязвимости подсистемы, в которой он хранится, состояния ее физического и сетевого окружения, привлекательности ключа для взломщика и т. д. Исходя из этого можно вычислить вероятность потери ключа как функцию времени и эксплуатации. Делают ли продавцы эти вычисления? Какой порог вероятности выбирается, чтобы считать ключ недействительным?

Поддерживает ли продавец аннулирование ключа и сертификата? Списки отозванных сертификатов встроены в некоторые сертификационные стандарты, но многие реализации избежали этого. Но если CRL не используются, то как осуществляется упразднение? Если отмена действия поддерживается, как предотвратить использование ключа, когда стало известно, что он отозван? Может ли случиться так, что он будет отозван задним числом? Причем так, что владелец сертификата может отрицать, что именно он сделал эту подпись некоторое время назад? Если так, датируются ли подписи таким образом, чтобы каждый мог отличить действительные подписи от недействительных? Осуществляется ли контроль даты службами безопасности?

Какую длину имеют сгенерированные открытые ключи и почему выбрана эта длина? Поддерживает ли продавец более короткие и слабые ключи RSA только потому, что они быстрее, или более длинные ключи, поскольку кто-то где-то ему сказал, что они безопасны?

Требует ли правильное использование сертификатов некоторых действий от пользователя? Выполняет ли он эти действия? Например, когда вы устанавливаете соединение SSL с помощью своего браузера, присутствует видимая индикация, что работает протокол SSL и связь зашифрована. Но с кем вы говорите по безопасному каналу? До тех пор пока вы не прочтете сертификат, полученный вами, вы не знаете.

PKI в Интернете

Большинство людей взаимодействуют с PKI единственно по поводу использования SSL. Технология SSL обеспечивает безопасность транзакций во Всемирной паутине, и некоторые продавцы PKI указывают на это, рекомендуя эту технологию для электронной коммерции. Это фальшивый аргумент; хотя никто не призывает людей, торгующих через Интернет, не использовать SSL.

SSL позволяет зашифровать операции с кредитными картами в Интернете, но не является источником безопасности для участников транзакции. Безопасность основывается на процедурах, выполняемых компанией кредитных карт; потребителю должно быть предоставлено право отвергнуть любой пункт, вызывающий сомнение, прежде чем он оплатит счет. SSL защищает пользователя от прослушивания, но не может защитить его ни от взломщика, если тот проникнет на веб-сайт и украдет файл, содержащий номера кредитных карт, ни от жуликоватого сотрудника, если тот следит за номерами кредитных карт в компании.

Предполагалось, что PKI будут обеспечивать идентификацию, но они не делают даже этого.

Пример первый: компания F-Secure (более формальное название Data Fellows) продает программное обеспечение через свой веб-сайт, находящийся по адресу www datafellows com. Если, намереваясь купить какой-либо продукт, вы щелкните в соответствующем месте, то будете перенаправлены на www netsales net, с которым устанавливается соединение по протоколу SSL. Владельцем сертификата SSL является «NetSales, Inc., Software Review LLC» в Канзасе. Главные представительства F-Secure расположены в Хельсинки и в Сан-Хосе. Согласно любым правилам PKI, никто не имеет права делать бизнес через этот сайт. Полученный сертификат принадлежит не той компании, которая на самом деле торгует программным обеспечением. Это в точности то, что мы называли атакой посредника, и это именно то, что PKI должны предотвращать.

Пример второй: я посетил www palm com, чтобы купить кое-что для моего Palm-Pilot. Когда я собирался проверить соединение, то был перенаправлен на https://palmorder modusmedia com/asp/store asp. Сертификат зарегистрирован на имя Modus Media International; налицо скандальная попытка обмануть пользователей, которую я обнаружил, поскольку внимательно проверяю сертификаты SSL. Ну уж нет!

Кто-нибудь еще поднимет тревогу в таких случаях? Кто-нибудь не станет покупать продукт через Интернет только потому, что имя на сертификате не совпадает с именем на сайте? Кто-то, кроме меня, хоть что-нибудь заметит?

Сомневаюсь. Правда заключается в том, что сертификат, выданный VerySign, дает возможность осуществить атаку посредника, но никому нет до этого дела. Так или иначе я сделал покупку, поскольку безопасность обеспечивается правилами использования кредитных карт, а не протоколом SSL. Моя максимальная ответственность за украденную кредитную карту измеряется суммой 50 долларов, и я могу отвергнуть любую сделку, в которой нечестный торговец попытается обмануть меня. Так как все это используется, вместе с тем, что средний пользователь не беспокоится о проверке подлинности сертификатов, и не существует механизма аннулирования, то SSL – это просто (очень медленный) метод Диффи-Хеллмана обмена ключами. Цифровые сертификаты не обеспечивают реальной безопасности электронной коммерции; это полный обман.

 

Глава 16

Уловки безопасности

Эта глава представляет собой коллекцию различных трюков и технических приемов, которые реально больше в безопасности не используются.

Правительственный доступ к ключам

«Отлично, дела обстоят следующим образом: мы – правительство, и наше дело предупреждать преступность. Это нелегко, криминальным элементам свойственно идти окольными путями. Эти преступники, страшные преступники: наркодельцы, террористы, торговцы детской порнографией, фальшивомонетчики, – используют криптографию, чтобы защитить свои коммуникации. Мы беспокоимся, что наши перехваты, осуществляемые на законных основаниях, больше не эффективны; все эти страшные преступники скрываются. Мы хотим иметь возможность дешифровать сообщения каждого; может случиться, что он окажется криминальным элементом. Мы желаем, чтобы все вы сделали копии ваших ключей шифрования и послали их в полицию (или лицу, которому полиция доверяет), только на случай, если вы окажетесь преступником. И конечно, мы не доверим вам сделать это самостоятельно – поскольку мы собираемся выполнить это автоматически с помощью продуктов для шифрования, которые вы покупаете».

Надо признать, это недоброе описание позиции ФБР по вопросу о секретных ключах, но зато точное. С 1993 года администрация Клинтона и ФБР пытались вынудить американскую общественность принять идею, что нужно дать правительственным организациям доступ к частной информации. Они пытались привлечь корпорации к тому, чтобы они предусматривали эту возможность в своих продуктах, убедить пользователей, что эти меры предпринимаются в их высших интересах, и когда встретили сопротивление в Соединенных Штатах, продолжали оказывать давление на другие страны, вынуждая их принять такую же политику. Они даже угрожали объявить криптографию незаконной. Это очень спорный вопрос.

На первый взгляд кажется, что жалобы ФБР обоснованы. Преступники используют криптографию, чтобы скрыть доказательства, которые по закону могут быть использованы против них в суде: они зашифровывают компьютерные файлы, они шифруют телефонные переговоры и радиосвязь. Но положительные стороны использования криптографии намного перевешивают негативные факторы, и прежде всего то, что криптография чаще применяется, чтобы остановить преступников, чем в помощь им. Рон Ривест однажды сравнил криптографию с перчатками. Это правда, производя перчатки, общество облегчает преступникам задачу скрыть свои отпечатки пальцев. Но никто никогда не предлагал объявить перчатки незаконными.

Существует множество названий для обозначения этой идеи. Первый термин, предложенный правительством, был «депонирование ключей» («key escrow»), так как мастер-ключ в «Клиппер-чипе» (Clipper chip) предполагал, что сеансовый ключ будет «сдаваться на хранение» (hold «in escrow») и в дальнейшем передаваться органам охраны правопорядка. Если люди переставали покупать систему шифрования «о депонированием», название продукта изменяли, чтобы снова сделать его приемлемым. Сегодня используются термины «восстановление ключей» («key recovery»), «шифрование с участием доверенной третьей стороны» («trusted thirpartyencryption»), «исключительный доступ» («exceptional access»), «восстановле ние сообщений» («message recovery») и «восстановление данных» («data recovery»). Мне нравится GAK (government access to keys, правительственный доступ к ключам).

GAK-системы имеют «черный ход». Другими словами, они обеспечивают некую форму доступа к зашифрованным данным помимо нормального процесса дешифровки. В проекте «Клиппер-чип» предлагалось называть этот «черный ход» областью доступа правоохранительных органов (Law Enforcement Access Field, LEAF). (Первоначально она называлась областью использования органов охраны правопорядка, пока кто-то не указал на то, что это название неблагозвучно.)

