Криптология

Содержание: 

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

1.История криптографии…………………………………………………………4

2. Криптография эпохи Возрождения …………………………………………...9

3.Современная криптография и её терминология……………………………..12

Вывод……………………………………………………………………………..15

Библиографический список……………………………………………………..16

     Введение 

     История криптографии насчитывает около 4 тысяч  лет. В качестве основного критерия периодизации криптографии, возможно, использовать технологические характеристики используемых методов шифрования.

     Первый  период (приблизительно с 3-го тысячелетия  до н.э.) характеризуется господством моноалфавитных шифров (основной принцип – замена алфавита исходного текста другим алфавитом через замену букв другими буквами или символами). Второй период (хронологические рамки – с IX века на Ближнем Востоке (Ал-Кинди) и с XV века в Европе (Леон Баттиста Альберти) – до начала XX века) ознаменовался введением в обиход полиалфавитных шифров. Третий период (с начала и до середины XX века) характеризуется внедрением электромеханических устройств в работу шифровальщиков. При этом продолжалось использование полиалфавитных шифров.

     Четвёртый период – с середины до 70-х годов XX века – период перехода к математической криптографии. В работе Шеннона появляются строгие математические определения  количества информации, передачи данных, энтропии, функций шифрования. Обязательным этапом создания шифра считается  изучение его уязвимости к различным  известным атакам – линейному и дифференциальному криптоанализу. Однако до 1975 года криптография оставалась «классической», или же, более корректно, криптографией с секретным ключом.

     Современный период развития криптографии (с конца 1970-х годов по настоящее время) отличается зарождением и развитием  нового направления – криптография с открытым ключом. Её появление  знаменуется не только новыми техническими возможностями, но и сравнительно широким  распространением криптографии для  использования частными лицами (в  предыдущие эпохи использование  криптографии было исключительной прерогативой государства). Правовое регулирование  использования криптографии частными лицами в разных странах сильно различается  – от разрешения до полного запрета.

Современная криптография образует отдельное научное  направление на стыке математики и информатики – работы в этой области публикуются в научных  журналах, организуются регулярные конференции. Практическое применение криптографии стало неотъемлемой частью жизни  современного общества – её используют в таких отраслях как электронная  коммерция, электронный документооборот (включая цифровые подписи), телекоммуникации и других.

1.История криптографии

     Конечно, использование развитого "секретного" языка для защиты передаваемых данных обеспечивает гораздо большую свободу в коммуникации, чем несколько тайных знаков, о которых участники договорились накануне, однако этот путь имеет и гораздо большие издержки. За всеми посвященными уследить трудно, и рано или поздно такой язык станет понятным тем, от кого пытаются скрыть разговор. В этом случае возникнет необходимость его заменить другим, разработать же достаточно мощный язык и обучить ему нужное количество людей весьма затруднительно и накладно, а сделать это оперативно - невозможно. Поэтому подобный подход к проблеме проходит только в особых случаях, когда тому благоприятствуют обстоятельства. Так, он использовался американцами во время второй мировой войны: корабли ВМФ США осуществляли связь на языке малочисленного и компактно проживающего индейского племени. На каждом корабле было несколько индейцев-"шифровальщиков", у противника не было практически никаких шансов раздобыть себе такого "криптографа".

     С возникновением письменности задача обеспечения  секретности и подлинности передаваемых сообщений стала особенно актуальной. Действительно, сообщение, переданное словесно или показанное жестами, доступно для постороннего только в тот  краткий промежуток времени, пока оно "в пути", а в его авторстве  и подлинности у получателя никаких  сомнений быть не может, потому что  он видит своего собеседника. Иное дело, когда сообщение записано - оно  уже живет отдельной жизнью и  имеет свой путь, зачастую далеко расходящийся с путем человека, его создавшего. Записанное на бумаге сообщение существует в материальном мире гораздо более  длительный промежуток времени, и у  людей, желающих ознакомиться с его  содержанием против воли отправителя  и получателя, появляется гораздо  больше шансов сделать это. Поэтому  именно после возникновения письменности появилось искусство тайнописи, искусство "тайно писать" - набор  методов, предназначенных для секретной  передачи записанных сообщений от одного человека другому.

