Материал: MSZI_2003
Глава
18
Криптографическая
защита
До
недавнего
времени
криптография
представляла
интерес
главным
образом
для
во
-
енных
и
дипломатов
.
Частные
лица
и
коммерческие
организации
редко
считали
необхо
-
димым
прибегать
к
шифрованию
для
защиты
своей
корреспонденции
,
а
если
и
прибега
-
ли
,
то
,
как
правило
,
без
достаточной
тщательности
.
Однако
в
силу
целого
ряда
обстоя
-
тельств
интерес
к
применению
криптографии
резко
повысился
.
В
настоящее
время
количество
областей
,
в
которых
средства
электронной
связи
за
-
меняют
бумажную
переписку
,
быстро
увеличивается
.
В
результате
увеличивается
и
дос
-
тупный
для
перехвата
объем
информации
,
а
сам
перехват
становится
более
легким
.
Од
-
нако
те
же
самые
факторы
,
которые
способствуют
распространению
электронных
средств
связи
,
заметно
снижают
также
затраты
на
криптографию
.
В
случае
передачи
данных
электронной
почтой
перехват
оказывается
даже
еще
более
легким
,
чем
в
случае
телефонной
связи
,
поскольку
при
телефонной
связи
перехватчик
не
имеет
возможности
различать
содержание
сообщения
,
если
только
не
используется
че
-
ловек
-
наблюдатель
.
При
передаче
данных
материал
находится
в
форме
,
пригодной
для
восприятия
вычислительной
машиной
,
и
подобных
ограничений
не
возникает
.
Стоимость
перехвата
со
временем
все
более
уменьшается
.
В
результате
этого
возрас
-
тает
интерес
к
криптографии
как
у
частных
лиц
,
так
и
у
коммерческих
организаций
.
Особенную
остроту
проблема
криптографической
защиты
приобрела
с
бурным
развити
-
ем
электронной
почты
и
систем
электронных
платежей
.
Основные
понятия
Криптография
—
наука
о
методах
преобразования
(
шифрования
)
информации
с
це
-
лью
ее
защиты
от
злоумышленников
.
Информация
—
основное
понятие
научных
направлений
,
изучающих
процессы
пе
-
редачи
,
переработки
и
хранения
различных
данных
.
Суть
понятия
информации
обычно
объясняется
на
примерах
.
Формальное
определение
дать
очень
сложно
,
поскольку
поня
-
тие
информации
относится
к
таким
же
фундаментальным
понятиям
,
как
материя
.
Информация
,
которая
нуждается
в
защите
,
возникает
в
самых
различных
жизненных
ситуациях
.
Обычно
в
таких
случаях
говорят
,
что
информация
содержит
тайну
или
явля
-
ется
защищаемой
.
Для
наиболее
типичных
,
часто
встречающихся
ситуаций
введены
специальные
понятия
:
государственная
тайна
,
военная
тайна
,
коммерческая
тайна
,
юридическая
тайна
,
врачебная
тайна
и
т
.
д
.
Основные
понятия
337
Причем
,
когда
говорят
о
защищаемой
информации
,
имеют
в
виду
следующие
при
-
знаки
такой
информации
:
•
имеется
определенный
круг
законных
пользователей
,
которые
имеют
право
владеть
этой
информацией
;
•
имеются
незаконные
пользователи
,
которые
стремятся
овладеть
этой
информацией
.
Шифр
—
способ
(
метод
),
преобразования
информации
с
целью
ее
защиты
от
неза
-
конных
пользователей
.
Стеганография
—
набор
средств
и
методов
сокрытия
факта
передачи
сообщения
.
Стеганография
скрывает
сам
факт
передачи
сообщения
,
а
криптография
считает
,
что
сообщение
(
в
шифрованном
виде
)
доступно
незаконному
пользователю
,
но
он
не
может
извлечь
из
этого
сообщения
защищаемую
информацию
.
Первые
следы
стеганографических
методов
теряются
в
глубокой
древности
.
Известен
такой
способ
сокрытия
письменного
сообщения
:
рабу
брили
голову
,
на
коже
писали
со
-
общение
и
после
отрастания
волос
раба
отправляли
к
адресату
.
Известны
различные
способы
скрытого
письма
среди
строк
обычного
,
незащищенного
письма
:
от
молока
до
сложных
химических
реактивов
с
последующей
обработкой
.
