САНКТ-ПЕТЕРБУРСКАЯ АКАДЕМИЯ

УПРАВЛЕНИЯ  И ЭКОНОМИКИ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по  дисциплине « ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ»

на  тему: 

«ИСТОРИЯ КРИПТОГРАФИИ». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент группы № 233-1/5-3 

Каминский Игорь Валерьевич 

                                                 Проверил: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                               Санкт – Петербург

                                       2010 

СОДЕРЖАНИЕ

                                                                                                                           стр.

Введение …………………………………………………………………....  3

1.Общие сведения о криптографии……………………………………….... 4 

2.Симметричные и асимметричные системы…………………………..…. 7 

3. Криптография и криптоанализ………………………………………........8    

4. История криптографии……………………………………………….….  10 

5. Квантовая криптография…………………………………………….……28 

Заключение……………………………………………………………….…..31 

Примечания…………………………………………………………………. 32 

Список литературы и интернет – ресурсов………………………………...36 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Введение. 

  История  человеческой цивилизации стала  также историей создания систем безопасной передачи информации. Искусство шифрования и тайной передачи информации было присуще практически всем государствам. Проблема защиты информации путем ее преобразования, исключающего ее прочтение посторонним лицом, волновала человеческий ум с давних времен. История криптографии - ровесница истории человеческого языка. Более того, первоначально письменность сама по себе была своеобразной криптографической системой, так как в древних обществах ею владели только избранные. Письменность древнего Египта, а также древних Индии и Китая – это примеры, которые позволяют сделать такое утверждение.

   Начиная с давних времен, люди обменивались информацией, посылая друг другу

письма. Древним  новгородцам приходилось сворачивать  свои берестяные грамотки

текстом наружу — только так они могли перевозиться и храниться, не разворачиваясь самопроизвольно от изменения влажности. Это походило на современные почтовые карточки, где текст тоже открыт для посторонних взоров. Криптография в прошлом использовалась чаще в военных, религиозных и политических целях, реже она применялась для шифровки данных открытий, рецептов или сообщений частного характера.

 Интересно  заметить, во время Второй мировой войны сделать свои шифровки нечитаемыми для японцев, американцы смогли довольно простым путем: они набирали криптографов - связистов из небольшого индейского племени Навахо и те вели секретную связь только на своем родном языке.

 Однако сейчас, по мере образования информационного  общества, криптография становится  одним из основных инструментов, обеспечивающих конфиденциальность, доверие, авторизацию, электронные платежи, корпоративную безопасность и бесчисленное множество других важных вещей. Справедливости ради надо отметить, что криптография — не панацея от всех бед. Криптографические методы могут помочь обеспечить безопасность, но только на эти методы надеяться не следует. Важно также использовать некриптографические средства для защиты информации. Это - охрана, сейфы, сигнализация, секретные пакеты, индивидуальные печати, фирменные бланки, водяные знаки, факсимиле и личные подписи — вот далеко не полный набор обычных средств, предназначенных для поддержания доверия к секретности информации.

 В настоящее  время проблема защиты информации стоит остро, как никогда ранее. Основные причины это распространение сети Интернет, глобальная компьютеризация общества и развитие технологий на основе компьютера во всех сферах жизнедеятельности человечества. В связи с этим, пришла насущная необходимость в сохранении конфиденциальности хранящихся и передаваемых объемов информации. Особенно это актуально для Российского общества, которое стремительно осваивает новые технологии и остро нуждается в защите от кибер-преступников.

 Поэтому криптография, как область науки, никогда  не потеряет своей актуальности.

1. Общие сведения о криптографии. 

Историю криптографии условно можно разделить на 4 этапа: 

1. Наивная криптография.

2. Формальная  криптография.

3. Научная криптография.

4. Компьютерная  криптография. 

 Для наивной криптографии (до нач. XVI века) характерно использование любых, обычно примитивных, способов запутывания 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 примеров является шифр Цезаря ², основанный на 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 Полибию³, является общей моноалфавитной подстановкой, которая проводится с помощью случайно заполненной алфавитом квадратной таблицей. Каждая буква исходного текста заменяется на букву, стоящую в квадрате снизу от нее.

