Криптография и криптосистемы

Псковский государственный политехнический институт

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	Доклад по информатике на тему:

	«Криптография»

	

	

	Преподаватель Полетаева О.И.

	Выполнила студентка 1 курса

	Группы 031-0102

	Александрова Е.Э.

	

	

	

	

	

	

	

	Псков

	2008

			
Содержание

			

	Введение

	Принципы криптографии

	Развитие криптографии

		Типы шифров

		Шифры с секретным ключом

	Шифры с открытым ключом

	Криптография - оружие

	Угрозы данным

	Криптография сегодня

		Использованная литература


Введение



Криптография (иногда употребляют термин криптология) – область знаний, изучающая тайнопись (криптография) и методы ее раскрытия (криптоанализ). Криптография считается разделом математики.

До недавнего времени все исследования в этой области были только закрытыми, но в посление несколько лет у нас и за рубежом стало появляться всё больше публикаций в открытой печати. Отчасти смягчение секретности объясняется тем, что стало уже невозможным скрывать накопленное количество информации. С другой стороны, криптография всё больше используется в гражданских отраслях, что требует раскрытия сведений.


1. Принципы криптографии



Цель криптографической системы заключается в том, чтобы зашифровать осмысленный исходный текст (также называемый открытым текстом), получив в результате совершенно бессмысленный на взгляд шифрованный текст (шифртекст, криптограмма). Получатель, которому он предназначен, должен быть способен расшифровать (говорят также "дешифровать") этот шифртекст, восстановив, таким образом, соответствующий ему открытый текст. Криптография предполагает наличие трех компонентов: данных, ключа и криптографического преобразования. 

Шифрование - преобразовательный процесс: исходный текст, который носит также название открытого текста, заменяется шифрованным текстом. 

Дешифрование - обратный шифрованию процесс. На основе ключа шифрованный текст преобразуется в исходный.

Ключ - информация, необходимая для беспрепятственного шифрования и дешифрования текстов.

Считается, что криптографическое преобразование известно всем, но, не зная ключа, с помощью которого пользователь закрыл смысл сообщения от любопытных глаз, требуется потратить невообразимо много усилий на восстановление текста сообщения. (Следует еще раз повторить, что нет абсолютно устойчивого от вскрытия шифрования. Качество шифра определяется лишь деньгами, которые нужно выложить за его вскрытие от $10 и до $1000000.)

Раскрытием криптосистемы называется результат работы криптоаналитика, приводящий к возможности эффективного раскрытия любого, зашифрованного с помощью данной криптосистемы, открытого текста. Степень неспособности криптосистемы к раскрытию называется ее стойкостью.

Вопрос надёжности систем ЗИ - очень сложный. Дело в том, что не существует надёжных тестов, позволяющих убедиться в том, что информация защищена достаточно надёжно. Во-первых, криптография обладает той особенностью, что на "вскрытие" шифра зачастую нужно затратить на несколько порядков больше средств, чем на его создание. Следовательно тестовые испытания системы криптозащиты не всегда возможны. Во-вторых, многократные неудачные попытки преодоления защиты вовсе не означают, что следующая попытка не окажется успешной. Не исключён случай, когда профессионалы долго, но безуспешно бились над шифром, а некий новичок применил нестандартный подход - и шифр дался ему легко.

В результате такой плохой доказуемости надёжности средств ЗИ на рынке очень много продуктов, о надёжности которых невозможно достоверно судить. Естественно, их разработчики расхваливают на все лады своё произведение, но доказать его качество не могут, а часто это и невозможно в принципе. Как правило, недоказуемость надёжности сопровождается ещё и тем, что алгоритм шифрования держится в секрете. 

На первый взгляд, секретность алгоритма служит дополнительному обеспечению надёжности шифра. Это аргумент, рассчитанный на дилетантов. На самом деле, если алгоритм известен разработчикам, он уже не может считаться секретным, если только пользователь и разработчик - не одно лицо. К тому же, если вследствие некомпетентности или ошибок разработчика алгоритм оказался нестойким, его секретность не позволит проверить его независимым экспертам. Нестойкость алгоритма обнаружится только когда он будет уже взломан, а то и вообще не обнаружится, ибо противник не спешит хвастаться своими успехами.