     Прежде всего заметим, что эта задача возникает только для информации, которая нуждается в защите. Обычно в таких случаях говорят, что информация содержит тайну или является защищаемой, приватной, конфиденциальной, секретной. Для наиболее типичных, часто встречающихся ситуаций такого типа введены даже специальные понятия:

- государственная  тайна; военная тайна; коммерческая  тайна; юридическая тайна; врачебная  тайна и т.д. 

     Данные  о первых способах тайнописи весьма обрывочны. Предполагается, что она  была известна в древнем Египте и  Вавилоне. До нашего времени дошли  указания на то, что искусство секретного письма использовалось в древней  Греции. Первые действительно достоверные  сведения с описанием метода шифрования относятся к периоду смены  старой и новой эры и описывают  шифр Цезаря - способ, которым Юлий Цезарь прятал свои записи от излишне любопытных глаз. С высоты достижений современной  криптографии шифр Цезаря предельно  примитивен: в нем каждая буква  сообщения заменялась на следующую за ней по алфавиту. Однако для того времени, когда умение читать и писать было редким исключением, его криптостойкости вполне хватало. Использование шифра решало проблему секретности передаваемого сообщения, а проблема его подлинности решалась практически сама собой:

·  во-первых, для человека, не знавшего шифр, было невозможно внести осмысленные изменения в зашифрованные сообщения, носившие исключительно текстовый характер, а изменения, внесенные наобум приводили к тому, что после расшифрования получался бессмысленный набор букв;

·  во-вторых, практически до совсем еще недавних, по историческим меркам времен, отправляемые сообщения записывались от руки, а каждый человек имеет свой индивидуальный, присущий только ему почерк, который очень трудно воспроизвести другому человеку; запомнить почерк даже нескольких десятков наиболее важных своих корреспондентов, - а больше ни у кого и не было, - не составляет особого труда.

     Человечество  изобрело большое число способов секретного письма, многие из них были известны еще в древности. В некоторых  способах тайного письма используются физические особенности носителей  информации. Так симпатические чернила  исчезают вскоре после написания  ими текста или невидимы с самого начала. Но их можно снова сделать  видимыми, обработав документ специальным  химическим реактивом или осветив  лучами определенной части спектра, обычно - ультрафиолетом. Стеганография  предполагает, что передаваемый текст "растворяется" в сообщении  большего размера с совершенно "посторонним" смыслом. Но если взять и извлечь  из него некоторые символы по определенному  закону, например - каждый второй, или третий, и т.д., получим вполне конкретное тайное сообщение. Шифрование является преобразованием сообщения по определенным правилам, что делает его бессмысленным набором знаков для непосвященного в тайну шифра человека.

     Классифицировать  способы засекречивания передаваемых сообщений можно по-разному, однако определяющих факторов всего два:

·  используются ли для засекречивания свойства материальных носителей и материальной среды передачи информации или оно осуществляется независимо от них;

·  прячется ли секретное сообщение или оно просто делается недоступным для всех, кроме получателя.

     Различные классы способов засекречивания данных - стеганография и шифрование. Если рассматривать информацию отдельно от ее материального представления, то где же ее тогда можно спрятать? Ответ однозначен: только в еще большем массиве информации - как иголку в стоге сена. В этом и заключается принцип действия стеганографии. Например, мы отправляем нашему корреспонденту по электронной почте файл с растровой черно-белой картинкой, в котором наименее значащий бит в коде яркости каждой точки изображения будет элементом нашего тайного сообщения. Получатель письма извлечет все такие биты и составит из них "истинное" сообщение. Картинка, присутствующая здесь только для отвода глаз, так и останется для непосвященных простой картинкой. Стеганография бывает полезна, когда необходимо не просто передать секретное сообщение, а секретно передать секретное сообщение, то есть скрыть сам факт передачи секретного сообщения. Такой способ ведения тайной коммуникации, однако, имеет ряд недостатков:

·  во-первых, трудно обосновать его стойкость - вдруг злоумышленникам станет известен способ "подмешивания" секретных данных к "болванке" - массиву открытых данных;

·  во-вторых, при его использовании объем передаваемых или хранимых данных резко увеличивается, что отрицательно сказывается на производительности систем их обработки;

     Другой  подход - не скрывать факт передачи сообщения, но сделать его недоступным посторонним. Для этого сообщение должно быть записано так, чтобы с его содержимым не мог ознакомиться никто за исключением  самих корреспондентов - в этом и заключается суть шифрования. И криптография возникла именно как практическая дисциплина, изучающая и разрабатывающая способы шифрования сообщений.

     Когда объемы подлежащей закрытию информации стали критическими, в помощь людям  были созданы механические устройства для шифрования. Надо сказать, что  основными потребителями криптографических  услуг были дипломатические и  шпионские миссии, тайные канцелярии правителей и штабы войсковых  соединений. Для этого этапа развития криптографии характерно следующее:

·  защите подвергались исключительно текстовые сообщения, написанные на естественных языках - других типов дискретно представленных данных просто не существовало;

·  шифрование сначала осуществлялось вручную, позднее были изобретены сравнительно несложные механические приспособления, поэтому использовавшиеся тогда шифры были достаточно простыми и несложными;

·  криптография и криптоанализ были скорее искусством, чем наукой, научный подход к построению шифров и их раскрытию отсутствовал;

·  криптография использовалась в очень узких сферах - только для обслуживания высших правящих слоев и военной верхушки государств;

·  основной задачей криптографии была защита передаваемых сообщений от несанкционированного ознакомления с ними, поскольку шифровались исключительно текстовые сообщения, никаких дополнительных методов защиты от навязывания ложных данных не применялось - вероятность получить нечто осмысленное после расшифрования искаженного зашифрованного текста была ничтожно мала в силу огромной избыточности, характерной для естественных языков.

     Появление в середине нашего столетия первых электронно-вычислительных машин кардинально  изменило ситуацию. С проникновением компьютеров в различные сферы  жизни возникла принципиально новая  отрасль хозяйства - информационная индустрия. Объем циркулирующей  в обществе информации с тех пор  стабильно возрастает по экспоненциальному  закону - он примерно удваивается каждые пять лет. Фактически, на пороге нового тысячелетия человечество создало  информационную цивилизацию, в которой  от успешной работы средств обработки  информации зависит само благополучие и даже выживание человечества в его нынешнем качестве. Произошедшие за этот период изменения можно охарактеризовать следующим образом:

·  объемы обрабатываемой информации возросли за полвека на несколько порядков;

·  сложилось такое положение вещей, что доступ к определенным данным позволяет контролировать значительные материальные и финансовые ценности; информация приобрела стоимость, которую во многих случаях даже можно подсчитать;

·  характер обрабатываемых данных стал чрезвычайно многообразным и более не сводится к исключительно текстовым данным;

·  информация полностью "обезличилась", т.е. особенности ее материального представления потеряли свое значение - сравните письмо прошлого века и современное послание по электронной почте;

·  характер информационных взаимодействий чрезвычайно усложнился, и наряду с классической задачей защиты передаваемых текстовых сообщений от несанкционированного прочтения и искажения возникли новые задачи сферы защиты информации, ранее стоявшие и решавшиеся в рамках используемых "бумажных" технологий - например, подпись под электронным документом и вручение электронного документа "под расписку" - речь о подобных "новых" задачах криптографии еще впереди;

·  субъектами информационных процессов теперь являются не только люди, но и созданные ими автоматические системы, действующие по заложенной в них программе;

·  вычислительные "способности" современных компьютеров подняли на совершенно новый уровень как возможности по реализации шифров, ранее немыслимых из-за своей высокой сложности, так и возможности аналитиков по их взлому.

