Криптоаналитическая атака при наличии только известного шифртекста

Криптоаналитик имеет только шифртексты нескольких сообщений , причем все они зашифрованы с использованием одного и того же алгоритма шифрования . Работа криптоаналитика заключается в том, чтобы раскрыть исходные тексты , по возможности большинства сообщений или, еще лучше, вычислить ключ , использованный для шифрования этих сообщений, с тем, чтобы расшифровать и другие сообщения, зашифрованные этим ключом.

Криптоаналитическая атака при наличии известйого открытого текста

Криптоаналитик имеет доступ не только к шифртекстам , нескольких сообщений, но также к открытым текстам этих сообщений. Его работа заключается в нахождении ключа , используемого при шифровании этих сообщений, или алгоритма расшифрования любых новых сообщений, зашифрованных тем же самым ключом.

Криптоаналитическая атака при возможности выбора открытого текста

Криптоаналитик не только имеет доступ к шифртекстам и связанным с ними открытым текстам нескольких сообщений, но и может при желанию выбирать открытые тексты, которые затем получает в зашифрованном виде. Такой криптоанализ получается более мощным по сравнению с криптоанализом с известным открытым текстом, потому что криптоаналитик может выбрать для шифрования такие блоки открытого текста, которые дадут больше информации о ключе. Работа криптоаналитика состоит в поиске ключа использованного для шифрования сообщений, или алгоритма расшифрования новых сообщений, зашифрованных тем же ключом.

Криптоаналитическая атака с адаптивным выбором открытого текста

Это - особый вариант атаки с выбором открытого текста. Криптоаналитик может не только выбирать открытый текст, который затем шифруется, но и изменять сбой выбор в зависимости от результатов предыдущего шифрования. При криптоанализе с простым выбором открытого текста криптоаналитик обычно может выбирать, несколько крупных блоков открытого текста для их шифрования; при криптоанализе с адаптивным выбором открытого текста он имеет возможность выбрать сначала более мелкий пробный блок открытого текста, затем выбрать следующий блок в зависимости от результатов первого выбора, и т.д. Эта атака предоставляет криптоаналитику еще больше возможностей, чем предыдущие типы атак.

Помимо перечисленных основных типов криптоаналитических атак, можно отметить, по крайней мере, еще два типа.

Криптоаналитическая атака с использованием выбранного шифртекста

Криптоаналитик может выбирать для расшифрования различные шифртексты и имеет доступ к расшифрованным открытым текстам . Например, криптоаналитик получил доступ к защищенному от несанкционированного вскрытия блоку, который выполняет автоматическое расшифрование. Работа криптоаналитика заключается в нахождении ключа. Этот тип криптоанализа представляет особый интерес для раскрытия алгоритмов с открытым ключом.

Криптоаналитическая атака методом полного перебора всех возможных ключей

Эта атака предполагает использование криптоаналитиком известного шифртекста и осуществляется посредством полного перебора всех возможных ключей с проверкой, является ли осмысленным получающийся открытый текст. Такой подход требует привлечения предельных вычислительных ресурсов и иногда называется силовой атакой.

Существуют и другие, менее распространенные, криптоаналитические атаки.

Основные понятия и определения

Большинство средств защиты информации базируется на использовании криптографических шифров и процедур шифрования расшифрования. В соответствии со стандартом ГОСТ 28147-89 под шифром понимают совокупность обратимых преобразований множества открытых данных на множество зашифрованных данных, задаваемых ключом и алгоритмом криптографического преобразования.

Ключ - это конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования данных, обеспечивающее выбор только одного варианта из всех возможных для данного алгоритма.

Основной характеристикой шифра является криптостойкость, которая определяет его стойкость к раскрытию методами криптоанализа. Обычно эта характеристика определяется интервалом времени, необходимым для раскрытия шифра.

К шифрам, используемым для криптографической защиты информации, предъявляется ряд требований:

• достаточная криптостойкость (надежность закрытия данных);

• простота процедур шифрования и расшифрования;

• незначительная избыточность информации за счет шифрования;

• нечувствительность к небольшим ошибкам шифрования и др.

В той или иной мере этим требованиям отвечают:

• шифры перестановок:

• шифры замены;

• шифры гаммирования;

• шифры, основанные на аналитических преобразованиях шифруемых данных.

Шифрование перестановкой заключается в том, что символы шифруемого текста переставляются по определенному правилу в пределах некоторого блока этого текста. При достаточной длине блока, и пределах которого осуществляется перестановка, и сложном неповторяющемся порядке перестановки можно достигнуть приемлемой для простых практических приложений стойкости шифра.

Шифрование заменой (подстановкой) заключается в том, что символы шифруемого текста заменяются символами того же или другого алфавита в соответствии с заранее обусловленной схемой замены.

