Криптографические методы шифрования информации

ЧАСТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  УЧЕБНОГО ЗАВЕДЕНИЯ КУБАНСКИЙ КОЛЛЕДЖ  КУЛЬТУРЫ, ЭКОНОМИКИ И ПРАВА

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине: <<Защита информации>>

на тему: <<Криптографические методы шифрования информации>>

 

 

 

 

 

 

Выполнила: Омарова Л.Б.

Преподаватель: Воронова М.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Краснодар 2013

Содержание:

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

 

ГЛАВА 1. Криптография

1. Основные определения……………………………………………6
2. Основные задачи криптографии………………………………….8
3. Криптография сегодня…………………………………………….9

 

ГЛАВА 2. Криптосистемы  с секретными ключами

               2.1 Общие принципы построения симметричных криптосистем….9

               2.2 Классификация шифров…………………………………………..11

               2.3 Шифры замены…………………………………………………….13

               2.4 Шифры перестановки……………………………………………..20

               2.5 Шифрование методом гаммирования……………………………23

               2.6 Комбинированные методы шифрования………………………..24

               2.7 Характер криптографических средств защиты…………………25

Заключение……………………………………………………………………..27

Литература………………………………………………………………………28

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 То, что информация  имеет ценность, люди осознали  очень давно - недаром переписка       сильных мира сего издавна  была объектом пристального внимания  их недругов и друзей.  Тогда-то  и возникла задача защиты этой  переписки от чрезмерно любопытных  глаз.  Древние пытались использовать  для решения этой задачи самые  разнообразные методы, и одним  из них была тайнопись - умение  составлять сообщения таким образом,  чтобы его смысл был недоступен  никому кроме посвященных в тайну.  Есть свидетельства тому, что искусство тайнописи зародилось еще в доантичные времена.  На протяжении всей своей многовековой истории, вплоть до совсем недавнего времени, это искусство служило немногим, в основном верхушке общества, не выходя за пределы резиденций глав государств, посольств и - конечно же  - разведывательных миссий.  И лишь несколько десятилетий назад все изменилось коренным образом - информация приобрела самостоятельную коммерческую ценность 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 большей степени становится информационно-обусловленным, успех любого вида деятельности все сильней зависит от обладания определенными сведениями и от отсутствия их у конкурентов.  И чем сильней проявляется указанный эффект, тем больше потенциальные убытки от злоупотреблений в информационной сфере, и тем больше потребность в защите информации.

 

 

 Среди всего спектра  методов защиты данных от нежелательного  доступа особое место занимают  криптографические методы.  В  отличие от других методов,  они опираются лишь на свойства  самой информации и не используют  свойства ее материальных носителей,  особенности узлов ее обработки,  передачи и хранения.

 

 

Глава 1.

Криптография.

 

В переводе с греческого языка слово криптография означает тайнопись. Смысл этого термина  выражает основное предназначение криптографии - защитить или сохранить в тайне  необходимую информацию.

Криптография дает средства для защиты информации, и поэтому  она является частью деятельности по обеспечению безопасности информации.

Существуют различные  методы защиты информации. Можно, например, физически ограничить доступ к информации путем хранения ее в надежном сейфе  или строго охраняемом помещении. При  хранении информации такой метод  удобен, однако при ее передаче приходится использовать другие средства.

Можно воспользоваться одним  из известных методов сокрытия информации:

 

· скрыть канал передачи информации, используя нестандартный  способ передачи сообщений;

 

· замаскировать канал  передачи закрытой информации в открытом канале связи, например, спрятав информацию в безобидном «контейнере» с использованием тех или других стенографических способов либо обмениваясь открытыми  сообщениями, смысл которых согласован заранее;

· существенно затруднить возможность перехвата, противником  передаваемых сообщений, используя  специальные методы передачи по широкополосным каналам, сигнала под уровнем  шумов, либо с использованием «прыгающих»  несущих частот и т.п.

