МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Звіт

до лабораторної роботи №2

з курсу: «Прикладна криптологія»

На тему: «Дослідження властивостей симетричних криптоперетворень. Методи та засоби генерування ключів в симетричних криптосистемах»

Виконав:

Студент гр. БІ-31

Цишенко О.С.

Перевірив:

Войтусік С.С.

Львів 2015

Мета роботи:

Вивчити особливості побудови блокових симетричних шифрів. Дослідження статистичних властивостей класичних та сучасних симетричних криптосистем. Порівняльний аналіз сучасних та класичних симетричних шифрів.

Теоретична частина:

В якості лабораторної установки використовується програмний пакет CrypTool.

У програмному пакеті CrypTool реалізовано більшість сучасних криптологічних функцій, завдяки чому в одному середовищі можна вивчати не лише суть та особливості різних криптографічних алгоритмів, але також загрози та ризики, які можуть виникати при застосуванні криптографічних засобів захисту.

Пакет CrypTool оснащений зручним зрозумілим графічним інтерфейсом користувача. Головне вікно програми (див. рис.1) містить 10 пунктів меню, де, крім традиційних для системи Windows рубрик File, Edit, View, Window, Help, розміщено такі спеціалізовані засоби пакета, як Crypt/Decrypt (Шифрування/Дешифрування), Digital Sygnatures/РКІ (Цифрові підписи/ІПК, Indiv. Procedures (Окремі Процедури), Analysis (Криптоаналіз), Options (Опції).

Рисунок 2.1 – Головне вікно програми.

Структура меню та підменю в програмі CrypTool генерується динамічно залежно від виконуваних дій та типу документа (бінарний чи текстовий). Всі позиції меню завжди видимі, але можна вибрати лише ті, для яких така операція має сенс. Доступними для криптографічних перетворень є дані, які знаходяться у так званому «активному» вікні.

Меню Crypt/Decrypt містить такі підменю:

• Symmetric (classic) – класичні шифри;

• Symmetric (modern) – сучасні симетричні алгоритми;

Реалізовані в підменю Symmetric (classic) класичні шифри охоплюють чотири класи шифрів заміни:

1. Одноалфавітні (Caesar/Rot-13, Substitution/Atbash)

2. Багатоалфавітні (Vigenere, Vernam, XOR, Solitaire, Byte Addition)

3. Поліграмні (Playfair, Hill)

4. Гомоморфні (Homophone)

Виконання:

Дослідження принципів побудови симетричних шифрів

Використовуючи програмну установку CrypTool необхідно здійснити порівняльний аналіз для 2-х шифрів наведених у додатку А, згідно варіанту 3, а також обрати 1 класичний та 1 сучасний шифр самостійно. Порівняльний аналіз слід оформити у вигляді таблиці. Кожен з студентів групи повинен додати до таблиці 2.1 по 2 нових параметри для порівняння. Зробити стислі висновки, щодо аналізу. Якщо заданого параметру не існує потрібно поставити « - ». Наприклад для класичних шифрів не буде існувати такий параметр як режими роботи шифру.

№	Параметр за яким порівнюються	Класичні шифри			Сучасні шифри
		Playfair	ADFGVX	RC6		AES
1	Тип симетричного шифру	Поліграмний	Комбінований (заміна і перестановка)	Substitution permutation network		Substitution permutation network
2	Основна конструкція шифру	Матриця	Матриця	Блоковий шифр		Блоковий шифр
3	Основні математичні перетворення	Складання згідно матриці	Підстановки згідно матриці	Визначена к-сть раундів + окремий ключ для кожного раунду		Визначена к-сть раундів + окремий ключ для кожного раунду
4	Режими роботи шифру	-	-	20 раундів + 128 біт ключ		10 раундів + 128 біт ключ
5	Розмір загальносистемних параметрів	текстовий документ лаб. роб.	текстовий документ лаб. роб.	текстовий документ лаб. роб.		текстовий документ лаб. роб.
6	Розмір ключа	-	-	128, 192, 256 біт		128, 192, 256 біт
7	Кількість та розмір циклових ключів.	-	-	-		-
8	Ентропія джерела ключів	4.71	4.3	7.99		7.99
9	Наявність слабких ключів	000	000	000		000
10	Безпечний час tб (Pн = 1, класичні = 109, сучасні = 107))	inf	inf	107		107
11	Число раундів шифрування/дешифрування	-	-	20		10
12	Довжина блоку повідомлення, що обробляється	Один символ	Один символ	128 біт		64 біт
13	Складність атаки груба сила	-	-	99.9%		70%
14	Захищеність алгоритму від криптоаналітичних атак	10%	10%	99.9%		70%
15	Статистична безпечність криптограми	-	-	99.9%		70%

