Предмет криптографии

Основные определения и задачи криптологии

Как передать нужную информацию нужному адресату в тайне от других? Каждый из читателей в разное время и с разными целями наверняка пытался решить для себя эту практическую задачу (для удобства дальнейших ссылок назовем ее «задача ТП», т.е. задача Тайной передачи). Выбрав подходящее решение, он, скорее всего, повторил изобретение одного из способов скрытой передачи информации, которым уже не одна тысяча лет.

Размышляя над задачей ТП, нетрудно прийти к выводу, что есть три возможности.

1. Создать абсолютно надежный, недоступный для других канал связи между абонентами.

2. Использовать общедоступный канал связи, но скрыть сам факт передачи информации.

3. Использовать общедоступный канал связи, но передавать по нему нужную информацию в так преобразованном виде, чтобы восстановить ее мог только адресат.

Прокомментируем эти три возможности.

1. При современном уровне развития науки и техники сделать такой канал связи между удаленными абонентами для неоднократной передачи больших объемов информации практически нереально. (торсионные поля, телепатия…)!?

2. Разработкой средств и методов скрытия факта передачи сообщения занимается стеганонография

3. Разработкой методов преобразования (информация) информации с целью ее защиты от незаконных пользователей занимается криптография. Такие методы и способы преобразования информации называются шифром.

Шифрование (зашифрование) – процесс применения шифра к защищаемой информации т.е. преобразование защищаемой информации (открытого текста) в шифрованное сообщение (шифртекст, криптограмму) с помощью определенных правил, содержащихся в шифре.

Расшифрование – процесс, обратный шифрованию, т.е. преобразование шифрованного сообщения в защищаемую информацию с помощью определенных правил, содержащихся в шифре.

Дешифрование - процесс, обратный шифрованию, но без знания ключа.

Криптография – прикладная наука, она использует самые последние достижения фундаментальных наук и, в первую очередь, математики. С другой стороны, все конкретные задачи криптографии существенно зависят от уровня развития техники и технологии, от применяемых средств связи и способов передачи информации.

Предмет криптографии

Что же является предметом криптографии? Для ответа на этот вопрос вернемся к задаче ТП, чтобы уточнить ситуацию и используемые понятия.

Прежде всего заметим, что эта задача возникает только для информации, которая нуждается в защите. Обычно в таких случаях говорят, что информация содержит тайну или является защищаемой, приватной, конфиденциальной, секретной. Для наиболее типичных, часто встречающихся ситуаций такого типа введены даже специальные понятия:

· государственная тайна;

· военная тайна;

· коммерческая тайна;

· юридическая тайна;

· врачебная тайна и т.д.

Далее мы будем говорить о защищаемой информации, имея в виду следующие признаки такой информации;

имеется какой-то определенный круг законных пользователей, которые имеют право владеть этой информацией;

имеются незаконные пользователи, которые стремятся овладеть этой информацией с тем, чтобы обратить ее себе во благо, а законным пользователям во вред.

Для простоты мы вначале ограничимся рассмотрением только одной угрозы – угрозы разглашения информации. Существуют и другие угрозы для защищаемой информации со стороны незаконных пользователей: подмена, имитация и др. О них мы поговорим ниже.

Теперь мы можем изобразить ситуацию, в которой возникает задача ТП, следующей схемой (см. Рис.1)

Здесь А и В – удаленные пользователи защищаемой информации; они хотят обмениваться информацией по общедоступному каналу связи. П – незаконный пользователь (противник), который может перехватывать передаваемые по каналу связи сообщения и пытаться извлечь из них интересующую его информацию. Эту формальную схему можно считать моделью типичной ситуации, в которой применяются криптографические методы защиты информации.

Криптография занимается методами преобразования информации, которые бы не позволили противнику извлечь ее из перехватываемых сообщений. При этом по каналу связи передается уже не сама защищаемая информация, а результат ее преобразования с помощью шифра и для противника возникает сложная задача дешифрования (вскрытия) шифра.

Вскрытие (взламывание) шифра –процесс получения защищаемой информации из шифрованного сообщения без знания примененного шифра.