«Черный ход» в GAK-системах предназначается для применения правительственными структурами (такими как полиция). Они работают различными способами: ранние GAK-системы оперировали с хранилищем закрытых ключей правительства США, более поздние самостоятельно определяют закрытые объекты. Другие системы используют программные агенты для «депонирования» или для восстановления ключей, что дает возможность узнать ключи частных зашифрованных сеансов связи или хранящихся файлов. Некоторые системы распределяют работу по восстановлению ключей между несколькими агентами. Имеются различные варианты, но все GAK-системы содержат два существенных элемента. Первый – механизм, внешний по отношению к первичной системе, посредством которого третья сторона может получить секретный доступ к открытому тексту, который был зашифрован. И второй – существование высокочувствительного метода секретного восстановления ключа (или коллекции ключей), который должен сохраняться в тайне в течение продолжительного времени. С точки зрения полиции, GAK-системы необходимы, чтобы предоставлять полиции своевременный доступ к открытому тексту, не сообщая об этом пользователям. Системы такого типа, по мнению администрации Клинтона и ФБР, решают проблему использования шифрования преступниками, делая доказательства их преступлений очевидными.

К несчастью, решение хуже самой проблемы. Восстановление данных производится с легкостью, поскольку это делается в высших интересах пользователя. Действия пользователей подобны автоматическому созданию резервной копии; они не должны помнить, что сделали копию. (Подождите, пока я не сделаю копию этого манускрипта.) Но GAK также связан с коммуникациями – телефонными разговорами и почтой, – которые не имеют отношения к копированию данных. Хранимые данные имеют огромную ценность: если вы теряете их, то нет способа их восстановить. Данные, передаваемые при соединении, не имеют ценности: если вы потеряли их, вы можете повторить передачу.

Способы осуществления GAK различны и достаточно сложны, поскольку он должен работать, несмотря на враждебность пользователей. Требования, предъявляемые ФБР к доступу, – скорость, секретность, полнота – вынуждают пользователей усиливать меры безопасности. Если я шифрую сообщение электронной почты, я должен доверять шифрованию – как на своей стороне, так и на стороне получателя. Наличие GAK означает, что я должен быть уверен в целой инфраструктуре, предназначенной для хранения ключей: шифрование, базы данных, полиция, народ. Цена построения такой инфраструктуры может быть огромной, в соответствии с уровнем возможного риска.

Этот риск неотделим от идеи использования GAK и не зависит от особенностей технологии. Все GAK-системы предполагают существование высокочувствительного и доступного ключа или коллекции ключей, которая должна сохраняться в секрете в течение продолжительного времени. Такие системы обязаны обеспечивать быстрый доступ к информации сотрудникам правоохранительных органов без ведома владельцев ключей. Эти основные требования делают задачу полного восстановления ключа трудной и дорогостоящей, возможно, слишком небезопасной и слишком дорогостоящей для многих приложений и многих пользователей.

Рассматривая различные варианты GAK, вы можете выбирать между более высокой ценой и более высоким риском. Хотя это может оказаться возможным – использовать отдельную GAK-систему относительно безопасным образом, для достижения этого результата пользователь заплатит неимоверную цену. С другой стороны, простые и недорогие GAK-системы могут создать угрозу для безопасности. Например, плохо реализованная система для восстановления ключей, обслуживаемая малоквалифицированным и низкооплачиваемым персоналом, с низким уровнем физической секретности и без надежного страхования, скорее всего, будет дешевле хорошо организованного центра. Но она также будет менее аккуратно обращаться с ключами.

Интересно, что безопасность и цена зависят также от конструкции системы. Например, представьте себе механизм, в котором сеансовые ключи отсылаются в центр по восстановлению, зашифрованные общедоступным открытым ключом, хранящимся в центре. Эта система относительно проста для конструирования и выполнения, но она является одной из худших с точки зрения безопасности. Все зависит от ключа системы восстановления, которым шифруются все остальные ключи. Если этот ключ взломан (или подделан), все ключи в системе могут быть взломаны. Конечно, некоторые коммерческие системы основываются на почти таком же механизме.

GAK-системы существенно менее безопасные, более дорогие и более сложные в эксплуатации, чем подобные им системы, не предусматривающие возможность восстановления ключей. Чтобы сделать их работающими, надо выдвинуть требование считать незаконными продукты, не включающие GAK. Более того, для этой схемы требуется построение безопасной инфраструктуры такого поразительного масштаба и сложности, создание которой превышает существующие сегодня возможности в этой области и может внести безусловно неприемлемый риск и дороговизну.

Безопасность баз данных

Безопасность баз данных – более сложная вещь, чем обычно думают. В простейшем случае все легко: Алиса имеет доступ к персональной базе данных, Боб не имеет. В более трудных случаях все сложнее – Алиса имеет доступ к части базы данных, относящейся к медицинскому страхованию, а Боб имеет доступ к персональной базе данных по зарплате, – но коммерческие базы данных управляются с этим достаточно успешно. Действительно сложная задача – обеспечить анонимность при работе с базой данных, позволяя людям использовать итоговую информацию, – удивительно трудна.

Первый трудный случай. База данных может быть настроена таким образом, чтобы определенные пользователи могли видеть только определенные поля. Всем пользователям должно быть разрешено видеть ряд полей общего доступа (имя служащего, номер служащего), но только некоторым пользователям разрешается видеть специальные поля (информация о медицинском страховании, зарплата). Это все обычные проблемы компьютерной безопасности, разрешаемые с помощью протоколов идентификации и списков контроля доступа.

Намного более сложно иметь дело с ситуацией, когда у Алисы есть право делать запросы и смотреть статистические данные, но нет права на просмотр информации по каждому отдельному случаю. Это одна из проблем «вывода»; Алиса может вывести информацию об отдельных случаях, но делая запросы относительно групп.

Пример: Алиса запрашивает у базы данных итоговую информацию по определенным группам. Если она сможет получить ответ на запрос такого сорта – сообщить обо всех наркоманках, в возрасте от 35 до 45 лет, у которых один из родителей диабетик, имеющих определенный почтовый адрес, – скорее всего, она получит возможность выделить отдельные случаи.

Возможное решение этой проблемы – вычищать данные, прежде чем они попадут в чьи-нибудь руки. Данные о переписи населения США 1960 года, например, засекречены подобным образом. Для статистического анализа можно получить только одну запись на тысячу, и в этих записях удалены поля, содержащие имена, адреса и другая важная информация. Бюро переписи также применяет ряд других трюков: данные, имеющие экстремальное значение, подавляются, в систему добавляется шум. Эти методы защиты сложны, и, несмотря на это, достаточно тонкие атаки все же могут быть проведены. Если вы хотите получить сведения об одной богатой семье, живущей по соседству, может оказаться возможным вывести эти данные, если вы сделаете некоторые разумные предположения.

Другое допустимое решение – наложить ограничение на типы запросов, которые пользователь может делать к базе данных. Это также трудно сделать правильно. В одной известной исследовательской работе автор, вычисляя жалованье своего босса, основывался на вполне законных запросах к базе данных переписи 1970 года, несмотря на контроль, введенный специально для того, чтобы предупреждать подобные вещи. Информационная система Национального здравоохранения Новой Зеландии пыталась разрушить подобные виды атак, не выдавая информацию по группам, состоящим менее чем из 6 человек.

Атаки все равно остаются возможными. Алиса собирается узнать виды разрешенных запросов, и лучшее, что она может сделать, – сформировать некий математический подход для вывода нужной ей информации из информации, к которой она имеет доступ. И подобные вещи усугубляются, если Алисе разрешено добавлять данные в базу и удалять их. Если она хочет получить информацию относительно отдельного человека, она могла бы вставить пару сотен записей в базу и затем сделать общий запрос по людям, включая тех, которых она добавила, плюс ее цель. Так как ей известны все данные, которые она добавила, она может «вычислить» данные того, кто ей нужен. Целый ряд атак основывается на означенной идее.

