Тема: "Криптография. Шифры, их виды и свойства"
Введение
1. История криптографии
2. Шифры, их виды и свойства
Заключение
Список литературы
То, что информация имеет ценность, люди осознали очень давно - недаром переписка сильных мира сего издавна была объектом пристального внимания их недругов и друзей. Тогда-то и возникла задача защиты этой переписки от чрезмерно любопытных глаз. Древние пытались использовать для решения этой задачи самые разнообразные методы, и одним из них была тайнопись - умение составлять сообщения таким образом, чтобы его смысл был недоступен никому кроме посвященных в тайну. Есть свидетельства тому, что искусство тайнописи зародилось еще в доантичные времена. На протяжении всей своей многовековой истории, вплоть до совсем недавнего времени, это искусство служило немногим, в основном верхушке общества, не выходя за пределы резиденций глав государств, посольств и - конечно же - разведывательных миссий. И лишь несколько десятилетий назад все изменилось коренным образом - информация приобрела самостоятельную коммерческую ценность и стала широко распространенным, почти обычным товаром. Ее производят, хранят, транспортируют, продают и покупают, а значит - воруют и подделывают - и, следовательно, ее необходимо защищать. Современное общество все в большей степени становится информационно обусловленным, успех любого вида деятельности все сильней зависит от обладания определенными сведениями и от отсутствия их у конкурентов. И чем сильней проявляется указанный эффект, тем больше потенциальные убытки от злоупотреблений в информационной сфере, и тем больше потребность в защите информации.
Широкое применение компьютерных технологий и постоянное увеличение объема информационных потоков вызывает постоянный рост интереса к криптографии. В последнее время увеличивается роль программных средств защиты информации, не требующих крупных финансовых затрат в сравнении с аппаратными криптосистемами. Современные методы шифрования гарантируют практически абсолютную защиту данных.
Целью данной работы является знакомство с криптографией; шифрами, их видами и свойствами.
Ознакомиться с криптографией
Рассмотреть шифры, их виды и свойства
Перед тем как приступить к собственно истории криптографии необходимо прокомментировать ряд определений, так как без этого все нижесказанное будет "слегка" затруднительным для понимания:
Под конфиденциальностью понимают невозможность получения информации из преобразованного массива без знания дополнительной информации (ключа).
Аутентичность информации состоит в подлинности авторства и целостности.
Криптоанализ объединяет математические методы нарушения конфиденциальности и аутентичности информации без знания ключей.
Алфавит - конечное множество используемых для кодирования информации знаков.
Текст - упорядоченный набор из элементов алфавита. В качестве примеров алфавитов можно привести следующие:
алфавит Z 33 - 32 буквы русского алфавита (исключая "ё") и пробел;
алфавит Z 256 - символы, входящие в стандартные коды ASCII и КОИ-8;
двоичный алфавит - Z 2 = {0, 1};
восьмеричный или шестнадцатеричный алфавит
Под шифром понимается совокупность обратимых преобразований множества открытых данных на множество зашифрованных данных, заданных алгоритмом криптографического преобразования. В шифре всегда различают два элемента: алгоритм и ключ. Алгоритм позволяет использовать сравнительно короткий ключ для шифрования сколь угодно большого текста.
Криптографическая система, или шифр представляет собой семейство Т обратимых преобразований открытого текста в шифрованный. Членам этого семейства можно взаимно однозначно сопоставить число k, называемое ключом. Преобразование Тk определяется соответствующим алгоритмом и значением ключа k.
Ключ - конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования данных, обеспечивающее выбор одного варианта из совокупности всевозможных для данного алгоритма. Секретность ключа должна обеспечивать невозможность восстановления исходного текста по шифрованному.
Пространство ключей K - это набор возможных значений ключа.
Обычно ключ представляет собой последовательный ряд букв алфавита. Следует отличать понятия "ключ" и "пароль". Пароль также является секретной последовательностью букв алфавита, однако используется не для шифрования (как ключ), а для аутентификации субъектов.
Электронной (цифровой) подписью называется присоединяемое к тексту его криптографическое преобразование, которое позволяет при получении текста другим пользователем проверить авторство и целостность сообщения.
Зашифрованием данных называется процесс преобразования открытых данных в зашифрованные с помощью шифра, а расшифрованием данных - процесс преобразования закрытых данных в открытые с помощью шифра.
Дешифрованием называется процесс преобразования закрытых данных в открытые при неизвестном ключе и, возможно, неизвестном алгоритме, т.е. методами криптоанализа.
Шифрованием называется процесс зашифрования или расшифрования данных. Также термин шифрование используется как синоним зашифрования. Однако неверно в качестве синонима шифрования использовать термин "кодирование" (а вместо "шифра" - "код"), так как под кодированием обычно понимают представление информации в виде знаков (букв алфавита).
Криптостойкостью называется характеристика шифра, определяющая его стойкость к дешифрованию. Обычно эта характеристика определяется периодом времени, необходимым для дешифрования.
С распространением письменности в человеческом обществе появилась потребность в обмене письмами и сообщениями, что вызвало необходимость сокрытия содержимого письменных сообщений от посторонних. Методы сокрытия содержимого письменных сообщений можно разделить на три группы. К первой группе относятся методы маскировки или стеганографии, которые осуществляют сокрытие самого факта наличия сообщения; вторую группу составляют различные методы тайнописи или криптографии (от греческих слов ktyptos - тайный и grapho - пишу); методы третьей группы ориентированы на создание специальных технических устройств, засекречивания информации.
В истории криптографии условно можно выделить четыре этапа: наивный, формальный, научный, компьютерный.
1. Для наивной криптографии (до начала XVI в) характерно использование любых, обычно примитивных, способов запутывания противника относительно содержания шифруемых текстов. На начальном этапе для защиты информации использовались методы кодирования и стеганографии, которые родственны, но не тождественны криптографии.
Большинство из используемых шифров сводились к перестановке или моноалфавитной подстановке. Одним из первых зафиксированных примеров является шифр Цезаря, состоящий в замене каждой буквы исходного текста на другую, отстоящую от нее в алфавите на определенное число позиций. Другой шифр, полибианский квадрат, авторство которого приписывается греческому писателю Полибию, является общей моноалфавитной подстановкой, которая проводится с помощью случайно заполненной алфавитом квадратной таблицей (для греческого алфавита размер составляет 5 × 5). Каждая буква исходного текста заменяется на букву, стоящую в квадрате снизу от нее.
2. Этап формальной криптографии (конец XV - начало XX вв) связан с появлением формализованных и относительно стойких к ручному криптоанализу шифров. В европейских странах это произошло в эпоху Возрождения, когда развитие науки и торговли вызвало спрос на надежные способы защиты информации. Важная роль на этом этапе принадлежит Леону Батисте Альберти, итальянскому архитектору, который одним из первых предложил многоалфавитную подстановку. Данный шифр, получивший имя дипломата XVI в. Блеза Вижинера, состоял в последовательном "сложении" букв исходного текста с ключом (процедуру можно облегчить с помощью специальной таблицы). Его работа "Трактат о шифре" считается первой научной работой по криптологии. Одной из первых печатных работ, в которой обобщены и сформулированы известные на тот момент алгоритмы шифрования, является труд "Полиграфия" немецкого аббата Иоганна Трисемуса. Ему принадлежат два небольших, но важных открытия: способ заполнения полибианского квадрата (первые позиции заполняются с помощью легко запоминаемого ключевого слова, остальные - оставшимися буквами алфавита) и шифрование пар букв (биграмм). Простым, но стойким способом многоалфавитной замены (подстановки биграмм) является шифр Плейфера, который был открыт в начале XIX в. Чарльзом Уитстоном. Уитстону принадлежит и важное усовершенствование - шифрование "двойным квадратом". Шифры Плейфера и Уитстона использовались вплоть до первой мировой войны, так как с трудом поддавались ручному криптоанализу. В XIX в. голландец Керкхофф сформулировал главное требование к криптографическим системам, которое остается актуальным и поныне: секретность шифров должна быть основана на секретности ключа, но не алгоритма.
Наконец, последним словом в донаучной криптографии, которое обеспечило еще более высокую криптостойкость, а также позволило автоматизировать процесс шифрования стали роторные криптосистемы.