Однако помимо перехвата и вскрытия шифра противник может пытаться получить защищаемую информацию многими другими способами. Наиболее известным из таких способов является агентурный, когда противник каким-либо путем склоняет к сотрудничеству одного из законных пользователей и с помощью этого агента получает доступ к защищаемой информации. В такой ситуации криптография бессильна.

Противник может пытаться не получить, а уничтожить или модифицировать защищаемую информацию в процессе ее передачи. Это – совсем другой тип угроз для информации, отличный от перехвата и вскрытия шифра. Для защиты от таких угроз разрабатываются свои специфические методы.

Следовательно, на пути от одного законного пользователя к другому информация должна защищаться различными способами, противостоящими различным угрозам. Возникает ситуация цепи из разнотипных звеньев, которая защищает информацию. Естественно, противник будет стремиться найти самое слабое звено, чтобы с наименьшими затратами добраться до информации. А значит, и законные пользователи должны учитывать это обстоятельство в своей стратегии защиты: бессмысленно делать какое-то звено очень прочным, если есть заведомо более слабые звенья («принцип равнопрочности защиты»).

Не следует забывать и еще об одной важной проблеме: проблеме соотношения цены информации, затрат на ее защиту и затрат на ее добывание. При современном уровне развития техники сами средства связи, а также разработка средств перехвата информации из них и средств защиты информации требуют очень больших затрат. Прежде чем защищать информацию, задайте себе два вопроса:

является ли она для противника более ценной, чем стоимость атаки;

является ли она для вас более ценной, чем стоимость защиты.

Именно перечисленные соображения и являются решающими при выборе подходящих средств защиты: физических, стеганографических, криптографических и др.

Из предыдущего изложения понятно, что придумывание хорошего шифра дело трудоемкое. Поэтому желательно увеличить «время жизни» хорошего шифра и использовать его для шифрования как можно большего количества сообщений. Но при этом возникает опасность, что противник уже разгадал (вскрыл) шифр и читает защищаемую информацию. Если же в шифре есть сменный ключ, то, заменив ключ, можно сделать так, что разработанные противником методы уже не дают эффекта.

Под ключом в криптографии понимают сменный элемент шифра, который применяется для шифрования конкретного сообщения. Например, в шифре «Сцитала» ключом является диаметр сциталы, а в шифрах типа шифра Цезаря ключом является величина сдвига букв шифртекста относительно букв открытого текста.

Описанные соображения привели к тому, что безопасность защищаемой информации стала определяться в первую очередь ключом. Сам шифр, шифрмашина или принцип шифрования стали считать известными противнику и доступными для предварительного изучения, но в них появился неизвестный для противника ключ, от которого существенно зависят применяемые преобразования информации. Теперь законные пользователи, прежде чем обмениваться шифрованными сообщениями, должны тайно от противника обменяться ключами или установить одинаковый ключ на обоих концах канала связи. А для противника появилась новая задача — определить ключ, после чего можно легко прочитать зашифрованные на этом ключе сообщения.

Вернемся к формальному описанию основного объекта криптографии (рис. 1). Теперь в него необходимо внести существенное изменение — добавить недоступный для противника секретный канал связи для обмена ключами (см. рис. 2). Создать такой канал связи вполне реально, поскольку нагрузка на него, вообще говоря, небольшая.

Отметим теперь, что не существует единого шифра, подходящего для всех случаев. Выбор способа шифрования зависит от особенностей информации, ее ценности и возможностей владельцев по защите своей информации. Прежде всего, подчеркнем большое разнообразие видов защищаемой информации: документальная, телефонная, телевизионная, компьютерная и т.д.Каждый вид информации имеет свои специфические особенности, и эти особенности сильно влияют на выбор методов шифрования информации. Большое значение имеют объемы и требуемая скорость передачи шифрованной информации. Выбор вида шифра и его параметров существенно зависит от характера защищаемых секретов или тайны.

Рис. 2.

Некоторые тайны (например, государственные, военные и др.) должны сохраняться десятилетиями, а некоторые (например, биржевые) — уже через несколько часов можно разгласить. Необходимо учитывать также и возможности того противника, от которого защищается данная информация. Одно дело — противостоять одиночке или даже банде уголовников, а другое дело — мощной государственной структуре.

Способность шифра противостоять всевозможным атакам на него называют стойкостью шифра.

Под атакой на шифр понимают попытку вскрытия этого шифра. Понятие стойкости шифра является центральным для криптографии. Хотя качественно понять его довольно легко, но получение строгих доказуемых оценок стойкости для каждого конкретного шифра — проблема нерешенная. Это объясняется тем, что до сих пор нет необходимых для решения такой проблемы математических результатов. (Мы вернемся к обсуждению этого вопроса ниже.) Поэтому стойкость конкретного шифра оценивается только путем всевозможных попыток его вскрытия и зависит от квалификации криптоаналитиков, атакующих шифр. Такую процедуру иногда называют проверкой стойкости.

Важным подготовительным этапом для проверки стойкости шифра является продумывание различных предполагаемых возможностей, с помощью которых противник может атаковать шифр. Появление таких возможностей у противника обычно не зависит от криптографии, это является некоторой внешней подсказкой и существенно влияет на стойкость шифра. Поэтому оценки стойкости шифра всегда содержат те предположения о целях и возможностях противника, в условиях которых эти оценки получены.

Прежде всего, как это уже отмечалось выше, обычно считается, что противник знает сам шифр и имеет возможности для его предварительного изучения. Противник также знает некоторые характеристики открытых текстов, например, общую тематику сообщений, их стиль, некоторые стандарты, форматы и т.д.

Из более специфических приведем еще три примера возможностей противника:

- противник может перехватывать все шифрованные сообщения, но не имеет соответствующих им открытых текстов;

- противник может перехватывать все шифрованные сообщения и добывать соответствующие им открытые тексты;

- противник имеет доступ к шифру (но не к ключам!) и поэтому может зашифровывать и дешифровывать любую информацию,

На протяжении многих веков среди специалистов не утихали споры о стойкости шифров и о возможности построения абсолютно стойкого шифра. Приведем три характерных высказывания на этот счет.

В заключение данного раздела сделаем еще одно замечание — о терминологии. В последнее время наряду со словом «криптография" часто встречается и слово «криптология», но соотношение междуними не всегда понимается правильно. Сейчас происходит окончательное формированиеэтих научных дисциплин, уточняютсяих предмет и задачи.

Криптология — наука, состоящаяиз двух ветвей: криптографии и криптоанализа.

Криптография — наука о способах преобразования (шифрования) информации с целью ее защиты от незаконных пользователей.

Криптоанализ —наука (и практика ее применения) о методах и способах вскрытия шифров.

Cooтношение криптографии и криптоанализа очевидно, криптография — защита, т. е. разработка шифров, а криптоанализ — нападение, т. е. атака на шифры. Однако эти две дисциплины связаны друг с другом, и не бывает хороших криптографов, не владеющих методами криптоанализа.

Криптология - "особая" область исследований. О достижениях этой науки все чаще сообщают не только научные, но и научно-популярные журналы и обычная пресса. За рубежом в последние годы наблюдается небывалый бум в области криптологии. Это связано с тем, что ее достижения стали применяться не только в узких ведомственных кругах, но и в жизни миллионов граждан. Широкое внедрение вычислительных систем привело к тому, что они становятся привлекательными для различного рода информационных нападений. Это облегчается тем, что информация оказалась лишенной своего физического воплощения, как было ранее (например, текст написан на бумаге и подписан автором). Отсутствие такого физического воплощения, сопряженное с невозможностью аутентификации его автора, открыло путь к различного рода нарушениям. В связи с этим появилась необходимость не только в обеспечении конфиденциальности, но и в обеспечении контроля подлинности и целостности информации. Кроме того, рост ценности информации и информатизация общества ставят вопросы разграничения доступа к информации (например, если пользователь не оплатил работу с базой знаний) и вопросы защиты от компьютерного терроризма. На сегодняшний день такая защита осуществляется эффективно с использованием средств криптографии.