 Этап формальной криптографии (кон. XV века - нач. XX века) 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 Альберти⁴, итальянскому архитектору, который одним из первых предложил многоалфавитную подстановку. Данный шифр, получивший имя дипломата XVI века Блеза Вижинера, состоял в последовательном «сложении» букв исходного текста с ключом (процедуру можно облегчить с помощью специальной таблицы). Его работа «Трактат о шифре» (1466 г.) 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» (1508 г.) 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 века Чарльзом Уитстоном⁵. 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 веке 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 обеспечили еще более высокую криптостойкосить, а также позволило автоматизировать (в смысле механизировать) процесс шифрования стали роторные криптосистемы. Одной из первых подобных систем стала изобретенная в 1790 году Томасом Джефферсоном⁶, будущим президентом США 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 века. Одной из первых практически используемых машин, стала немецкая Enigma, разработанная в 1917 году 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 Purple2 (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 годов.

 Главная отличительная  черта научной криптографии (30-е - 60-е годы XX века) - появление криптосистем со строгим математическим обоснованием криптостойкости.

 К началу 30-х годов 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 Шеннона⁷ «Теория связи в секретных системах», где сформулированы теоретические принципы криптографической защиты информации. Шеннон ввел понятия «рассеивание» и «перемешивание», обосновал возможность создания сколь угодно стойких криптосистем. В 60-х годах ведущие криптографические школы подошли к созданию блочных шифров, еще более стойких по сравнению с роторными криптосистемами, однако допускающие практическую реализацию только в виде цифровых электронных устройств.

 Компьютерная криптография (с 70-х годов XX века) обязана своим появлением вычислительным средствам с производительностью, достаточной для реализации критосистем, 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 годы был разработан американский стандарт шифрования DES - Data Encryption Standard (принят в 1978 году). Это стандарт, который использует алгоритм шифрования с применением симметричных ключей, разработанный фирмой IBM и принятый институтом NIST (США) в 1977 г. в качестве национального стандарта для шифрования конфиденциальных данных, не составляющих государственной тайны. Пересматривается каждые пять лет. В последний раз был утвержден в 1993 г. Один из его авторов, Хорст Фейстел (сотрудник IBM), описал модель блочных шифров, на основе которой были построены другие, более стойкие симметричные криптосистемы, в том числе отечественный стандарт шифрования ГОСТ 28147-89.

 Криптографические методы могут применяться для решения следующих проблем безопасности:

-  конфиденциальности  передаваемых/хранимых данных 

-  аутентификации, авторизации, идентификации

-  целостности  хранимых и передаваемых данных 

-  обеспечения  подлинности документов

  Базовых  методов преобразования информации, которыми располагает криптография, немного, среди них:

-  шифрование (симметричное и несимметричное)

-  генерация  электронной цифровой подписи 

-  генерация  последовательности псевдослучайных  чисел

2. Симметричные криптосистемы

Этот ключ должен быть известен всем пользователям и требует периодического обновления одновременно у отправителя и получателя.  

Рисунок 1 – Симметричная  криптосистема.

Симметричная криптосистема генерирует общий секретный ключ и распределяет его между законными пользователями. С помощью этого ключа производится как шифрование, так и дешифрование сообщения.

Процесс распределения  секретных ключей между абонентами обмена конфиденциальной информации в симметричных криптосистемах имеет весьма сложный характер. Имеется в виду, что передача секретного ключа нелегитимному пользователю может привести к вскрытию всей передаваемой информации. Наиболее известные симметричные криптосистемы - шифр Цезаря, шифр Вижинера, американский стандарт шифрования DES, шифр IDEA и отечественный стандарт шифрования данных 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 годов 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 году 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.

Асимметричные криптосистемы

В таких системах для зашифровывания сообщения используется один ключ, а для расшифровывания - другой.

Рисунок 2 – Ассиметричная криптосистема. 