В этой области проводились активные исследования в 80-х годах, но сейчас их меньше. (Новые правила конфиденциальности медицинской информации могут привести к их возрождению.) Хотя проблемы так и не решены.

Стеганография

Стеганография – это наука скрывать сообщения внутри сообщений. Геродот рассказывает о практике древних греков, когда секретное сообщение записывали с помощью татуировки, нанесенной на бритую голову посланца, а потом он снова отращивал волосы, перед тем как переправить это сообщение через вражескую территорию. (Длительность этой связи измерялась месяцами.) Использование невидимых чернил – более современная технология. Микрофотоснимки были изобретены немцами во время Первой мировой войны и оставались в моде в течение многих лет. Шпионы делали негативное изображение достаточно маленьким, чтобы можно было вырезать его и поместить между строчек книги. Шпион мог пронести такую книгу везде, не опасаясь, что кто-либо обнаружит микрофотографии, скрытые на одной из ее многочисленных страниц.

В компьютерном мире стеганография используется для скрытия секретных сообщений в графике, картинках, движущихся изображениях или в звуке. Отправитель скрывает сообщение, используя наименьшие значащие биты файла одного из этих типов – качество слегка ухудшается, но если вы сделали все правильно, это с трудом можно заметить – получатель на другом конце извлекает его. Некоторые коммерческие и свободно распространяемые программы предлагают стеганографию либо отдельно, либо в составе целого пакета средств обеспечения безопасности связи.

Стеганография обеспечивает степень секретности более высокую, чем криптография. Если Алиса захочет послать Бобу секретное сообщение, она может использовать одну из популярных программ шифрования для электронной почты. Однако заинтересованное лицо может перехватить сообщение, и хотя оно не сумеет прочитать его, но будет знать о самом факте отправки сообщения. Стеганография позволяет Алисе сообщаться с Бобом секретно; она может скрыть свое письмо в GIF-файле, содержащем изображение пары жирафов. Перехватчица не поймет, что Алиса послала Бобу секретное сообщение. Для обеспечения еще более надежной защиты Алиса может зашифровать сообщение, прежде чем скрыть его.

Чем дальше, тем лучше. Но в действительности системы работают не так. Наша перехватчица не глупа; как только она увидит картинку с жирафами, у нее могут возникнуть подозрения. Почему бы это Алисе посылать Бобу картинку с двумя жирафами? Боб коллекционирует жирафов? Или он художник-график? Посылали ли Алиса и Боб одно и то же изображение жирафов друг другу в течение последних недель? Упоминали ли об этой картинке в другой корреспонденции?

Самого по себе применения стеганографии недостаточно. Алиса и Боб должны скрыть факт, что они передавали что-либо, кроме безвредных фотографий. Это будет работать только в том случае, если стеганография станет использовать существующие образцы связи (communications patterns). Я в жизни не посылал и не получал GIF-изображений. Если кто-то неожиданно пошлет мне одно, это может навести дотошного исследователя на мысль, что в нем скрыто стеганографическое сообщение. Если Алиса и Боб регулярно обмениваются подобными файлами, перехватчик не сможет узнать, какое сообщение содержит в себе – если какое-либо содержит – скрытую информацию. Если Алиса и Боб изменят свои образцы связи для скрытых сообщений, система перестанет работать. Перехватчица их «вычислит».

Это важно. Стеганографию иногда рекомендуют использовать для секретной связи при репрессивных режимах, когда простой факт посылки зашифрованного сообщения может рассматриваться как подрывная деятельность. Это плохой совет. Модель, в которой постоянно присутствует угроза, предполагает, что вы под подозрением и должны выглядеть невинным в случае проверки. Это трудно. Вы можете применить программу стеганографии, которая доступна и перехватчице ваших сообщений. Она будет иметь копию этой программы. Она будет настороже, предвидя возможность появления стеганографических сообщений. Не используйте простое изображение, которое было в программе, когда вы установили ее: перехватчица быстро распознает его. Не используйте одно и то же изображение снова и снова: перехватчица увидит различия, указывающие на то, что это скрытое сообщение. Не используйте картинки, загруженные из Сети: перехватчица легко может сравнить картинку, которую вы послали, с исходной, которую вы загрузили. (Вы можете предположить, что она следит за загрузкой или осуществит поиск в Сети, чтобы найти такое же изображение.) И лучше, если вы придумаете правдоподобную историю о том, почему вы «гоняете» жирафов туда и обратно. И эта история должна быть придумана до того, как вы начнете посылать стеганографические сообщения, или вы ничего реально не выиграете.

Программы стеганографии существуют, чтобы скрывать файлы на вашем жестком диске. Это может работать, но вам по-прежнему нужна жизнеспособная история. Таким образом, есть определенные достижения по сравнению с простым шифрованием – по крайней мере, в свободных странах вы сможете доказать, что полиция не имеет реальных оснований для обвинения, – но вы должны тщательно все обдумать.

Скрытые каналы

Одна из проблем, связанных с применением стеганографии, – ширина полосы пропускания. Легко скрыть несколько битов информации; спрятать целое сообщение электронной почты намного труднее. Рассмотрим пример совершенно разумного использования стеганографического канала передачи данных: Алиса и Боб должны обсудить, является ли некое отдельное действие «безопасным» или «угрожающим». Это один бит информации. Они регулярно обмениваются рецептами по электронной почте и договорились, что ключевая фраза «продублируй рецепт» будет индикатором сообщения. Если в послании сказано, что рецепт может быть продублирован, действие безопасно. Если же в нем говорится, что рецепт не может быть продублирован, соответствующее действие опасно. Любой рецепт без ключевой фразы не содержит скрытого сообщения.

Этот вид систем работает, поскольку секретное послание много-много меньше, чем скрывающее его сообщение, и в общем случае называется скрытым каналом (subliminalchannel) (похоже на тайный канал, описанный в главе 8). Скрытые каналы так же стары, как компьютеры, и всегда использовались недобросовестными программистами для «скачивания» информации без согласия пользователей. Представьте, что вы программист и делаете отчет по клиентам банка, и вы хотите запустить свои руки в картотеку индивидуальных номеров (PINs). Вас не уполномочили проверять реальные данные, но доверили вам написать код для получения отчета по базе, содержащей PINs. И вы можете посмотреть отчеты, которые были сделаны раньше. Программа создания отчета добавляет пробелы после данных каждого клиента, от 0 до 9, в соответствии с одной цифрой его PIN. Пусть теперь построитель отчета использует первую цифру в первый день, вторую цифру во второй день, и так далее, пока цикл не будет завершен и мы не возвратимся к первой цифре. Вот именно. Если программист сможет приложить руку к созданию электронного отчета в течение четырех дней, он справится с восстановлением всех индивидуальных номеров. (Действительно, он имеет четыре возможных варианта для каждого номера, в зависимости от того, какая цифра использовалась построителем отчета. Легко понять, что к чему.) Ни один из тех, кто будет смотреть отчеты, не увидит в них ничего злонамеренного, и пока они не проверят код, используемый для создания отчета (а как часто это случается?), никто не узнает, что индивидуальные номера раскрыты.

Есть история о солдате, которому не разрешали говорить, где он служит. У него не было среднего инициала, и он послал серию писем своей подруге, используя в подписи различные средние инициалы; таким образом он дал знать, где находится.

Теперь, когда вы имеете представление об общей идее, вы можете подумать обо всех возможных способах внедрения скрытых каналов в документы: выборе шрифтов и размерах шрифтов, размещении данных и графики на странице, использовании различных синонимов в тексте и т. д. Многие протоколы шифрования позволяют воспользоваться выбором параметров в целях создания скрытого канала: выбором случайных битов для дополнения или неиспользованных битов полей. До тех пор пока вы не слишком жадничаете и согласны черпать информацию чайной ложечкой, несложно организовать скрытый канал в системе.

Вы можете организовать утечку всего что угодно. Индивидуальные номера – хороший пример. Другой пример – ключи шифрования. Создание устройства для шифрования, в котором информация о ключах утекает по скрытому каналу, – замечательный способ атаковать кого-нибудь.

