История развития криптографии

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО

ВСЕРОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ФИНАНСОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ

Кафедра Прикладной информатики

Факультет: Учетно-статистический Специальность: Бухгалтерский учет,   анализ и аудит

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по  дисциплине: Информатика.

Тема: «История развития криптографии».

Студент: Новикова Наталия Владимировна

     (Ф.И.О.)

Курс 2 №  группы 1С-БУ202

Личное  дело № 10УБД10175

Преподаватель:  Дулькин Вадим Наумович

     (Ф.И.О.)

Москва  – 2012

Оглавление

Введение 

Актуальность  выбранной темы. 

Теоретическая часть. 

Введение. 

Основные  понятия криптографии. 

История развития криптографии. 

Криптография  древнего периода. 

Криптография  арабского мира. 

Криптография  в эпоху Возрождения (XIV-ХVI вв.) 

Криптография  в XVII-XVIII веках. 

Криптография  в XIX веке. 

Криптография  в XX веке. 

Хэш-функции. 

Шифрование  с закрытым ключем. 

Шифрование  с открытым ключом. 

Цифровая  подпись. 

Заключение. 

Практическая  часть. 

Общая характеристика задачи. 

Описание  алгоритма решения  задачи. 

Литература. 

История развития криптографии

Введение

Актуальность  выбранной темы.

     Актуальность  данной темы заключается в том, что  в настоящее время любой пользователь, даже школьник, не раз сталкивается со словами "шифр", "ключ", "криптограмма.

     Криптография, которая раньше была засекречена, сейчас касается самых разных сторон жизни, в том числе и бытовых. Например, он входит в Internet; в меню многих средств  навигации Сети задается вопрос, нужен  ли режим шифрования, и если ответить "нужен", начинается процедура  выработки ключа. Чтобы правильно  действовать, пользователь должен иметь  представление об основах криптографии.

Второй  пример, не менее яркий - это банковские карточки. Раньше карточки были только магнитными и держались на магнитной неподделываемости. Потом появились интеллектуальные карточки, в них вшит процессор, который выполняет криптографические функции.

Третий  пример - цифровая подпись. это у всех на слуху, все об этом говорят, но не все понимают, что это такое, и тем более не понимают математическую основу. Цифровая подпись - это некоторая криптографическая конструкция, но отличная от шифров, и от нее требуются другие качества: не просто защита открытого текста, но и неподделываемость, и защита от отказа от подписи. Именно это имеет исключительное значение во всех делах, связанных с использованием в бизнесе электронных документов.

    Цель  данной курсовой работы - дать основные представления о криптографии и о криптографических методах защиты информации.

Для выполнения курсовой работы, использованы технические  средства:

Рисунок 1 Технические средства

Рисунок 2 Программные средства

Теоретическая часть.

Введение.

      Что обычно приходит на ум при произнесении слова «криптография»? Спецслужбы, дипломатическая переписка, "математическое шаманство"? А при произнесении фразы «криптография в информационных технологиях»? Шифрование данных припомнят  сразу. Про электронную подпись  вспомнят. Кто-то знает что-то про  «Сертификаты открытых ключей». Или  про «взлом» чужих шифров. Попробуем  разобраться со всеми этими, а  заодно и другими, понятиями и  подходами, которыми оперирует современная  криптография.  
 Криптография в прошлом использовалась лишь в военных целях. 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. Криптографические методы могут применяться для решений следующих проблем безопасности:  
-  конфиденциальности передаваемых/хранимых данных

-  аутентификации

-  целостности  хранимых и передаваемых данных

-  обеспечения  подлинности документов Базовых  методов преобразования информации, которыми располагает криптография, немного, среди них:

.  шифрование (симметричное и несимметричное)

.  вычисление  хэш функций

.  генерация  электронной цифровой подписи

. генерация  последовательности псевдослучайных  чисел.

Основные  понятия криптографии.

      Криптогра́фия (от др.-греч. κρυπτός — скрытый и γράφω — пишу) — наука о 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/или ключа в шифрованный текст (шифротекст). Традиционная криптография образует раздел симметричных криптосистем, в которых зашифрование и расшифрование проводится с использованием одного и того же секретного ключа.

