Раздел 5. Программно-аппаратная и криптографическая защита информации в компьютерных сетях

5.1 Простейшие шифры. Шифры с симметричным и асимметричным ключом. Понятие стойкости криптографического алгоритма.

Шифрование - это преобразование данных в нечитабельную форму, используя ключи шифрования-расшифровки.

Криптография - наука о способах преобразования (шифрования) информации с целью ее защити от незаконных пользователей (разработка шифров).

Криптоанализ - наука (и практика ее применения) о методах и способах вскрытия шифров (атака на шифры).

1. Простейшие шифры: сдвиг, шифр подстановки, шифр перестановки.

Шифра сдвиг - сдвиг вдоль алфавита на определенное и одинаковое количество символов.

Шифр перестановки - шифр, в котором процедура зашифрования заключается в перестановках элементов исходного текста или их групп. При этом сами элементы остаются неизменными.

Шифр подстановки каждый символ открытого текста заменяет на некоторый другой. В классической криптографии различают четыре типа шифра подстановки:

- Одноалфавитный шифр подстановки (шифр простой замены) — шифр, при котором каждый символ открытого текста заменяется на некоторый, фиксированный при данном ключе символ того же алфавита. Примеры: шифр Цезаря.

- Однозвучный шифр подстановки похож на одноалфавитный за исключением того, что символ открытого текста может быть заменен одним из нескольких возможных символов.

- Полиграммный шифр подстановки заменяет не один символ, а целую группу.

- Многоалфавитный шифр подстановки состоит из нескольких шифров простой замены.

Шифр простой замены легко вскрывается с помощью частотного анализа, так как не меняет частоты использования символов в сообщении. Однозвучные шифры сложнее для вскрытия, хотя они и не скрывают всех статистических свойств текста.

Многоалфавитные шифры шифруют каждый символ с помощью некоторого одноалфавитного шифра. Стойкость такого шифра сильно зависит от количества используемых шифров простой замены. Но при использовании компьютера криптоаналитик не испытает трудностей.

2. Симметричный шифр

Симметричный шифр - способ шифрования, в котором для (за)шифрования и расшифрования применяется один и тот же криптографический ключ. До изобретения схемы асимметричного шифрования единственным существовавшим способом являлось симметричное шифрование. Ключ алгоритма должен сохраняться в секрете обеими сторонами. Ключ алгоритма выбирается сторонами до начала обмена сообщениями.

Симметричные шифры делятся на

- блочные шифры. Обрабатывают информацию блоками определенной длины (обычно 64, 128 бит), применяя к блоку ключ в установленном порядке, как правило, несколькими циклами перемешивания и подстановки, называемыми раундами. Результатом повторения раундов является лавинный эффект - нарастающая потеря соответствия битов между блоками открытых и зашифрованных данных.

- поточные шифры, в которых шифрование проводится над каждым битом либо байтом исходного (открытого) текста.

3. Асимметричный шифр.

Система шифрования информации, при которой ключ, которым зашифровывается сообщение и само зашифрованное сообщение передаётся по открытому (т.е. незащищённому, доступному для наблюдения) каналу. Для генерации открытого ключа и для прочтения зашифрованного сообщения получатель использует другой (секретный) ключ.

Общая идея криптографической системы с открытым ключом заключается в использовании при зашифровке сообщения такой функции от открытого ключа и сообщения (хеш-функции), которую алгоритмически очень трудно обратить, т.е. вычислить по значению функции её аргумент, даже зная значение ключа. Информация,

предоставляемая секретным ключом должна существенно облегчить расшифровку закодированного сообщения.

Преимущество асимметричных шифров перед симметричными шифрами состоит в отсутствии необходимости передачи секретного ключа. Сторона, желающая принимать зашифрованные тексты, в соответствии с используемым алгоритмом вырабатывает пару «открытый ключ — закрытый ключ». Открытый ключ публикуется в открытых справочниках и используется для шифрования информации контрагентом. Закрытый ключ держится в секрете и используется для расшифрования сообщения, переданного владельцу пары ключей.

4. Понятие стойкости криптосистемы многогранно. Стойкость зависит не только от разработчика, но и от особенностей использования данного криптоалгоритма в системе управлени или связи, от физической реализации криптоалгоритма, а также от будущих успехов математики и вычислительной техники. Ведь криптосистема может эксплуатироватьс много лет, а необходимость сохранять в секрете в течение длительного времени переданную ранее по открытым каналам связи информацию может сделать необходимым прогнозировать развитие науки и техники на десятилети.

В общем случае понятие криптостойкости заключается во времени, потраченном на криптоанализ зашифрованной последовательности.

P.S.: для успешного ответа на этот вопрос необходимо знать алгоритм Эль-Гамаля:

(ассиметричное шифрование)

1. Выбирается большое простое число р, р<M.

2. Выбираются числа x и g так, что 1<x<p, 1<g<p.

3. Вычисляется y =gx(mod p)

Таким образом, открытый ключ: p, g, y. Закрытый ключ: x.

4. Выбирается случайное секретное число k, взаимнопростое с (p — 1), то есть НОД

(k, (p-1))= 1.

5. Вычисляется a = gk (mod p), b = yk M (mod p)

Пара чисел a и b является шифротекстом. Причем, длина шифротекста длинней открытого текста вдвое.

Дешифрование происходи так:

Для расшифрования a и b, вычисляем: M = b / ax mod p