Поэтому криптограф должен руководствоваться правилом, впервые сформулированным голландцем Керкхоффом: стойкость шифра должна определяться только секретностью ключа. Иными словами, правило Керкхоффа состоит в том, что весь механизм шифрования, кроме значения секретного ключа априори считается известным противнику. 

Другое дело, что возможен метод ЗИ (строго говоря, не относящийся к криптографии), когда скрывается не алгоритм шифровки, а сам факт того, что сообщение содержит зашифрованную (скрытую в нём) информацию. Такой приём правильнее назвать маскировкой информации. Он будет рассмотрен отдельно.



2. Развитие криптографии



Криптография. Наука сколь таинственная, столь и увлекательная. Одна из древнейших на планете. Существует она, скорее всего, с того самого момента, когда появился на Земле homo sapiens – человек мыслящий. А вместе с ним и первые наскальные рисунки. Криптография – это наука о шифрах. О тех самых проблемах, которые можно создать своему противнику в плане сокрытия собственной важной информации. Потому в противовес ей возник криптоанализ. А объединила «две стороны одной медали» уже современная наука – криптология. 

Сведения о системах и способах шифрования обнаружены в исторических документах таких древних цивилизаций, как Индия, Египет, Месопотамия. Шифровались даже религиозные тексты и медицинские рецепты. К шифрованию нередко прибегали ученые, дабы до поры до времени не прослыть еретиками и не подвергнуться преследованиям инквизиции. И в то же время весьма закрытая наука – криптография – во многих, даже европейских странах, не продвинулась, как гласит история, дальше «шифра Цезаря» – простейшего шифра замены. Строжайшая тайна, которая преследовала эту науку на протяжении веков, не позволяла ей бурно развиваться. И, тем не менее, искусство шифрования развивалось все-таки значительно быстрее, чем искусство дешифрования. 

Широко известным историческим примером криптосистемы является так называемый шифр Цезаря, который представляет собой простую замену каждой буквы открытого текста третьей следующей за ней буквой алфавита (с циклическим переносом, когда это необходимо). Например, "A" заменялась на "D", "B" на "E", "Z" на "C".

В ручных шифрах давнего времени часто используются таблицы, которые дают простые шифрующие процедуры перестановки букв в сообщении. Ключом в них служат размер таблицы, фраза, задающая перестановку или специальная особенность таблиц. Простая перестановка без ключа - один из самых простых методов шифрования, родственный шифру скитала. Например, сообщение НЕЯСНОЕ СТАНОВИТСЯ ЕЩЕ БОЛЕЕ НЕПОНЯТНЫМ записывается в таблицу по столбцам. Для таблицы из 5 строк и 7 столбцов это выглядит так:

																

																Н О Н С Б Н Я

																Е Е О Я О Е Т

																Я С В Е Л П Н

																С Т И Щ Е О Ы

																Н А Т Е Е Н М



После того, как открытый текст записан колонками, для образования шифровки он считывается по строкам. Если его записывать группами по 5 букв, то получится: НОНСБ НЯЕЕО ЯОЕТЯ СВЕЛП НСТИЩ ЕОЫНА ТЕЕНМ. Для использования этого шифра отправителю и получателю нужно договориться об общем ключе в виде размера таблицы. Объединение букв в группы не входит в ключ шифра и используется лишь для удобства записи несмыслового текста. 

Несмотря на значительные успехи математики за века, прошедшие со времён Цезаря, тайнопись вплоть до середины 20 века не сделала существенных шагов вперёд. В ней бытовал дилетантский, умозрительный, ненаучный подход.

Например, в 20 веке широко применялись профессионалами "книжные" шифры, в которых в качестве ключа использовалось какое-либо массовое печатное издание. Надо ли говорить, как легко раскрывались подобные шифры! Конечно, с теоретической точки зрения, "книжный" шифр выглядит достаточно надёжным, поскольку множество его ключей - множество всех страниц всех доступных двум сторонам книг, перебрать которое вручную невозможно. Однако, малейшая априорная информация резко суживает этот выбор.