      Криптография — одна из старейших наук, ее история насчитывает несколько тысяч лет.

Открытый (исходный) текст — данные (не обязательно текстовые), передаваемые без использования криптографии.

Шифротекст, шифрованный (закрытый) текст — данные, полученные после применения криптосистемы.

 Ключ — параметр шифра, определяющий выбор конкретного преобразования данного текста.

Шифр, криптосистема — семейство обратимых преобразований открытого текста в шифрованный.

Шифрование — процесс нормального применения криптографического преобразования открытого текста на основе алгоритма и ключа, в результате которого возникает шифрованный текст.

Расшифровывание — процесс нормального применения криптографического преобразования шифрованного текста в открытый.

Асимметричный шифр, двухключевой шифр, шифр с открытым ключом — шифр, в котором используются два ключа, шифрующий и расшифровывающий.

Открытый  ключ — тот из двух ключей асимметричной системы, который свободно распространяется.

Секретный ключ, закрытый ключ — тот из двух ключей асимметричной системы, который хранится в секрете.

Криптоанализ — наука, изучающая математические методы нарушения конфиденциальности и целостности информации.

Криптоаналитик — человек, создающий и применяющий методы криптоанализа.

Криптография  и криптоанализ составляют криптологию, как единую науку о создании и взломе.

 Криптографическая атака — попытка криптоаналитика вызвать отклонения в атакуемой защищенной системе обмена информацией. Успешную криптографическую атаку называют взлом или вскрытие.

Дешифрование (дешифровка) — процесс извлечения открытого текста без знания криптографического ключа на основе известного шифрованного.

Криптографическая стойкость — способность криптографического алгоритма противостоять криптоанализу.

Имитозащита — защита от навязывания ложной информации. Имитовставка — блок информации, применяемый для имитозащиты, зависящий от ключа и данных.

Электронная цифровая подпись, или электронная подпись — асимметричная имитовставка (ключ защиты отличается от ключа проверки).

Центр сертификации — сторона, чья честность неоспорима, а открытый ключ широко известен.

Хеш-функция — функция, которая преобразует сообщение произвольной длины в число («свёртку») фиксированной длины.

История развития криптографии.

      С зарождением человеческой цивилизации  возникла необходимость передачи информации одним людям так, чтобы она  не становилась известной другим. Сначала люди использовали для передачи сообщений исключительно голос и жесты. С возникновением письменности задача обеспечения секретности и подлинности передаваемых сообщений стала особенно актуальной.

      Криптография  возникла именно как практическая дисциплина, изучающая и разрабатывающая  способы шифрования сообщений, то есть при передаче сообщений – не скрывать сам факт передачи, а сделать сообщение  недоступным посторонним. Для этого  сообщение должно быть записано так, чтобы с его содержимым не мог  ознакомиться никто за исключением  самих корреспондентов.  
 Появление в середине ХХ столетия первых ЭВМ кардинально изменило ситуацию – практическая криптография сделала в своем развитии огромный скачок и термин «криптография» далеко ушел от своего первоначального значения – «тайнопись», «тайное письмо».  На сегодняшний день криптографические методы применяются для идентификации и аутентификации пользователей, защиты каналов передачи данных от навязывания ложных данных, защиты электронных документов от копирования и подделки.

Криптография  древнего периода.

    В исторических документах древних цивилизаций  Индии, Египта, Месопотамии имеются  сведения о системах и способах составления  шифрованного письма. Так, в древнеиндийских  рукописях содержится изложение 64-х  способов преобразования текста. Приведена  система замены букв. Упоминается, что  тайнопись является одним их 64-х  искусств, которым следует владеть  как мужчинам так и женщинам.

Более достоверные сведения о применяемых  системах шифров относятся к периоду  возникновения государств древней Греции. В Спарте в 5-6 веке до нашей эры существовала хорошо развитая криптография. К этому времени относятся описания двух известных приборов для шифрования - Сцитала и таблица Энея, которые осуществляют перестановку букв в тексте и замену букв открытого текста отрезками на прямой.