     Перечисленные выше изменения привели к тому, что очень быстро после распространения  компьютеров в деловой сфере  практическая криптография сделала  в своем развитии огромный скачок, причем сразу по нескольким направлениям:

·  во-первых, были разработаны стойкие блочные шифры с секретным ключом, предназначенные для решения классической задачи - обеспечения секретности и целостности передаваемых или хранимых данных, они до сих пор остаются "рабочей лошадкой" криптографии, наиболее часто используемыми средствами криптографической защиты;

·  во-вторых, были созданы методы решения новых, нетрадиционных задач сферы защиты информации, наиболее известными из которых являются задача подписи цифрового документа и открытого распределения ключей.

Как видим, термин "криптография" далеко ушел от своего первоначального значения - "тайнопись", "тайное письмо". Сегодня эта дисциплина объединяет методы защиты информационных взаимодействий совершенно различного характера, опирающиеся на преобразование данных по секретным алгоритмам, включая алгоритмы, использующие секретные параметры. Термин "информационное взаимодействие" или "процесс информационного взаимодействия" здесь обозначает такой процесс взаимодействия двух и более субъектов, основным содержанием которого является передача и/или обработка информации. По большому счету, криптографической может считаться любая функция преобразования данных, секретная сама по себе или зависящая от секретного параметра S:

T' = f(T), или

T' = f(T,S). 

     2.Криптография эпохи Возрождения 

Роджер  Бэкон

     Первой  европейской книгой, описывающей  использование криптографии, считается  труд Роджера Бэкона XIII века «Послание  брата Рогериса Бакониса о тайных действиях искусства и природы и ничтожестве магии» (лат. «Epistola Fratris Rog. Baconis, de secretis operibus artis et naturae et nullitate magiae») . описывающий, в числе прочего, применение 7 методов скрытия текста.

     В XIV веке сотрудник тайной канцелярии папской курии Чикко Симонети пишет книгу о системах тайнописи, а в XV веке секретарь папы Климентия XII Габриэль де Левинда заканчивает работу над «Трактатом о шифрах».

Первая  организация, посвятившая себя целиком  криптографии, была создана в Венеции (Италия) в 1452 году. Три секретаря  этой организации занимались взломом  и созданием шифров по заданиям правительства. В 1469 году появляется шифр пропорциональной замены «Миланский ключ».

Отцом западной криптографии называют учёного  эпохи Возрождения Леона Баттисты Альберти. Изучив методы вскрытия использовавшихся в Европе моноалфавитных шифров, он попытался создать шифр, который был бы устойчив к частотному криптоанализу. Трактат о новом шифре был представлен им в папскую канцелярию в 1466 году. Альберти предложил вместо единственного секретного алфавита, как в моноалфавитных шифрах, использовать два или более, переключаясь между ними по какому-либо правилу. Однако флорентийский учёный так и не смог оформить своё открытие в полную работающую систему, что было сделано уже его последователями. Также Альберти предложил устройство из двух скреплённых в центре дисков, каждый из которых имел алфавит, написанный по краю, и мог поворачиваться относительного другого диска. Пока диски не двигаются, они позволяют шифровать с использованием шифра Цезаря,

Очередной известный результат принадлежит  перу германского аббата Иоганна  Тритемия, которого многие историки считают вторым отцом современной криптологии. В пятой книге серии «Polygraphia», изданной в 1518 году, он описал шифр, в которой каждая следующая буква шифруется своим собственным шифром сдвига. Его подход был улучшен Джованом Баттистой Белласо (итал. Giovan Battista Bellaso), который предложил выбирать некоторое ключевое слово и записывать его над каждым словом открытого текста. Каждая буква ключевого слова используется для выбора конкретного шифра сдвига из полного набора шифров для шифрования конкретной буквы, тогда как в работе Тритемия шифры выбираются просто по циклу. Для следующего слова открытого текста ключ начинал использоваться снова, так, что одинаковые слова оказывались зашифрованы одинаково. Данный шифр в настоящий момент известен как шифра Виженера (см. ниже). Кроме этого, Тритемий первым заметил, что шифровать можно и по две буквы за раз – биграммами (хотя первый биграммный шифр – Playfair – был предложен лишь в XIX веке). Позже, в XVII веке, член ордена иезуитов Атанасиус Кирхер провёл исследования лингвистических аспектов работ Тритемия, результаты которых опубликовал в своей Polygraphia nova в 1663 году. Одним из результатов стало создание «полиглотического кода на пяти языках», который мог использоваться для шифрования и передачи сообщений на латинском, итальянском, французском, испанском и немецком языках, при этом декодирование могло производиться на любом из указанных языков.