Одной из первых подобных систем стала изобретенная в 1790 г. Томасом Джефферсоном механическая машина. Многоалфавитная подстановка с помощью роторной машины реализуется вариацией взаимного положения вращающихся роторов, каждый из которых осуществляет "прошитую" в нем подстановку.
Практическое распространение роторные машины получили только в начале XX в. Одной из первых практически используемых машин, стала немецкая Enigma, разработанная в 1917 г. Эдвардом Хеберном и усовершенствованная Артуром Кирхом. Роторные машины активно использовались во время второй мировой войны. Помимо немецкой машины Enigma использовались также устройства Sigaba (США), Турех (Великобритания), Red, Orange и Purple (Япония). Роторные системы - вершина формальной криптографии, так как относительно просто реализовывали очень стойкие шифры. Успешные криптоатаки на роторные системы стали возможны только с появлением ЭВМ в начале 40-х гг.
3. Главная отличительная черта научной криптографии (1930 - 60-е гг.) - появление криптосистем со строгим математическим обоснованием криптостойкости. К началу 30-х гг. окончательно сформировались разделы математики, являющиеся научной основой криптологии: теория вероятностей и математическая статистика, общая алгебра, теория чисел, начали активно развиваться теория алгоритмов, теория информации, кибернетика. Своеобразным водоразделом стала работа Клода Шеннона "Теория связи в секретных системах", которая подвела научную базу под криптографию и криптоанализ. С этого времени стали говорить о криптологии (от греческого kryptos - тайный и logos - сообщение) - науке о преобразовании информации для обеспечения ее секретности. Этап развития криптографии и криптоанализа до 1949 г. стали называть донаучной криптологией.
Шеннон ввел понятия "рассеивание" и "перемешивание", обосновал возможность создания сколь угодно стойких криптосистем. В 1960-х гг. ведущие криптографические школы подошли к созданию блочных шифров, еще более стойких по сравнению с роторными криптосистемами, однако допускающих практическую реализацию только в виде цифровых электронных устройств.
4. Компьютерная криптография (с 1970-х гг.) обязана своим появлением вычислительным средствам с производительностью, достаточной для реализации криптосистем, обеспечивающих при большой скорости шифрования на несколько порядков более высокую криптостойкость, чем "ручные" и "механические" шифры.
Первым классом криптосистем, практическое применение которых стало возможно с появлением мощных и компактных вычислительных средств, стали блочные шифры. В 70-е гг. был разработан американский стандарт шифрования DES. Один из его авторов, Хорст Фейстель описал модель блочных шифров, на основе которой были построены другие, более стойкие симметричные криптосистемы, в том числе отечественный стандарт шифрования ГОСТ 28147-89.
С появлением DES обогатился и криптоанализ, для атак на американский алгоритм был создано несколько новых видов криптоанализа (линейный, дифференциальный и т.д.), практическая реализация которых опять же была возможна только с появлением мощных вычислительных систем. В середине 70-х гг. ХХ столетия произошел настоящий прорыв в современной криптографии - появление асимметричных криптосистем, которые не требовали передачи секретного ключа между сторонами. Здесь отправной точкой принято считать работу, опубликованную Уитфилдом Диффи и Мартином Хеллманом в 1976 г. под названием "Новые направления в современной криптографии". В ней впервые сформулированы принципы обмена шифрованной информацией без обмена секретным ключом. Независимо к идее асимметричных криптосистем подошел Ральф Меркли. Несколькими годами позже Рон Ривест, Ади Шамир и Леонард Адлеман открыли систему RSA, первую практическую асимметричную криптосистему, стойкость которой была основана на проблеме факторизации больших простых чисел. Асимметричная криптография открыла сразу несколько новых прикладных направлений, в частности системы электронной цифровой подписи (ЭЦП) и электронных денег.
В 1980-90-е гг. появились совершенно новые направления криптографии: вероятностное шифрование, квантовая криптография и другие. Осознание их практической ценности еще впереди. Актуальной остается и задача совершенствования симметричных криптосистем. В этот же период были разработаны нефейстелевские шифры (SAFER, RC6 и др.), а в 2000 г. после открытого международного конкурса был принят новый национальный стандарт шифрования США - AES.
Таким образом, мы узнали следующее:
Криптология - это наука о преобразовании информации для обеспечения ее секретности, состоящая из двух ветвей: криптографии и криптоанализа.
Криптоанализ - наука (и практика ее применения) о методах и способах вскрытия шифров.
Криптография - наука о способах преобразования (шифрования) информации с целью ее защиты от незаконных пользователей. Исторически первой задачей криптографии была защита передаваемых текстовых сообщений от несанкционированного ознакомления с их содержанием, известного только отправителю и получателю, все методы шифрования являются лишь развитием этой философской идеи. С усложнением информационных взаимодействий в человеческом обществе возникли и продолжают возникать новые задачи по их защите, некоторые из них были решены в рамках криптографии, что потребовало развития новых подходов и методов.
В криптографии криптографические системы (или шифры) классифицируются следующим образом:
симметричные криптосистемы
асимметричные криптосистемы
2.1 Симметричные криптографические системы
Под симметричными криптографическими системами понимаются такие криптосистемы, в которых для шифрования и расшифрования используется один и тот же ключ, хранящийся в секрете. Все многообразие симметричных криптосистем основывается на следующих базовых классах:
I. Моно - и многоалфавитные подстановки.
Моноалфавитные подстановки - это наиболее простой вид преобразований, заключающийся в замене символов исходного текста на другие (того же алфавита) по более или менее сложному правилу. В случае моноалфавитных подстановок каждый символ исходного текста преобразуется в символ шифрованного текста по одному и тому же закону. При многоалфавитной подстановке закон преобразования меняется от символа к символу. Один и тот же шифр может рассматриваться и как моно - и как многоалфавитный в зависимости от определяемого алфавита.
Например, самой простой разновидностью является прямая (простая) замена, когда буквы шифруемого сообщения заменяются другими буквами того же самого или некоторого другого алфавита. Таблица замены может иметь следующий вид:
| Исходные символы шифруемого текста | а | б | в | г | д | е | ж | з | и | к | л | м | н | о | п | р | с | т | у | ф | … |
| Заменяющие символы | s | р | x | l | r | z | i | m | a | y | e | d | w | t | b | g | v | n | j | o | … |
Используя эту таблицу, зашифруем слово победа. Получим следующее: btpzrs
II. Перестановки - также несложный метод криптографического преобразования, заключающийся в перестановке местами символов исходного текста по некоторому правилу. Шифры перестановок в настоящее время не используются в чистом виде, так как их криптостойкость недостаточна, но они входят в качестве элемента в очень многие современные криптосистемы.
Самая простая перестановка - написать исходный текст наоборот и одновременно разбить шифрограмму на пятерки букв. Например, из фразы
ПУСТЬ БУДЕТ ТАК, КАК МЫ ХОТЕЛИ
получится такой шифротекст:
ИЛЕТО ХЫМКА ККАТТ ЕДУБЪ ТСУП
В последней пятерке не хватает одной буквы. Значит, прежде чем шифровать исходное выражение, следует его дополнить незначащей буквой (например, О) до числа, кратного пяти, тогда шифрограмма, несмотря на столь незначительные изменения, будет выглядеть по-другому:
ОИЛЕТ ОХЫМК АККАТ ТЕДУБ ЬТСУП
III. Блочные шифры - семейство обратимых преобразований блоков (частей фиксированной длины) исходного текста. Фактически блочный шифр - это система подстановки на алфавите блоков. Она может быть моно - или многоалфавитной в зависимости от режима блочного шифра. Иначе говоря, при блочном шифровании информация разбивается на блоки фиксированной длины и шифруется поблочно. Блочные шифры бывают двух основных видов: шифры перестановки (transposition, permutation, P-блоки) и шифры замены (подстановки, substitution, S-блоки) . В настоящее время блочные шифры наиболее распространены на практике.