Рис.1 Сцитала.

Скитала известный также как шифр Древней Спарты, представляет собой прибор, используемый для осуществления перестановочного шифрования, состоит из цилиндра и узкой полоски пергамента, обматывавшейся вокруг него по спирали, на которой писалось сообщение. Античные греки испартанцы в частности, использовали этот шифр для связи во время военных кампаний. Шифруемый текст писался на пергаментной ленте по длине палочки, после того как длина палочки оказывалась исчерпанной, она поворачивалась и текст писался далее, пока либо не заканчивался текст, либо не исписывалась вся пергаментная лента. В последнем случае использовался очередной кусок пергаментной ленты. Дешифровка выполнялась с использованием палочки такого же диаметра.

        С именем Энея Тактика, полководца IV века до н. э., связывают несколько техник шифрования и тайнописи. Диск Энея представлял собой диск диаметром 10—15 см с отверстиями по числу букв алфавита. Для записи сообщения нитка протягивалась через отверстия в диске, соответствующим буквам сообщения. При чтении получатель вытягивал нитку, и получал буквы, правда, в обратном порядке. Хотя недоброжелатель мог прочитать сообщение, если перехватит диск, Эней предусмотрел способ быстрого уничтожения сообщения — для этого было достаточно выдернуть нить, закреплённую на катушке в центре диска.

      Во II веке до н.э. в Древней Греции был изобретён Квадрат Полибия. В нём буквы алфавита записывались в квадрат 5 на 5 (при использовании греческого алфавита одна ячейка оставалась пустой), после чего с помощью оптического телеграфа передавались номер строки и столбца, соответствующие символу исходного текста (на каждую букву приходилось два сигнала: число факелов обозначало разряд буквы по горизонтали и вертикали)

      Некоторые исследователи полагают, что это  можно рассматривать как первую систему, уменьшавшую (сжимавшую) исходный алфавит, и, в некотором смысле, как  прообраз современной системы двоичной передачи данных.

      Юлий Цезарь в книге «Записки  о галльской войне» описывает шифр, в котором буквы заменяются в соответствии с подстановкой, в которой каждая буква сдвинута на три позиции вправо.

    Рис. 2 Шифр Цезаря.

    Потребителями криптографии в этот период являются структуры административной и религиозной  власти. Плутарх сообщает, что жрецы  хранили тексты прорицателей  в  зашифрованном виде.

    Э.Шюре в книге «Великие посвященные» сообщает, что «с великим трудом и большой ценой добыл Платон один из манускриптов Пифагора, который никогда не записывал свое эзотерическое учение иначе, как тайными знаками и под различными символами». Там же отмечается, что Аристотель получил от Платона шифрованный текст Пифагора. Платону принадлежит метод доказательства «от противного», а Аристотель заложил основы теории логического вывода и теории доказательств. Аристотелю приписывается метод дешифрования шифра сцитала.

Криптография  арабского мира.

      С VIII века н.э. развитие криптографии происходит в основном в арабских странах. Считается, что арабский филолог Халиль аль-Фарахиди первым обратил внимание на возможность использования стандартных фраз открытого текста для дешифрования. Он предположил, что первыми словами в письме на греческом языке византийскому императору будут «Во имя Аллаха», что позволило ему прочитать оставшуюся часть сообщения. Позже он написал книгу с описанием данного метода — «Китаб аль-Муамма» («Книга тайного языка»).

      В 855 году выходит «Книга о большом стремлении человека разгадать загадки древней письменности» арабского учёного Абу Бакр Ахмед ибн Али Ибн Вахшия ан-Набати, одна из первых книг о криптографии с описаниями нескольких шифров, в том числе с применением нескольких алфавитов. Также к IX веку относится первое известное упоминание о частотном криптоанализе — в книге Ал-Кинди «Манускрипт о дешифровке криптографических сообщений».