В отличие от перечисленных  методов криптография не «прячет» передаваемые сообщения, а преобразует их в  форму, недоступную для понимания  противником. При этом обычно исходят  из предположения о полном контроле противником канала связи. Это означает, что противник может не только пассивно перехватывать передаваемые сообщения для последующего их анализа, но и активно изменять их, а также отправлять поддельные сообщения от имени одного из абонентов.

 

Также существуют и другие проблемы защиты передаваемой информации. Например, при полностью открытом обмене возникает проблема достоверности  полученной информации. Для ее решения  необходимо обеспечить:

 

· проверку и подтверждение  подлинности содержания источника  сообщения;

 

· предотвращение и обнаружение  обмана и других умышленных нарушений  со стороны самих участников информационного  обмена.

 

Для решения этой проблемы обычные средства, применяемые при  построении систем передачи информации, подходят далеко не всегда. Именно криптография дает средства для обнаружения обмана в виде подлога или отказа от ранее  совершенных действий, а также  других неправомерных действий.

 

Поэтому, современная криптография является областью знаний, связанной  с решением таких проблем безопасности информации, как конфиденциальность, целостность, аутентификация и невозможность  отказа сторон от авторства. Достижение этих требований и составляет основные цели криптографии.

 Обеспечение конфиденциальности-решение проблемы защиты информации от ознакомления с ее содержанием со стороны лиц, не имеющих права доступа к ней.

Обеспечение целостности-гарантирование невозможности несанкционированного изменения информации. Для гарантии целостности необходим простой и надежный критерий обнаружения любых манипуляций с данными. Манипуляции с данными включают вставку, удаление и замену.

Обеспечение аутентификации-разработка методов подтверждения подлинности сторон (идентификация) и самой информации в процессе информационного взаимодействия. Информация, передаваемая по каналу связи, должна быть аутентифицирована по источнику, времени создания, содержанию данных, времени пересылки и т.д.

Обеспечение невозможности  отказа от авторства или приписывания авторства-предотвращение возможности отказа субъектов от некоторых из совершенных ими действий. Рассмотрим средства для достижения этих целей более подробно.

 

1. Основные определения.

 

 

Потребность в скрытии  содержания переписки появилась  практически одновременно с самим  умением писать, и с тех пор  методы сокрытия содержимого сообщений  непрерывно совершенствуются.

Такие методы обычно подразделяют на три группы:

1. Методы маскировки, которые осуществляют скрытие самого факта наличия сообщения, например, с помощью симпатических чернил или более современных идей – стеганографии (от греч. στεγανός — скрытый + γράφω — пишу; буквально «тайнопись»).
2. Методы криптографии ((от др.-греч. κρυπτός — скрытый и γράφω — пишу)), которые применяются для изменения сообщения обратимым способом, чтобы только знающие секрет восстановления смогли прочитать его.
3. Методы, которые ориентированы на создание специальных технических устройств, например, инвертирования речи или скремблирования.

Методы криптографии определяют как некоторое множество отображений одного пространства (пространства возможных сообщений) в другое пространство (пространство возможных криптограмм). Каждое конкретное отображение из этого множества соответствует шифрованию при помощи конкретного ключа. Дадим определения этих понятий /1-3/.

Сообщение, текст которого необходимо сделать непонятным для  посторонних, называется исходным сообщением или открытым текстом. Шифрование (зашифрование) данных - процесс преобразования открытых данных в зашифрованные данные (шифртекст, криптограмму) при помощи шифра. Шифр - это множество обратимых преобразований формы сообщения с целью его защиты от несанкционированного прочтения. В шифре всегда различают два элемента: алгоритм и ключ. Ключ - конкретное секретное состояние некоторого параметра (параметров), обеспечивающее выбор одного преобразования из совокупности возможных для используемого метода шифрования. Расшифрование данных - преобразование по криптографическому алгоритму зашифрованного текста в открытый с использованием известного криптографического ключа. Дешифрование данных - процесс преобразования зашифрованного текста в открытый при неизвестных ключе и алгоритме.