Американский стандарт криптографического закрытия данных DES (Data Encryption Standard), принятый в 1978 г., является типичным представителем семейства блочных шифров и одним из наиболее распространенных криптографических стандартов на шифрование данных, применяемых в США. Этот шифр допускает эффективную аппаратную и программную реализацию, причем возможно достижение скоростей шифрования до нескольких мегабайт в секунду. Первоначально метод, лежащий в основе данного стандарта, был разработан фирмой IBM для своих целей. Он был проверен Агентством Национальной Безопасности США, которое не обнаружило в нем статистических или математических изъянов.
DES имеет блоки по 64 бит и основан на 16-кратной перестановке данных, также для шифрования использует ключ в 56 бит. Существует несколько режимов DES: Electronic Code Book (ECB) и Cipher Block Chaining (CBC).56 бит - это 8 семибитовых символов, т.е. пароль не может быть больше чем восемь букв. Если вдобавок использовать только буквы и цифры, то количество возможных вариантов будет существенно меньше максимально возможных 2 56 . Однако, данный алгоритм, являясь первым опытом стандарта шифрования, имеет ряд недостатков. За время, прошедшее после создания DES, компьютерная техника развилась настолько быстро, что оказалось возможным осуществлять исчерпывающий перебор ключей и тем самым раскрывать шифр. В 1998 г. была построена машина, способная восстановить ключ за среднее время в трое суток. Таким образом, DES, при его использовании стандартным образом, уже стал далеко не оптимальным выбором для удовлетворения требованиям скрытности данных. Позднее стали появляться модификации DESa, одной из которой является Triple Des ("тройной DES" - так как трижды шифрует информацию обычным DESом). Он свободен от основного недостатка прежнего варианта - короткого ключа: он здесь в два раза длиннее. Но зато, как оказалось, Triple DES унаследовал другие слабые стороны своего предшественника: отсутствие возможности для параллельных вычислений при шифровании и низкую скорость.
IV. Гаммирование - преобразование исходного текста, при котором символы исходного текста складываются с символами псевдослучайной последовательности (гамме), вырабатываемой по некоторому правилу. В качестве гаммы может быть использована любая последовательность случайных символов. Процедуру наложения гаммы на исходный текст можно осуществить двумя способами. При первом способе символы исходного текста и гаммы заменяются цифровыми эквивалентами, которые затем складываются по модулю k, где k - число символов в алфавите. При втором методе символы исходного текста и гаммы представляются в виде двоичного кода, затем соответствующие разряды складываются по модулю 2. Вместо сложения по модулю 2 при гаммировании можно использовать и другие логические операции.
Таким образом, симметричными криптографическими системами являются криптосистемы, в которых для шифрования и расшифрования используется один и тот же ключ. Достаточно эффективным средством повышения стойкости шифрования является комбинированное использование нескольких различных способов шифрования. Основным недостатком симметричного шифрования является то, что секретный ключ должен быть известен и отправителю, и получателю.
2.2 Асимметричные криптографические системы
Еще одним обширным классом криптографических систем являются так называемые асимметричные или двухключевые системы. Эти системы характеризуются тем, что для шифрования и для расшифрования используются разные ключи, связанные между собой некоторой зависимостью. Применение таких шифров стало возможным благодаря К. Шеннону, предложившему строить шифр таким способом, чтобы его раскрытие было эквивалентно решению математической задачи, требующей выполнения объемов вычислений, превосходящих возможности современных ЭВМ (например, операции с большими простыми числами и их произведениями). Один из ключей (например, ключ шифрования) может быть сделан общедоступным, и в этом случае проблема получения общего секретного ключа для связи отпадает. Если сделать общедоступным ключ расшифрования, то на базе полученной системы можно построить систему аутентификации передаваемых сообщений. Поскольку в большинстве случаев один ключ из пары делается общедоступным, такие системы получили также название криптосистем с открытым ключом. Первый ключ не является секретным и может быть опубликован для использования всеми пользователями системы, которые зашифровывают данные. Расшифрование данных с помощью известного ключа невозможно. Для расшифрования данных получатель зашифрованной информации использует второй ключ, который является секретным. Разумеется, ключ расшифрования не может быть определен из ключа зашифрования.
Центральным понятием в асимметричных криптографических системах является понятие односторонней функции.
Под односторонней функцией понимается эффективно вычислимая функция, для обращения которой (т.е. для поиска хотя бы одного значения аргумента по заданному значению функции) не существует эффективных алгоритмов.
Функцией-ловушкой называется односторонняя функция, для которой обратную функцию вычислить просто, если имеется некоторая дополнительная информация, и сложно, если такая информация отсутствует.
Все шифры этого класса основаны на так называемых функциях-ловушках. Примером такой функции может служить операция умножения. Вычислить произведение двух целых чисел очень просто, однако эффективных алгоритмов для выполнения обратной операции (разложения числа на целые сомножители) - не существует. Обратное преобразование возможно лишь, если известна, какая-то дополнительная информация.
В криптографии очень часто используются и так называемые хэш-функции. Хэш-функции - это односторонние функции, которые предназначены для контроля целостности данных. При передаче информации на стороне отправителя она хешируется, хэш передается получателю вместе с сообщением, и получатель вычисляет хэш этой информации повторно. Если оба хэша совпали, то это означает, что информация была передана без искажений. Тема хэш-функций достаточно обширна и интересна. И область ее применения гораздо больше чем просто криптография.
В настоящее время наиболее развитым методом криптографической защиты информации с известным ключом является RSA, названный так по начальным буквам фамилий его изобретателей (Rivest, Shamir и Adleman) и представляющий собой криптосистему, стойкость которой основана на сложности решения задачи разложения числа на простые сомножители. Простыми называются такие числа, которые не имеют делителей, кроме самих себя и единицы. А взаимно простыми называются числа, не имеющие общих делителей, кроме 1.
Для примера выберем два очень больших простых числа (большие исходные числа нужны для построения больших криптостойких ключей). Определим параметр n как результат перемножения р и q. Выберем большое случайное число и назовем его d, причем оно должно быть взаимно простым с результатом умножения (р - 1) * (q - 1). Найдем такое число e, для которого верно соотношение:
(e*d) mod ((р - 1) * (q - 1)) = 1
(mod - остаток от деления, т.е. если e, умноженное на d, поделить на ((р - 1) * (q - 1)), то в остатке получим 1).
Открытым ключом является пара чисел e и n, а закрытым - d и n. При шифровании исходный текст рассматривается как числовой ряд, и над каждым его числом мы совершаем операцию:
C (i) = (M (i) e) mod n
В результате получается последовательность C (i), которая и составит криптотекст.д.екодирование информации происходит по формуле
M (i) = (C (i) d) mod n
Как видите, расшифровка предполагает знание секретного ключа.
Попробуем на маленьких числах. Установим р=3, q=7. Тогда n=р*q=21. Выбираем d как 5. Из формулы (e*5) mod 12=1 вычисляем e=17. Открытый ключ 17, 21, секретный - 5, 21.
Зашифруем последовательность "2345":
C (2) = 2 17 mod 21 =11
C (3) = 3 17 mod 21= 12
C (4) = 4 17 mod 21= 16
C (5) = 5 17 mod 21= 17
Криптотекст - 11 12 16 17.
Проверим расшифровкой:
M (2) = 11 5 mod 21= 2
M (3) = 12 5 mod 21= 3
M (4) = 16 5 mod 21= 4
M (5) = 17 5 mod 21= 5
Как видим, результат совпал.
Криптосистема RSA широко применяется в Интернете. Когда пользователь подсоединяется к защищенному серверу, то здесь применяется шифрование открытым ключом с использованием идей алгоритма RSA. Криптостойкость RSA основывается на том предположении, что исключительно трудно, если вообще реально, определить закрытый ключ из открытого. Для этого требовалось решить задачу о существовании делителей огромного целого числа. До сих пор ее аналитическими методами никто не решил, и алгоритм RSA можно взломать лишь путем полного перебора.
Таким образом, асимметричные криптографические системы - это системы, в которых для шифрования и для расшифрования используются разные ключи. Один из ключей даже может быть сделан общедоступным. При этом расшифрование данных с помощью известного ключа невозможно.
