Метод формирования электронной цифровой подписи на основе открытого коллективного ключа для электронного документооборота предприятия

В современных условиях увеличение количества информации, обрабатываемой, передаваемой и хранимой в автоматизированных системах управления (АСУ) предприятий и организаций привело к повышению актуальности задач [2, 16, 31]: обеспечения конфиденциальности, целостности, неотрицания авторства электронного документасоздания защищенного электронного документооборотаобеспечения высокой скорости обработки и подписания электронного документа.

В настоящее время основу обеспечения безопасности электронного документооборота (ЭД) составляют системы электронной цифровой подписи (ЭЦП) [2, 20, 31, 44]. Наиболее широко применяемым видом ЭЦП является индивидуальная подпись. Однако вариант «один документ — одна подпись» является не единственным, требуемым на практике. В частности, вопросы передачи документов от имени некоторого коллегиального органа или от имени совокупности субъектов делают актуальным вопрос разработки таких систем ЭЦП как: групповая, кратная ЭЦП и ЭЦП на основе открытого коллективного ключа.

Современные системы электронного документооборота позволяют обрабатывать и подписывать документ одновременно только одним пользователем, что увеличивает время обработки и подписания документа, если его должны подписать несколько пользователей. Следовательно, размер ЭЦП увеличивается пропорционально числу пользователей, подписывающих электронный документ, в несколько раз. Кроме того, процедура проверки подлинности подписи подразумевает проверку подписей всех подписавших.

В области теории и практики разработки ЭЦП, как в нашей стране, так и за рубежом, издано большое количество трудов. Из их числа следует отметить работы Эль-Гамаля Т., Шнорра К., Рабина М., Коблица Н.,.

Ростовцева А.Г., Черемушкина А. В., Молдовяна Н. А., Еремеева М. А., Маховенко Е. Б. и др. [27, 28, 40, 44, 45, 54, 63, 68, 69, 78].

Создание метода формирования и проверки электронной цифровой подписи на основе открытого коллективного ключа (ЭЦП ОКК) даёт возможность обработки и подписания документа одновременно несколькими пользователями. При этом размер ЭЦП не увеличивается, что позволяет сократить объем избыточной информации, необходимой для аутентификации электронных документов и упростить протокол поддержки такой ЭЦП. Время на подписание документа остается прежним, как и при стандартной процедуре подписи, а время проверки подлинности ЭЦП уменьшается.

Таким образом, выявлена проблемная ситуация, определяемая как противоречие между необходимостью обеспечения подлинности и сохранения целостности информации в автоматизированной системе предприятия при коллективной обработке электронных документов и несоответствием существующих методов, алгоритмов и средств организации защищенного электронного документооборота современным требованиям защищенности, функциональности и оперативности.

Разрешение данной проблемной ситуации требует создания метода формирования и проверки электронной цифровой подписи на основе открытого коллективного ключа.

Объектом исследования является система защищенного электронного документооборота (СЗЭД) в автоматизированной системе управления предприятия, а предметом — методы создания и проверки электронной цифровой подписи при организации электронного документооборота.

Целью исследования является повышение оперативности обработки информации в защищенном электронном документообороте предприятия. Для достижения поставленной цели решалась научная задача построения схем электронной цифровой подписи на основе открытого коллективного ключа и криптографических конструкций на эллиптических кривых (ЭК).

Достижение поставленной цели и решение научной задачи потребовало решения следующих частных задач исследований:

1. Проведения анализа современных методов и средств защиты систем электронного документооборота.

2. Осуществления выбора системы ЭЦП как основного механизма обеспечения оперативного защищенного электронного документооборота.

3. Разработки метода формирования и проверки ЭЦП ОКК.

4. Разработки алгоритма выбора параметров ЭЦП ОКК.

5. Разработки методики организации защищенного документооборота предприятия.