Шифрование гаммироваиием заключается в том, что символы шифруемою текста складываются с символами некоторой случайной последовательности, именуемой гаммой шифра. Стойкость шифрования определяется в основном длиной (периодом) неповторяющейся части гаммы шифра. Поскольку с помощью ЭВМ можно генерировать практически бесконечную гамму шифра, то данный способ является одним из основных для шифрования информации в автоматизированных системах.

Шифрование аналитическим преобразованием заключается в том, что шифруемый текст преобразуется по некоторому аналитическому правилу (формуле).

Например, можно использовать правило умножения вектора на матрицу, причем умножаемая матрица является ключом шифрования (поэтому ее размер и содержание должны храниться в секрете), а символами умножаемого вектора последовательно служат символы шифруемого текста. Другим примером может служить использование так называемых однонаправленных функций для построения криптосистем с открытым ключом.

Процессы шифрования и расшифрования осуществляются в рамках некоторой криптосистемы. Характерной особенностью симметричной криптосистемы является применение одного и того же секретного ключа как при шифровании, так и при расшифровании сообщений.

Как открытый текст, так и шифртекст образуются из букв, входящих в конечное множество символов, называемых алфавитом. Примерами алфавитов являются конечное множество всех заглавных букв, конечное множество всех заглавных и строчных букв и цифр и т. п. В обшем виде некоторый алфавит можно представить так:

Объединяя по определенному правилу буквы из алфавита , можно создать новые алфавиты:

• алфавит содержащий биграмм ;

• алфавит содержащий триграмм .

В общем случае, объединяя по n букв, получаем алфавит , содержащий n-грамм.

Например, английский алфавит:

объемом букв позволяет сгенерировать посредством операции конкатенации алфавит из биграмм вида: ; алфавит из триграмм и т.д.

При выполнении криптографических преобразований полезно заменять буквы алфавита целыми числами 0,1, 2,3,.... Это позволяет упростить выполнение необходимых алгебраических манипуляций. Например, можно установить взаимнооднозначное соответствие между русским алфавитом: {АБВГДЕ...ЮЯ} и множеством целых ; между английским алфавитом и множеством целых (см. табл. 3.1 и 3.2).

В дальнейшем будет обычно использоваться алфавит содержащий m "букв" (в виде чисел): .

Замена букв традиционного алфавита числами позволяет более четко сформулировать основные концепции и приемы криптографических преобразований. В то же время в большинстве иллюстраций будет использоваться алфавит естественного языка.

Таблица 3.1: Соответствие между русским алфавитом и множеством целых

Буква	Число	Буква	Число	Буква	Число	Буква	Число
А	0	И	8	Р	16	Ш	24
Б	1	Й	9	С	17	Щ	25
В	2	К	10	Т	18	Ь	26
Г	3	Л	11	У	19	Ы	27
Д	4	М	12	Ф	20	Ъ	28
Е	5	Н	13	Х	21	Э	29
Ж	6	О	14	Ц	22	Ю	30
З	7	П	15	Ч	23	Я	31

Таблица 3.2: Соответствие между английским алфавитом и множеством целых

Буква	Число	Буква	Число	Буква	Число
A	0	J	9	S	18
B	1	K	10	T	19
C	2	L	11	U	20
D	3	M	12	V	21
E	4	N	13	W	22
F	5	O	14	X	23
G	6	P	15	Y	24
H	7	Q	16	Z	25
I	8	R	17

Текст с n буквами из алфавита , можно рассматривать как n-грамму: , где , , для некоторого целого .

Через будем обозначать множество n-грамм, образованных из букв множества . Криптографическое преобразование Е представляет собой совокупность преобразований: :

(3.1)

Преобразование определяет, как каждая n-грамма открытого текста заменяется n-граммой шифртекста , т.е.: , причем ; при этом обязательным является требование взаимной однозначности преобразования на множестве .

Криптографическая система может трактоваться как семейство криптографических преобразований:

(3.2)

помеченных параметром К, называемым ключом.

Множество значений ключа образует ключевое пространство К. Далее рассматриваются традиционные (классические) методы шифрования, отличающиеся симметричной функцией шифрования. К ним относятся шифры перестановки, шифры простой и сложной замены, а также некоторые их модификации и комбинации. Следует отметить, что комбинации шифров перестановок и шифров замены образуют все многообразие применяемых на практике симметричных шифров.

Приводимые сведения о шифрах каждой группы даются по возможности в хронологическом порядке, что позволяет постепенно вводить читателя в сферу криптографии. Как известно, довольно трудно понять концептуальную схему науки, ее модели и методы исследования, если не иметь хотя бы общего представления об истории развития этой науки.