Криптография - наука о математических методах обеспечения конфиденциальности (невозможности прочтения информации посторонним) и аутентичности (целостности и подлинности авторства, а также невозможности отказа от авторства) информации. Изначально криптография изучала методы шифрования информации - обратимого преобразования открытого (исходного) текста на основе секретного алгоритма и ключа в шифрованный текст. Традиционная криптография образует раздел симметричных криптосистем, в которых зашифрование и расшифрование проводится с использованием одного и того же секретного ключа. Помимо этого раздела современная криптография включает в себя асимметричные криптосистемы, системы электронной цифровой подписи (ЭЦП), хеш-функции, управление ключами, получение скрытой информации, квантовую криптографию.
Криптография является одним из наиболее мощных средств обеспечения конфиденциальности и контроля целостности информации. Во многих отношениях она занимает центральное место среди программно-технических регуляторов безопасности. Например, для портативных компьютеров, физически защитить которые крайне трудно, только криптография позволяет гарантировать конфиденциальность информации даже в случае кражи.
1. Златопольский Д.М. Простейшие методы шифрования текста. /Д.М. Златопольский - М.: Чистые пруды, 2007
2. Молдовян А. Криптография. /А. Молдовян, Н.А. Молдовян, Б.Я. Советов - СПб: Лань, 2001
3. Яковлев А.В., Безбогов А.А., Родин В.В., Шамкин В.Н. Криптографическая защита информации. /Учебное пособие - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006
4. http://ru. wikipedia.org
5. http://cryptoblog.ru
6. http://Stfw.ru
7. http://www.contrterror. tsure.ru
Молдовян А. Криптография./А. Молдовян, Н. А. Молдовян, Б. Я. Советов – СПб: Лань, 2001
Действий в сфере информационных технологий. Таким образом, можно считать актуальным и значительным старших классов изучение элективного курса «Компьютерная и информационная безопасность» в образовательной области «Информатика». Курс ориентирован на подготовку подрастающего поколения к жизни и деятельности в совершенно новых условиях информационного общества, в котором вопросы обеспечения...
Основные понятия и определения
По мере образования информационного общества крупным государствам становятся доступны технические средства тотального надзора за миллионами людей. Поэтому криптография становится одним из основных инструментов, обеспечивающих конфиденциальность, доверие, авторизацию, электронные платежи, корпоративную безопасность и другие важные вещи.
Проблемой защиты информации путем ее преобразования занимается криптология , которая разделяется на два направления: криптографию и криптоанализ . Цели этих направлений прямо противоположны.
Криптография занимается поиском и исследованием математических методов преобразования информации. Сфера интересов криптоанализа – исследование возможности расшифрования информации без знания ключей.
Современная криптография включает в себя 4 основных раздела:
1. Симметричные криптосистемы.
2. Криптосистемы с открытым ключом.
3. Системы электронной подписи.
4. Управление ключами.
Основные направления использования криптографических методов – передача конфиденциальной информации по каналам связи, установление подлинности передаваемых сообщений, хранение информации на носителях в зашифрованном виде.
Криптография дает возможность преобразовать информацию таким образом, что ее прочтение (восстановление) возможно только при знании ключа. В качестве информации, подлежащей шифрованию и дешифрованию, будут рассматриваться тексты, построенные на некотором алфавите.
Алфавит – конечное множество используемых для кодирования информации знаков. Примеры:
ü алфавит Z33 – содержит 32 буквы русского алфавита и пробел;
ü алфавит Z256 – символы, входящие в стандартные коды ASCII и КОИ-8;
ü бинарный алфавит Z2 – два символа (0 и 1);
ü восьмеричный или шестнадцатеричный алфавиты.
Текст – упорядоченный набор из элементов алфавита.
Шифрование – преобразовательный процесс замены исходного (открытого) текста на шифрованный текст.
Дешифрование (обратный шифрованию) – преобразовательный процесс замены на основе ключа шифрованного текста на исходный текст.
Ключ – информация, необходимая для беспрепятственного шифрования и дешифрования текстов.
Криптографическая система представляет собой семейство Т [Т 1 , Т 2 , …, Т к ] преобразований открытого текста. Члены этого семейства индексируются или обозначаются символом к ; параметр к является ключом. Пространство ключей К – это набор возможных значений ключа. Обычно ключ представляет собой последовательный ряд знаков алфавита.
Криптосистемы разделяются на симметричные и асиммитричные . В симметричных криптосистемах и для шифрования, и для дешифрования используется один и тот же ключ. В асимметричныхсистемах (с открытым ключом) используются два ключа – открытый и закрытый, которые математически связаны друг с другом. Информация шифруется с помощью открытого ключа, который доступен всем желающим, а расшифровывается – с помощью закрытого ключа, известного только получателю сообщения.
Термины распределение ключей и управление ключами относятся к процессам обработки информации, содержанием которых является составление ключей и распределение их между пользователями.
Электронной (цифровой) подписью называется присоединяемой к тексту его криптографическое преобразование, которое позволяет при получении текста другим пользователем проверить авторство и подлинность сообщения.
Криптостойкостью называется характеристика шифра, определяющая ее стойкость к дешифрованию без знания ключа (т.е. стойкостью к криптоанализу). Имеется несколько показателей криптостойкости:
количество всех возможных ключей;
среднее время, необходимое для криптоанализа.
Требования к криптосистемам
Процесс криптографического закрытия данных может осуществляться как программно, так и аппаратно. Аппаратная реализация отличается существенно большей стоимостью, однако имеет высокую производительность, простоту, защищенность. Программная реализация более практична, допускает известную гибкость в использовании.
Общепринятые требования к криптографическим системам:
· зашифрованное сообщение должно поддаваться чтению только при наличии ключа;
· число операций, необходимых для определения использованного ключа по фрагменту шифрованного сообщения и соответствующего ему открытого текста, должно быть не менее общего числа возможных ключей;
· число операций, необходимых для расшифровывания информации путем перебора возможных ключей, должно иметь строгую нижнюю оценку и выходить за пределы возможностей современных компьютеров (с учетом возможностей сетевых вычислений);
· знание алгоритма шифрования не должно влиять на надежность защиты;
· незначительное изменение ключа должно приводить к существенному изменению вида зашифрованного сообщения;
· структурные элементы алгоритма шифрования должны быть неизменными;
· дополнительные биты, вводимые в сообщение в процессе шифрования, должны быть полностью и надежно скрыты в шифрованном тексте;
· длина шифрованного текста должна быть равной длине исходного текста;
· не должно быть простых и легко устанавливаемых зависимостей между ключами, последовательно используемыми в процессе шифрования;
· любой ключ из множества возможных должен обеспечивать надежную защиту информации;
· алгоритм должен допускать как программную, так и аппаратную реализацию, при этом изменение длины ключа не должно вести к качественному ухудшению алгоритма шифрования.
Основные алгоритмы шифрования
Метод шифровки-дешифровки называют шифром . Ключ, используемый для дешифровки, может не совпадать с ключом, используемым для шифрования, однако в большинстве алгоритмов ключи совпадают.
Алгоритмы с использованием ключа делятся на два класса: симметричные (с секретным ключом) и асимметричные (с открытым ключом). Симметричные алгоритмы используют один и тот же ключ для шифрования и для дешифрования или же ключ для дешифрования просто вычисляется по ключу шифрования. В асимметричных алгоритмах используются разные ключи, и ключ для дешифровки не может быть вычислен по ключу шифровки.
Симметричные алгоритмы подразделяются на потоковые шифры и блочные шифры. Потоковые позволяют шифровать информацию побитово, в то время как блочные работают с некоторым набором битов данных (обычно размер блока составляет 64 бита ) и шифруют этот набор как единое целое.
Обычно ключ шифрования представляет собой файл или массив данных и хранится на персональном ключевом носителе (например, флешке или смарт-карте); обязательно принятие мер, обеспечивающих недоступность персонального ключевого носителя кому-либо, кроме его владельца.
Подлинность обеспечивается за счет того, что без предварительного расшифровывания практически невозможно осуществить смысловую модификацию и подлог криптографически закрытого сообщения. Фальшивое сообщение не может быть правильно зашифровано без знания секретного ключа.
Целостность данных обеспечивается присоединением к передаваемым данным специального кода (имитовставки ), вырабатываемой по секретному ключу. Имитовставка является разновидностью контрольной суммы, т.е. некоторой эталонной характеристикой сообщения, по которой осуществляется проверка целостности последнего. Алгоритм формирования имитовставки должен обеспечивать ее зависимость по некоторому сложному криптографическому закону от каждого бита сообщения. Проверка целостности сообщения выполняется получателем сообщения путем выработки по секретному ключу имитовставки, соответствующей полученному сообщению, и ее сравнения с полученным значением имитовставки. При совпадении делается вывод о том, что информация не была модифицирована на пути от отправителя к получателю.
Симметричное шифрование идеально подходит для шифрования информации «для себя», например, с целью предотвращения несанкционированного доступа к ней в отсутствие владельца. Обладаю высокой скоростью шифрования, одноключевые криптосистемы позволяют решать многие важные задачи защиты информации. Однако автономное использование симметричных криптосистем в компьютерных сетях порождает проблему распределения ключей шифрования между пользователями.
Перед началом обмена зашифрованными данными необходимо обменяться секретными ключами со всеми адресатами. Передача секретного ключа симметричной криптосистемы не может быть осуществлена по общедоступным каналам связи, секретный ключ надо передавать отправителю и получателю по защищенному каналу (или с помощью курьера). Для обеспечения эффективной защиты циркулирующих в сети сообщений необходимо огромное число часто меняющихся ключей (один ключ на каждую пару пользователей). Проблема распределения секретных ключей при большом количестве пользователей является весьма трудоемкой и сложной задачей. В сети на N пользователей необходимо распределить N(N-1)/2 секретных ключей.
Асимметричные шифры допускают, чтобы открытый ключ был доступен всем (например, опубликован в газете). Это позволяет любому зашифровать сообщение. Однако расшифровать это сообщение сможет только пользователь, владеющий ключом дешифровки. Ключ для шифрования называют открытым ключом , а ключ для дешифрования – закрытым ключом или секретным ключом .
Секретный и открытый ключи генерируются попарно. Секретный ключ должен оставаться у его владельца и быть надежно защищен от НСД (аналогично ключу шифрования в симметричных алгоритмах). Копия открытого ключа должна находиться у каждого абонента криптографической сети, с которым обменивается информацией владелец секретного ключа.
Криптографические системы с открытым ключом используют так называемые необратимые или односторонние функции, которые обладают свойством: при заданном значении х относительно просто вычислить значение f(x) , однако, если yM = j(x) , то нет простого пути вычисления значения х . Множество классов необратимых функций и порождает все разнообразие систем с открытым ключом.
Процесс передачи зашифрованной информации в асимметричной криптосистеме осуществляется следующим образом.
Подготовительный этап :
· абонент В генерирует пару ключей: секретный ключ k в и открытый ключ К в;
· открытый ключ К в посылается абоненту А и остальным абонентам (или делается доступным, например на разделяемом ресурсе).
Использование (обмен информацией между А и В):
· абонент А зашифровывает сообщение с помощью открытого ключа К в абонента В и отправляет шифротекст абоненту В;
· абонент В расшифровывает сообщение с помощью своего секретного ключа k в; никто другой не может расшифровать данное сообщение, т.к. не имеет секретного ключа абонента В.
Защита информации в асимметричной криптосистеме основана на секретности ключа k в получателя сообщения.
Преимущества асимметричных криптографических систем перед симметричными криптосистемами:
ü в асимметричных криптосистемах решена сложная проблема распределения ключей между пользователями, т.к. каждый пользователь может сгенерировать свою пару ключей сам, а открытые ключи пользователей могут свободно публиковаться и распространяться по сетевым коммуникациям;
ü исчезает квадратичная зависимость числа ключей от числа пользователей; в асимметричной криптосистеме число используемых ключей связано с числом абонентов линейной зависимостью (в системе из N пользователей используется 2N ключей), а не квадратичной, как в симметричных системах;
ü асимметричные криптосистемы позволяют реализовывать протоколы взаимодействия сторон, которые не доверяют друг другу, поскольку при использовании асимметричных криптосистем закрытый ключ должен быть известен только его владельцу.
Недостатки асимметричных криптосистем:
ü на настоящий момент нет математического доказательства необратимости используемых в асимметричных алгортмах функций;
ü асимметричное шифрование существенно медленнее симметричного, поскольку при шифровке и расшифровке используются весьма ресурсоемкие операции; по этой же причине реализовать аппаратный шифратор с асимметричным алгоритмом существенно сложнее, чем реализовать аппаратно симметричный алгоритм;
ü необходимость защиты открытых ключей от подмены.
Современные алгоритмы шифровки-дешифровки достаточно сложны и их невозможно выполнять вручную. Настоящие криптографические алгоритмы разработаны для использования компьютерами или специальными аппаратными устройствами. В большинстве приложений криптография производится программным обеспечением и имеется множество доступных криптографических пакетов.
Симметричные алгоритмы работают быстрее, чем асимметричные. На практике оба типа алгортмов часто используются вместе: алгоритм с открытым ключом используется для того, чтобы передать случайным образом сгенерированный секретный ключ, который затем используется для дешифровки сообщения.
Многие качественные криптографические алгоритмы доступны широко. Наиболее известными симметричными алгоритмами являются DES и IDEA; лучший асимметричный алгоритм – RSA. В России за стандарт шифрования принят ГОСТ 28147-89.
В таблице 1 приведена классификации криптографического закрытия информации.
Таблица 1
| Виды преобразования | Способы преобразований | Разновидности способа | Способ реализации |
| Шифрование | Замена (подстановка) | Простая (одноалфавитная) | Прогр. |
| Многоалфавитная одноконтурная обыкновенная | Прогр. | ||
| Многоалфавитная одноконтурная монофоническая | Прогр. | ||
| Прогр. | |||
| Перестановка | Простая | Прогр. | |
| Усложненная по таблице | Прогр. | ||
| Усложненная по маршрутам | Прогр. | ||
| Аналитическое преобразование | По правилам алгебры матриц | Прогр. | |
| По особым зависимостям | Прогр. | ||
| Гаммирование | С конечной короткой гаммой | Аппар.-прогр. | |
| С конечной длинной гаммой | Аппар.-прогр. | ||
| С бесконечной гаммой | Аппар.-прогр. | ||
| Комбинированные | Замена+перестановка | Аппар.-прогр. | |
| Замена+гаммирование | Аппар.-прогр. | ||
| Перестановка+гаммирование | Аппар.-прогр. | ||
| Гаммирование+гаммирование | Аппар.-прогр. | ||
| Кодирование | Смысловое | По специальным таблицам (словарям) | Прогр. |
| Символьное | По кодовому алфавиту | Прогр. | |
| Другие виды | Рассечение-разнесение | Смысловое | Аппар.-прогр. |
| Механическое | Прогр. | ||
| Сжатие-расширение |
I. Под шифрованием понимается такой вид криптографического закрытия, при котором преобразованию подвергается каждый символ защищаемого сообщения.
Все известные способы шифрования можно разбить на пять групп: замена (подстановка), перестановка, аналитическое преобразование, гаммирование и комбинированное шифрование. Каждый из этих способов может иметь несколько разновидностей.
Разновидности способа замена (подстановка ):
1) Простая (одноалфавитная) – символы шифруемого текста заменяются другими символами того же самого алфавита. Если объем зашифрованного текста большой, то частоты появления букв в зашифрованном тексте будут ближе к частотам появления букв в алфавите (того языка, на котором написан текст) и расшифровка будет очень простой. Данный способ в настоящее время используется редко и в тех случаях, когда шифруемый текст короток.
2) Многоалфавитная подстановка - наиболее простой вид преобразований, заключающийся в замене символов исходного текста на символы других алфавитов по более или менее сложному правилу. Для обеспечения высокой криптостойкости требуется использование больших ключей.
При многоалфавитной одноконтурной обыкновенной подстановке для замены символов исходного текста используется несколько алфавитов, причем смена алфавита осуществляется последовательно и циклически, т.е. первый символ заменяется соответствующим символом первого алфавита, второй – символом второго алфавита и т.д. до тех пор, пока не будут использованы все выбранные алфавиты. После этого использование алфавитов повторяется.
Особенностью многоалфавитной одноконтурной монофонической подстановки является то, что количество и состав алфавитов выбираются таким образом, чтобы частоты появления всех символов в зашифрованном тексте были одинаковыми. При таком положении затрудняется криптоанализ зашифрованного текста с помощью его статистической обработки. Выравнивание частот появления символов достигается за счет того, что для часто встречающихся символов исходного текста предусматривается использование большего числа заменяющих элементов, чем для редко встречающихся.
