Лекция 2. Особенности применения криптографических методов

Цель лекции: ознакомление с основными криптографическими методами защиты информации.

Содержание:

а) криптография история развития;

б) виды шифрования.

Криптография (что в переводе с греческого означает “тайнопись”) издавна использовалась при обмене самой разнообразной информацией. Самые ранние упоминания об использовании криптографии: Египет – 1900 г. до н.э., Месопотамия – 1500 г. до н.э., при написании Библии – 500 г. до н.э.

Типичный пример изображения ситуации, в которой возникает задача криптографии (шифрования) изображён на рисунке 2.1:

Рисунок 2.1 - Задача криптографии (шифрования)

На рисунке 2.1. А и В - законные пользователи защищённой информации, они хотят обмениваться информацией по общедоступному каналу связи. П - незаконный пользователь (противник, хакер), который хочет перехватывать передаваемые по каналу связи сообщения и попытаться извлечь из них интересную для него информацию. Эту простую схему можно считать моделью типичной ситуации, в которой применяются криптографические методы защиты информации или просто шифрование. Теперь в него необходимо внести существенное изменение: добавить недоступный для противника секретный канал связи для обмена ключами, изображен на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Создание канала для ключа

Создать такой канал связи вполне реально, поскольку нагрузка на него, вообще говоря, небольшая. Отметим теперь, что не существует единого шифра, подходящего для всех случаев. Выбор способа шифрования зависит от особенностей информации, ее ценности и возможностей владельцев по защите своей информации. Прежде всего подчеркнем большое разнообразие видов защищаемой информации: документальная, телефонная, телевизионная, компьютерная и т.д. Каждый вид информации имеет свои специфические особенности, и эти особенности сильно влияют на выбор методов шифрования информации. Большое значение имеют объемы и требуемая скорость передачи шифрованной информации. Выбор вида шифра и его параметров существенно зависит от характера защищаемых секретов или тайны. Некоторые тайны (например, государственные, военные и др.) должны сохраняться десятилетиями, а некоторые (например, биржевые) - уже через несколько часов можно разгласить. Необходимо учитывать также и возможности того противника, от которого защищается данная информация. Одно дело - противостоять одиночке или даже банде уголовников, а другое дело - мощной государственной структуре.

Любая современная криптографическая система основана (построена) на использо­вании криптографических ключей. Она работает по определенной методологии (процедуре), состоящей из: одного или более алгоритмов шифрования (математических формул); ключей, используемых этими алгоритмами шифрования; системы управления ключами; незашифрованного текста; зашифрованного текста (шифртекста).

Одним из наиболее известных в древней истории деятелей, постоянно пользовавшийся тайнописью, был Юлий Цезарь. Он придумал шифр, носящий название шифр Цезаря (Caesar cipher).

Тайнописью пользовались на протяжении средних веков в Европе, на Ближнем Востоке и в Северной Америке. Во время гражданской войны в США тайнопись использовалась и северянами, и южанами. С тех пор она использовалась в каждой значительной войне.

Во время Второй мировой войны польские и британские дешифровальщики раскрыли секрет немецкой шифровальной машины Энигма. В результате было уничтожено множество немецких подводных лодок, потоплен линкор «Бисмарк», и вооруженные силы Германии понесли тяжелые потери в ряде операций.

Теперь, к началу XXI века, вследствие огромной популярности Web и использование ее в электронной коммерции, технология шифрования и сопутствующие ей алгоритмы шифрования стали доступны массовому потребителю. В сетевом бизнесе для защиты безопасности финансовых сделок, сетевых услуг и потребительской информации основной упор делается на цифровые сертификаты и технологии шифрования как с открытым, так и с секретным ключами.

На этой лекции приводится два простых метода шифрования: шифр Цезаря и подстановочный шифр.