     В 1550 году итальянский математик Джероламо Кардано, состоящий на службе у папы римского, предложил новую технику шифрования – решётку Кардано. Этот способ сочетал в себе как стеганографию (искусство скрытого письма), так и криптографию. Затруднение составляло даже понять, что сообщение содержит зашифрованный текст, а расшифровать его, не имея ключа (решётки) в то время было практически невозможно. Решётку Кардано считают первым транспозиционным шифром, или, как ещё называют, геометрическим шифром, основанным на положении букв в шифротексте.

Фрэнсис Бэкон в своей первой работе 1580 года предложил двоичный способ кодирования латинского алфавита, по принципу аналогичный тому, что сейчас используется в компьютерах. Используя этот принцип, а также имея два разных способа начертания для каждой из букв, отправитель мог «спрятать» в тексте одного длинного сообщения короткое секретное. Данный способ получил название «шифр Бэкона», хотя относится больше к стеганографии.

     Самым известным криптографом XVI века можно назвать Блеза де Виженера (фр. Blaise de Vigenère). В своём трактате 1585 года он описал шифр, подобный шифру Тритемия, однако изменил систему выбора конкретного шифра замены для каждой буквы. Одной из предложенных техник было использование букв другого открытого текста для выбора ключа каждой буквы исходного текста. Описанный шифр известен как шифр Виженера и, при длине случайного ключа равной длине открытого текста, является абсолютно стойким шифром, что было математически доказано много позже (в XX веке в работах Шеннона). Другая техника использовала результат шифрования для выбора следующего ключа-то, что впоследствии использует Фейстель и компания IBM при разработке шифра DES в 1970-х годах. Уникальный слоговой шифр иезуитов использован в Тетради Бласа Валера (Куско, 1616); одновременно в документе содержится дешифровка инкских кипу, юпаны, знаков токапу и секес, во многом и послуживших основой для создания шифра; поскольку ключевое значение в шифре имел цвет, то он послужил поводом изобретения в 1749 году итальянцем Раймондо де Сангро метода цветного книгопечатания. К 1639 году относится первое упоминание о рукописи Войнича – книге, написанной неизвестным автором на неизвестном языке. Расшифровать её пытались многие известные криптографы, но, не исключено, что рукопись является всего лишь мистификацией.

Чёрный  кабинет

     В 1626 году, при осаде города Реальмон, а позже и в 1628 году при осаде Ла-Рошели, французский подданный Антуан Россиньоль (фр. Antoine Rossignol, 1600–1682) расшифровал перехваченные сообщения, и тем самым помог победить армию гугенотов. После победы правительство Франции несколько раз привлекали его к расшифровке шифров. В то время правительство Франции привлекало к работе множество криптографов, которые вместе образовывали так называемый «Чёрный кабинет» (фр. Cabinet Noir).

     Антуану Россиньолю принадлежит доктрина, согласно которой стойкость шифра должна определяться видом зашифрованной информации. Для военного времени достаточной будет являться стойкость,если сообщение с приказом армейскому подразделению не будет расшифровано противником хотя бы до момента исполнения получателем,а для дипломатической почты шифр должен обеспечивать сохранность на десятки лет.

     В России датой учреждения первой государственной  шифровальной службы можно считать 1549 год – образование «посольского приказа» с «циферным отделением». А как минимум с 1702 года Петра сопровождала походная посольская канцелярия под руководством первого министра Ф.А. Головина, которая с 1710 года приобрела статус постоянного учреждения. В нём сосредоточилась криптографическая работа с перепиской между Петром, его приближёнными и различными получателями, а также по созданию новых шифров.