Скрытые каналы, внедренные недобросовестными программистами, обнаруживались во всех видах программного обеспечения спустя какое-то время. Разведывательные организации, подобные NSA, долгое время подозревались во внедрении скрытых каналов, по которым идет утечка информации о ключах криптографического оборудования, проданного иностранным правительствам. Недавний скандал, в котором фигурировала шведская компания Crypto AG, подтверждает это. Побочные каналы, обсуждавшиеся в контексте главы 14, где речь шла об аппаратных средствах сопротивления вторжению, могут рассматриваться как действующие скрытые каналы.

Заметим, что для скрытых каналов существует та же проблема, что и для стеганографии – каждый, кто удосужится проверить программное обеспечение, может обнаружить скрытый канал. Но внедренные в сложное программное обеспечение, а еще лучше в аппаратное обеспечение, они могут оставаться незамеченными в течение долгого времени.

Цифровые водяные знаки

Мы говорили об интеллектуальной собственности в главе 3. К слову сказать, компании, подобные компании Диснея, собираются торговать «в розницу» своей интеллектуальной собственностью – музыкой, видеоклипами, фотоснимками, чем угодно – в цифровой форме. Они не хотели бы, чтобы люди копировали Русалочку (The Little Mermaid) и свободно распространяли ее через Интернет. Они не хотели бы, чтобы люди крали части различных изображений – даже простейшего изображения Микки-Мауса – и использовали их без уплаты определенного вознаграждения автору. Они хотят осуществлять контроль над своей собственностью.

Цифровые водяные знаки – один из способов достижения этой цели. Их можно считать скрытым каналом или одним из приложений стеганографии. Идея состоит в том, чтобы вложить секретную информацию в материал, и тогда нетрудно будет определить, кто его законный владелец. Это похоже на бумажные водяные знаки: бумага с водяными знаками распространяется везде и передается от человека к человеку, но любой может посмотреть ее на свет и увидеть водяные знаки.

В действительности есть два различных термина. Создание водяных знаков (watermarking) позволяет идентифицировать неизменяемую информацию, а использование отпечатков пальцев (fingerprinting) дает возможность идентифицировать конкретного покупателя.

Например, водяной знак Русалочки будет говорить нам нечто вроде: «Собственность Диснея», тогда как цифровой отпечаток пальца на этом фильме скажет нам следующее: «Куплено Алисой 1 января 2001 года».

Цифровые водяные знаки и отпечатки пальцев всем хороши, кроме одного. Скопируйте бумагу, и водяные знаки пропадут. Скопируйте цифровой файл, и водяные знаки перейдут на копию. Может быть, мы не в силах предотвратить копирование, считают в компании Диснея, но мы по крайней мере можем указать пальцем на каждого, кто сделал копию. И я видел водяные знаки на множестве вещей: графике, изображениях, аудио, видео… даже в данных биржевых телеграфных аппаратов и компьютерных программ.

Таким образом, в зависимости от того, какие данные вы заложили в водяные знаки, вам предоставлена одна из двух возможностей. Во-первых, можно определить, кто обладает авторскими правами. Во-вторых, если каждая проданная копия Русалочки будет снабжена водяными знаками, указывающими на имя и адрес того, кто ее купил, станет возможным установить также и покупателя: тогда, если копия появится в Интернете, компания Диснея сможет найти виновного.

Замечательная идея, только не работает.

Проблема в том, что для того, чтобы Дисней смог найти внедренные в копию Русалочки водяные знаки, должна существовать возможность их обнаружения. Но если Дисней может их найти, пират может сделать то же самое. Компании, продающие подобные вещи, постараются объяснить вам, что их схема создания водяных знаков не позволяет удалить эти знаки по той или иной технологической причине.

Но это неправда. Может быть, так же как в случае со скрытым каналом, невозможно найти хорошие водяные знаки, если вы не знаете точно, куда смотреть. Но в отличие от скрытого канала, механизм обнаружения в данном случае в конце концов станет известным. Либо информация просочится в сообщество хакеров, как это обычно бывает, либо она станет доступной общественности при первом же случае судебного разбирательства. Механизмы создания водяных знаков в итоге все равно становятся известными, и когда это происходит, можно осуществить обратный процесс и удалить знаки с изображения.

Это может оказаться нелегким делом. Разные хитроумные трюки способны затруднить этот процесс, но все же это не является невозможным. И сообразительный хакер вполне в состоянии написать программу, автоматически удаляющую водяные знаки, как только он поймет, как это работает.

Другим слабым местом водяных знаков является то, что они не решают стоящей перед ними задачи. Создание водяных знаков должно позволить компании указать на ее цифровую собственность, которая должна оставаться неприкосновенной и сказать: «это мое». Осуществить это достаточно сложно, и водяные знаки не могут воспрепятствовать изменению цифровых данных, являющихся чужим имуществом. Также водяные знаки не обязательно укажут точно на нарушителя авторского права. Представьте, что каждая копия Русалочки снабжена водяными знаками с информацией о покупателе. Но как продавец установит личность покупателя? Это возможно только в том случае, если имеются защищенные от подделки документы. Однако нет способа воспрепятствовать злоумышленнику нанять за 10 долларов бездомного пьяницу, чтобы тот зашел в видеосалон и купил для него фильм. Таким образом, он получит копию с внедренными водяными знаками, указывающими на того, кто, скорее всего, не слишком беспокоится, что Дисней его опознает, и с кого нечего взять, если Дисней надумает предъявить к нему претензии.

Наличие водяных знаков может вызвать чувство вины у бабушки, когда она копирует Русалочку для своих внуков. Но нельзя помешать тайваньским пиратам стереть водяные знаки и выбросить на черный рынок полмиллиона копий фильма. Водяные знаки также не могут воспрепятствовать кому бы то ни было использовать подставное лицо, чтобы законным образом приобрести копию и ни о чем больше не беспокоиться.

Защита от копирования

Эту проблему легко описать, но гораздо труднее решить. Компании, производящие программное обеспечение, хотят, чтобы люди покупали их продукцию; их приводит в бешенство, когда кто-нибудь делает копии коммерческой программы, которая стоит сотни долларов, и раздает ее своим друзьям. (Правда, теперь им это даже нравится в каком-то смысле. Они понимают, что если некто, вовсе не собиравшийся приобрести законную копию, получит возможность попользоваться программой и придет от этого в восторг, всяко он или его босс в итоге приобретут эту программу, а не продукт конкурентов. При распространении программы WordPerfect большую роль сыграла эта схема, которая во многом способствовала росту ее популярности.) Сказанное в первую очередь относится к распространению компьютерных игр и к распространению программ в тех странах, где слабо обеспечивается защита авторских прав: в этих случаях большинство пользователей скорее предпочтут приобретение пиратской копии покупке программы законным образом. (С подобной проблемой сталкиваются продавцы книг, кинофильмов, видео и т. д. – им не выгодно, чтобы их продукцию копировали.)

Существует много решений – встроенный в программное обеспечение код, который препятствует копированию, код, который обращается к некопируемым фрагментам оригинального диска, аппаратные средства, которые приводят в действие программные механизмы, – и я не буду здесь вдаваться во все детали. Они все обладают одним существенным недостатком: дело в том, что практически невозможно защитить от копирования программное обеспечение многоцелевого компьютера.

Если мы имеем дело с компьютерным пользователем Джо Середнячком, то любая система защиты от копирования работает. Он сможет скопировать обычные файлы, следуя указаниям, но ему не придет в голову взломать сложную схему зашиты от копирования. Если же мы имеем дело с Джейн Хакер, никакая система защиты от копирования не сработает.

Дело в том, что Джейн управляет работой своего компьютера. Она может запустить программы обнаружения ошибок, восстановить исходный код, проанализировать программы защиты. Если она достаточно сообразительна, она сможет разобраться в программном коде и изменить коды программ защиты. Производители программного обеспечения не сумеют сделать ничего, чтобы остановить ее: все, что они могут сделать, это усложнить ее задачу. Но это только послужит вызовом для Джейн.

Существует множество таких Джейн, которые выбрали своим хобби взломы подобных систем. Они «болтаются» по Сети, продавая нелегальное программное обеспечение. Другие делают это для получения прибыли. Они работают в Китае, Тайване и еще где угодно, взламывая системы защиты от копирования и перепродавая программное обеспечение в десять раз дешевле розничной цены. Они способны разрушить даже самый сложный механизм защиты. Урок, который мы должны вынести из того, что эти люди существуют, – это понимание, что любая схема защиты от копирования может быть взломана.