Широко
применяется
современный
метод
“
микроточки
”:
сообщение
записывается
с
помощью
современной
техники
на
очень
маленький
носитель
— “
микроточку
”,
которая
пересылается
с
обычным
письмом
,
например
,
над
маркой
или
где
-
нибудь
в
другом
зара
-
нее
обусловленном
месте
.
Один
типичный
стеганографический
прием
тайнописи
—
акростих
.
Акростихом
на
-
зывается
такая
организация
стихотворного
текста
,
при
которой
,
например
,
начальные
буквы
каждой
строки
образуют
скрываемое
сообщение
.
Сейчас
в
связи
с
широким
применением
ПЭВМ
применяются
различные
методы
“
за
-
прятывания
”
защищаемой
информации
внутри
больших
ее
объемов
.
В
отличие
от
стеганографии
,
криптография
занимается
методами
преобразования
информации
,
которые
должны
воспрепятствовать
противнику
в
извлечении
ее
из
пере
-
хватываемых
сообщений
.
При
этом
по
каналу
связи
передается
уже
не
сама
защищаемая
информация
,
а
результат
ее
преобразования
с
помощью
шифра
или
кода
,
и
для
против
-
ника
возникает
сложная
задача
вскрытия
шифра
или
кода
.
Вскрытие
шифра
—
процесс
получения
защищаемой
информации
(
открытого
тек
-
ста
)
из
шифрованного
сообщения
(
шифртекста
)
без
знания
примененного
шифра
.
Шифрование
—
процесс
применения
шифра
и
защищаемой
информации
,
т
.
е
.
преоб
-
разование
защищаемой
информации
в
шифрованное
сообщение
с
помощью
определен
-
ных
правил
,
содержащихся
в
шифре
.
Дешифрирование
—
процесс
,
обратный
шифрованию
,
и
заключающийся
в
преобра
-
зовании
шифрованного
сообщения
в
защищаемую
информацию
с
помощью
определен
-
ных
правил
,
содержащихся
в
шифре
.
Под
ключом
в
криптографии
понимают
сменный
элемент
шифра
,
который
применя
-
ют
для
шифрования
конкретных
сообщений
.
338
Глава
18.
Криптографическая
защита
Одно
из
центральных
мест
в
понятийном
аппарате
криптографии
занимает
такое
по
-
нятие
,
как
стойкость
шифра
.
Под
стойкостью
шифра
понимают
способность
шифра
противостоять
всевозможным
методам
вскрытия
.
Качественно
понять
его
довольно
лег
-
ко
,
но
получение
строгих
доказуемых
оценок
стойкости
для
каждого
конкретного
шифра
все
еще
остается
нерешенной
проблемой
.
Это
объясняется
тем
,
что
до
сих
пор
нет
мате
-
матических
результатов
,
необходимых
для
решения
такой
проблемы
.
Поэтому
стойкость
конкретного
шифра
оценивается
только
путем
всевозможных
по
-
пыток
его
вскрытия
и
зависит
от
квалификации
криптоаналитиков
,
вскрывающих
шифр
.
Подобную
процедуру
называют
проверкой
криптостойкости
.
Криптология
—
наука
,
состоящая
из
двух
направлений
:
криптографии
и
криптоана
-
лиза
.
Криптоанализ
—
это
наука
(
и
практика
ее
применения
)
о
методах
и
способах
вскрытия
шифров
.
Соотношение
криптографии
и
криптоанализа
очевидно
:
криптогра
-
фия
—
это
защита
,
т
.
е
.
разработка
шифров
,
а
криптоанализ
—
нападение
,
т
.
е
.
вскрытие
шифров
.
Однако
это
две
науки
связаны
друг
с
другом
,
и
не
бывает
хороших
криптогра
-
фов
,
не
владеющих
методами
криптоанализа
.
Дело
в
том
,
что
стойкость
разработанного
шифра
можно
доказать
с
помощью
проведения
различных
попыток
вскрытия
шифра
,
становясь
мысленно
в
положение
противника
.
Немного
истории
Долгое
время
занятие
криптографией
было
уделом
одиночек
.
Среди
них
были
одаренные
ученые
,
дипломаты
и
священнослужители
.
Известны
случаи
,
когда
крип
-
тографию
считали
даже
черной
магией
.
Этот
период
развития
криптографии
,
как
ис
-
кусства
,
длился
с
незапамятных
времен
до
начала
XX
века
,
когда
появились
первые
шифровальные
машины
.