     Впоследствии  над дешифрованием сообщений  в России трудились в том числе такие математики как Кристиан Гольдбах, Леонард Эйлер и Франц Эпинус. При этом во время Семилетней войны (1756–1763) Эйлер, находясь в Пруссии, хотя и продолжал переписываться с высшими лицами Российской империи, также занимался дешифровкой перехваченных писем русских офицеров.

     К началу XVIII века подобные кабинеты были по всей Европе, в том числе «Die Geheime Kabinettskanzlei» в Вене, первое дешифровальное отделение в Германии под начальством графа Гронсфельда, группа Джона Валлиса в Англии. До, во время и после войны за независимость США они оказались способны вскрыть большую часть колониальных шифров. Большинство из них было закрыто к середине XIX века, в том числе, по одной из версий – из-за отсутствия вооружённого противостояния с США.

3.Современная криптография и её терминология.

Современная криптография состоит  из нескольких крупных подразделов: симметрических криптосистем; криптосистем с открытым ключом; систем электронной  подписи и управления ключами. Помимо передачи конфиденциальных сведений по всевозможным каналам связи (к примеру, по электронной почте), криптография и ее методы применяются для установления подлинности передаваемой информации, а также для хранения данных (документации, базы и т.п.) на различных носителях в засекреченном виде. Криптография позволяет преобразовать для прочтения или изменения зашифрованные данные только при условии знания ключа.

     Криптография  как любая наука оперирует  определенной терминологией. В частности, понятием «алфавит» и «текст». Алфавит  является конечным множеством знаков, применяемых для шифрования данных. А текст выступает упорядоченным  набором из алфавитных элементов. Тексты, построенные на данном алфавите, и  станут зашифрованной информацией, которая впоследствии будет подвергнута  дешифрованию. Именно «шифрование» и  «дешифрование» являются главными терминами, которые использует криптография. В  преобразовательном процессе шифрования открытый или исходный текст замещается текстом зашифрованным. А в ходе дешифрования конфиденциальные текстовые  данные с помощью специального ключа  преобразуются в исходные. Ключом называют информацию, необходимую для реализации свободного шифрования и дешифрования информационных данных.

     Криптография  изучает системы симметричные и  системы с открытым ключом. В первой разновидности систем, чтобы зашифровать  и дешифровать информацию, нужен  идентичный ключ. Для системы с  открытым ключом необходимы математически  связанные между собой открытые и закрытые ключи. Шифровка информации осуществляется открытым ключом, доступным  любому желающему, а расшифровка  – только закрытым ключом, известным  исключительно получателю информационных данных. Помимо прочего, криптография орудует терминами «распределение»  и «управление» ключами. Данные процедуры  принадлежат к процессам системной  обработки данных, и заключаются  они в составлении и распределении  ключей между всеми пользователями.

     Под электронными (цифровыми) подписями  криптография понимает дополнение к  тексту в виде его криптографического преобразования, позволяющего при получении  данных другим лицом проверить авторство  и подлинность информации. Криптография также использует понятие «криптостойкость», которое обозначает характеристику шифра, определяющую его устойчивость к дешифрованию, если ключ неизвестен (то есть стойкость к криптоанализу). В последние годы слова «криптография» и «криптология» употребляются совместно, но их соотношение может пониматься неверно. Дело в том, что под криптологией следует понимать науку, подразделяющуюся в свою очередь на криптографию (изучающую способы преобразования данных с целью их протекции) и криптоанализ (занимающийся методологией вскрытия шифров).

     С конца 1990 годов начинается процесс  открытого формирования государственных  стандартов на криптографические протоколы. Пожалуй, самым известным является начатый в 1997 году конкурс AES, в результате которого в 2000 году государственным стандартом США для криптографии с секретным ключом был принят шифр Rijndael, сейчас уже более известный как AES. Аналогичные инициативы носят названия NESSIE (англ. New European Schemes for Signatures, Integrity, and Encryptions) в Европе и CRYPTREC (англ. Cryptography Research and Evaluation Committees) в Японии.