Криптография - это составная часть криптологии, т.е. науки, занимающейся шифрами. Еще одна сторона криптологии - криптоанализ. Криптограф занимается методами обеспечения секретности и подлинности информации, а криптоаналитик пытается выполнить обратную задачу, т.е. вскрыть шифр или подделать кодированные сигналы так, чтобы они были приняты за подлинные.

Криптостойкостью называют характеристику шифра, определяющую его стойкость к дешифрованию.

Любая криптографическая  система шифрования надежна лишь настолько, насколько полно она  отвечает следующим требованиям:

• невозможность ее раскрытия даже при известном тексте, а в случае раскрытия сообщения - гарантия безопасности сообщений, которые были переданы ранее, и тех, которые будут переданы в дальнейшем;
• достаточно большое число вариантов шифрования, не позволяющее раскрыть истинное содержание информации даже с использованием современных вычислительных средств;
• высокая сложность шифра, не позволяющая раскрыть его с применением различных математических методов;
• гарантированная надежность хранения ключа и алгоритма шифрования, а также самих шифровальных устройств.

Почти общепринятое допущение  в криптографии состоит в том, что криптоаналитик противника имеет полный текст криптограммы. Кроме того, криптограф почти всегда руководствуется правилом, впервые сформулированным голландцем Керкхоффом (1835-1903): стойкость шифра должна определяться только секретностью ключа. Иными словами, правило Керкхоффа состоит в том, что весь механизм шифрования, кроме значения секретного ключа, известен криптоаналитику противника. Если криптограф принимает только эти два допущения, то он разрабатывает систему, стойкую при анализе на основе только шифрованного текста. Если к тому же криптограф допускает, что криптоаналитик противника сможет достать (тем или иным способом) несколько отрывков открытого текста и соответствующего ему шифрованного текста, то разрабатывается система, стойкая при анализе на основе открытого текста. Криптограф может даже допустить, что криптоаналитик противника способен ввести свой открытый текст и получить правильную криптограмму, образованную с использованием секретного ключа (анализ на основе выбранного открытого текста), или предположить, что криптоаналитик противника может подставить фиктивные "криптограммы" и получить текст, в который они превращаются при расшифровывании (анализ на основе выбранного шифртекста), или допустить обе эти возможности (анализ на основе выбранного текста). Разработчики большинства современных шифров обеспечивают их стойкость к анализу на основе выбранного открытого текста даже в том случае, когда предполагается, что криптоаналитик противника сможет прибегнуть к анализу на основе шифртекста.

 

 

1.2. Основные задачи криптографии.

 

Основные задачи криптографии:

1.Обеспечение конфиденциальности данных (предотвращение несанкционированного доступа к данным). Это одна из основных задач криптографии, для ее решения применяется шифрование данных, т.е. такое их преобразование, при котором прочитать их могут только законные пользователи, обладающие соответствующим ключом

2.Обеспечение целостности данных— гарантии того, что при передаче или хранении данные не были модифицированы пользователем, не имеющим на это права. Под модификацией понимается вставка, удаление или подмена информации, а также повторная пересылка перехваченного ранее текста. name='more'>

3.Обеспечение аутентификации. Под аутентификацией понимается проверка подлинности субъектов (сторон при обмене данными, автора документов, и т.д.) или подлинности самой информации. Во многих случаях субъект X должен не просто доказать свои права, но сделать это так, чтобы проверяющий субъект (Y) не смог впоследствии сам использовать полученную информацию для того, чтобы выдать себя за X. Подобные доказательства называются «доказательствами с нулевым разглашением».

4.Обеспечение невозможности отказа от авторства— предотвращение возможности отказа субъектов от совершенных ими действий (обычно — невозможности отказа от подписи под документом). Эта задача неотделима от двойственной — обеспечение невозможности приписывания авторства. Наиболее яркий пример ситуации, в которой стоит такая задача — подписание договора двумя или большим количеством лиц, не доверяющих друг другу. В такой ситуации все подписывающие стороны должны быть уверены в том, что в будущем, во-первых, ни один из подписавших не сможет отказаться от своей подписи и, во-вторых, никто не сможет модифицировать, подменить или создать новый документ (договор) и утверждать, что именно этот документ был подписан. Основным способом решения данной проблемы является использование цифровой подписи.