Многоалфавитная многоконтурная подстановка заключается в том, что для шифрования используется несколько наборов (контуров) алфавитов, используемых циклически, причем каждый контур в общем случае имеет свой индивидуальный период применения. Этот период исчисляется, как правило, количеством знаков, после зашифровки которых меняется контур алфавитов.
Способ перестановки - несложный способ криптографического преобразования. Используется, как правило, в сочетании с другими способами. Данный способ заключается в том, что символы шифруемого текста переставляются по определенным правилам внутри шифруемого блока символов. Все процедуры шифрования и расшифровки способом перестановки являются в достаточной степени формализованными и могут быть реализованы алгоритмически.
Шифрование простой перестановкой осуществляется следующим образом:
· выбирается ключевое слово с неповторяющимися символами;
· шифруемый текст записывается последовательными строками под символами ключевого слова;
· зашифрованный текст выписывается колонками в той последовательности, в которой располагаются в алфавите буквы ключа (или в порядке следования цифр в натуральном ряду, если он цифровой).
Пример:
открытый текст: БУДЬТЕ ОСТОРОЖНЫ
ключ: 5 8 1 3 7 4 6 2
схема шифрования:
Б У Д Ь Т Е q О (где q – пробел)
С Т О Р О Ж Н Ы
Группируем по 2 символа и получаем зашифрованный текст:
ДООЫЬРЕЖБСqНТОУТ
Недостаток шифрования простой перестановкой заключается в том, что при большой длине шифруемого текста в зашифрованном тексте могут проявиться закономерности символов ключа. Для устранения этого недостатка можно менять ключ после шифрования определенного количества знаков. При достаточно частой смене ключа стойкость шифрования можно существенно повысить. При этом, однако, усложняется организация процесса шифрования и дешифрования.
Усложненная перестановка по таблицам заключается в том, что для записи символов шифруемого текста используется специальная таблица, в которую введены некоторые усложняющие элементы. Таблица представляет собой матрицу, размеры которой могут быть выбраны произвольно. В нее, как в случае простой перестановки, записываются знаки шифруемого текста. Усложнение заключается в том, что определенное число клеток таблицы не используются. Количество и расположение неиспользуемых элементов является дополнительным ключом шифрования. Шифруемый текст блоками по (m x n – S ) элементов записывается в таблицу (m x n – размеры таблицы, S – количество неиспользуемых элементов). Далее процедура шифрования аналогична простой перестановке.
Варьируя размерами таблицы, последовательностью символов ключа, количеством и расположением неиспользуемых элементов, можно получить требуемую стойкость шифрованного текста.
Усложненная перестановка по маршрутам обладает высокой стойкостью шифрования, использует усложненный метод перестановок по маршрутам типа гамильтоновских. При этом для записи символов шифруемого текста используются вершины некоторого гиперкуба, а знаки зашифрованного текста считаются по маршрутам Гамильтона, причем используется несколько различных маршрутов.
Способ шифрования с помощью аналитических преобразований обеспечивает достаточно надежное закрытие информации. Для этого можно применять методы алгебры матриц, например, умножение матрицы на вектор. Если матрицу использовать в качестве ключа, а вместо компонента вектора подставлять символы исходного текста, то компоненты результирующего вектора будут представлять собой символы зашифрованного текста. Расшифровывание осуществляется с использованием того же правила умножения матрицы на вектор, только в качестве основы берется матрица, обратная той, с помощью которой осуществляется закрытие, а в качестве вектора-сомножителя – соответствующее количество символов закрытого текста. Значениями вектора-результата будут цифровые эквиваленты знаков открытого текста.
Гаммирование - этот метод заключается в наложении на исходный текст некоторой псевдослучайной последовательности, генерируемой на основе ключа. Процедуру наложения гаммы на исходный текст можно осуществлять двумя способами. В первом способе символы исходного текста и гаммы заменяются цифровыми эквивалентами, которые затем складываются по модулю К , где К – количество символов в алфавите, т.е.
t c = (t p + t g) mod K , где t c , t p ,t g – символы соответственно зашифрованного текста, исходного текста и гаммы.
При втором способе символы исходного текста и гаммы представляются в виде двоичного кода, а затем соответствующие разряды складываются по модулю 2. Вместо сложения по модулю 2 при гаммировании можно использовать другие логические операции, например, преобразование по правилу логической эквивалентности или логической неэквивалентности. Такая замена равносильна введению еще одного ключа, которым является выбор правила формирования символов зашифрованного сообщения из символов исходного текста и гаммы.
Стойкость шифрования способом гаммирования определяется, главным образом, свойствами гаммы – длительностью периода и равномерностью статистических характеристик. Последнее свойство обеспечивает отсутствие закономерностей в появлении различных символов в пределах периода.
При хороших статистических свойствах гаммы стойкость шифрования определяется только длиной ее периода. При этом, если длина периода гаммы превышает длину шифруемого текста, то такой шифр теоретически является абсолютно стойким. В качестве бесконечной гаммы может быть использована любая последовательность случайных символов, например, последовательность цифр числа ПИ. При шифровании с помощью ЭВМ последовательность гаммы формируется с помощью датчика псевдослучайных чисел.
Комбинированные способы шифрования используют одновременно несколько различных способов, т.е. последовательное шифрование исходного текста с помощью двух или более способов. Это является достаточно эффективным средством повышения стойкости шифрования.
Типичным примером комбинированного шифра является национальный стандарт США криптографического закрытия данных (DES).
II. Под кодированием понимается такой вид криптографического закрытия, когда некоторые элементы защищаемых данных (это не обязательно отдельные символы) заменяются заранее выбранными кодами (цифровыми, буквенными, буквенно-цифровыми сочетаниями и т. п.).
Этот метод имеет две разновидности: смысловое и символьное кодирование. При смысловом кодировании кодируемые элементы имеют вполне определенный смысл (слова, предложения, группы предложений). При символьном кодировании кодируется каждый символ защищаемого сообщения. Символьное кодирование по существу совпадает с шифрованием заменой.
При правильном использовании коды намного сложнее раскрыть, чем другие классические системы. Это объясняется тремя причинами. Во-первых , большая длина используемого кода (при шифровании – несколько сотен бит; кодовая книга – сотни тысяч – миллион бит). Во-вторых , коды удаляют избыточность – работа криптоаналитика осложняется. В-третьих , коды работают с относительно большими блоками открытого текста (словами и фразами) и, следовательно, скрывают локальную информацию, которая, в противном случае, могла бы дать ценные «зацепки» для криптоаналитика.
К недостаткам кодирования следует отнести то, что ключ при кодировании используется недостаточно хорошо, т.к. при кодировании отдельного слова и фразы используется только очень малая часть кодовой книги. В результате код при интенсивном использовании поддается частичному анализу и оказывается особенно чувствительным к вскрытию при наличии известного открытого текста. По этим причинам для обеспечения большей надежности коды необходимо чаще менять.
III. Другие способы криптографического закрытия включают в себя рассечение/разнесение и сжатие данных. Рассечение/разнесение данных состоит в том, что массив защищаемых данных рассекается на такие элементы, каждые из которых не позволяет раскрыть содержание защищаемой информации, и выделенные таким образом элементы размещаются в различных зонах памяти. Обратная процедура называется сборкой данных. Совершенно очевидно, что алгоритм разнесения и сборки данных должен сохраняться в тайне.
Сжатие данных представляет собой замену часто встречающихся одинаковых строк данных или последовательностей одинаковых символов некоторыми заранее выбранными символами.
Хеш-функции
Хеш-функцией называется односторонняя функция, предназначенная для получения дайджеста или "отпечатков пальцев" файла, сообщения или некоторого блока данных.