 Асимметричные криптосистемы используют для работы два ключа. Первый, открытый, доступен любому пользователю, с помощью которого зашифровывается сообщение. Второй, секретный, должен быть известен только получателю сообщений. Асимметричная криптография открыла сразу несколько новых прикладных направлений, в частности системы электронной цифровой подписи (ЭЦП) и электронных денег. В 80-90-е годы появились совершенно новые направления криптографии: вероятностное шифрование, квантовая криптография. Суть данного направления рассматривается в разделе «История криптографии». 

3. Криптография и криптоанализ. 

   Дипломатические,  военные и промышленные секреты обычно передаются или хранятся не в исходном виде, а после шифрования. В отличие от тайнописи, которая прячет сам факт наличия сообщения, шифровки передаются открыто, а прячется только смысл. Итак, криптография обеспечивает сокрытие смысла сообщения с помощью шифрования и открытие его расшифровыванием, которые выполняются по специальным криптографическим алгоритмам с помощью ключей у отправителя и получателя. Рассмотрим классическую схему (рис. 3) передачи секретных сообщений криптографическим преобразованием, где указаны этапы и участники этого процесса: 

Рисунок 3 – Схема передачи секретных сообщений 

Из схемы можно  увидеть следующие особенности  и отличия от обычных коммуникационных каналов. Отправителем сообщение шифруется  с помощью ключа, и полученная шифровка передается по обычному открытому каналу связи получателю, в то время как ключ отправляется ему по закрытому каналу, гарантирующему секретность. Имея ключ и шифровку, получатель выполняет расшифровывание и восстанавливает исходное сообщение. В зависимости от целей засекречивания эта схема может несколько видоизменяться. Так, в компьютерной криптографии обычен случай, когда отправитель и получатель одно и то же лицо. Например, можно зашифровать данные, закрыв их от постороннего доступа при хранении, а потом расшифровать, когда это будет необходимо. В этом случае зачастую роль закрытого канала связи играет память. Тем не менее, налицо все элементы этой схемы.

   Криптографические  преобразования призваны для  достижения двух целей по защите информации. Во-первых, они обеспечивают недоступность ее для лиц, не имеющих ключа и, во-вторых, поддерживают с требуемой надежностью обнаружение несанкционированных искажений. По сравнению с другими методами защиты информации классическая криптография гарантирует защиту лишь при условиях, что:

• использован  эффективный криптографический  алгоритм;

• соблюдены  секретность и целостность ключа.

      Шифрование и расшифровывание,  выполняемые криптографами, а  также разработка и вскрытие  шифров криптоаналитиками составляют предмет науки криптологии (от греческих слов криптос — тайный и логос — мысль) . В этой науке преобразование шифровки в открытый текст (сообщение на оригинальном языке, порой называемое «клер») может быть выполнено в зависимости от того, известен ключ или нет. Условно ее можно разделить на криптографию и криптоанализ.

   Криптография  связана с шифрованием и расшифровыванием  конфиденциальных данных в каналах  коммуникаций. Она также применяется  для того, чтобы исключить возможность  искажения информации или подтвердить ее происхождение. Криптоанализ занимается в основном вскрытием шифровок без знания ключа и, порой, примененной системы шифрования. Эта процедура еще называется взломкой шифра. Итак, криптографы стремятся обеспечить секретность, а криптоаналитики ее сломать.

   Совершенствуя  схему шифрования, неизбежно приходится  рассматривать и пути ее взлома, а конструируя устройство засекречивания  данных, необходимо предусмотреть  в нем блок контроля качества.

4. История криптографии. 

  История криптографии насчитывает не одно тысячелетие. Уже в исторических документах древних цивилизаций – Индии, Египте, Китае, Месопотамии – имеются сведенья о системах и способах составления шифрованного письма. Видимо, первые системы шифрования появились одновременно с письменностью в четвёртом тысячелетии до нашей эры.

