Материал: Технология проектирования систем защиты информации в информационно-телекоммуникационных системах. Язов Ю.К
9. ОСНОВЫ КРИПТОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ И ПОСТРОЕНИЯ ЧАСТНЫХ ВИРТУАЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Одним из важнейших направлений ЗИ с незапамятных времен стала тайнопись. Необходимость еѐ возникла из потребностей тайной передачи как военных, так и дипломатических сообщений. Для обозначения всей области тайной связи используется термин "криптология" (cryptos – тайный, logosсообщение). Криптология содержит в себе 2 направления: криптографию и криптоанализ. Криптография направлена на обеспечение конфиденциальности и аутентичности (подлинности) информации. Криптоанализ направлен на взлом систем защиты, разработанных криптографами. Научная криптография началась с публикации статьи К. Шеннона "Теория связи в секретных системах" в 1949 г. Криптография – это совокупность методов преобразования данных, направленных на то, чтобы сделать эти данные бесполезными для противника или конкурента. Такие преобразования нужны для обеспечения как конфиденциальности, так и целостности информации. Существует два вида криптосистем (систем шифрования): 1) симметричные одноключевые криптосистемы (с секретным ключом); 2) асимметричные двухключевые криптосистемы (с открытым ключом). Классическими, ранее широко применявшимися на практике являются симметричные криптосистемы. В них используются одинаковые секретные ключи в блоках шифрования и расшифрования
(рис.28).
231
Рис.28. Модель симметричной криптосистемы
В асимметричной системе используются два раз-
ных ключа для того, чтобы исключить передачу одного
секретного ключа по каналу, как это делается в симмет-
ричных системах. В асимметричной системе по каналу
передается только открытый ключ, а секретный ключ
остается на месте его генерации.
Любая попытка со стороны перехватчика расшифровать шифротекст С для получения открытого текста М или зашифровать свой собственный текст М' для получения правдоподобного шифротекста С', не имея подлинного ключа, называется криптоаналитической атакой. Если такие атаки не достигают цели, то криптосистема является криптостойкой. Обычно показателем криптостойкости является интервал времени, необходимый для раскрытия шифра.
В традиционных симметричных криптосистемах используются в основном 4 группы шифров, а именно:
232
1) перестановок; 2) замены; 3) гаммирования; 4)
основанные на аналитических преобразованиях данных.
Шифры перестановок являются самыми простыми. Суть их в перестановке символов текста по определенному правилу.
Пример 1. Спартанский шрифт "Скитала" Правители Спарты в 5 веке шифровали свои посла-
ния с помощью первого простейшего криптографического средства "скитала" – цилиндрического стержня, на который наматывалась спиралью виток к витку полоска пергамента и затем на ней писали вдоль стержня нужный текст. Затем полоску снимали со стержня и оправляли. Буквы на полоске располагались хаотично. Не зная диаметра стержня, нельзя было расшифровать текст (рис.2).
Пример 2. Шифрующие таблицы. В качестве ключа в них используется размер таблицы и ключевое слово.
Без ключевого слова шифрующая таблица напоминает шифр "скитала". Применим в качестве ключевого слово из 5 букв, например, Туман.
4 |
5 |
2 |
1 |
3 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
т |
у |
М |
а |
н |
|
а |
М |
н |
т |
у |
з |
т |
А |
и |
4 |
|
и |
А |
4 |
з |
т |
а |
и |
Ч |
с |
0 |
|
с |
Ч |
0 |
а |
и |
н |
я |
а |
ь |
0 |
|
ь |
А |
0 |
н |
я |
я |
н |
л |
1 |
|
|
1 |
Л |
|
я |
н |
В результате имеем шифротекст иа4зт сч0аи ьа0ня
1л_ян.
Возможны многократные перестановки по столбцам и строкам. Системы легко взламываются.
233
К шифрам перестановки относятся и знаменитые магические квадраты, в которых сумма цифр по строкам, столбцам и диагоналям одна и та же.
16 |
3 |
2 |
13 |
|
О |
и |
р |
М |
5 |
10 |
11 |
6 |
|
Е |
о |
с |
Ю |
9 |
6 |
7 |
12 |
|
В |
т |
а |
Ь |
4 |
15 |
14 |
1 |
|
Л |
г |
о |
П |
Результат: оирм еосю втаь лгоп.
Шифры простой замены.
Система шифрования Цезаря. Суть шифра: каждая буква исходного текста заменяется на другую букву того же алфавита, при этом заменяющая буква определяется путем смещения по алфавиту на К букв. Ключом является число К. Пример для К=3.
ABCDEFGHIJKLNNOPQRSTUVWXYZ
XYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVW
VENI VIDI VICT |
YHQL YLGL |
YLFL |
|
Формально такой шифр записывается следующим образом.
Подстановка, определяемая ключом К, является криптографическим преобразованием Ек, которое шифрует n-грамму (x1, x2, x3, …xn-1) открытого текста в n-грамму
(y1,y2,…yn-1) шифротекста, где yi=Ek(xi), 0 i n. Ek: j (j + k)*(mod n), 0 K m,
где m – количество букв в алфавите;
j – числовой код буквы открытого текста; j+K – числовой код буквы шифротекста.
234
Шифр Цезаря легко вскрывается на основе анализа частот появления букв, число возможных ключей мало, сохраняется алфавитный порядок.
Усовершенствование этой системы – это введение ключевого слова. Пусть ключевое слово – защита. Введем его с ключом К=3 и далее без повтора букв запишем алфавит:
АБ В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч
ШЩ Ь Ы Ъ Э Ю Я
ЭЮЯ З А Щ И Т Б В Г Д Е Ж Й К Л МН О П Р С У Ф ХЦ Ч Ш Ь Ы Ъ
Зная ключевое слово и шифр К можно легко вос-
становить текст.
Шифры сложной замены.
Для шифров сложной замены характерно то,, что берут не один алфавит, а много алфавитов. Впервые многоалфавитную подстановку применил в 1566 г. Леон Батист Альберти в "Трактате о шифре". Примером шифра сложной замены является шифр Гронсфельда,
235