6. Разработки программного комплекса по реализации ЭЦП ОКК и рекомендации по её внедрению в систему защищенного электронного документооборота.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод формирования и проверки электронной цифровой подписи на основе открытого коллективного ключа, использующий эллиптическую криптографию.

2. Алгоритм выбора параметров ЭЦП ОКК, позволяющий повысить оперативность обработки информации.

3. Методика организации защищенного документооборота в АСУ предприятия и рекомендации по программно-аппаратной реализации ЭЦП ОКК.

Методы выполнения исследований. Для решения задач диссертационного исследования в работе применялись методы системного анализа, теории множеств, теории чисел и алгебраической геометрии. В ходе разработки предлагаемого метода и проверки его работоспособности проводились вычислительные эксперименты.

Достоверность полученных результатов диссертационной работы определяется корректным использованием математического аппарата теории чисел, совпадением теоретических результатов по использованию вычислительных задач высокой сложности с результатами вычислительных экспериментов, апробированием результатов на научных конференциях.

Научная новизна работы состоит в обосновании и разработке метода формирования и проверки электронной цифровой подписи на основе открытого коллективного ключа и криптографических конструкций с использованием эллиптических кривых, позволяющего повысить оперативность совместной обработки электронных документов при сохранении требуемого уровня защищённости.

Практическая значимость работы состоит в разработке программного комплекса ЭЦП ОКК и возможности его реализации в существующих и перспективных СЗЭД, что позволит повысить оперативность обработки электронных документов.

Результаты проведённых исследований изложены в четырех главах.

В первой главе отмечается значимость внедрения защищённого электронного документооборота в структуру автоматизированных систем управления предприятием. Показано, что внедрение защищённого электронного документооборота (ЭД) позволяет обеспечить: подлинность информации, автоматизацию работы с документами, систематизацию хранения информации, уменьшение количества бумажных документов, облегчение работы пользователей.

Проводится анализ современных систем ЭД и выявляются их недостатки с позиций обеспечения информационной безопасности.

В общем виде сформулированы подходы к устранению указанных недостатков: внедрение юридически значимой ЭЦП по схемам ГОСТ и альтернативным схемамрасширение функциональности схем ЭЦПобеспечение разграничения прав доступаполная поддержка жизненного цикла электронного документавнедрение возможностей совместной работы с документами и управление потоками работповышение удобства работы пользователя.

Определены цель проведения диссертационного исследования и частные задачи исследования.

Во второй главе на основе применения теоретико-множественного подхода выполнена постановка научной задачи исследования.

При разработке метода формирования и проверки ЭЦП ОКК предложено использовать групповой закон сложения точек эллиптической кривой.

Разработан обобщенный метод формирования и проверки ЭЦП ОКК, который состоит из трёх этапов: формирования ЭЦП ОКК на основе генерации индивидуальных параметров подписи и применения функции, отображающих их в коллективный параметр подписисобственно создание ЭЦП ОКК и отправка её вместе с электронным документом соответствующим пользователям АСУ предприятияпроверка ЭЦП ОКК с использованием открытого коллективного ключа.

Произведено сравнение характеристик обычной и ЭЦП ОКК для т пользователей, которое показало, что сложность генерации подписи является одинаковой, а сложность проверки ЭЦП ОКК в т раз меньше.

Исследована реализуемость ЭЦП ОКК на основе известных алгоритмов ЭЦП и показана возможность разработки ЭЦП ОКК с использованием отечественных стандартов цифровой подписи и схемы Шнорра.

На основе стандарта ЭЦП РФ ГОСТ Р 34.10−2001 разработана схема формирования и проверки ЭЦП ОКК, которая соответствует обобщенному методу ЭЦП ОКК.

Третья глава диссертационной работы посвящена разработке алгоритма выбора параметров ЭЦП ОКК.

Показано, что параметрами, от которых зависит безопасность систем ЭЦП в целом и ЭЦП ОКК в частности, с применением ЭК, являются:

— вид конечного поля;

— характеристика поля и (или) его расширения;

— уравнение ЭК;

— порядок циклической подгруппы точек ЭК;

— генератор подгруппы точек ЭК.