В древнеиндийских  рукописях приводится более шестидесяти  способов письма, среди которых есть и такие, которые можно рассматривать  как криптографические. Имеется  описание системы замены гласных букв согласными, и наоборот. Один из сохранившихся шифрованных текстов Месопотамии представляют собой табличку, написанную клинописью и содержащую рецепт изготовления глазури для гончарных изделий. В этом тексте использовались редко употребляемые значки, игнорировались некоторые буквы, употреблялись цифры вместо имён. В рукописях Древнего Египта шифровались религиозные тексты и медицинские рецепты. Шифрование использовалось в Библии. Некоторые фрагменты библейских текстов зашифрованы с помощью шифра, который называется Атбаш. В 600 - 500 годы до н. э. древние евреи создали упорядоченную систему криптографии "Атбаш" - в России известна под названием "тарабарская грамота". Некоторые фрагменты Ветхого завета были зашифрованы с помощью этой системы. Суть метода проста: при письме одна буква алфавита заменяется другой, например, вместо буквы "а" всегда пишется буква "я".

Основные принципы разведки и контрразведки, включая  и методы обработки информации, впервые  сформулировал китайский ученый Сунн Цзы в своей книге "Искусство войны" примерно в 500 году до н. э. Малоизвестно, что в известной древнеиндийской книге "Кама Сутра" криптография упоминается как одно из 64 искусств, обязательных к изучению.

Абу Яхмади, составитель  первого словаря арабского языка  в VIII веке научился взламывать византийские секретные депеши, написанные на основе греческого языка. Пересылка берестяных грамот была широко распространена, но имела серьезный изъян, содержимое посланий не было защищено ни от своекорыстных интересов, ни от неуемного любопытства иных людей. Поэтому со временем послания стали свертывать особо, так, чтобы текст оказывался внутри. Когда же и это казалось недостаточным, то письмо запечатывали восковой, а в позднейшее время сургучной личной печатью. Печати всегда были не столько в моде, сколько в повседневном обиходе. Они обычно выполнялись в виде перстней с рельефными изображениями, и Эрмитаж в античном отделе хранит их множество. Печати, придуманы по уверениям некоторых историков китайцами, хотя древние камеи Вавилона, Египта, Греции и Рима ничем от печатей не отличаются. Воск прежде, а сургуч и поныне помогают поддерживать секреты почтовой переписки.

В XV веке итальянский  математик Леон Батиста Альберти создал первую математическую модель криптографии. Он также создал первое механическое устройство для шифрования секретных документов. На основе его изобретения действовали все криптографические устройства, использовавшиеся до появления компьютеров. В частности, в 17 веке известный английский ученый сэр Фрэнсис Бэкон создал подобное устройство, где каждой букве алфавита могло соответствовать пять вариантов шифровки    

  Развитию  криптографии способствовал переход  от идеографического письма, основанного  на использовании огромного числа  иероглифов, к фонетическому письму. В древнем семитском алфавите во втором тысячелетии до нашей эры было уже 30 знаков. Ими обозначались согласные звуки, а также некоторые гласные и слоги. Упрощение письма стимулировало развитие криптографии.

В Древней Греции криптография уже широко использовалась в разных областях деятельности, в особенности в государственной сфере. Плутарх сообщает, что жрецы, например, хранили в форме тайнописи свои прорицания. В Спарте в 5-6 вв. до Н.Э. использовалось одно из первых шифровальных приспособлений – «сцитала». Это был жезл цилиндрической формы, на который наматывалась лента из пергамента. Кроме жезла могли использоваться рукоятки мечей, кинжалов, копий, и т.д. Вдоль оси цилиндра  на пергамент построчно записывался текст, предназначенный для передачи. После записи текста лента сматывалась с жезла и передавалась адресату, который имел точно такую же «сциталу». Ясно, что такой способ шифрования осуществлял перестановку букв сообщения. Ключом шифра служит диаметр «сциталы». Известен также и метод вскрытия такого шифра, приписываемый Аристотелю. Предлагалось заточить на конус длинный брус и, обернув в него ленту, начать сдвигать её по конусу от малого диаметра до самого большого. В том месте, где диаметр конуса совпадал с диаметром «сциталы», буквы текста сочетались в слоги и слова. После этого оставалось лишь изготовить цилиндр нужного диаметра.

Греческий писатель Полибий использовал систему  визуальной сигнализации, которая была широко принята как метод шифрования. Он записывал буквы алфавита в  квадратную таблицу и заменял их координатами: парами чисел (i,j), где i – номер строки, j – номер столбца. Применительно к латинскому алфавиту квадрат Полибия  имеет следующий вид, таблица 1: 

Таблица 1. 