Во время Великой Отечественной войны, как известно, у нас уделяли значительное внимание организации партизанского движения. Почти каждый отряд в тылу врага имел радиостанцию, а также то или иное сообщение с "большой землёй". Имевшиеся у партизан шифры были крайне нестойкими - немецкие дешифровщики "раскалывали" их достаточно быстро. А это, как известно, выливается в боевые поражения и потери. Партизаны оказались хитры и изобретательны и в этой области тоже. Приём был предельно прост. В исходном тексте сообщения делалось большое количество грамматических ошибок, например, писали: "прошсли тры эшшелона з тнками". При верной расшифровке для русского человека всё было понятно. Но криптоаналитики противника перед подобным приёмом оказались бессильны: перебирая возможные варианты, они встречали невозможное для русского языка сочетание "тнк" и отбрасывали данный вариант как заведомо неверный. Этот, казалось бы, доморощенный приём, на самом деле, очень эффективен и часто применяется даже сейчас. В исходный текст сообщения подставляются случайные последовательности символов, чтобы сбить с толку криптоаналитические программы, работающие методом перебора или изменить статистические закономерности шифрограммы, которые также могут дать полезную информацию противнику. Но в целом всё же можно сказать, что довоенная криптография была крайне слаба и на звание серьёзной науки не тянула.

Однако жёстокая военная необходимость вскоре заставила учёных вплотную заняться проблемами криптографии и криптоанализа. Одним из первых существенных достижений в этой области была немецкая пишмашинка "Энигма", которая фактически являлась механическим шифратором и дешифратором с достаточно высокой стойкостью.

Казалось бы, сделано все для невозможности вскрытия шифровок Энигмы. И все же английские криптографические службы в Блетчли Парке (уединенное поместье в 80 километрах севернее Лондона, отведенное британским криптологам.) почти всю войну читали немецкие шифры. Это стало возможным лишь благодаря польской разведке, которая к злополучному 1939 году смогла получить чертежи Энигмы и разобраться в ее устройстве. После нападения гитлеровцев на Польшу чертежи немецкой шифровальной машины были переданы Англии. Довольно быстро британские криптоаналитики установили, что для взлома шифра, нужно знать распайку проводов в шифрующих колесах. Началась охота британских спецслужб за образцами Энигмы. Первый удалось выкрасть прямо с завода на юго-востоке Германии, второй сняли со сбитого в небе Норвегии немецкого бомбардировщика, третий был найден во время боев за Францию у немецких военных связистов, взятых в плен. Остальные Энигмы сняты водолазами с немецких подводных лодок, за которыми специально стали охотиться и топить на малых глубинах. Взлом шифров Энигмы шел тяжело до тех пор, пока в 1942 году не вступили в строй несколько ЭВМ, специально созданных для этого Аланом Тьюрингом. Это была первая в мире довольно быстродействующая ЭВМ под названием "Колосс", специализированная для взлома шифров. После этого английские криптоаналитики могли меньше чем за день могли расколоть любую шифровку Энигмы, полученную добытыми ранее колесами, методично перебирая все возможные ключи. Немцы рассчитывали на сложность своего шифра, исходя из его ручной дешифровки, в то время как англичане стали его ломать, используя ЭВМ. Отметим, что сами немцы допускали возможность взлома шифра Энигмы. Еще в 1930 году ведущий немецкий криптоаналитик Георг Шредер продемонстрировал такую возможность, едко заметив при этом: "Энигма - дерьмо!" Однако она постоянно усложнялась и были периоды, когда в Блетчли Парке с ней не могли справиться. Перед шифровками Энигмы, которые исходили не от войск, а из немецких криптографических центров, "Колосс" тоже был бессилен. 

Высокое развитие криптографической техники стран западных союзников в значительной степени предопределило ход многих боевых операций во время Второй мировой войны. Англия, хоть и несла на море большие потери, но практически подавляла любые организованные действия немецкого флота, перехватывая и читая приказы гроссадмиралов Редера и Деница. В книгах воспоминаний английских криптографов страницы сплошь усеяны фразами "...мы знали...", за которыми стоит колоссальный труд тысяч человек.



3. Типы шифров



Криптосистемы разделяются на симметричные (с секретным ключом) и с открытым ключом.

В симметричных криптосистемах и для шифрования, и для дешифрования используется один и тот же ключ.