Понимание
математического
характера
решаемых
крипто
-
графических
задач
пришло
только
в
середине
XX
века
,
после
работ
выдающегося
американского
ученого
К
.
Шеннона
.
Свой
след
в
истории
криптографии
оставили
многие
хорошо
известные
исторические
личности
.
Первые
сведения
об
использовании
шифров
в
военном
деле
связаны
с
именем
спар
-
танского
полководца
Лисандра
(
шифр
“
Сциталь
”, V
век
д
.
н
.
э
).
Цезарь
использовал
в
пе
-
реписке
шифр
,
который
вошел
в
историю
как
“
шифр
Цезаря
”.
В
древней
Греции
был
изобретен
вид
шифра
,
который
в
дальнейшем
назывался
“
Квадрат
Полития
”.
Братство
франкмасонов
с
момента
своего
возникновения
(VIII
век
)
разработало
и
использовало
целую
систему
особых
шифров
.
Одну
из
первых
книг
по
криптографии
написал
аббат
И
.
Тритемий
(1462-1516
гг
.)
живший
в
Германии
.
В
1566
г
.
известный
механик
и
математик
Д
.
Кардано
опубликовал
работу
с
описанием
изобретенной
им
системы
шифрования
(“
решетка
Кардано
”).
Фран
-
ция
XVI
века
оставила
в
истории
криптографии
шифры
короля
Генриха
IX
и
Ришелье
.
В
России
наиболее
известным
шифром
является
“
цифровая
азбука
” 1700
года
,
автором
ко
-
торой
был
Петр
I.
Немного
истории
339
Некоторые
сведения
о
свойствах
шифров
и
их
применения
могло
найти
в
художест
-
венной
литературе
и
кино
.
Хорошее
и
подробное
объяснение
одного
из
простейших
шифров
—
шифра
замены
и
методов
его
вскрытия
содержится
в
двух
известных
расска
-
зах
: “
Золотой
жук
”
Э
.
По
и
“
Пляшущие
человечки
”
А
.
Конан
-
Дойля
.
Рассмотрим
более
подробно
некоторые
примеры
.
Шифр
“
Сциталь
”
.
Этот
шифр
известен
со
времен
войны
Спарты
и
Персии
против
Афин
.
Спартанский
полководец
Лисандр
подозревал
персов
в
измене
,
но
не
знал
их
тай
-
ных
планов
.
Его
агент
в
стане
персов
прислал
шифрованное
сообщение
,
которое
позво
-
лило
Лисандру
опередить
персов
и
разгромить
их
.
Шифрованное
сообщение
было
напи
-
сано
на
поясе
официального
гонца
от
персов
следующим
образом
:
агент
намотал
пояс
на
сциталь
(
деревянный
цилиндр
определенного
диаметра
)
и
написал
на
поясе
сообщение
вдоль
сциталя
;
потом
он
размотал
пояс
и
получилось
,
что
поперек
пояса
в
беспорядке
написаны
буквы
.
Гонец
не
догадался
,
что
узор
на
его
красивом
поясе
на
самом
деле
со
-
держит
зашифрованную
информацию
.
Лисандр
взял
сциталь
такого
же
диаметра
,
акку
-
ратно
намотал
на
него
пояс
и
вдоль
сциталя
прочитал
сообщение
от
своего
агента
.
Отметим
,
что
в
этом
шифре
преобразование
открытого
текста
в
шифрованный
за
-
ключается
в
определенной
перестановке
букв
открытого
текста
.
Поэтому
класс
шифров
,
к
которым
относится
и
шифр
“
Сциталь
”, —
это
перестановочные
шифры
.
Шифр
Цезаря
.
Этот
шифр
реализует
следующие
преобразования
открытого
текста
:
каждая
буква
открытого
текста
заменяется
третьей
после
нее
буквой
в
алфавите
,
кото
-
рый
считается
по
кругу
,
т
.
е
.
после
буквы
“
я
”
следует
буква
“
а
”.
Поэтому
класс
шифров
,
к
которым
относится
и
шифр
Цезаря
, —
это
подстановочные
шифры
.
Например
,
открытый
текст
КРИПТОГРАФИЯ
при
таком
способе
шифрования
преоб
-
разуется
в
шифртекст
НУЛТХСЕУГЧЛВ
.
Отметим
,
что
Цезарь
заменял
букву
третьей
после
нее
буквой
,
но
можно
заменять
и
пятой
,
и
любой
другой
.
Главное
,
чтобы
тот
,
кому
посылается
шифрованное
сообщение
,
знал
эту
величину
сдвига
.
Шифр
Виженера
.
Этот
шифр
относится
к
семейству
полиалфавитных
подстановоч
-
ных
шифров
.
Его
удобнее
всего
представить
,
как
шифр
Цезаря
с
переменной
величиной
сдвига
.
Чтобы
знать
,
на
сколько
сдвигать
очередную
букву
открытого
текста
,
заранее
оговаривается
способ
запоминания
сдвигов
.
Для
этой
цели
используется
ключевое
сло
-
во
,
каждая
буква
которого
своим
номером
в
алфавите
указывает
величину
сдвига
.
Клю
-
чевое
слово
повторяется
столько
раз
,
сколько
нужно
для
замены
всех
букв
открытого
текста
.
Например
,
если
ключевое
слово
ВАЗА
,
а
открытый
текст
—
КРИПТОГРАФИЯ
,
значит
,
ключевое
слово
даст
следующую
последовательность
сдвигов
букв
открытого
текста
319131913191
При
таком
способе
шифрования
открытый
текст
преобразуется
в
шифротекст
НССРХПЛСГХСА
340
Глава
18.
Криптографическая
защита
Дальнейшее
развитие
идеи
ключевого
слова
,
а
именно
идея
запоминать
способ
преоб
-
разования
открытого
текста
с
помощью
какой
-
либо
книги
,
привело
к
возникновению
раз
-
личных
видов
так
называемых
книжных
шифров
.
Результаты
криптографических
исследований
реализуются
сейчас
в
виде
шифрую
-
щих
устройств
,
встроенных
в
современные
системы
связи
.
Поэтому
криптографы
огра
-
ничены
в
выборе
средств
тем
уровнем
техники
и
технологии
,
который
достигнут
на
дан
-
ный
момент
.
Такая
зависимость
отражается
и
на
выборе
используемого
в
криптографии
математического
аппарата
.
Условно
можно
выделить
три
принципиально
разных
этапа
в
развитии
математиче
-
ского
аппарата
криптографии
.
До
40-
х
годов
XX
века
применялись
только
электромеханические
шифромашины
,
поэтому
и
спектр
математических
преобразований
был
ограничен
,
в
основном
,
методами
комбинаторного
анализа
и
теории
вероятностей
.
После
появления
электронной
техники
,
а
тем
более
компьютеров
,
сильно
изменился
и
математический
аппарат
криптографии
.
Получили
развитие
прикладные
идеи
и
мето
-
ды
теории
информации
,
алгебры
,
теории
конечных
автоматов
.
Работы
Диффи
и
Хеллмана
(70-
е
годы
)
послужили
толчком
для
бурного
развития
но
-
вых
направлений
математики
:
теории
односторонних
функций
,
доказательств
с
нулевым
разглашением
.
В
наше
время
прогресс
именно
в
этих
направлениях
определяет
практи
-
ческие
возможности
криптографии
.
Однако
для
того
,
чтобы
криптографические
методы
преобразования
обеспечили
эф
-
фективную
защиту
информации
,
они
должны
удовлетворять
ряду
требований
.
В
сжатом
виде
их
можно
сформулировать
следующим
образом
:
•
сложность
и
стойкость
криптографического
закрытия
должны
выбираться
в
зависи
-
мости
от
объема
и
степени
секретности
данных
;
•
надежность
закрытия
должна
быть
такой
,
чтобы
секретность
не
нарушалась
в
том
случае
,
когда
злоумышленнику
становится
известен
метод
закрытия
;
•
метод
закрытия
,
набор
используемых
ключей
и
механизм
их
распределения
не
могут
быть
слишком
сложными
;
•
выполнение
процедур
прямого
и
обратного
преобразований
должно
быть
формали
-
зованным
.
Эти
процедуры
не
должны
зависеть
от
длины
сообщений
;
•
ошибки
,
возникающие
в
процессе
выполнения
преобразования
,
не
должны
распро
-
страняться
на
текст
в
полной
мере
и
по
системе
;
•
вносимая
процедурами
защиты
избыточность
должна
быть
минимальной
.
Классификация
криптографических
методов
В
настоящее
время
не
существует
законченной
и
общепринятой
классификации
криптографических
методов
,
так
как
многие
из
них
находятся
в
стадии
развития
и
ста
-
новления
.
Наиболее
целесообразной
представляется
классификация
,
представленная
на
рис
. 18.1.