Пары (i,j) передавались с помощью факелов. Например, для  передачи буквы «О», нужно было взять 3 факела в правую руку и 4 – в левую.

Подобные шифровальные приспособления, с небольшими изменениями  просуществовали до эпохи военных  походов Юлия Цезаря. Положение меняется в эпоху расцвета Рима, который первоначально представлял собой лишь небольшую гражданскую общину, со временем он разросся, подчинив себе Италию, а затем всё Средиземноморье. Чтобы управлять наместниками в многочисленных провинциях, шифрованная связь для римских органов власти стала жизненно необходимой. Особую роль в сохранении тайны сыграл способ шифрования, предложенный Юлием Цезарем и изложенным им в «Записках о галльской войне» (1 век до Н.Э.) Вот что пишет о нём Гай Светоний «…существуют и его письма к Цицерону и письма к близким о домашних делах: в них, если нужно было сообщить что-то негласно, он пользовался тайнописью, то есть менял буквы так, чтобы из них не складывалось ни одного слова. Чтобы разобрать и прочитать их, нужно читать всякий раз четвёртую букву вместо первой, например, D вместо А и так далее». Таким образом, Цезарь заменял буквы в соответствии с подстановкой, нижняя строка которой представляет собой алфавит открытого текста, сдвинутый циклически на 3 буквы влево.

Со времён Цезаря до 15 века шифровальное дело претерпело много изменений, однако нам мало что известно о методах и системах шифрования, применяемых в этот период времени. В мрачные годы средневековья практика шифрования сохранялась в строжайшей тайне. Так, в годы крестовых походов, шифровальщики, служившие у Папы Римского, после года работы подлежали физическому уничтожению.

В эпоху Возрождения  в итальянских городах-государствах параллельно с расцветом культуры и науки активно развивается  криптография. Нередко учёные зашифровывали научные гипотезы, чтобы не прослыть еретиками и не подвергнуться преследованиям инквизиции.

 О тайнописи  и её значении говорится даже  в сказках «Тысячи и одной  ночи». Первая книга, специально  посвящённая описанию некоторых  шифров, появилась в 855г., она называлась «Книга о большом стремлении человека разгадать загадки древней письменности». В 1412г. издаётся 14-томная энциклопедия, содержащая систематический обзор всех важнейших областей человеческого знания, - «Шауба аль-Аща». Её автор Шехаб аль-Кашканди. В этой энциклопедии есть раздел о криптографии, под заголовком «Относительно сокрытия в буквах тайных сообщений», в котором приводятся 7 способов шифрования. Там же даётся перечень букв в порядке частоты их употребления в арабском языке на основе изучения текста Корана, а также приводятся примеры раскрытия шифров методом частотного анализа встречаемости букв.

В 14 веке появилась  книга о системах тайнописи, написанная сотрудником тайной канцелярии Папы Римского Чикко Симонетти. В этой книге приводятся шифры замены, в которых гласным буквам соответствуют несколько значковых выражений. Такие шифры позже стали называть шифрами многозначной замены или омофонами. Они получили развитие  в 15 веке. Так, в книге «Трактат о шифрах» Габриеля де Лавинды – секретаря папы Климентия 12 – приводится описание шифра пропорциональной замены, в котором каждой букве ставится в соответствие несколько эквивалентов, число которых пропорционально частоте встречаемости буквы в открытом тексте. В 1469 году был предложен подобный шифр, получивший название «Миланский ключ». Появление омофонов свидетельствовало о том, что к этому времени уже хорошо осознавали слабости шифров простой замены. Такая модификация шифра разрушила статистику букв открытого сообщения, что явилось заметным шагом в развитии криптографии.

Ещё один значительный шаг вперёд криптография сделала  благодаря труду Леона Альберти. Известный философ, живописец, архитектор, в 1466 году написал труд о шифрах. В этой работе был предложен шифр, основанный на использовании шифровального диска. Сам Альберти называл его шифром, «достойным королей».