 

1.3.Криптография сегодня

 

Криптография - это наука  об обеспечении безопасности данных. Она занимается поисками решений  четырех важных проблем безопасности - конфиденциальности, аутентификации, целостности и контроля участников взаимодействия. Шифрование - это преобразование данных в нечитабельную форму, используя  ключи шифрования-расшифровки. Шифрование позволяет обеспечить конфиденциальность, сохраняя информацию в тайне от того, кому она не предназначена.

 

 

Глава 2.

 

Криптосистемы с секретными ключами.

 

2.1.Общие принципы построения симметричных криптосистем.

 

Криптосистемой  с секретными ключами называют систему, соответствующую схеме, показанной на рисунке 1.1. Важная часть такой системы – «защищенный канал», по которому секретный ключ , порожденный в источнике ключей и защищенный от «любопытных глаз» криптоаналитика, передается предполагаемомму получателю. Для того, чтобы подчеркнуть факт использованияодного и того же ключа в шифраторе источника и дешифраторе получателя сообщений, криптосистемы с секретными ключами называют также одноключевыми или симметричными сситемами. k знаков ключа – это символы некторого конечного алфавита, в качестве которого часто используют двоичный алфавит . Источник сообщений порождает открытый текст . Шифратор образует криптограмму как функцию X и Z: . Криптограмма Y является функцией одного лишь открытого текста X, конкретный вид которой определяется секретным ключом Z. Дешифратор способен также выполнить обратное преобразование.

 

Рисунок 1.1 - Криптосистема с секретными ключами /2/

 

Запись    выражает тот факт, что открытый текст X является функцией криптограммы Y, конкретный вид которой определяется одним лишь секретным ключом Z. Криптоаналитик противника видит только криптограмму Y и образует оценку открытого текста X и/или оценку секретного ключа Z.

Впервые эта схема была приведена в статье К.Шеннона 1949г. /4/ и до настоящего времени является актуальной для систем с секретными ключами. Здесь важно понимать, что X, Y и Z - случайные величины. Вполне понятно, что статистические свойства открытого  текста (ОТ) X определяются источником сообщений; однако статистические свойства секретного ключа Z находятся под  контролем криптографа.

По К. Шеннону, криптосистема  называется идеальной (совершенно секретной), если, каким бы ни был открытый текст, знания, которые могут быть получены из зашифрованного текста, не раскрывают никакой информации об открытом тексте за исключением его длины.

Другими словами, в подобных системах апостериорные вероятности  ОТ даже после просмотра ШТ остаются точно такими же, какими были их априорные  вероятности /5,6/.

Имеются три причины, ограничивающие практическое применение идеальных  криптосистем:

1. как и любые криптосистемы с секретным  ключом, совершенно секретные системы предполагают, что проблема распределения ключей уже решена;
2. соблюдение совершенной секретности возможно только тогда, когда ключевое пространство является, по крайней мере, таким же большим, как и пространство ОТ, и только если один и тот же ключ не используется при шифровании более одного раза;
3. идеальные криптосистемы могут играть лишь незначительную роль для целей аутентификации (проверки и подтверждения подлинности).

 

 

2.2. Классификация шифров

 

Все многообразие существующих симметричных криптографических методов  можно свести к следующим классам  преобразований:

1. Моно- и многоалфавитные подстановки (замены). Наиболее простой вид преобразований, заключающийся в замене символов исходного текста на другие (обычно того же алфавита) по более или менее сложному правилу. Для обеспечения высокой кpиптостойкости требуется использование больших ключей.

2. Перестановки. Символы исходного текста переставляются по некоторому правилу. Используется, как правило, в сочетании с другими методами.