^{рис. Первая страница манускрипта  Ал-Кинди.}

        В книге X века «Адаб аль - Куттаб» («Руководство для секретарей») ас-Сули есть инструкции по шифрованию записей о налогах, что подтверждает распространение криптографии в обычной, гражданской жизни.

      В 1412 году выходит 14-томная энциклопедия Шихаба ал-Калкашанди «Субх ал-Ааша», один из разделов которой «Относительно сокрытия в буквах тайных сообщений» содержал описание семи шифров замены и перестановки, частотного метода криптоанализа, а также таблицы частотности букв в арабском языке на основе текста Корана.

      В словарь криптологии арабы внесли такие понятия как алгоритм и шифр.

Криптография  в эпоху Возрождения (XIV-ХVI вв.)

      В эпоху Возрождения в итальянских  городах-государствах стали расцветать науки и ремесла. Шифры применяются  не только государственной или церковной  властью, но и учеными для защиты приоритета научных открытий (Галилей).

           В XVI веке в европейских  государствах появились первые специальные  органы дипломатической службы. Появление  этих государственных органов - спецслужб  активно стимулировало развитие криптографии в этих государствах. В это время появилась книга о системах тайнописи, написанная сотрудником тайной канцелярии Папы Римского Чикко Симонетти. В этой книге приводятся шифры замены, в которых гласным буквам соответствует несколько значковых выражений. Такие шифры позже стали называться шифрами многозначной замены или омофонами.

     Рис. Закодированное письмо Эрнана Кортеса с использованием комбинированного шифра с подстановкой омофонов и методаnomenclator.

       Они получили развитие в XV в. Так, в книге "Трактат о шифрах" Габриеля де Лавинды — секретаря папы Климентия XII — 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 г. был предложен подобный же шифр, получивший название "миланский ключ".

     Архитекторы и исследователи Италии эпохи  Возрождения считают, что один из самых важных этапов ренессансной архитектуры  связан с именем знаменитого архитектора  и философа Леона Батиста Альберти. В 1466 году Леон Альберти представил работу "Трактат о шифре" в папскую канцелярию. В трактате рассматривались различные способы шифрования, в том числе маскировка открытого текста в некотором вспомогательном тексте. Работа завершается собственным шифром, который он назвал "шифр, достойный королей".

       Это был многоалфавитный шифр, реализованный в виде шифровального диска, сделавший шифровку очень устойчивой к вскрытию. Суть заключается в том, что в данном шифре используется несколько замен в соответствии с ключом. Позднее Альберти изобрел код с перешифровкой.  

Рис. 2. Диск Альберти

       Вторым  отцом современной криптологии, по мнению многих историков, считается  Иоганн Трисемус, аббат из Германии. В 1508 году он написал "Полиграфию", первую печатную работу по криптологии, в которой систематически описал применение шифрующих таблиц, заполненных  алфавитом в случайном порядке. Такие табличные шифры называются монограммными, так как шифрование ведется по одной букве. Трисемус первым заметил, что можно шифровать по две буквы за раз. Такие шифры были названы биграммными. Наиболее известный шифр биграммами называется Playfair. Шифрование биграммами резко усилило стойкость шифров к вскрытию. 

      Отметим, что великий ученый и художник эпохи Возрождения Леонардо да Винчи (1452--1519) владел криптографией и пользовался  ею, в частности, в своих рукописях.

Криптография  в XVII-XVIII веках.

    17 век называют эрой «черных  кабинетов», поскольку в этот  период создаются дешифровальные  службы. Так, в Англии Оливер  Кромвель создает «Интеллиженс  сервис» - разведывательную службу, в которой появиться дешифровальное отделение. В середине 17 века к дешифровальной работе привлекается известный математик Джон Валлис (1616-1703). Он является автором фундаментального труда «Арифметика бесконечного» (1655). Хорошо известна «формула Валлиса», дающая представление числа «пи»  в виде бесконечного произведения. Во Франции при Людовике XIV по предложению кадинала Ришелье создается дешифровальное отделение, которое возглавил Антуан Россиньоль. Россиньолю принадлежит доктрина: стойкость военного шифра должна быть такой, чтобы обеспечить секретность донесения в течение срока, необходимого для выполнения приказа. Сам Ришелье оставил след в криптографии благодаря известному «шифру Ришелье», который представляет собой шифр перестановки, при котором открытый текст разбивается на отрезки, а внутри каждого отрезка буквы переставляются в соответствии с фиксированной перестановкой.

Ключ: (2741635) (15243) (671852493) (07) (28615)(943)(2741635) 
Открытый текст: LETTER SENT TO THE EMPEROR GIVING FULL DETAIL 
Шифртекст: TLRTSEE ETOTN EPOEMTHER N1 LUGIG VFR TLIE SAD

    В Германии в это время также  создается дешифровальное отделение, которое возглавляет граф Гронсфельд.

    Что касается шифров, то в этот период применяются, в основном, коды различной степени  сложности.  Из других шифров следует  упомянуть «массонский шифр», представляющий собой оригинальный значковый шифр, в котором из написания алфавита на двух крестах-прямом и косом извлекались знаки для замены букв.

    Рис. Массонский шифр.

      Наполеон во время своих походов  использовал шифры, являющиеся  вариантами шифра Россиньоля  и представляющие собой код на 200 шифрвеличин.

    Криптография в России развивалась по пути христианских стран. Используемые шифры - такие же как в западных странах - значковые, замены, перестановки. Петр I полностью реорганизовал криптографическую службу, создав «Посольскую канцелярию».

    Математика 17-18 века получает существенное и качественно новое развитие. Для развития математики в России большую роль сыграла «Арифметика» Магницкого Л.Ф., изданная в 1703 году, которую М.В. Ломоносов назвал «вратами учености» и представляла собой свод математических сведений на тот период.

      К дешифровальной работе в  России был привлечен известный  математик Христиан Гольбах  (1690-1764), приехавший в Россию в 1725 году.  В 1727 в Россию приезжает Леонард  Эйлер (1707-1783), который принимал  участие в разработке шифров. Таким образом, в 17-18 веках в  математике закладываются основы  аппарата, применяемого в криптографии  для анализа шифров и дешифрования.

    Основным  средством для шифрования становятся коды.

Криптография  в XIX веке.

    В 1819 году во Франции выходит энциклопедия, в которой приведены известные  к тому времени системы шифров и методы дешифрования простейших шифров. В 1844 году С.Морзе изобрел телеграф.

    Рис. Телеграф Морзе.

    В России телеграф был изобретен П.Ф. Шиллингом в 1832 году. Шиллингу также  принадлежит изобретение биграммного  шифра.  Изобретение телеграфа  оказало существенное влияние на криптографию. Сразу же был опубликован  коммерческий код под названием  «Словарь для тайной корреспонденции; приспособлен для применения на электромагнитном телеграфе Морзе». Развитие коммерческих кодов повлияло и на развитие дипломатических  кодов. Специалисты в области  шифрованной связи пришли к пониманию, что необходима иерархия в шифрованной  связи.

    В 1863 году офицер прусской армии майор  Фридрих Казисский опубликовал  книгу под названием «Искусство тайнописи и дешифрования», в  которой новым вкладом в криптографию было изложение метода вскрытия многоалфавитного шифра с повторяющимся лозунгом на примере шифра Виженера, который  ранее считался недешифруемым. В 1883 году появился крупный научный труд под названием «Военная криптография», его автор Огюст Кергоффс, преподаватель  иностранных языков и математики во Франции.

    В данной книге проводится сравнительный  анализ шифров. Он делает вывод, что  практический интерес представляют те шифры, которые остаются стойкими при интенсивной переписке.

    Важное  событие в криптографии было связано  с именем французского офицера Э.Базери, который отрицательно относился  к официальным шифрам и предложил  несколько собственных систем шифров. Одна из них - это по сути шифратор Джефферсона.

    С 80-х годов 19 века криптография во всех ведущих государствах считается наукой и ее изучают в военных академиях. Для шифрования применяются коды с перешифровкой.