Защитная заглушка – это последнее слово техники в искусстве создания систем защиты от копирования. Она представляет собой аппаратное средство, подсоединенное к компьютеру, обычно к параллельному порту. (Конфликты с другими механизмами, подсоединенными к параллельному порту, или с другими заглушками проявляются лишь в редких случаях.) В процессе выполнения программ часто используется обращение к заглушкам; например, через каждую тысячу нажатий на клавиатуру или щелчков кнопкой мыши; или когда пользователь пытается сохранить данные; или каждый раз, когда он выбирает вид оружия в компьютерной игре. Если заглушка не отвечает на запрос или отвечает некорректно, программное обеспечение прерывает свою работу. Или, что более эффективно, продолжает работать, но при этом выдает неправильные результаты. (В версии Autodesk's 3D Studio 1992 года заглушка использовалась для создания в памяти таблицы, которая требуется для правильного отображения трехмерной геометрии. Удаление заглушки приводило к тому, что программа работала неправильно в течение нескольких часов: сначала это происходило почти незаметно, но чем дальше, тем хуже. Autodesk был вынужден в спешном порядке давать ответы на множество запросов незарегистрированных пользователей, жалующихся на странную ошибку в этой версии.)

Запросы к заглушкам всегда зашифрованы, и сами они защищены от аппаратного перепрограммирования множеством различных хитростей. Тем не менее программы, использующие заглушки, по сей день регулярно взламываются без применения ухищрений, направленных на преодоление криптографии или системы сопротивления вторжению.

Как это происходит? Хакеры вне зависимости от того, устояла заглушка или нет, внедряются в код и удаляют из него все обращения к ней. Это кропотливая работа: хакеры должны просмотреть весь код строку за строкой, функцию за функцией, вызов за вызовом. Им необходимо подключить логический анализатор к заглушке и проследить адреса обращений к ней. Сложная программа может содержать десятки мегабайтов кода. Но вспомним, что было сказано в главе 2, и мои рассуждения о том, чем Интернет отличается от реального мира: лишь первый взломщик должен добиться успеха, взломанной версией программы смогут пользоваться все остальные.

Несмотря на успехи пиратов, компании-производители не прекращают попыток защитить свою продукцию от копирования. Версия Quake 1996 была выпущена на зашифрованном компакт-диске: позволено было использовать ее практически бесплатно, если позвонить в компанию и приобрести пароль. Однако и она была взломана, так же как и все другие популярные программы, имевшие защиту от копирования.

Взломанные программы называются warez, и каждый может самостоятельно собрать целую их коллекцию, блуждая по Интернету. Вы не найдете соответствующие руководства, но в вашем распоряжении есть множество полезных книг.

Производители средств защиты от копирования стараются сохранить свои позиции, ссылаясь на возможности новых технологий в этой области. Они уверяют, что серийный номер микропроцессора является гарантией того, что законно приобретенная программа будет установлена на одном-единственном компьютере. Они рассуждают о возможности применения кодирования с использованием особенностей конкретной материнской платы. Все это неправда. Это может удержать Джо Середнячка от распространения программ, имеющихся в его распоряжении, но не остановит Джейн Хакер от того, чтобы взломать программу и предоставить ее версию для всеобщего пользования.

Двоякая природа рисков в этом случае точно такая же, как и рассматривавшаяся в связи с проблемой водяных знаков. Посмотрите, что происходит в видеоиндустрии: пиратство было гораздо менее распространено, когда видеомагнитофоны были еще в диковинку. Тому есть две причины. Во-первых, изящная защита от копирования не позволяла Джо Середнячку использовать для этих целей ни один из существовавших видеомагнитофонов. Во-вторых, розничная цена видеозаписей была настолько низка, что все ухищрения Джейн Хакер были экономически не оправданны.

Что действительно интересно в связи с проблемой защиты от копирования и пиратства, так это идея о том, что проблема на самом деле не существует. Не столь важно защитить от копирования коммерческий продукт. В условиях конкуренции ключевым моментом является распространение продукта на рынке. Многие компании руководствуются принципом: пираты не причинят нам ущерба, если наша продукция не пользуется спросом. Это вроде того, как если кто-то принимает наши телепередачи вне нашей сети. Почти все те, кто крадет наши программы, не в состоянии заплатить за них. Однако когда эти пираты окажутся перед выбором, они будут покупать нашу продукцию, а не продукцию конкурентов. Пиратство оказывается неожиданным средством рекламы.

Компания Microsoft имела в виду именно это, когда переводила свои программы на китайский язык и распространяла их в этой стране. Было очевидно, что программы будут взламываться, но потери будут составлять меньше одной десятой со всех продаж. Часто цитировали слова одного из сотрудников Microsoft, Стивена Бальмера: «Готовность к тому, что ваши программы будут взламывать, означает, что вы понимаете – это будут ваши программы, а не конкурентов. Важно, чтобы в развивающихся странах на рынке были широко распространены краденые программы». Когда Китай войдет в число свободных стран, он будет ориентироваться на продукцию Microsoft. До тех пор Microsoft ничего не теряет. В этом состоит стратегия бизнеса.

Уничтожение информации

Очень часто возникает необходимость уничтожения информации. Если вы хотите удалить секретный файл со своего компьютера, вам хочется быть уверенными в том, что никто впоследствии не сможет восстановить его. Если вы используете секретный ключ шифрования связи – телефонных переговоров, например, – вам хотелось бы, чтобы ключ был уничтожен по окончании разговора и никто не смог бы воспользоваться им.

Уничтожение информации оказывается делом гораздо более сложным, чем это можно себе представить.

Когда вы удаляете файл с магнитного диска (жесткого, гибкого диска), данные в действительности не уничтожаются. (Поэтому и возможно их восстановление с помощью утилиты unerase.) Файл попросту помечается как «удаленный», и впоследствии соответствующие биты перезаписываются новыми данными. Единственный способ полностью удалить файл с магнитного диска состоит в том, чтобы записать на его место другой файл. Некоторые утилиты удаления именно это и делают.

Менее известно, что существуют технологии, позволяющие восстановить удаленные данные, даже если на их место были записаны новые. Я не буду вдаваться в премудрости этой науки, но вы можете представить, что перезапись некоего фрагмента является попросту записью в его начало. Некоторые данные, расположенные ниже, сохраняются. И когда вы вновь производите перезапись, сохраняются фрагменты двух предыдущих записей, и т. д. Технология, известная под названием «магнитная микроскопия», позволяет восстановить данные после многократной перезаписи. Сколь много может быть перезаписей, точно не известно, некоторые утверждают, что до десяти.

Эти «микроскопы» достаточно дороги (хотя любительские версии дешевеют), и проверки такого рода доступны только государственным структурам. Если у вас возникает беспокойство в связи с интересом государственных служб, единственным действенным способом уничтожения информации на магнитном диске будет стереть его в порошок.

Уничтожить данные, оказавшиеся в аппаратуре, нелегко. Как SRAM, так и DRAM сохраняют некоторые следы данных после отключения питания. Биты, содержащиеся в RAM, могут быть восстановлены путем определения изменений содержимого ячейки памяти. Изменением температуры чипа и подаваемого напряжения можно достичь восстановления удаленных данных. Существует множество физических методов, которые применимы для этих целей.

Оборудование для военной криптографии в США построено таким образом, чтобы уничтожать, или «обнулять», ключи в случае вторжения. Это нелегкая задача, и тому есть две причины: удалить данные непросто, а кроме того, нужно еще успеть сделать это вовремя. Были разработаны специальные датчики, сигнализировавшие о попытках проникновения внутрь оборудования. Они реагируют на изменение различных параметров: напряжения и силы тока, освещенности и температуры. Однако если нападающий знает, что представляют собой эти датчики, он в состоянии их обойти. (Он может работать при таком освещении, к длине волны которого датчик нечувствителен, или может медленно изменять температуру, чтобы обмануть его, а также использовать множество других приемов.) Опять-таки, это проблема в первую очередь государственных структур, и она очень сложна.