Шифрование представляет собой процесс превращения открытого текста в зашифрованный, а расшифровка – процесс обратного преобразования, при котором восстанавливается исходный текст. Управление шифрованием и расшифровкой часто осуществляется с использованием ключей, которые расширяют многообразие путей превращения открытого текста в зашифрованный (и обратно).

Шифр Цезаря основан на фиксированном смещении по кругу букв алфавита. Буквы сдвигаются по кругу так, что после последней буквы алфавита идет его первая буква. В следующем листинге (на языке java) приводится алгоритм шифрования на основе шифра Цезаря.

При шифровании с ключом алгоритмы шифрования и расшифровки могут быть хорошо известны. Но дешифровальный и (иногда) шифровальный ключи строго секретны. Зашифрованный текст, полученный в результате шифрования открытого текста с помощью конкретного шифровального ключа, может быть расшифрован только с помощью дешифровального ключа, связанного с шифровальным ключом.

Еще одним видом простого шифра являются подстановочные шифры. Они были одними из наиболее популярных шифров со Средних веков до 19-го столетия. В простых подстановочных шифрах вместо одной буквы алфавита подставляется другая. В более сложных подстановочных шифрах вместо одной группы букв подставляется другая.

Даже простые подстановочные шифры сложнее шифра Цезаря. Если вы сможете расшифровать одну букву в шифре Цезаря, то после этого расшифруете любую букву в нем. Но в случае с простым подстановочным шифром так не происходит. Ключом к простому подстановочному шифру является таблица соответствия буквам открытого текста букв зашифрованного текста. Этот ключ может быть представлен в виде 32-х-буквенной строки. Например: НАФЧЫРИЦЛЙЯДМЗСЪЖЩТПОКЭЬГЮЕУШВБХ

Число ключей для простого подстановочного шифра составляет 32!, а это больше чем 2,6*10³⁵.

На первый взгляд может показаться, что простой подстановочный шифр обладает высокой стойкостью, особенно потому, что у него огромное пространство ключей. Однако он легко раскрывается методом, в котором применяются буквенные шаблоны, присущие конкретному языку.

В русском языке буквы О и Е встречаются значительно чаще других букв, таких, например, как Ъ и Ф. В таблице 1 приведены относительные частоты использования букв от А до Я, т.е. Ожидаемые числа использования этих букв в последовательности из 100 букв осмысленного текста. Это не означает, что среди 100 букв любого текста на русском языке буква В встретится всегда ровно 2 раза, а Ъ вообще не встретится. Но в среднем это действительно так.

Т а б л и ц а 2 - Относительные частоты букв

А	5,7	И	4,8	Р	2,9	Ш	0,5
Б	1,3	Й	0,7	С	3,7	Щ	0,3
В	3,0	К	2,1	Т	4,4	Ъ	0,0
Г	1,3	Л	3,4	У	1,9	Ы	1,4
Д	2,2	М	2,2	Ф	0,1	Ь	1,3
Е	5,8	Н	4,7	Х	0,6	Э	0,3
Ж	0,8	О	7,8	Ц	0,2	Ю	0,4
З	1,2	П	1,9	Ч	0,9	Я	1,4

Подобное распределение частот может быть найдено для диграфов (двухбуквенных комбинаций), триграфов (трехбуквенных комбинаций) и n-графов (n-буквенных комбинаций).

Это распределение частоты дает дешифровальщикам громадную информацию. Кроме распределения частот, может быть использован словарь русской лексики для автоматической проверки подстановочного отображения конкретной буквы. Например, однобуквенными словами в русском языке являются а, в, и, к и с. Дополнительно в распоряжении специалистов по криптоанализу имеется дополнительная информация, такая, как частота слов и основные правила русской грамматики. Этого обычно оказывается достаточно для того, чтобы раскрыть простой подстановочный шифр.

Не всегда криптография и криптоанализ так просты, как в примерах из этой главы. Криптоанализ более сложных шифров требует более основательных знаний в области математики и теории передачи данных.

Дата добавления: 2014-01-07