Системы и средства защиты информации (СЗИ) отличаются от “обычных” систем и средств тем, что для них не существует простых и однозначных тестов, которые позволяют убедиться в том, что информация надежно защищена. Кроме того, эффективность СЗИ и просто их наличие никак не сказываются на работоспособности основной системы. Поэтому задача оценки эффективности СЗИ не может быть решена обычным тестированием. Например, для проверки работоспособности системы связи достаточно провести ее испытания. Однако успешное завершение этих испытаний не позволяет сделать вывод о том, что встроенная в нее подсистема защиты информации тоже работоспособна.

Задача определения эффективности СЗИ (особенно, если используются криптографические методы защиты), зачастую более трудоемкая, чем разработка СЗИ, требует наличия специальных знаний и, как правило, более высокой квалификации, чем задача разработки. Часто анализ нового шифра является новой научной, а не инженерной задачей.

Эти обстоятельства приводят к тому, что на рынке появляется множество средств криптографической защиты информации, про которые никто не может сказать ничего определенного. При этом разработчики держат криптоалгоритм (как показывает практика, часто нестойкий) в секрете. Однако задача точного определения данного криптоалгоритма не может быть гарантированно сложной хотя бы потому, что он известен разработчикам. Кроме того, если нарушитель нашел способ преодоления защиты, то не в его интересах об этом заявлять. В результате, пользователи таких СЗИ попадают в зависимость как минимум от разработчика. Поэтому обществу должно быть выгодно открытое обсуждение безопасности СЗИ массового применения, а сокрытие разработчиками криптоалгоритма должно быть недопустимым.

В XIX веке Керкхофф сформулировал основные требования к разработке шифровальных систем. (которые подробно будут рассмотрены на следующей лекции).

В 1926 г. американский инженер Вернам предложил тексты х, у, k представлять векторами в двоичном алфавите, а шифрование проводить сложением по модулю 2 текста с ключом. Шифр Вернама описывался выражением

у = (х + k) mod 2,

где x, y - открытый и шифрованный тексты (а не буквы текста, как в шифре Цезаря), k - ключ. Ключ в шифре Вернама имел длину, равную длине текста, и использовался однократно, то есть каждый бит шифртекста кодировался своим битом ключа. Как показал в 1949 г. Шеннон, этот шифр нераскрываем. Шифр Вернама непрактичен в случае его применения в больших системах связи. Например, если каждый из N пользователей системы может связываться с каждым и за время действия ключа передавать не более М бит информации, то каждый пользователь должен иметь набор ключей объемом O(MN²), что недопустимо велико.

Подлинной наукой криптология стала лишь после появления статьи К.Шеннона "Теория связи в секретных системах", написанной в 1949 г. и тут же запрещенной к открытой публикации. В основу статьи была положена созданная им в 1948 г. теория информации. Шеннон доказал невозможность раскрытия шифра Вернама и определил связь между длиной ключа и объемом передаваемой информации.

С тех пор открытые публикации работ в области криптологии были резко сокращены. До недавнего времени в области криптологии работали профессионалы, и их заказчиками были государственные службы. Однако в последние годы наблюдается мощная волна публикаций в области криптологии, вызванная потребностями практики, большим рынком и рядом достижений в этой области.

Введем некоторые основные понятия криптологии.

При шифровании заданный открытый текст разбивается на от­дельные части, с каждой из которых и производятся действия преоб­разования.

Части открытого текста, на которые он делится в целях зашиф­рования, называются шифрвеличинами. Шифрвеличинами могут быть бук­вы, группы слов, и т.д., причем даже не обязательно расположенные на соседних местах. Основные типы преобразований можно разделить на два класса - шифры перестановки и шифры замены.

Криптосхемой или криптоалгоритмом будем называть собственно алгоритм шифрования, расшифрования, имитозащиты и других криптографических функций.

Криптографическим протоколом будем называть набор правил и процедур, определяющий использование криптоалгоритма.

Криптосистема представляет собой совокупность криптосхемы, протоколов и алгоритмов и процедур управления ключами, включая изготовление и распространение. Заметим, что эти определения не претендуют на строгость и не позволяют провести четкую границу между криптоалгоритмом и протоколом. Так, хэш-функция y = F(k,x) + x, где F - криптопреобразование с известным ключом k, может рассматриваться и как самостоятельный криптоалгоритм, и как протокол, использующий преобразование F. Однако для дальнейшего изложения этих определений достаточно.

Поиск по сайту: