Тема: «Криптография. Шифры, ихвиды и свойства»
Содержание
Введение
1. История криптографии
2. Шифры, их виды и свойства
2.1 Симметричныекриптографические системы
2.2 Асимметричныекриптографические системы
Заключение
Список литературы
Введение
То, чтоинформация имеет ценность, люди осознали очень давно — недаром перепискасильных мира сего издавна была объектом пристального внимания их недругов идрузей. Тогда-то и возникла задача защиты этой переписки от чрезмернолюбопытных глаз. Древние пытались использовать для решения этой задачи самыеразнообразные методы, и одним из них была тайнопись — умение составлять сообщениятаким образом, чтобы его смысл был недоступен никому кроме посвященных в тайну.Есть свидетельства тому, что искусство тайнописи зародилось еще в доантичныевремена. На протяжении всей своей многовековой истории, вплоть до совсемнедавнего времени, это искусство служило немногим, в основном верхушкеобщества, не выходя за пределы резиденций глав государств, посольств и — конечно же — разведывательных миссий. И лишь несколько десятилетий назад всеизменилось коренным образом — информация приобрела самостоятельную коммерческуюценность 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 большейстепени становится информационно обусловленным, успех любого вида деятельностивсе сильней зависит от обладания определенными сведениями и от отсутствия их уконкурентов. И чем сильней проявляется указанный эффект, тем большепотенциальные убытки от злоупотреблений в информационной сфере, и тем большепотребность в защите информации.
Широкоеприменение компьютерных технологий и постоянное увеличение объемаинформационных потоков вызывает постоянный рост интереса к криптографии. Впоследнее время увеличивается роль программных средств защиты информации, нетребующих крупных финансовых затрат в сравнении с аппаратными криптосистемами. Современныеметоды шифрования гарантируют практически абсолютную защиту данных.
Цельюданной работы является знакомство с криптографией; шифрами, их видами исвойствами.
Задачи:
Ознакомитьсяс криптографией
Рассмотретьшифры, их виды и свойства
1. История криптографии
Перед темкак приступить к собственно истории криптографии необходимо прокомментироватьряд определений, так как без этого все нижесказанное будет «слегка» затруднительнымдля понимания:
Под конфиденциальностьюпонимают невозможность получения информации из преобразованного массива беззнания дополнительной информации (ключа).
Аутентичностьинформации состоит в подлинности авторстваи целостности.
Криптоанализобъединяет математические методы нарушения конфиденциальности иаутентичности информации без знания ключей.
Алфавит— конечное множество используемых для кодирования информациизнаков.
Текст— упорядоченный набор из элементов алфавита. В качестве примеровалфавитов можно привести следующие:
алфавит Z33- 32 буквы русского алфавита (исключая «ё») и пробел;
алфавит Z256 — символы, входящие в стандартные коды ASCII и КОИ-8;
двоичныйалфавит — Z2 = {0, 1};
восьмеричныйили шестнадцатеричный алфавит
Под шифромпонимается совокупность обратимых преобразований множества открытых данныхна множество зашифрованных данных, заданных алгоритмом криптографическогопреобразования. В шифре всегда различают два элемента: алгоритм и ключ. Алгоритмпозволяет использовать сравнительно короткий ключ для шифрования сколь угоднобольшого текста.
Криптографическаясистема, или шифр представляет собой семейство Тобратимых преобразований открытого текста в шифрованный. Членам этогосемейства можно взаимно однозначно сопоставить число k,называемое ключом. Преобразование Тkопределяетсясоответствующим алгоритмом и значением ключа k.
Ключ — конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографическогопреобразования данных, обеспечивающее выбор одного варианта из совокупностивсевозможных для данного алгоритма. Секретность ключа должна обеспечиватьневозможность восстановления исходного текста по шифрованному.
Пространствоключей K — это набор возможных значений ключа.
Обычноключ представляет собой последовательный ряд букв алфавита. Следует отличатьпонятия «ключ» и «пароль». Парольтакжеявляется секретной последовательностью букв алфавита, однако используется недля шифрования (как ключ), а для аутентификации субъектов.
Электронной(цифровой) подписью называется присоединяемое к тексту егокриптографическое преобразование, которое позволяет при получении текста другимпользователем проверить авторство и целостность сообщения.
Зашифрованиемданных называется процесс преобразования открытых данных взашифрованные с помощью шифра, а расшифрованием данных — процесспреобразования закрытых данных в открытые с помощью шифра.
Дешифрованиемназывается процесс преобразования закрытых данных в открытые принеизвестном ключе и, возможно, неизвестном алгоритме, т.е. методамикриптоанализа.
Шифрованиемназывается процесс зашифрования или расшифрования данных. Также терминшифрование используется как синоним зашифрования. Однако неверно в качествесинонима шифрования использовать термин «кодирование» (а вместо«шифра» — «код»), так как под кодированием обычно понимаютпредставление информации в виде знаков (букв алфавита).
Криптостойкостьюназывается характеристика шифра, определяющая его стойкость к дешифрованию.Обычно эта характеристика определяется периодом времени, необходимым длядешифрования.
Сраспространением письменности в человеческом обществе появилась потребность вобмене письмами и сообщениями, что вызвало необходимость сокрытия содержимогописьменных сообщений от посторонних. Методы сокрытия содержимого письменныхсообщений можно разделить на три группы. К первой группе относятся методымаскировки или стеганографии, которые осуществляют сокрытие самого фактаналичия сообщения; вторую группу составляют различные методы тайнописи иликриптографии(от греческих слов ktyptos — тайный и grapho — пишу); методы третьей группы ориентированы на создание специальных техническихустройств, засекречивания информации[1].
В историикриптографии условно можно выделить четыре этапа: наивный, формальный, научный,компьютерный.
1. Для наивнойкриптографии(до начала XVI в) характерно использование любых,обычно примитивных, способов запутывания противника относительно содержанияшифруемых текстов. На начальном этапе для защиты информации использовалисьметоды кодирования и стеганографии, которые родственны, но нетождественны криптографии.
Большинствоиз используемых шифров сводились к перестановке или моноалфавитной подстановке.Одним из первых зафиксированных примеров является шифр Цезаря, состоящий взамене каждой буквы исходного текста на другую, отстоящую от нее в алфавите наопределенное число позиций. Другой шифр, полибианский квадрат, авторствокоторого приписывается греческому писателю Полибию, является общеймоноалфавитной подстановкой, которая проводится с помощью случайно заполненнойалфавитом квадратной таблицей (для греческого алфавита размер составляет 5 ×5). Каждая буква исходного текста заменяется на букву, стоящую в квадрате снизуот нее.
2. Этап формальнойкриптографии(конец XV — начало XX вв) связан с появлениемформализованных и относительно стойких к ручному криптоанализу шифров. Вевропейских странах это произошло в эпоху Возрождения, когда развитие науки иторговли вызвало спрос на надежные способы защиты информации. Важная роль наэтом 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 облегчитьс помощью специальной таблицы). Его работа «Трактат о шифре» считаетсяпервой научной работой по криптологии. Одной из первых печатных работ, вкоторой обобщены и сформулированы известные на тот момент алгоритмы шифрования,является труд «Полиграфия» немецкого аббата Иоганна Трисемуса. Емупринадлежат два небольших, но важных открытия: способ заполнения полибианскогоквадрата (первые позиции заполняются с помощью легко запоминаемого ключевогослова, остальные — оставшимися буквами алфавита) и шифрование пар букв (биграмм).Простым, но стойким способом многоалфавитной замены (подстановки биграмм) являетсяшифр Плейфера, который был открыт в начале XIX в. Чарльзом Уитстоном. Уитстонупринадлежит и важное усовершенствование — шифрование «двойным квадратом».Шифры Плейфера и Уитстона использовались вплоть до первой мировой войны, таккак с трудом поддавались ручному криптоанализу. В XIX в. голландец Керкхоффсформулировал главное требование к криптографическим системам, которое остаетсяактуальным и поныне: секретность шифров должна быть основана на секретностиключа, но не алгоритма.
Наконец,последним словом в донаучной криптографии, которое обеспечило еще более высокуюкриптостойкость, а также позволило автоматизировать процесс шифрования сталироторные криптосистемы.
Одной изпервых подобных систем стала изобретенная в 1790 г. Томасом Джефферсоном механическаямашина. Многоалфавитная подстановка с помощью роторной машины реализуется вариациейвзаимного положения вращающихся роторов, каждый из которых осуществляет «прошитую»в нем подстановку.
Практическоераспространение роторные машины получили только в начале XX в. Одной из первыхпрактически используемых машин, стала немецкая Enigma, разработанная в 1917 г. ЭдвардомХеберном и усовершенствованная Артуром Кирхом. Роторные машины активноиспользовались во время второй мировой войны. Помимо немецкой машины Enigma использовалисьтакже устройства Sigaba(США), Турех (Великобритания), Red,Orangeи Purple(Япония). Роторные системы — вершина формальнойкриптографии, так как относительно просто реализовывали очень стойкие шифры. Успешныекриптоатаки на роторные системы стали возможны только с появлением ЭВМ в начале40-х гг.
3. Главнаяотличительная черта научной криптографии(1930 — 60-е гг.) — появление криптосистем со строгим математическим обоснованием криптостойкости. Кначалу 30-х гг. окончательно сформировались разделы математики, являющиесянаучной основой криптологии: теория вероятностей и математическая статистика,общая алгебра, теория чисел, начали активно развиваться теория алгоритмов,теория информации, кибернетика. Своеобразным водоразделом стала работа КлодаШеннона «Теория связи в секретных системах», которая подвела научнуюбазу под криптографию и криптоанализ. С этого времени стали говорить о криптологии(от греческого kryptos — тайный и logos — сообщение) — науке опреобразовании информации для обеспечения ее секретности. Этап развитиякриптографии и криптоанализа до 1949 г. стали называть донаучной криптологией.
Шеннонввел понятия «рассеивание» и «перемешивание», обосновалвозможность создания сколь угодно стойких криптосистем[2]. В1960-х гг. ведущие криптографические школы подошли к созданию блочных шифров,еще более стойких по сравнению с роторными криптосистемами, однакодопускающих практическую реализацию только в виде цифровых электронныхустройств.
4. Компьютернаякриптография(с 1970-х гг.) обязана своим появлением вычислительнымсредствам с производительностью, достаточной для реализации криптосистем,обеспечивающих при большой скорости шифрования на несколько порядков болеевысокую криптостойкость, чем «ручные» и «механические» шифры.
Первымклассом криптосистем, практическое применение которых стало возможно споявлением мощных и компактных вычислительных средств, стали блочные шифры. В70-е гг. был разработан американский стандарт шифрования DES. Один из егоавторов, Хорст Фейстель описал модель блочных шифров, на основе которой былипостроены другие, более стойкие симметричные криптосистемы, в том числеотечественныйстандарт шифрованияГОСТ 28147-89.
Споявлением DES обогатился и криптоанализ, для атак на американскийалгоритм был создано несколько новых видов криптоанализа (линейный,дифференциальный и т.д.), практическая реализация которых опять же былавозможна только с появлением мощных вычислительных систем. В середине 70-х гг. ХХстолетия произошел настоящий прорыв в современной криптографии — появлениеасимметричных криптосистем, которые не требовали передачи секретногоключа 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 впервыесформулированы принципы обмена шифрованной информацией без обмена секретнымключом. Независимо к идее асимметричных криптосистем подошел Ральф Меркли. Несколькимигодами позже Рон Ривест, Ади Шамир и Леонард Адлеман открыли систему RSA,первую практическую асимметричную криптосистему, стойкость которой былаоснована на проблеме факторизации больших простых чисел. Асимметричнаякриптография открыла сразу несколько новых прикладных направлений, в частностисистемы электронной цифровой подписи(ЭЦП) и электронных денег.
В 1980-90-егг. появились совершенно новые направления криптографии: вероятностноешифрование, квантовая криптография и другие[3]. Осознание их практическойценности еще впереди. Актуальной остается и задача совершенствованиясимметричных криптосистем. В этот же период были разработаны нефейстелевскиешифры (SAFER, RC6 и др.), а в 2000 г. после открытого международного конкурсабыл принят новый национальный стандарт шифрования США — AES.
Такимобразом, мы узнали следующее:
Криптология- это наука о преобразовании информации для обеспечения ее секретности, состоящаяиз 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 отнезаконных пользователей. Исторически первой задачей криптографии была защитапередаваемых текстовых сообщений от несанкционированного ознакомления с ихсодержанием, известного только отправителю и получателю, все методы шифрованияявляются лишь развитием этой философской идеи. С усложнением информационныхвзаимодействий в человеческом обществе возникли и продолжают возникать новыезадачи по их защите, некоторые из них были решены в рамках криптографии, чтопотребовало развития новых подходов и методов.
2. Шифры, их виды и свойства
Вкриптографии криптографические системы (или шифры) классифицируются следующимобразом:
симметричныекриптосистемы
асимметричныекриптосистемы
2.1 Симметричные криптографические системы
Подсимметричными криптографическими системами понимаются такие криптосистемы, вкоторых для шифрования и расшифрования используется один и тот же ключ,хранящийся в секрете. Все многообразие симметричных криптосистем основываетсяна следующих базовых классах:
I. Моно — и многоалфавитные подстановки.
Моноалфавитныеподстановки — это наиболее простой вид преобразований, заключающийся в заменесимволов исходного текста на другие (того же алфавита) по более или менеесложному правилу. В случае моноалфавитных подстановок каждый символ исходноготекста преобразуется в символ шифрованного текста по одному и тому же закону. Примногоалфавитной подстановке закон преобразования меняется от символа к символу.Один и тот же шифр может рассматриваться и как моно — и как многоалфавитный взависимости от определяемого алфавита.
Например,самой простой разновидностью является прямая (простая) замена, когда буквышифруемого сообщения заменяются другими буквами того же самого или некоторогодругого алфавита. Таблица замены может иметь следующий вид: