Теоретический материал

Криптография

Криптография представляет собой совокупность методов преобразования данных, направленных на то, чтобы сделать эти данные бесполезными для противника. Такие преобразования позволяют решить две главные проблемы защиты данных: проблему обеспечения конфиденциальности (путем лишения противника возможности извлечь информацию из канала связи) и проблему целостности (путем лишения противника возможности изменить сообщение так, чтобы изменился его смысл, или ввести ложную информацию в канал связи).

В симметричных криптосистемах (криптосистемах с секретным ключом) шифрование и дешифрование информации осуществляется на одном ключе K, являющемся секретным. Рассекречивание ключа шифрования ведет к рассекречиванию всего защищенного обмена. Для того, чтобы подчеркнуть факт использования одного и того же ключа в шифраторе источника и дешифраторе получателя сообщений, криптосистемы с секретными ключами называют также одноключевыми.

Рис. 1. Функциональная схема симметричной криптосистемы

Отправитель генерирует открытый текст исходного сообщения М, которое должно быть передано законному получателю по незащищенному каналу. За каналом следит перехватчик с целью перехватить и раскрыть передаваемое сообщение. Для того, чтобы перехватчик не смог узнать содержание сообщения М, отправитель шифрует его с помощью обратимого преобразования E_k и получает шифротекст С=E_k (M), который отправляет получателю.

Законный получатель приняв шифротекст С, расшифровывает его с помощью обратного преобразования D_k = и получает исходное сообщение в виде открытого текста М.

Преобразование E_k называется криптоалгоритмом.

Под криптографическим ключом K понимается конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования данных, обеспечивающее выбор только одного варианта из всех возможных для данного алгоритма. Данный ключ, либо его часть, является закрытой информацией, которая должна быть известна только законным участникам криптографического обмена. Утеря секретной части ключа ведет к раскрытию всего защищенного обмена.

Наряду с вычислительной простотой и интуитивной понятностью симметричных криптосистем, они обладают рядом серьезных недостатков. К основным недостаткам симметричных криптосистем относят проблему распространения симметричных ключей и проблему их хранения [13].

При использовании симметричных криптосистем для шифрования информации между пользователями криптографической сети необходимо обеспечить безопасную передачу ключей шифрования между всеми доверенными пользователями (участниками криптографического обмена). При этом передача ключа шифрования обязательно должна осуществляться по закрытому каналу, так как перехват злоумышленником данного ключа ведет к компрометации всей криптографической сети, и дальнейшее шифрование информации теряет смысл. Однако наличие закрытого канала связи позволяет передавать и сам открытый текст по данному каналу. Таким образом, необходимость шифрования как бы отпадает. Аргументы вида «ключ шифрования необходимо передавать достаточно редко по сравнению с передачей закрытых сообщений» хотя и приемлемы, но оставляют данную проблему нерешенной.

Проблема хранения симметричных ключей шифрования заключается в том, что все участники криптографической сети должны обладать ключом шифрования, то есть иметь к нему доступ. При большом количестве участников криптографического обмена данный факт значительно повышает вероятность компрометации ключей шифрования. В связи с этим, использование симметричных алгоритмов предполагает наличие взаимного доверия сторон. Недобросовестность отношения одного из тысячи участников криптографического обмена к вопросу хранения ключей может привести к утечке ключевой информации, из-за чего пострадают все участники, в том числе и добросовестно относящиеся к своим обязанностям по хранению ключей. Вероятность компрометации ключей тем выше, чем большее количество пользователей входит в криптографическую сеть. Это является большим недостатком симметричных криптосистем.

В отличие от симметричных криптосистем, асимметричные криптосистемы используют различные ключи для шифрования и дешифрования сообщений.

Ключи в асимметричных криптосистемах всегда генерируются парами и состоят из двух частей – открытого ключа (ОК) и секретного ключа (СК).

Открытый ключ используется для шифрования информации, является доступным для всех пользователей и может быть опубликован в общедоступном месте для использования всеми пользователями криптографической сети. Дешифрование информации с помощью открытого ключа невозможно.

Секретный ключ является закрытым и не может быть восстановлен злоумышленником из открытого ключа. Этот ключ используется для дешифрования информации и хранится только у одного пользователя – сгенерировавшего ключевую пару.

Функциональная схема взаимодействия участников асимметричного криптографического обмена представлена на рис. 2.

В данной схеме участвует получатель секретного сообщения А и отправитель секретного сообщения B. ОК_А – открытый ключ пользователя А, СК_А – секретный ключ пользователя А. Ключевая пара (ОК_А, СК_А) сгенерирована на стороне получателя А, после чего открытый ключ данной пары ОК_А отправляется по открытому каналу пользователю B. Предполагается, что злоумышленнику также известен открытый ключ ОК_А.

Рис. 2. Функциональная схема асимметричной криптосистемы

Отправитель B, зная открытый ключ получателя А, может зашифровать на данном ключе открытый текст и переслать его пользователю А. Пользователь А с помощью своего секретного ключа, соответствующего ОК_А, может дешифровать присланное пользователем B сообщение. Злоумышленник, зная ОК_А и закрытый текст, не может получить доступ не к СК_А, не к открытому тексту.

Рис 2 отражает только одностороннюю схему взаимодействия в рамках асимметричных криптосистем. Для реализации двустороннего обмена необходима реализация следующих шагов:

1. Пользователь A генерирует ключевую пару (ОК_А,СК_А).

2. Пользователь B генерирует ключевую пару (ОК_B,СК_B).

3. Пользователи A и B должны обменяться своими открытыми ключами. Пользователь А передает свой открытый ключ ОК_А пользователю B, пользователь B передает свой открытый ключ ОК_B пользователю A.

4. Пользователь А шифрует информацию для пользователя B на ключе ОК_B, пользователь B шифрует информацию для пользователя A на ключе ОК_A.

5. Пользователь А дешифрует информацию, присланную ему от пользователя B, на ключе СК_А, пользователь B дешифрует информацию, присланную ему от пользователя A, на ключе СК_B.

Криптоанализ

Любая попытка со стороны перехватчика расшифровать шифротекст C для получения открытого текста M или зашифровать свой собственный текст M ` для получения правдоподобного шифротекста C `, не имея подлинного ключа, называется криптоаналитической атакой.

Если предпринятые криптоаналитические атаки не достигают поставленной цели и криптоаналитик не может, не имея подлинного ключа, вывести M из C или C ` из M `, то систему называют криптостойкой.

Криптоанализ – это наука о раскрытии исходного текста зашифрованного сообщения без доступа к ключу. Успешный криптоанализ может раскрыть исходный текст или ключ.

Традиционные симметричные алгоритмы шифрования

Традиционные симметричные криптосистемы можно разделить на следующие основные виды.

1. Шифры замены.

2. Шифры перестановки.

3. Шифры гаммирования.

Шифрование заменой (подстановкой) заключается в том, что символы шифруемого текста заменяются символами того же или другого алфавита в соответствие с заранее обусловленной схемой замены. При многоалфавитной замене каждой букве алфавита открытого текста в различных ситуациях ставятся в соответствие различные буквы шифротекста в зависимости от соответствующего ей элемента ключа. В данном случае для шифрования каждого символа открытого текста применяют свой шифр моноалфавитной замены, причем смена алфавитов осуществляется последовательно и циклически, т.е. первый символ заменяется соответствующим символом первого алфавита, второй – символом второго алфавита и т. д. до тех пор, пока не будут использованы все выбранные алфавиты. После этого использование алфавитов повторяется.

Многоалфавитные шифры замены предложил и ввел в практику криптографии Леон Батист Альберти

Примерами шифров замены являются моноалфавитная замена, многоалфавитная замена, шифр Цезаря, шифр Гросфельда, шифр Вижинера. (более подробно изучить в TEOR.HLP).

Шифрование перестановкой заключается в том, что символы шифруемого текста переставляются по определенному правилу в пределах некоторого блока этого текста.

При достаточной длине блока, в пределах которого осуществляется перестановка, и сложном неповторяющемся порядке перестановки можно достигнуть приемлемой для простых практических приложений стойкости шифра.

При шифровании методом простой перестановки производят деление открытого текста на блоки одинаковой длины, равной длине ключа. Ключ длины n представляет собой последовательность неповторяющихся чисел от 1 до n, в этом случае каждое из данных чисел встретится в ключе ровно один раз. Символы открытого текста внутри каждого из блоков переставляют в соответствие с символами ключа. Элемент ключа K_i в заданной позиции блока говорит о том, что на данное место будет помещен символ открытого текста с номером K_i из соответствующего блока.

Поиск по сайту: