1.5.Программно-аппаратные методы защиты информации

К программно-аппаратным средствам защиты информации относятся различные устройства и программы, выполняющие идентификацию, разграничение доступа, контроль конфиденциальности и целостности данных, регистрацию и анализ событий (включая атаки на информационную систему).

Программно-аппаратные средства защиты информации во многом опираются на криптографию.

Первоначально криптография понималась как тайнопись. В современном представлении криптография – это методы защиты взаимодействия законных пользователей от посягательств и от попыток нарушения этого взаимодействия со стороны незаконных пользователей. В основе криптографической защиты лежит использование математических и вычислительных средств.

Помимо криптографии для защиты информации может использоваться и другой подход, получивший название стеганография. Если цель криптографии – не допустить чтения противником зашифрованной информации, то при применении стеганографии противник не должен обнаружить сам факт передачи защищаемой информации.

Поскольку все пользователи информационных сетей делятся на легальных (законных) и нелегальных (незаконных) пользователей, криптография, очевидно, должна опираться на существенные преимущества легальных пользователей перед нелегальными. Эти преимущества предоставляются легальным пользователям организаторами телекоммуникационных сетей или существуют естественным образом.

Известным преимуществом является обладание секретными данными или ключами, которых не знают нелегальные пользователи. Другим преимуществом может быть лучшее качество каналов передачи между легальными пользователями по сравнению с качеством каналов между пользователями легальными и нелегальными. Третьим преимуществом может оказаться активность легальных пользователей, которые могут не только принимать, но и передавать информацию.

Основным средством обеспечения безопасности компьютерных систем являются криптографические методы, обладающие необходимой стойкостью. Однако лишь их использование является недостаточным для полного обеспечения информационной безопасности. Поэтому криптографические методы применяют в комплексе с правовыми и административными методами.

Помимо применения криптографии в традиционном смысле, криптографические методы позволяют выполнять также и другие функции. Эти функции можно рассматривать как услуги, предоставляемые дополнительно пользователям компьютерных систем. Более подробно эти услуги (использование цифровой подписи, цифровой наличности и др.) будут рассмотрены в следующих разделах.

2.Краткая история развития криптографии

2.1.Криптография в Древнем мире

В переводе с греческого криптография – это тайнопись (понимаемая теперь в широком смысле). В криптографии текст виден, но не может быть прочитан, в отличие от стеганографии, в которой текст не виден. Криптография использует преобразование одних знаков в другие, взятые из того же или другого алфавита.

Стеганография и криптография используют ключи, с помощью которых сообщение может быть обнаружено и прочитано, зашифровано и расшифровано.

Государственная и военная переписка возникли в глубокой древности и сопровождались изобретением различных криптографических методов для защиты этой переписки от чтения противником.

Так за 400 лет до н. э. в Спарте использовалось шифрование на круговом цилиндре. На его поверхность, как объясняет Плутарх, виток к витку, без промежутков наматывалась полоса папируса (скитала), по которой параллельно оси цилиндра записывался текст, строка за строкой. В результате на развернутой полосе буквы располагались без видимого порядка. Для прочтения послания получатель должен был намотать скиталу на точно такой же цилиндр.

За 300 лет до н. э. в Греции был написан труд «Тактикус» о скрытых сообщениях. За 200 лет до н. э. изобретен полибианский квадрат, содержавший 5´5=25 клеток для двадцати четырех букв греческого алфавита и пробела, вписанных в произвольном порядке. При шифровании текста нужная буква отыскивалась в квадрате и заменялась на другую букву из того же столбца, но вписанную строкою ниже. Буква, которая находилась в нижней строке квадрата, заменялась на букву из верхней строки того же столбца. Получатель, имевший точно такой же квадрат, производил расшифровку сообщения, выполняя указанные операции в обратном порядке.

В переписке с Цицероном Гай Юлий Цезарь использовал то, что в настоящее время называют шифром Цезаря. Метод Цезаря состоит в следующем. Сначала каждой букве алфавита сопоставляется ее порядковый номер l. Затем при шифровании записывается не сама буква, а та, чей номер больше на целое число K, называемое ключом (у Цезаря K было равно трем). Для алфавита, содержащего m букв, правило шифрования задается соотношением, в котором использовано сложение по модулю m:

n = K + l   mod  m,

где n – номер буквы, полученной в результате шифрования буквы с номером l.

Вычисления по модулю производятся над целыми числами. При этом числа заменяются остатками от их деления на модуль. Например, 13 = 1   mod 12. Таким образом, зашифрованный номер буквы равен остатку от деления суммы K + l на m.

Обобщение шифра Цезаря называется шифром простой замены. Его суть заключается в том, что все буквы алфавита заменяются другими неповторяющимися буквами того же алфавита по правилу, которое является ключом. Например, буква а заменяется на букву в, б заменяется на с, в – на a,..., я – на г. Количество замен, возможных при таком шифровании, равно числу всех возможных перестановок из символов алфавита с объемом m. Оно составляет m!. При m = 32 общее число перестановок равно m! = 32! = 2,63×10³⁵. Если в одну секунду при дешифровании методом простого перебора проверять миллион ключей, то общее время на дешифрование без знание ключа составит 8,3×10²¹ лет.

Несмотря на устрашающие числа нетрудно указать способ криптоанализа, т.е. вскрытия этих шифров без знания ключа. Пусть зафиксировано большое число шифровок и известно, что открытые сообщения были составлены на русском языке. В типичных текстах буквы русского алфавита, включая пробел, встречаются не одинаково часто, а в указанном порядке: _ , о, е, и, а, т, н, с, р, в, л, к, м, д, п, у, я, ь, з, б, ы, г, ч, й, х, ж, ю, ш, ц, э, щ, ф, ъ.

Буква	Частота	Буква	Частота	Буква	Частота
	%		%		%
А	6,2	Л	3,5	Ц	0,4
Б	1,4	М	2,6	Ч	1,2
В	3,8	Н	5,3	Ш	0,6
Г	1,3	О	9,0	Щ	0,3
Д	2,5	П	2,3	Ъ	0,1
Е	7,2	Р	4,0	Ы	1,3
Ж	0,7	С	4,5	Ь	1,6
З	1,6	Т	5,3	Э	0,3
И	6,2	У	2,1	Ю	0,6
Й	1	Ф	0,2	Я	1,8
К	2,8	X	0,9	_	17,5

Еще точнее этот факт отражает таблица. Из таблицы можно видеть, что практически все буквы имеют разные частоты. Известны статистики биграмм, триграмм и других сочетаний букв для многих языков. Следовательно, анализируя шифртекст, полученный прямой заменой, по частоте использования символов и их сочетаний, можно определить, какую букву скрывает данный символ.

Отметим, что анализ и прочтение текстов, зашифрованных таким образом, встречаются в художественной литературе (например, Э. По «Золотой жук», А. Конан Дойль «Пляшущие человечки»).