Выявлен ряд свойств кривых, при которых существенно уменьшается стойкость. Поскольку основным параметром, определяющим стойкость, является величина порядка группы на кривой, был разработан алгоритм выбора параметров ЭЦП ОКК, основанный на выборе параметров ЭК с требуемым порядком группы. Результатом выбора параметров ЭЦП ОКК является уравнение ЭК с порядком группы, удовлетворяющим требуемой стойкости и скорости преобразования.

Применение данного алгоритма позволяет осуществлять поиск уравнения ЭК для создания ЭЦП ОКК с требуемым уровнем стойкости за конечное число шагов с невысокой временной сложностью.

Четвертая глава посвящена разработке методики организации защищенного документооборота в АСУ предприятия и обоснованию практических рекомендаций по программно-аппаратной реализации ЭЦП ОКК.

Методика организации защищенного электронного документооборота опирается на обследование АСУ предприятия, анализ организационной структуры и информационных потоков. Кроме того, в методику включены вопросы: создания удостоверяющего центра в структуре АСУ предприятия для придания легитимности и юридической значимости защищённого электронного документооборотаразработки требований и организация процессов ЭД в АСУ предприятия (формирование, отправка, доставка, проверка подлинности, подтверждение получения, отзыв, учёт, хранение электронных документов) — определения правил использования ЭЦП и ЭЦП ОКК в ЭДразработки требований и определения порядка создания криптографических ключей, выдачи электронных цифровых сертификатов, действий при компрометации ключей.

Составной частью предложенной методики является разработанный программный комплекс, в котором реализован метод формирования и проверки ЭЦП ОКК и алгоритм выбора параметров ЭЦП ОКК. Его возможности включают формирование ЭЦП и ЭЦП ОКК, проверку ЭЦП и ЭЦП ОКК, генерацию ключей подписи и проверки, генерацию эллиптической кривой, параметры которой удовлетворяют всем требованиям стандарта на ЭЦП. Назначение программного комплекса — обеспечение целостности и авторства хранимой и обрабатываемой информации в системе защищенного электронного документооборота предприятия на основе применения систем ЭЦП ОКК.

Проведено исследование безопасности ЭЦП ОКК в сравнении с системами ЭЦП подобного и других видов. Показано, что выигрыш в показателе безопасности при использовании аддитивной группы точек эллиптических кривых в сравнении с использованием мультипликативной группы кольца целых чисел зависит от длины ключа и может достигать нескольких порядков при равной длине ключа. Преимущество использования ЭК при создании ЭЦП ОКК подтверждается также результатами исследования скорости криптографического преобразования в зависимости от длины ключа.

В заключении сформулированы основные результаты работы, кратко охарактеризована их новизна и практическая ценность. Сделан вывод о степени выполнения поставленных задач и достижении цели исследований.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Основные результаты диссертации реализованы в Санкт-Петербургском филиале ФГУП «ЗащитаИнфоТранс» и в учебном процессе ФГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» при изучении дисциплины «Криптографические методы защиты информации».

Апробация. Основные результаты работы прошли апробацию в процессе докладов на II Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (Самара, 2005), 62-й научно-технической конференции «Неделя науки — 2002» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2002), 11-й, 12-й и 14-й международных научно-практических конференциях «Инфотранс-2006», «Инфотранс-2007» и «Инфотранс-2009», на плановых научных семинарах кафедры информатики и информационной безопасности ПГУПС.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 работах, в том числе: 11 статьях и докладах на научно-технических и научно-практических конференциях, из них одна в издании, рекомендованном ВАК Минобрнауки России, 2 отчетах НИР.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного содержания с выводами по каждой главе, заключения, списка литературы, включающего 80 наименований. Материалы диссертации изложены на 153 страницах, включающих 20 иллюстраций и 16 таблиц.

Выводы по 4 разделу.

1. Разработанные алгоритмы и программный комплекс генерации параметров ЭК, формирования и проверки ЭЦП целесообразно использовать для моделирования криптосистем, лежащих в основе систем защищённого электронного документооборота.

2. Были получены зависимости скорости выполнения различных операций от длины (разрядности) обрабатываемых чисел, скорости генерации параметров КГС от длины ключа и типа кривой, а также зависимости времени поиска секретного ключа от длины ключа. На основе полученных зависимостей, задавая возможности системы можно определить время, за которое можно осуществить взлом.

4. Все разработанные алгоритмы и программы соответствуют государственным стандартам и требованиям безопасности, позволяют строить ЭК, удовлетворяющие криптографическим требованиям, обеспечивают быструю генерацию и проверку цифровой подписи.

5. Криптосистемы на ЭК обладают высокой криптографической стойкостью. Для успешного криптоанализа систем на базе эллиптических.

140 кривых с длиной используемого ключа 256 бит понадобится не менее.

23 23.

6,516−10 и 3,86−10 лет при представлении кривой в аффинной и проективной плоскостях соответственно.

4. Разработан программный комплекс ЭЦП ОКК для применения в составе методики организации защищённого электронного документооборота в АСУ предприятия, который позволяет повысить оперативность и защищённость коллективной обработки информации. В частности время обработки электронных документов при их согласовании и совместном принятии решений уменьшается на 50−60%.

5. Разработанный подход к созданию ЭЦП ОКК не только обеспечивает значительное упрощение процесса аутентификации коллективных документов и повышает оперативность процедуры проверки ЭЦП, но и придает внутреннюю целостность аутентифицирующей информации. Предполагаемые области дальнейшего применения коллективной подписи: разработка крупных проектов, системы коллективного управления, системы управления государственными и силовыми структурами, финансы и бизнес.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе для достижения поставленной цели были получены следующие результаты.

1. В ходе проведённого анализа существующих систем электронного документооборота выявлены их основные недостатки и обоснована целесообразность применения электронной цифровой подписи на основе открытого коллективного ключа (ЭЦП ОКК) в системах защищённого электронного документооборота предприятия.

2. Разработан метод формирования и проверки электронной цифровой подписи на основе открытого коллективного ключа, использующий эллиптическую криптографию. Метод формирования и проверки электронной цифровой подписи на основе открытого коллективного ключа даёт возможность обработки и подписания документа одновременно несколькими пользователями. При этом размер ЭЦП не увеличивается. Время на подписание документа остается прежним, как и при стандартной процедуре подписи, а время проверки подлинности ЭЦП уменьшается в т-раз пропорционально количеству пользователей, участвующих в создании и подписании документа.

3. Разработан алгоритм выбора параметров ЭЦП ОКК, основанный на выборе ЭК, эффективных как по показателю криптостойкости, так и по показателю скорости выполнения криптографического преобразования. Применение данного алгоритма позволит повысить оперативность обработки информации при формировании и проверке электронной цифровой подписи.

4. Разработан программный комплекс ЭЦП ОКК для применения в составе методики организации защищённого электронного документооборота в автоматизированной системе управления предприятием, который позволяет повысить оперативность и защищённость коллективной обработки информации. В частности время обработки электронных документов при их согласовании и совместном принятии решений уменьшается на 50−60%.

5. Разработанный подход к созданию ЭЦП ОКК не только обеспечивает значительное упрощение процесса аутентификации коллективных документов и повышает оперативность процедуры проверки ЭЦП, но и придает внутреннюю целостность аутентифицирующей информации.

Предполагаемые области дальнейшего применения электронной цифровой подписи на основе открытого коллективного ключа: разработка крупных проектов, системы коллективного управления, системы управления государственными и силовыми структурами, финансы и бизнес.

Таким образом, поставленная научная задача решена, цель диссертационной работы достигнута.