Изначально функции хеширования использовались как функции создания уникального образа информационных последовательностей произвольной длины, с целью идентификации и определения их подлинности. Сам образ должен быть небольшим блоком фиксированной длины, как правило, 30, 60, 64, 128, 256, или 512 бит. Поэтому операции поиска сортировки и другие с большими массивами или базами данных существенно упрощаются, т.е. занимают гораздо меньшее время. Для обеспечения требуемой вероятности ошибки необходимо обеспечивать ряд требований к функции хеширования:
· хеш-функция должна быть чувствительна к всевозможным изменениям в тексте M, таким как вставки, выбросы, перестановки;
· хеш-функция должна обладать свойством необратимости, то есть задача подбора документа M", который обладал бы требуемым значением хеш-функции, должна быть вычислительно неразрешима;
· вероятность того, что значения хеш-функций двух различных документов (вне зависимости от их длин) совпадут, должна быть ничтожно мала.
Обеспечить эти требования могут большое количество существующих математических функций. Если данные функции используются для сортировки, поиска и т.д. Однако позднее, опираясь на работы Симонсона по теории аутентификации, стало явным целесообразность использования методов хеширования в схемах аутентификации сообщений в каналах связи и телекоммуникационных системах. В связи с чем, открылся ряд направлений в исследованиях в области криптографии, которые связаны с разработкой новых и усовершенствованием существующих хеш-функций. Основная идея использования хеширующих функций является получение на их основе однонаправленных функций, которые являются основным продуктом для разработки современных криптографических механизмов и методов аутентификации.
Рассмотрим основные понятия касающиеся однонаправленных функций хеширования.
Большинство хеш-функций строится на основе однонаправленной функции f( ) , которая образует выходное значение длиной n при задании двух входных значений длиной n . Этими входами являются блок исходного текста Mi и хеш-значение Hi–1 предыдущего блока текста (рис.1):
Hi = f (Mi, Hi–1) .
Хеш-значение, вычисляемое при вводе последнего блока текста, становится хеш-значением всего сообщения M.
Рис.1. Схема однонаправленной хэш-функции
В результате однонаправленная хеш-функция всегда формирует выход фиксированной длины n (независимо от длины входного текста). Алгоритм хеширования является итерационным, поэтому функции хеширования еще называют итерационными алгоритмами. Сущность алгоритма хеширования заключается в его односторонности, т.е. функция должна работать в одну сторону – сжимать, перемешивать и рассеивать, но никогда не восстанавливать. Подобные схемы позволяют отслеживать изменения исходных текстов, что является обеспечением целостности данных, а в алгоритмах цифровой подписи еще обеспечивать аутентичность данных. Однако в чистой форме аутентичность эти функции не позволяют подтвердить.
Классическая, или одноключевая криптография опирается на использование симметричных алгоритмов шифрования , в которых шифрование и расшифрование отличаются только порядком выполнения и направлением некоторых шагов. Эти алгоритмы используют один и тот же секретный элемент ( ключ ), и второе действие ( расшифрование ) является простым обращением первого (шифрования). Поэтому обычно каждый из участников обмена может как зашифровать, так и расшифровать сообщение. Схематичная структура такой системы представлена на рис. 2.1 .
Рис.
2.1.
На передающей стороне имеются источник сообщений и источник ключей. Источник ключей выбирает конкретный ключ К среди всех возможных ключей данной системы. Этот ключ К передается некоторым способом принимающей стороне, причем предполагается, что его нельзя перехватить, например, ключ передается специальным курьером (поэтому симметричное шифрование называется также шифрованием с закрытым ключом ). Источник сообщений формирует некоторое сообщение М , которое затем шифруется с использованием выбранного ключа. В результате процедуры шифрования получается зашифрованное сообщение Е (называемое также криптограммой). Далее криптограмма Е передается по каналу связи. Так как канал связи является открытым, незащищенным, например, радиоканал или компьютерная сеть , то передаваемое сообщение может быть перехвачено противником. На принимающей стороне криптограмму Е с помощью ключа расшифровывают и получают исходное сообщение М .
Если М – сообщение, К – ключ , а Е – зашифрованное сообщение, то можно записать
то есть зашифрованное сообщение Е является некоторой функцией от исходного сообщения М и ключа К . Используемый в криптографической системе метод или алгоритм шифрования и определяет функцию f в приведенной выше формуле.
По причине большой избыточности естественных языков непосредственно в зашифрованное сообщение чрезвычайно трудно внести осмысленное изменение, поэтому классическая криптография обеспечивает также защиту от навязывания ложных данных. Если же естественной избыточности оказывается недостаточно для надежной защиты сообщения от модификации, избыточность может быть искусственно увеличена путем добавления к сообщению специальной контрольной комбинации, называемой имитовставкой .
Известны разные методы шифрования с закрытым ключом рис. 2.2 . На практике часто используются алгоритмы перестановки, подстановки, а также комбинированные методы.
В методах перестановки символы исходного текста меняются местами друг с другом по определенному правилу. В методах замены (или подстановки) символы открытого текста заменяются некоторыми эквивалентами шифрованного текста. С целью повышения надежности шифрования текст, зашифрованный с помощью одного метода, может быть еще раз зашифрован с помощью другого метода. В этом случае получается комбинированный или композиционный шифр . Применяемые на практике в настоящее время блочные или поточные симметричные шифры также относятся к комбинированным, так как в них используется несколько операций для зашифрования сообщения. "Принципы построения блочных шифров с закрытым ключом" , "Алгоритмы шифрования DES и AES" , "Алгоритм криптографического преобразования данных ГОСТ 28147-89" , а в этой лекции рассматриваются шифры подстановки и перестановки, применяемые человеком с древнейших времен. Мы должны познакомиться с этими шифрами, так как процедуры подстановки и перестановки используются в качестве составных операций и в современных блочных шифрах.
В некоторых источниках стеганография, кодирование и сжатие информации относятся к отраслям знаний, смежных с криптографией, но не входящих в нее.
К традиционным (классическим) методам шифрования относятся шифры перестановки, шифры простой и сложной замены, а также некоторые их модификации и комбинации. Комбинации шифров перестановок и шифров замены образуют все многообразие применяемых на практике симметричных шифров.
Шифры перестановки. При шифровании перестановкой символы шифруемого текста переставляются по определенному правилу в пределах блока этого текста. Шифры перестановки являются самыми простыми и, вероятно, самыми древними шифрами.
Шифрующие таблицы. В качестве ключа в шифрующих таблицах используются: размер таблицы, слово или фраза, задающие перестановку, особенности структуры таблицы.
Одним из самых примитивных табличных шифров перестановки является простая перестановка, для которой ключом служит размер таблицы. Естественно, отправитель и получатель сообщения должны заранее условиться об общем ключе в виде размера таблицы. Следует заметить, что объединение букв шифротекста в 8-буквенные группы не входит в ключ шифра и осуществляется для удобства записи несмыслового текста. При расшифровании действия выполняют в обратном порядке.
Несколько большей стойкостью к раскрытию обладает метод шифрования, называемый одиночной перестановкой по ключу. Этот метод отличается от предыдущего тем, что столбцы таблицы переставляются по ключевому слову, фразе или набору чисел длиной в строку таблицы.
Для обеспечения дополнительной скрытности можно повторно зашифровать сообщение, которое уже было зашифровано. Такой метод шифрования называется двойной перестановкой. В случае двойной перестановки столбцов и строк таблицы перестановки определяются отдельно для столбцов и для строк. Сначала в таблицу записывается текст сообщения по столбцам, а потом поочередно переставляются столбцы, а затем строки.
Число вариантов двойной перестановки быстро возрастает при увеличении размера таблицы: для таблицы 3×3 - 36 вариантов, для таблицы 4×4 - 576 вариантов, для таблицы 5×5 - 14400 вариантов. Однако двойная перестановка не отличается высокой стойкостью и сравнительно просто "взламывается" при любом размере таблицы шифрования.
Шифры простой замены. При шифровании заменой (подстановкой) символы шифруемого текста заменяются символами того же или другого алфавита с заранее установленным правилом замены. В шифре простой замены каждый символ исходного текста заменяется символами того же алфавита по одному правилу на всем протяжении текста. Часто шифры простой замены называют шифрами одноалфавитной подстановки.
Система шифрования Цезаря . Шифр Цезаря является частным случаем шифра простой замены (одноалфавитной подстановки). Свое название этот шифр получил по имени римского императора Гая Юлия Цезаря, который использовал этот шифр при переписке.
При шифровании исходного текста каждая буква заменялась на другую букву того же алфавита по следующему правилу. Заменяющая буква определялась путем смещения по алфавиту m от исходной буквы на k букв. При достижении конца алфавита выполнялся циклический переход к его началу. Цезарь использовал латинский алфавит m = 26 и шифр замены при смещении k = 3. Такой шифр замены можно задать таблицей подстановок, содержащей соответствующие пары букв открытого текста и шифротекста. Совокупность возможных подстановок для k = 3 показана в таблице 6.1.
Таблица 6.1 - Одноалфавитные подстановки (k = 3, m = 26)
Система шифрования Цезаря образует, по существу, семейство одноалфавитных подстановок для выбираемых значений ключа k , причем 0 £ k < m . Достоинством системы шифрования Цезаря является простота шифрования и расшифрования.
К недостаткам системы Цезаря можно отнести следующее:
Подстановки, выполняемые в соответствии с системой Цезаря, не маскируют частот появления различных букв исходного открытого текста;
Сохраняется алфавитный порядок в последовательности заменяющих букв; при изменении значения k изменяются только начальные позиции такой последовательности;
Число возможных ключей k мало;
Шифр Цезаря легко вскрывается на основе анализа частот появления букв в шифротексте.
Криптоаналитическая атака против системы одноалфавитной замены начинается с подсчета частот появления символов: определяется число появлений каждой буквы в шифротексте. Затем полученное распределение частот букв в шифротексте сравнивается с распределением частот букв в алфавите исходных сообщений. Буква с наивысшей частотой появления в шифротексте заменяется на букву с наивысшей частотой появления в алфавите и т. д. Вероятность успешного вскрытия системы шифрования повышается с увеличением длины шифротекста. Вместе с тем идеи, заложенные в системе шифрования Цезаря, оказались весьма плодотворными, о чем свидетельствуют их многочисленные модификации.
Аффинная система подстановок Цезаря. В данном преобразовании буква, соответствующая числу t , заменяeтся на букву, соответствующую числовому значению (at + b ) по модулю m . Такое преобразование является взаимно однозначным отображением на алфавите тогда и только тогда, когда НОД (a , m ) - наибольший общий делитель чисел a и m равен единице, т. e. если a и m - взаимно простые числа.
Достоинством аффинной системы является удобное управление ключами: ключи шифрования и дешифрования представляются в компактной форме в виде пары чисел (a , b ). Недостатки аффинной системы аналогичны недостаткам системы шифрования Цезаря. На практике аффинная система использовалась несколько веков назад.
Шифры сложной замены . Шифры сложной замены называют многоалфавитными, так как для шифрования каждого символа исходного сообщения применяют свой шифр простой замены. Многоалфавитная подстановка последовательно и циклически меняет используемые алфавиты. При r -алфавитной подстановке символ x 0 исходного сообщения заменяется символом y 0 из алфавита B 0 , символ x 1 - символом y 1 из алфавита B 1 , и т. д.; символ x r -1 заменяется символом y r -1 из алфавита B r -1 , символ x r заменяется символом y r снова из алфавита B 0 , и т. д.
Эффект использования многоалфавитной подстановки заключается в том, что обеспечивается маскировка естественной статистики исходного языка, так как конкретный символ из исходного алфавита A может быть преобразован в несколько различных символов шифровальных алфавитов B j . Степень обеспечиваемой защиты теоретически пропорциональна длине периода r в последовательности используемых алфавитов B j .
Система шифрования Вижинера . Система Вижинера подобна такой системе шифрования Цезаря, у которой ключ подстановки меняется от буквы к букве. Этот шифр многоалфавитной замены можно описать таблицей шифрования, называемой таблицей (квадратом) Вижинера. Таблица Вижинера используется как для шифрования, так и для расшифрования.
Она имеет два входа:
Верхнюю строку подчеркнутых символов, используемую для считывания очередной буквы исходного открытого текста;
Крайний левый столбец ключа.
Последовательность ключей обычно получают из числовых значений букв ключевого слова. При шифровании исходного сообщения его выписывают в строку, а под ним записывают ключевое слово (или фразу).
Если ключ оказался короче сообщения, то его циклически повторяют. В процессе шифрования находят в верхней строке таблицы очередную букву исходного текста и в левом столбце очередное значение ключа. Очередная буква шифротекста находится на пересечении столбца, определяемого шифруемой буквой, и строки, определяемой числовым значением ключа.
Одноразовые шифры. Почти все применяемые на практике шифры характеризуются как условно надежные, поскольку они могут быть в принципе раскрыты при наличии неограниченных вычислительных возможностей. Абсолютно надежные шифры нельзя разрушить даже при использовании неограниченных вычислительных возможностей. Существует единственный такой шифр, применяемый на практике, - одноразовая система шифрования. Характерной особенностью одноразовой системы шифрования является одноразовое использование ключевой последовательности.
Этот шифр абсолютно надежен, если набор ключей K i действительно случаен и непредсказуем. Если криптоаналитик попытается использовать для заданного шифротекста все возможные наборы ключей и восстановить все возможные варианты исходного текста, то они все окажутся равновероятными. Не существует способа выбрать исходный текст, который был действительно послан. Теоретически доказано, что одноразовые системы являются недешифрируемыми системами, поскольку их шифротекст не содержит достаточной информации для восстановления открытого текста.
Возможности применения одноразовой системы ограничены чисто практическими аспектами. Существенным моментом является требование одноразового использования случайной ключевой последовательности. Ключевая последовательность с длиной, не меньшей длины сообщения, должна передаваться получателю сообщения заранее или отдельно по некоторому секретному каналу. Такое требование практически сложно осуществимо для современных систем обработки информации, где требуется шифровать многие миллионы символов, однако в обоснованных случаях построение систем с одноразовыми шифрами является наиболее целесообразным.
Исторически различают шифраторы с внешней и внутренней гаммами. В шифраторах с внешней гаммой в качестве ключа используется случайная последовательность однократного использования, длина которой равна длине шифруемого сообщения. В шифраторах с внутренней гаммой в качестве ключа применяется многократно используемая случайная последовательность длиной, много меньшей длины шифруемого текста, на основе которой формируется гамма шифра. Шифраторы с внутренней гаммой, т. е. обладающие свойством практической стойкости, в настоящее время являются преобладающими при построении систем шифрованной связи. Основным их достоинством является простота в управлении ключами, т. е. их заготовка, распределение, доставка и уничтожение. Данное преимущество позволяет на основе шифраторов с внутренней гаммой создавать системы шифрованной связи практически любых размеров, не ограничивая их географию и количество абонентов.
Современное развитие информационных технологий позволяет концентрировать значительное количество информации на физических носителях небольшого размера, что также обусловливает практическую применимость данного подхода.
Задача построения системы шифрованной связи на основе шифраторов с внешней гаммой может иметь несколько подходов к ее решению. Например, исходя из установленного граничного значения объема ключевого документа, определяются оптимальное количество абонентов системы и допустимая нагрузка. С другой стороны, можно, исходя из требуемого количества абонентов и нагрузки на них, рассчитать необходимый объем ключевого документа.
Шифрование методом гаммирования . Под гаммированием понимают процесс наложения по определенному закону гаммы шифра на открытые данные. Гамма шифра - это псевдослучайная последовательность, выработанная по заданному алгоритму для шифрования открытых данных и расшифрования принятых данных.
Процесс шифрования заключается в генерации гаммы шифра и наложении полученной гаммы на исходный открытый текст обратимым образом, например, с использованием операции сложения по модулю 2.
Перед шифрованием открытые данные разбивают на блоки одинаковой длины, обычно по 64 бита. Гамма шифра вырабатывается в виде последовательности аналогичной длины. Процесс расшифрования сводится к повторной генерации гаммы шифра и наложению этой гаммы на принятые данные.
Получаемый этим методом шифротекст достаточно труден для раскрытия, поскольку теперь ключ является переменным. По сути дела, гамма шифра должна изменяться случайным образом для каждого шифруемого блока. Если период гаммы превышает длину всего шифруемого текста и злоумышленнику неизвестна никакая часть исходного текста, то такой шифр можно раскрыть только прямым перебором всех вариантов ключа. В этом случае криптостойкость шифра определяется длиной ключа.