2.2 Дослідження статистичних властивостей симетричних шифрів.

Використовуючи програмну установку CrypTool необхідно здійснити порівняльний аналіз для обраних шифрів в п. 2.1 за їх статистичними характеристиками. Необхідно дослідити статистичні властивості вхідного повідомлення (латинського алфавіту не менше 1000 символів, текстові файли знаходяться в папці завдання файл «Text for analize.txt») що є текстом, а також зашифрованого повідомлення за допомогою криптографічних алгоритмів. Повторити експеримент використовуючи у якості вхідного повідомлення заархівований текст. Порівняльний аналіз слід оформити у вигляді таблиць порівнянь, графіків. Зробити стислі висновки, щодо статистичного аналізу повідомлення що представляє собою текст, архів, а також зашифроване повідомлення. У разі якщо класичний шифр має статистичні властивості, які можна використати для його криптоаналізу, пояснити яким чином може бути використано ці властивості, а також як можна цьому запобігти.

Примітка: при використанні класичних шифрів, потрібно уважно налаштувати параметри тексту, який буде зашифровуватися.

№ п/п	Назва тесту	Значення для тексту	Значення для шифротексту
			Класичні шифри		Сучасні шифри
			Playfair	ADFGVX	RC6	AES
1	Entropy	Текст з завдання	4.45	4.22	7.99	7.99
2	Floating Frequency		MAX 22 byte	MAX 24 byte	MAX 57 byte	MAX 56 byte
3	Histogram		MAX P	MAX J	MAX 56	MAX 56
4	N-Gram		P = 8.4162	J = 7.4162	X = 4.028	X = 4.028
5	Autocorrelation		MAX 19560	MAX 16130	MAX 3750	MAX 3850
6	Periodicity		-	-	-	-

2.3 Дослідження особливостей статистичного аналізу симетричних шифрів.

За допомогою утиліт криптоаналізу для симетричних шифрів наведених в програмі CrypTool здійснити криптоаналіз алгоритмів, які наводяться в папці Лабораторна робота №2/Завдання/X/Name, де Х – каталог з номером групи, Name – назва шифру для криптоаналізу. Пропонується здійснити криптоаналіз класичного алгоритму (допоміжні матеріали знаходяться в таблиці А.3), а також сучасного алгоритму (методом груба сила з відомою часткою ключа табл. А.2). Отримані результати з криптоаналізу необхідно навести у якості назви твору та його автору.

Використовуючи час, криптоаналізу для сучасного шифру:

1. Оцінити потужність криптоаналітичної системи  комп’ютера для сучасного шифру. =10⁹

2. Розрахувати t_б(P_н = 1). t_б=inf

3. Розрахувати необхідну кількість комп’ютерів для здійснення атаки груба сила в режимі реального часу ( > 1 с). 1 комп’ютер.

4. Розрахувати час атаки груба на самому потужному в світі японському суперкомп’ютері K computer, SPARC64 VIIIfx 2.0GHz, Tofu interconnect, потужність якого становить 8162 TFlops/s. (Для порівняння використовувати співвідношення 1.0GHz ~ 1.4 * GFlops). 1*10^-10с.

Висновок:

На даній лабораторній роботі ми вивчили особливості побудови блокових симетричних шифрів. Дослідили статистичні властивості класичних та сучасних симетричних криптосистем. Провели порівняльний аналіз сучасних та класичних симетричних шифрів.