Одна из основных трудностей состоит в том, что устройство должно обеспечивать полную сохранность ключей в нормальных условиях и полностью удалять их, не оставляя следов, в чрезвычайных ситуациях. Если используется хорошая технология обеспечения сохранности ключей, неизбежно возникают трудности С их уничтожением. Решить сразу обе противоречащие друг другу задачи весьма непросто.

Коммерческие системы сталкиваются с этой проблемой в тех случаях, когда требуется, чтобы владелец устройства, например смарт-карты или приемника передач платного телевидения, не мог добраться до его секретов. Я уже говорил о системах сопротивления вторжению и способах их преодоления. Техника «обнуления» позволяет обезопаситься от нападений этого рода. Однако существуют способы борьбы и с «обнулением». В основном коммерческие системы не приобретают права на использование «обнуления» (мне известно только одно устройство коммерческого назначения, имеющее государственный сертификат «обнуления» FIPS 140-3), поскольку стоит это весьма дорого.

 

Глава 17

Человеческий фактор

Обеспечить компьютерную безопасность трудно (может быть, даже невозможно), однако представьте на минуту, что нам это удалось сделать. Где необходимо, применяется мощная криптография, протоколы безопасности безупречно выполняют свои функции. В нашем распоряжении имеются как надежное оборудование, так и надежное программное обеспечение. Даже сеть, в которой мы работаем, совершенно безопасна. Чудесно!

К несчастью, этого еще недостаточно. Сделать что-либо полезное эта замечательная система может лишь при участии пользователей. И это взаимодействие человека с компьютером таит в себе наибольшую угрозу из всех существующих. Люди часто оказываются самым слабым звеном в системе мер безопасности, и именно они постоянно являются причиной неэффективности последних.

Когда я начинал давать консультации различным компаниям по вопросам криптографии, я обещал потенциальным клиентам, что смогу более или менее надежно защитить их данные, однако использование этих данных людьми будет представлять постоянную угрозу безопасности. С годами я стал более циничен и говорю будущим клиентам, что в отношении безопасности математический аппарат безупречен, компьютеры же уязвимы, сети вообще паршивы, а люди просто отвратительны. Я изучил множество вопросов, связанных с обеспечением безопасности компьютеров и сетей, и могу утверждать, что не существует решения проблемы человеческого фактора. Обезопасить что бы то ни было от воздействия человека вообще очень трудно.

Люди не понимают, что такое компьютер. Он представляется им загадочным «черным ящиком», в котором что-то происходит. Они доверяют его сообщениям и хотят лишь одного – чтобы их работа делалась.

Люди не понимают, что такое опасность, может быть, за исключением разве только случаев явной угрозы. Они запирают двери и задвигают шпингалеты на окнах. Идя по темной аллее, они стараются убедиться в том, что их никто не преследует. Но они не осознают скрытую опасность и не задумываются о том, что в сверток может быть заложена бомба или что продавец в уютном ночном магазинчике может продавать на сторону номера кредитных карт. И почему, собственно, они должны беспокоиться? Такое ведь почти никогда не случается.

Средства компьютерной безопасности работают в цифровом мире. Перевести информацию в царство цифр непросто, а сохранить ее там попросту невозможно. Помните «безбумажный офис» прошлого года? Информация никогда не остается в компьютере и постоянно переносится на бумагу. С точки зрения взломщика, информация, хранящаяся в бумажных папках, ничуть не хуже той, что содержится в компьютерных папках. Бумаги, выброшенные в корзину, часто представляют большую ценность, нежели содержащиеся в компьютере сведения. Их легче похитить и труднее пропустить что-либо важное. Компания, в которой тщательно шифруются все данные, но оставляются незапертыми кабинеты или не уничтожаются выброшенные в корзину бумаги, открывает себя для нападений.

Я намерен рассмотреть шесть аспектов проблемы человеческого фактора.

• Как люди воспринимают опасность.

• Как люди относятся к редко происходящим событиям.

• Как люди доверяют компьютерам, и почему это может быть столь опасно.

• Почему бесполезно просить людей принимать разумные меры безопасности.

• Какую опасность представляют внутренние враги.

• Что такое манипулирование людьми, и почему нападающим бывает легко получить секретные сведения.

Это все выглядит не слишком красиво.

Риск

Люди не умеют анализировать риски. Они не понимают, насколько это плохо, когда их система уязвима для нападений. В случае нападения они не приходят к обоснованному заключению о том, на что это похоже. Они не способны рассмотреть проблему безопасности и принять разумное решение о том, что же следует делать в этой ситуации.

Проблема состоит не только в недостатке информации, часто опасность оценивают совершенно неправильно, располагая при этом достаточными сведениями.

Изучение этого явления показывает, что чаще всего люди неправильно оценивают риск землетрясений, авиа– и автокатастроф, пищевых отравлений, несчастных случаев при прыжках с парашютом и т. д. и т. п. Переоценивают опасность в тех случаях, когда (1) невозможно повлиять на развитие событий (например, возможность отравиться в ресторане) и (2) средства массовой информации нагнетают обстановку (например, возможность стать жертвой террористического акта). Недооцениваются опасность обыденных вещей и риск в повседневных ситуациях (например, возможность упасть с лестницы или оказаться под колесами автомобиля). Конечно, недостаток информации усугубляет проблему.

Всякое событие имеет большую или меньшую вероятность. Существует определенная вероятность, что криптография, меры компьютерной безопасности окажутся действенными, что оценка опасности будет правильной. Опасность имеет свою вероятность, так же как и безопасность.

Чтобы прояснить понятие вероятности, сыграем с Алисой в нехитрую игру. Будем подбрасывать монетку, и если выпадет орел, то в выигрыше Алиса, если решка – выигрыш наш. Но сперва мы попросим показать нам монету, так как хотим убедиться в том, что она «правильная». Пожалуйста, говорит Алиса, можете рассмотреть ее со всех сторон.

Мы бросаем монету, и выпадает решка. Это единичное событие не несет никакой другой информации, кроме той, что по крайней мере одна из сторон монеты выглядит таким образом. Итак, мы бросаем монету десять раз, и в шести случаях выпадает орел. Означает ли это, что монета «неправильная»? Возможно. Алиса спешит заметить, что если бросать «правильную» монету по десять раз, то в 38% случаев шесть раз выпадет орел. Это означает, что если взять сотню «правильных» монет и бросать каждую из них по десять раз, то 38 монет из ста шесть раз упадут орлом вверх. Трудно заподозрить здесь жульничество.

Далее, мы бросаем монету сто раз, и в шестидесяти случаях выпадает орел. Алиса напоминает нам, что если подбрасывать «правильную» монету сериями по сто раз, в 2,3% случаев она может шестьдесят раз упасть орлом вверх. Монета все еще может считаться «правильной».

Предположим, мы бросили монету миллион раз. Наиболее правдоподобный результат должен быть таков: 500 000 раз выпал орел и столько же – решка. Однако в нашем случае он оказался иным: 600 000 раз выпал орел, а решка – 400 000. Несмотря на уверения Алисы в том, что такая возможность все же существует, хоть и одна на десять миллиардов, мы предпочитаем думать, что монета утяжелена с одной стороны. Хотя наша уверенность основана лишь на оценке вероятности, поверить в то, что монета «правильная», просто невозможно.

Теперь мы, скорее всего, откажемся использовать эту монету в игре с Алисой, хоть она и протестует, утверждая, что монета «правильная». Это будет благоразумное решение, несмотря на то что формально Алиса права. Невозможно доказать, что монета утяжелена, не разрезав ее на части и не взвесив их по отдельности. Все, что мы можем сделать в этой ситуации, это продолжать собирать все более убедительные свидетельства «неправильности» монеты.

Очень часто наша уверенность основана на повторяемости событий. Мы уверены в том, что Солнце взойдет на востоке потому, что так происходит каждое утро на протяжении миллиардов лет. Это обстоятельство, без сомнения, свидетельствует о том, что вероятность иного развития событий бесконечно мала. (Сейчас мы располагаем убедительными астрономическими доказательствами, но в прежние времена люди были уверены в том, что Солнце взойдет на востоке, задолго до того, как коперниканская система вытеснила птолемеевскую.) Мы верим в то, что вода, которую мы пьем, безопасна, потому что едва ли можем припомнить случай, когда мы ею отравились. (В некоторых странах третьего мира, впрочем, это далеко не распространенное убеждение.) Мы полагаемся, что официант не снимет лишние деньги с нашей кредитной карты, поскольку раньше официанты всегда были с нами честны. И мы верим в то, что сообщение, полученное по электронной почте, пришло именно от того лица, которое значится в заголовке, поскольку в пользу этого свидетельствует весь наш предшествующий опыт.

Многие криптографические методы существуют благодаря подобной уверенности. Большинство математических моделей основано на оценке вероятности. Криптография с привлечением открытого ключа использует простые числа, и лишь в одном случае из миллиарда число может оказаться в действительности не простым. Однонаправленные хэш-функции, возможно, уникальны: вероятность того, что два различных документа будут иметь одинаковое значение хэш-функций, составляет один к 2^80. Алгоритм шифрования AES предоставляет 2^128 различных ключей, таким образом, вероятность того, что нападающий с первого раза подберет ключ, составляет один к 2^128. Некоторых беспокоят эти цифры, и это объясняется их представлениями о том, что можно обеспечить абсолютную надежность. Однако наступление события, имеющего вероятность один к 2^80, гораздо менее правдоподобно, чем, например, возможность сделать ставку при игре в рулетку на один единственный номер и выиграть пятнадцать раз подряд или дважды подряд получить наилучший набор карт при игре в бридж, или возможность того, что при игре в покер четыре раза подряд придет флеш-рояль.

В этом смысле средства безопасности работают. Большинство устройств сигнализации имеют четырехзначный код, поэтому вероятность того, что взломщик сможет отключить сигнал тревоги, составляет одну десятитысячную. Если цифровой замок имеет три набора по 36 различных комбинаций, вероятность открыть его с первой попытки составляет один на 47 000. Отпечатки пальцев не настолько уникальны, как кажется: существует вероятность, составляющая 0,1%, что постороннее лицо будет идентифицировано как имеющее права доступа. Вот все, что хотелось сказать о вероятности.

Действия в чрезвычайных ситуациях

Опасность, таящаяся в компьютеризированных системах, состоит среди прочего в том, что они столь редко ошибаются, что люди не готовы к чрезвычайным ситуациям. Распространенное убеждение состоит в том, что компьютер не может ошибиться. На самом деле это происходит постоянно, и «плохие» хакеры рады воспользоваться этим.

Один мой приятель установил у себя дома сигнализацию. Когда она срабатывала, обслуживающая его компания должна была связаться с полицией. Приятель мог отправить сигнал, с помощью которого он сообщил бы компании о том, что это – ложная тревога (поскольку полицейским не хотелось выезжать по каждому вызову без разбора). Также имелся другой сигнал (duress code – сигнал о противозаконном принуждении под угрозой насилия) на всякий случай, который означал: «Мне в голову направлено ружье, и меня вынудили сообщить вам, что это была ложная тревога. Это неправда. Помогите!»

Однажды приятель нечаянно подал сигнал тревоги, и, конечно, уведомил компанию о том, что это была ошибка. Случайно он отправил после этого и сигнал, который мы только что описали. Он сразу осознал свою ошибку и исправил ее. Женщина, принимавшая сообщения, испытала огромное облегчение и сказала: «Благодарение Богу! Я не знала, что мне делать».

Когда сигнализация срабатывает несколько раз в неделю, даже если это ложная тревога, люди знают, что делать. Если же это случается раз в несколько лет, может оказаться, что никто не сталкивался с подобной ситуацией и не знает, как следует поступить. Самодовольные пользователи часто подвергаются нападениям. В этот момент они не отдают себе отчета в происходящем и видят причину неполадок в чем-то другом. Помните Чернобыль? «Эта красная лампочка никогда не загоралась раньше. Интересно, что это значит?…»

Именно поэтому всех нас еще в начальной школе обучают действиям по пожарной тревоге. Мы должны быть готовы к чрезвычайным ситуациям – учения помогают избежать паники и подготавливают нас к мысли, что нечто подобное может случиться. Я никогда не был на пожаре, но знаю, что делать в таком случае. Со мной, скорее всего, все будет в порядке. То же самое можно сказать о путешествиях по воздуху. Когда вдруг сверху падают кислородные маски, никто не собирается попусту отрывать пассажиров от чтения романов и заставлять выяснять, что означают эти глупые выходки… Кассир в банке тоже должен быть внимателен и в подозрительной ситуации не думать так: «Банковский компьютер велит мне выдать этому человеку миллион долларов наличными. Кто я такой, чтобы спорить с компьютером?» Диспетчер ядерного реактора должен быть готов к чрезвычайной ситуации, чтобы не размышлять, что же может означать мигание красной лампочки.

К несчастью, ложные тревоги столь часты, что люди привыкают не обращать на них внимания. «Эта красная лампочка никогда не загоралась раньше. Интересно, что это значит?…» Бывает, однако, еще хуже: «Красная лампочка постоянно вспыхивает, и это ровным счетом ничего не значит. Не стоит обращать внимания». (Вспомните сказку про пастушка, который кричал: «Волки! Волки!») Хуже всего, если надоедливую лампочку вовсе отключат. Этим объясняется эффективность атак, направленных на отказ в обслуживании, и некоторые их сценарии я приводил в главе 3.

Если нападающему удается сломать брандмауэр и перекрыть доступ к сети законным пользователям (атака, приводящая к отказу в обслуживании), они будут недовольны и потребуют, чтобы брандмауэр был отключен до тех пор, пока проблема не будет решена. Когда нападающему удастся вызвать постоянные сбои в работе засекреченной телефонной связи, люди, пользующиеся ею, потеряют терпение и станут вести переговоры по обычному телефону.

Такова человеческая природа. Людям хочется общаться друг с другом, и средства безопасности не должны, по меньшей мере, мешать им. Трудно представить себе, что люди откажутся от разговоров по телефону только потому, что зашифрованная связь не работает. Даже дисциплинированные военные не в силах удержаться от переговоров, когда не могут воспользоваться секретной связью; если уж они неспособны на это, не приходится ожидать такого геройства от простых смертных.

Взаимодействие человека с компьютером

Мы уже говорили о том, что наиболее небезопасна та система, которая не используется. И чаще всего безопасной системой не пользуются потому, что она вызывает раздражение.

Недавно я выполнял некую работу для одной международной корпорации. Беспокойство вызывало то обстоятельство, что ее руководство часто использовало незащищенную телефонную связь: обычные линии и сотовые телефоны; нередко ему приходилось пользоваться связью в других странах. Чем я мог им помочь? Можно было использовать средства шифрования переговоров, и мы обсудили эти возможности. Качество звука было ниже, чем у обычных телефонов, и оставляло желать лучшего. Инициализация алгоритма шифрования при звонке вызывала задержку на несколько секунд. Телефонные аппараты имели чуть большие размеры, нежели самые миниатюрные и модные сотовые телефоны. Однако переговоры были бы засекречены.

Руководство было не слишком довольно. Ему хотелось иметь безопасную связь, но оно не было готово смириться с плохой передачей звука и задержкой в начале разговора. В конце концов, оно вернулось к обычным незащищенным телефонам.

Люди стремятся к безопасности, но не хотят терпеть неудобства, которые возникают при использовании соответствующих средств. Полезно было бы побеседовать с людьми, которые помнят те времена, когда двери в их жилища были впервые оборудованы замками. Таких людей еще можно встретить в сельской местности. (В городах дома запирались столетиями, а в деревне люди долгое время обходились без запоров на дверях.) Они могут рассказать, каким наказанием были для них дверные замки. Приходилось вначале искать ключ, затем вставлять его в замок и проворачивать там… и все это лишь для того, чтобы попасть в свой собственный дом. Поначалу ключи забывали или вовсе теряли – все это вызывало досаду и раздражение. Конечно, преступность существовала всегда, и дверные замки были полезной вещью, однако люди противились новшествам. Я знаю людей, которые до сих пор оставляют двери незапертыми. (Порочное убеждение: «Со мной это никогда не случится» – чрезвычайно живуче.)

То же самое можно сказать и о средствах компьютерной безопасности. Разыщите людей, которые работали на компьютерах еще в ту эпоху, когда не существовали пароли, допуски и ограничения. Спросите их, как им понравилось введение мер безопасности? Поинтересуйтесь, не пытались ли они обойти средства безопасности просто потому, что так проще работать? Даже сегодня, когда неумолимо приближается срок сдачи работы, люди не долго думая легко игнорируют средства защиты. Они оставят открытым черный ход, облегчая посторонним проникновение внутрь здания, и выдадут свой пароль или уберут брандмауэр, лишь бы работа была выполнена. Джон Дейч (John Deutch), бывший директор ЦРУ, приносил домой секретные файлы на своем незащищенном портативном компьютере просто потому, что так было удобнее.

Безопасность – это некоторый компромисс. Средства безопасности проще в тех случаях, когда они видны пользователю и он вынужден иметь с ними дело, принимая адекватные решения, как, например, при проверке имени на цифровом сертификате. С другой стороны, пользователям не хочется иметь дело со средствами безопасности. Тот, кто разрабатывает защиту смарт-карты, тоже не хочет, чтобы средства безопасности были видны клиенту. Он знает, что люди считают меры безопасности обременительными и стараются обходить их по мере возможности, поэтому они каждый раз будут обманывать систему защиты карты. Людям нельзя доверить реализацию политики компьютерной безопасности, поскольку они столь безответственны, что оставляют незапертыми двери своих автомобилей, теряют бумажники и не могут удержаться и не выболтать кому попало девичью фамилию матери.

Люди ненадежны и не поступают должным образом. Исследования, проводившиеся в университете Карнеги-Меллона (Carnegie Mellon University) в 1999 году, показали, что большинство людей не умеют правильно использовать программу шифрования электронной почты PGP. Из двенадцати человек, участвовавших в эксперименте, восемь так и не удосужились узнать, как работает PGP 5.0. Четверо случайно отправляли незашифрованными сообщения, содержавшие конфиденциальную информацию. И это при том, что программа имеет удобный графический интерфейс (справедливости ради следует отметить, что версия PGP 6.0 и более поздние имеют лучший пользовательский интерфейс).

И конечно, от них нельзя ожидать разумных решений в вопросах безопасности. Можно было предположить, что после паники 1999 года в связи с вирусами Melissa и Worm.ExploreZip люди не станут открывать вложения, которых не ожидали увидеть в своей почте. Однако темпы распространения червя ILOVEYOU (и десятков его разновидностей) свидетельствуют о том, что люди ничему не учатся… особенно когда многие компании зарабатывают на том, что пользователи обмениваются любопытными вложениями.

Браузеры используют цифровые сертификаты для того, чтобы обеспечить безопасность соединений. Когда они получают сертификат, они не обязательно предоставляют сведения об идентификации тому, кто находится на другом конце соединения. Это имеет существенное значение для безопасности, поскольку соединение не может считаться безопасным, пока не будет известно, кто находится на другом его конце. Большинство людей не беспокоятся о том, чтобы взглянуть на сертификат, и даже не знают, что это следовало бы сделать (или как это можно сделать).

Те же браузеры могут выводить на экран предупреждения перед загрузкой апплетов Java. Пользователя спрашивают, доверяет ли он некоторому веб-серверу, с которого отправляется апплет. Пользователь не имеет представления о том, стоит ему доверять ему или нет. Или не беспокоится об этом. Если некто, бесцельно блуждающий по Интернету, щелкает на кнопке, обещающей вывести на экран пляшущих поросят, и получает предупреждение о возможных опасностях апплета, он сделает выбор в пользу поросят, а не стабильной безопасности своего компьютера. Если его попытаются образумить предупреждением вроде: «Апплет DANCING PIGS может содержать вредоносный код, способный вызвать непоправимые повреждения вашего компьютера, похитить все ваши сбережения и лишить вас способности к деторождению», он щелкнет ОК, даже не прочитав его. Через тридцать секунд он и не вспомнит, было ли подобное предупреждение.

Автоматизм действий пользователя

Когда в главе 6 я излагал основы криптографии, я говорил о том, как Алиса и Боб шифруют, расшифровывают, подписывают и верифицируют сообщения и документы. Например, я упоминал, как Алиса может применять шифрование с помощью открытого ключа: если она найдет ключ Боба в телефонной книге, она может использовать его для шифрования своего сообщения Бобу. На самом деле все совсем не так. Алиса никогда не шифрует и не подписывает свои сообщения Бобу. Она никогда не расшифровывает входящие сообщения. Она вообще не занимается криптографией. Все, что она делает, так это щелкает на соответствующей кнопке, а компьютер шифрует или подписывает сообщения и вообще делает то, чего хочет Алиса. В этом состоит принципиальное отличие.

Представьте себе, что в будущем мы будем постоянно подписывать цифровые документы. Как это будет выглядеть? Алиса составит документ с помощью некоторого приложения – текстового редактора, почтовой программы и т. п. – и щелкнет на определенном значке, чтобы сообщить о своей готовности подписать его. Приложение вызовет некоторую программу, которая создаст подпись. Алиса введет свой пароль (слово или целую фразу) или приложит палец к устройству идентификации, или еще каким-либо способом подтвердит, что она именно та, за которую себя выдает. Программа составит цифровую подпись и передаст ее вызвавшему приложению для присоединения к документу. Вуаля – подпись готова. Возможно, Алиса даже проверит подпись (снова с помощью компьютера), чтобы убедиться, что она правильная.

Это то, что я называю автоматизмом действий пользователя (human-computer transference). Алиса знает, чего она хочет, – подписать документ. Она должна иметь определенные гарантии того, что компьютер сделает именно то, что ей нужно. Однако обеспечить безопасность не так просто.

Предположим, мы хотим заставить Алису подписать нечто, что ей подписывать не хочется. Это легко сделать, если она поверит в то, что подписывает именно тот документ, который видит на экране. Нам нужно заставить компьютер обмануть Алису.

Мы напишем троянского коня, который будет размещаться в программе, создающей цифровую подпись. Этот троянский конь будет содержать документ, который мы хотим подсунуть Алисе, – несомненно, или что-нибудь постыдное, или сулящее выгоду, – и код для его подписания. Единственное, чего не хватает троянскому коню, – это ключа Алисы. Когда она вводит свой пароль, чтобы подписать какое-нибудь сообщение для нас, троянский конь подсовывает вместо него компрометирующий документ. Программа, создающая цифровую подпись, возвращает ее основному приложению, которое присоединяет подпись к документу, который Алиса действительно собиралась заверить. Если она попытается проверить подпись, троянский конь снова подсунет подделку, и программа, создавшая подпись, подтвердит, что она правильная. Таким образом, троянский конь может заставить компьютер солгать Алисе. Затем она отправляет нам свое сообщение с ошибочной подписью – составленной для совершенно другого документа. Мы присоединяем эту подпись к копии нашей подделки и звоним в Washington Post. Тем временем троянский конь самоуничтожается, и все возвращается в исходное состояние.

Это легко реализовать в среде Windows: можно создать макрос, который будет попросту наблюдать за «открытым файлом» диалога PGP, копировать свой собственный файл под именем того, который как раз собирается подписать Алиса, и впоследствии возвращать старый файл на место. Язык макрокоманд программы Word позволяет сделать это, поэтому совсем не трудно создать такой макровирус.

Это всего лишь один пример. Троянский конь может подсунуть для подписи оба документа и переслать подделку позже, в подходящий момент. Или просто похитить ключ Алисы.

В этом нет ничего сложного, программирование – простое дело. Во всяком случае, если мы достигнем успеха, мы завладеем опасным для Алисы документом с ее подписью. Мы можем размахивать им в суде или передать журналистам, обоснованно заявляя, что под документом стоит действительная подпись. Однако вероятнее всего, что нас постигнет неудача. Как только кто-нибудь напишет троянского коня, подделывающего подписи, он распространится повсеместно. И если документ будет предъявлен в суде, одна из сторон может представить свидетельство экспер