3. Гаммиpование. Этот метод заключается в наложении на исходный текст некоторой псевдослучайной последовательности, генерируемой на основе ключа.

4. Блочные шифры. Криптосистемы с секретным ключом подразделяются на два вида: блочные (block) и поточные (stream). Поточные криптосистемы работают с сообщением как с единым потоком, блочные криптосистемы представляют собой блочные (групповые) шифропреобразования. Блочная криптосистема разбивает открытый текст на последовательные блоки и зашифровывает каждый блок с помощью одного и того же обратимого преобразования, выбранного с помощью ключа. Любое из них можно рассматривать как последовательность операций, проводимых с элементами ключа и открытого текста, а так же производными от них величинами. Произвол в выборе элементов алгоритма шифрования достаточно велик, однако "элементарные" операции должны обладать хорошим криптографическими свойствами и допускать удобную техническую или программную реализацию. Обычно используются операции:

• побитового сложения по модулю 2 двоичных векторов (XOR)
• сложение или умножение целых чисел по некоторому модулю
• перестановка битов двоичных векторов;
• табличная замена элементов двоичных векторов.

Практическая стойкость  алгоритмов шифрования зависит и  от особенностей соединения операций в последовательности. Блочные шифры  на практике встречаются чаще, чем  «чистые» преобразования того или иного  класса в силу их более высокой  кpиптостойкости.

 

Рисунок 1.2 – Классификация шифров

 

Далее на основании /2/ будут  рассмотрены классические шифры, на базе которых и построены практически  все современные криптосистемы, и более подробно – стандарты  шифрования AES и ГОСТ №28147-89.

 

 

2.3. Шифры замены

 

Шифры замены, или подстановки, являются самыми древними. В криптографии рассматриваются 4 типа замены: моноалфавитная, гомофоническая, полиалфавитная и полиграммная. При моноалфавитной замене каждой букве алфавита открытого текста ставится в соответствие одна буква шифртекста из этого же алфавита. Приведем пример:

 

а	Б	в	г	д	е	ж	з
ф	Ы	в	а	п	р	о	л

 

 

Тогда слово "багаж" будет  заменено на слово "ыфафо". При  расшифровании производится обратная операция.

Общая формула моноалфавитной замены выглядит следующим образом:

y_i=k₁x_i+k₂(mod n),

где y_i – i-й символ алфавита; k₁ и k₂ – константы; x_i – i-й символ открытого текста (номер буквы в алфавите); n – длина используемого алфавита.

Основным недостатком  является то, что статистические свойства открытого текста (прежде всего частоты  повторения символов) сохраняются и  в шифртексте, поэтому самый древний  подход к дешифрованию подобных шифров основан на использовании средней  частоты появления букв в текстах. Впервые он был предложен в  конце 15-го века итальянским математиком  Леоном Баттиста Альберти и использовал  свойство неравномерности встречаемости  разных букв алфавита. Позднее были определены средние частоты использования  букв языка в текстах:

 

 

Английский  язык	Е (12,9) Т (9,7) А (8,0) I (7,5) N (7,0) R (7,0) O, S, H, L, D, C, U, P, F, M, W, Y, B, G, V, K, Q, X, J, X
Немецкий язык	E (19,2) N (10,2) I (8,2) S (7,0) R (7,0) T (5,9)
Русский язык	O (11,0) И (8,9) Е (8,3) А (7,9) Н (6,9) Т (6,0) C, В, Р, Л, К, Д, М, П,  У, Ы, Я, Б, Г, З, Ь, Ч,  Х, Ж, Ш, Ю, Ц, Щ, Э, Ф

 

 

 Частота бyквосочетаний  в английском языке:

 

TH, HE, IN, AN, EN, ER, OR, ES, ON, RE, AT, EA, ST, TI, ED, ND, NT, RR, LL, SS, MM.

QUI, ING, ION, ARE, TIO, ONE, ANT, MENT, TION, SION.