В системах с открытым ключом используются два ключа - открытый и закрытый, которые математически связаны друг с другом. Информация шифруется с помощью открытого ключа, который доступен всем желающим, а расшифровывается с помощью закрытого ключа, известного только получателю сообщения.


4. Шифры с секретным ключом



С одной стороны, такая схема имеет те недостатки, что необходимо кроме открытого канала для передачи шифрограммы наличие также секретного канала для передачи ключа, а кроме того, при утечке информации о ключе, невозможно доказать, от кого из двух корреспондентов произошла утечка.

С другой стороны, среди шифров именно этой группы есть единственная в мире схема шифровки, обладающая абсолютной теоретической стойкостью. Все прочие можно расшифровать хотя бы в принципе. Такой схемой является обычная шифровка с ключом, длина которого равна длине сообщения. При этом ключ должен использоваться только раз. Любые попытки расшифровать такое сообщение бесполезны, даже если имеется априорная информация о тексте сообщения. Осуществляя подбор ключа, можно получить в результате любое сообщение.



5. Шифры с открытым ключом



Шифры с открытым ключом подразумевают наличие двух ключей - открытого и закрытого; один используется для шифровки, другой для расшифровки сообщений. Открытый ключ публикуется - доводится до сведения всех желающих, секретный же ключ хранится у его владельца и является залогом секретности сообщений. Суть метода в том, что зашифрованное при помощи секретного ключа может быть расшифровано лишь при помощи открытого и наоборот. Ключи эти генерируются парами и имеют однозначное соответствие друг другу. Причём из одного ключа невозможно вычислить другой.

Характерной особенностью шифров этого типа, выгодно отличающих их от шифров с секретным ключом, является то, что секретный ключ здесь известен лишь одному человеку, в то время как в первой схеме он должен быть известен по крайней мере двоим. Это даёт такие преимущества:

не требуется защищённый канал для пересылки секретного ключа, вся связь осуществляется по открытому каналу; 

наличие единственной копии ключа уменьшает возможности его утраты и позволяет установить чёткую персональную ответственность за сохранение тайны; 

наличие двух ключей позволяет использовать данную шифровальную систему в двух режимах - секретная связь и цифровая подпись.

Простейшим примером рассматриваемых алгоритмов шифровки служит алгоритм RSA. Все другие алгоритмы этого класса отличаются от него непринципиально. Можно сказать, что, по большому счёту, RSA является единственным алгоритмом с открытым ключом.

Сообщение, зашифрованное при помощи открытого ключа какого-либо абонента, может быть расшифровано только им самим, поскольку только он обладает секретным ключом. Таким образом, чтобы послать закрытое сообщение, вы должны взять открытый ключ получателя и зашифровать сообщение на нём. После этого даже вы сами не сможете его расшифровать.



Шифровка с открытым ключом




6. Криптография - оружие



Все государства уделяют пристальное внимание вопросам криптографии. Наблюдаются постоянные попытки наложить некие рамки, запреты и прочие ограничения на производство, использование и экспорт криптографических средств. Например, в России лицензируется ввоз и вывоз средств защиты информации, в частности, криптографических средств, согласно Указу Президента Российской Федерации от 3 апреля 1995 г. N 334 и постановлению Правительства Российской Федерации от 15 апреля 1994 г. N 331. 

Объясняется такая политика теми особенностями, которые имеет криптография в плане её доступности для использования и трудности преодоления. О значении информации в современных производственных процессах было сказано в начале курса. Соответственно, с потерей контроля над информацией государство потеряет и свою власть над производственными и другими процессами. А криптография даёт обычному гражданину средства закрыть свою информацию настолько надёжно, что преодолеть защиту не сможет даже государство со всей его экономической мощью.

К необходимым аксессуарам криптографической техники кроме алгоритмов шифрования и расшифрования принадлежат секретные ключи. Их роль такая же, как и у ключей от сейфа. А вот изготавливаются и хранятся криптографические ключи куда более тщательно, чем стальные аналоги. Заботу об их выпуске обычно берут на себя криптографические службы, лишь в этом случае гарантируя стойкость от взлома своих систем шифрования. Какие ухищрения только не предпринимаются, чтобы сделать ключи недоступными, а факт их чтения известным! Ключи хранят в криптографических блокнотах, которые всегда представляли собой крепость для посторонних. Во-первых, они открываются с предосторожностями, чтобы ключи не исчезли физически вместе с открывшим их человеком. Во-вторых, в блокноте находишь подобие отрывного календаря с прошитыми насквозь страницами, разделенными непрозрачными для любого подсматривания листами. Чтобы прочесть очередной ключ, нужно вырвать лист разделителя, а это не может впоследствии остаться незамеченным хозяином блокнота. Более того, как только страница с ключом открыта для чтения, то ее текст начинает бледнеть и через некоторое время пропадает бесследно. Но главное еще впереди - нередко в блокноты вносят не сами ключи, а их шифровки, сделанные по ключу, который шифровальщик хранит лишь в памяти. Ухищрениям в хранении ключей нет конца. У разведчика Абеля американскими спецслужбами был обнаружен криптографический блокнот размером с почтовую марку. Позднее, неподалеку от дома, где Абель жил, найдена монета, развинчивающаяся на две половинки, с тайником внутри. Очень возможно, что она служила контейнером для этого миниатюрного криптографического блокнота. ита относительно дёшева, а средства её преодоления либо очень дороги, либо вообще не существуют. Один человек с персональным компьютером может успешно противопоставить свою защиту любым государственным структурам.

В ближайшем будущем ожидается ужесточение контроля со стороны государства за производством и использованием криптосредств и дальнейшее ограничение её использования частными лицами.

Криптография, в отличие от мер физической защиты, обладает тем уникальным свойством, что при правильном выборе метода затраты на обеспечение защиты информации много меньше затрат на преодоление этой защиты. То есть, обыкновенный гражданин может себе позволить такую крепкую защиту, которую не в силах преодолеть государство со всей его финансовой и технической мощью. Попробуйте представить себе такое в отношении, например, защиты частного имущества.

Криптография становится оружием. Недаром правительства почти всех стран за последние годы постоянно ужесточают меры в отношении использования криптоалгоритмов. Власти пытаются запретить частное использование наиболее стойких из них, монополизировать, принудить производителей оставлять "чёрные ходы" в выпускаемых устройствах, ввести другие ограничения. Речь уже заходит о полном запрещении криптографии. В наш информационный век, когда технология стоит дороже материалов, программное обеспечение - дороже аппаратной части, когда люди гибнут не «за металл», а за ценные сведения, информация становится реальной силой. Следовательно, криптография - оружием. И допустить попадание его в частные руки никакое государство не желает.



7. Угрозы данным



В принципе есть лишь два вида угрозы: раскрытие и видоизменение данных. Раскрытие данных предполагает, что кому-то случайно или после целенаправленных действий стал известен смысл информации. Этот вид нарушения встречается наиболее часто. Последствия могут быть самые разные. Если похищен текст книги справочника, на которую потрачены месяцы работы десятков людей, то для коллектива авторов это катастрофа и потери могут выражаться в тысячах долларов. Однако если книга уже издана, то достаточно лишь слегка пожурить похитителя и рассказать о случившемся в отделе новостей газеты или TV, похититель может сделать книге великолепную рекламу. Очень важную информацию, тщательно оберегаемую от раскрытия, представляют сведения о людях: истории болезни, письма, состояния счетов в банках. Однако, по мнению большого числа специалистов, угрозы личности с введением компьютеров остались на том же уровне и в том же состоянии, что и до обширного использования ЭВМ. 

Рассмотрим виды потерь, возникающие от раскрытия информации. Обычно данные о людях наиболее важны для них самих, но, как бы это не описывали в шпионских фильмах, мало, что значат для похитителей. Иногда личные данные могут использоваться для компрометации не только отдельных людей, но целых организаций, например, если выяснится скрываемая прежняя судимость за растрату директора коммерческого банка. Но тот, кто компрометирует, не имея твердой моральной основы для этого, в большинстве случаев теряет больше самого компрометируемого. Лишь малая кучка профессиональных негодяев из адвокатов и журналистов, которым уже нет дела до своего морального облика, наживается, занимаясь компрометацией. Тем не менее, информация о людях ценна сама по себе, основной убыток от ее разглашения - личное несчастье человека. Другое дело - раскрытие стратегической управляющей информации. Если вскрыт долгосрочный план развития производства или анализ конъюнктуры на рынке, то потери для держателя этой информации будут невелики, но для конкурентов такие сведения очень важны. Думается, что хотя несанкционированное чтение данных бывает довольно часто, но редко когда приносит существенный вред, так как часто делается без злого умысла - случайно или из любопытства. 

Искажения информации представляют существенно большую опасность. Во многих организациях жизненно важные данные хранятся в файлах: инвентарные описи, графики работ, списки заказов. Если такие данные будут искажены или стерты, то работа надолго парализуется. Самое опасное в этом то, что в примитивных криптографических системах необходимые для этого искажения могут быть сделаны и без знания ключа. Поэтому серьезные шифры должны гарантировать не только устойчивость их раскрытия, но и невозможность незаметной модификации одиночного бита. Владение ключом открывает полный доступ к данным - тогда можно скомпрометировать бухгалтерскую или конструкторскую систему, чуть исказив десяток-другой чисел, или удалить сведения о реальном движении товара, чтобы счет за него не был выставлен. Похоже, что наиболее уязвима для искажения информация экономического характера, где потери могут быть чрезвычайно велики. Самое первое компьютерное преступление в нашей стране было именно этого типа и принесло прямые убытки в десятки тысяч рублей, когда в конце семидесятых, один из прибалтийских банков обнаружил у себя недостачу наличных денег. Руководителям крупных научных и программных проектов следует помнить, что большую опасность для их данных представляют не конкуренты, а собственные сотрудники. По различнейшим причинам они могут уничтожить или исказить окончательный проект.



8. Криптография сегодня



Криптография сегодня - это важнейшая часть всех информационных систем: от электронной почты до сотовой связи, от доступа к сети Internet до электронной наличности. Криптография обеспечивает подотчетность, прозрачность, точность и конфиденциальность. Она предотвращает попытки мошенничества в электронной коммерции и обеспечивает юридическую силу финансовых транзакций. Криптография помогает установить вашу личность, но и обеспечивает вам анонимность. Она мешает хулиганам испортить вашу WWW-страницу и не позволяет конкурентам залезть в ваши конфиденциальные документы. А в будущем, по мере того как коммерция и коммуникации будут все теснее связываться с компьютерными сетями, криптография станет жизненно важной. 

Электронный вандализм становится все более серьезной проблемой. Вандалы уже разрисовывали граффити Internet-страницу ЦРУ, забрасывали почтовыми бомбами провайдеров Internet и отменили тысячи сообщений ньюз-групп. Обычным делом для компьютерных вандалов и воров стал взлом компьютерных сетей. Когда средства безопасности неадекватны угрозе, риск быть пойманными для нарушителей невелик. 

Нападающие не соблюдают правил, они прибегают к обману. Они могут атаковать систему с помощью технических средств, о которых проектировщики и не помышляли. Похитители произведений искусства, бывало, грабили дома, разрезая стены цепной пилой. Ни одна охранная система не имеет ни малейшего шанса устоять перед такой атакой. Компьютерные воры тоже умеют «проходить сквозь стены»: они крадут техническую информацию, подкупают сотрудников, модифицируют программное обеспечение, вступают в тайный сговор. Они используют технологии более современные, чем те, что используются в системе безопасности, и даже изобретают новые математические приемы для успешной атаки на системы. 

Случай благоволит атакующему. Злоумышленники всегда имеют шанс узнать о системе безопасности больше, чем пользователи. Защищающимся приходится учитывать все вероятные уязвимые места, а нападающему нужно нащупать только одну брешь, чтобы скомпрометировать всю систему. 


Использованная литература



	 Андрей Винокуров. «Криптография, ее истоки и место в современном обществе» (Цикл статей по криптографии. Введение)

	 Брюс Шнайер - статья «Почему криптография сложнее, чем кажется» (журнал «Компьютера» №34 от 10 сентября 1998 года)

	 Сергей Баричев «Основной вопрос криптографии» (журнал «CIO» №5 от 17 мая 2005 года)

	 Internet (сайты: ru.wikipedia.org/wiki/,

		 w.mpgu.ru/crypto/1.1.htm,

		www.citforum.ru/security/cryptography)

2