 

 Частота бyквосочетаний в рyсском языке:

 

CТ, HО, ЕH, ТО, HА, ОВ, HИ,  РА, ВО, КО, ОИ, ИИ, ИЕ, ЕИ, ОЕ, ИЯ, HH, CC.

CТО, ЕHО, HОВ, ТОВ, ОВО, HАЛ, РАЛ, HИC.

 

Подобный метод был, в  частности, использован в рассказе Конан-Дойла «Пляшущие человечки» для раскрытия шифра, где каждой букве соответствовала своя фигурка  человечка. Очевидно, что этот метод  может

быть использован только при достаточно большом наборе зашифрованного текста.

В дополнение к частоте  появления букв, могут быть использованы другие обстоятельства, помогающие раскрыть сообщение - например, может быть известна разбивка на слова и расставлены  знаки препинания. Рассматривая сравнительно небольшое число возможных вариантов  замены для предлогов и союзов, можно попытаться определить часть  ключа. Использоваться может и то, какие буквы могут удвоены.

Для искажения статистических свойств шифртекста применяются  различные модификации.

Гомофоническая  замена одному символу открытого текста ставит в соответствие несколько символов шифртекста.

Каждая буква открытого  текста заменяется по очереди цифрами  соответствующего столбца, спускаясь  на одну строку вниз только в случае повтора букв в исходном сообщении. После достижения конца таблицы  вновь используется символ из первой строки.

Пример 2. Открытый текст: «ЗАМЕНА». Подстановка задана следующей таблицей:

 

Алфавит открытого текста	А	Б	...	Е	Ж	З	...	М	Н	...
Алфавит шифротекста	17	23		97	47	76		32	55
	31	44	...	51	67	19	...	28	84	...
	48	63		15	33	59		61	34

 

Шифртекст: «76 17 32 97 55 31» .

Для повышения стойкости  шифра используют так называемые полиалфавитные подстановки, которые для замены используют несколько алфавитов шифротекста. Пусть имеется k алфавитов. Тогда открытый текст

X= x₁x₂ ...x_kx_k+1...x_2kx_2k+1...

заменяется шифротекстом

У =f₁(x₁)f₂(x₂)...f_k(x_k)f₁(x_k+1)...f_k(x_2k)f₁(x_2k+1)...,

где f_i(x_j) означает символ шифртекста алфавита i для символа открытого текста x_j.

Известно несколько разновидностей полиалфавитной подстановки, наиболее известными из которых являются одноконтурная (обыкновенная и монофоническая) и  многоконтурная.

 

При полиалфавитной одноконтурной обыкновенной подстановке для замены символов исходного текста используются несколько алфавитов, причем смена алфавитов осуществляется последовательно и циклически, т.е. первый символ заменяется соответствующим символом первого алфавита, второй – символом второго алфавита и т. д. до тех пор, пока не будут использованы все выбранные алфавиты. После этого использование алфавитов повторяется.

Пример 3. Открытый текст: «ЗАМЕНА», k = 3. Подстановка задана таблицей из примера 2. Шифртекст: «76 31 61 97 84 48». 

В этом случае каждая буква  открытого текста заменяется по очереди  цифрами соответствующего столбца, каждый раз спускаясь на одну строку вниз, а не в случае повтора, как  в примере 2.

В качестве более сложного примера рассмотрим шифрование с  помощью таблицы Вижинера. Таблица Вижинера представляет собой квадратную матрицу с n² элементами, где n – число символов используемого алфавита. Ниже показана таблица Вижинера для русского языка. Каждая строка получена циклическим сдвигом алфавита на символ.

 

а

б

в

г

д

Е

ж

з

.

ь

ъ

ы

э

ю

Я

б

в

г

д

е

Ж

з

и

.

ъ

ы

э

ю

я

А

в

г

д

е

ж

З

и

й

.

ы

э

ю

я

а

Б

..

..

я

а

б

в

г

Д

е

ж

.

щ

ь

ъ

ы

э

ю