Краткая теория Криптология: Криптография и криптоанализ. Основные понятия.

Описание предмета криптологии начнем с доуточнения обиходного понятия информация. Иностранному термину информация достаточно близко отвечает русское слово смысл. Очевидно, что одну и ту же информацию можно передать разными сообщениями, например, на разных языках, а также письмом, телеграфом или факсом. С другой стороны, одно и то же сообщение разными людьми понимается по-разному. Информация людьми извлекается из сообщения с помощью ключа, правила, придающего сообщению конкретный смысл. Для обычных сообщений такие правила дают здравый смысл и знание языка. Иногда же, ключом владеет лишь узкая группа лиц, знающая специальные термины или жаргон. Особую роль ключ имеет в криптографии, где его знание гарантирует извлечение истинного смысла сообщения.

Шифрование и расшифровывание, выполняемые криптографами, а также разработка и вскрытие шифров криптоаналитиками составляют предмет науки криптологии (от греческих слов криптос - тайный и логос - мысль) . В этой науке преобразование шифровки в открытый текст может быть выполнено в зависимости от того, известен или нет ключ. Условно ее можно разделить на криптографию и криптоанализ.

Криптография связана с шифрованием и расшифровыванием конфиденциальных данных в каналах коммуникаций. Она также применяется для того, чтобы исключить возможность искажения информации или подтвердить ее происхождение.

Криптоанализ будет рассматриваться, как область криптологии (от греческих слов криптос - тайный и логос - мысль), проверяющей и доказывающей устойчивость шифров как теоретически, так и практически. Криптоанализ занимается в основном вскрытием шифровок без знания ключа и, порой, примененной системы шифрования. Эта процедура еще называется взломкой шифра.

Итак, криптографы стремятся обеспечить секретность, а криптоаналитики ее сломать.

Криптографические преобразования призваны для достижения двух целей по защиты информации. Во-первых, они обеспечивают недоступность ее для лиц, не имеющих ключа и, во-вторых, поддерживают с требуемой надежностью обнаружение несанкционированных искажений. По сравнению с другими методами защиты информации классическая криптография гарантирует защиту лишь при условиях, что;

• использован эффективный криптографический алгоритм;

• соблюдены секретность и целостность ключа.

Некриптографические средства не в состоянии дать такую же степень защиты информации и требуют значительно больших затрат. Например, во что обходится подтверждение подлинности документа? Охрана, сейфы, сигнализация, секретные пакеты, индивидуальные печати, фирменные бланки, водяные знаки, факсимиле и личные подписи – вот далеко не полный набор обычных средств, предназначенных для поддержания доверия к секретности информации.

Возможность компьютера производить миллионы операций в секунду очень усложнила и криптографию, и криптоанализ. В настоящее время почти все криптоаналистические и криптографические действия производятся с помощью ЭВМ, поэтому в дальнейшем машинные шифры будем называть криптографическими системами.

В отличие от тайнописи, которая прячет сам факт наличия сообщения, шифровки передаются открыто, а прячется только смысл. Итак, криптография обеспечивает сокрытие смысла сообщения с помощью шифрования и открытие его расшифровыванием, которые выполняются по специальным криптографическим алгоритмам с помощью ключей у отправителя и получателя. Рассмотрим классическую схему передачи секретных сообщений криптографическим преобразованием.

1. Отправителем шифруется сообщение с помощью ключа, и полученная шифровка передается по обычному открытому каналу связи получателю.

2. Ключ отправляется по закрытому каналу, гарантирующему секретность.

3. Имея ключ и шифровку, получатель выполняет расшифровывание и восстанавливает исходное сообщение.

В зависимости от целей засекречивания эта схема может несколько видоизменяться. Так, в компьютерной криптографии обычен случай, когда отправитель и получатель одно и то же лицо. Например, можно зашифровать данные, закрыв их от постороннего доступа при хранении, а потом расшифровать, когда это будет необходимо. В этом случае зачастую роль закрытого канала связи играет память. Тем не менее, налицо все элементы этой схемы.

Основные методы шифрования

Метод подстановки (замены)

Наиболее простой и старый вид преобразований, заключающийся в замене символов исходного текста другими символами того же алфавита по определенному правилу. Примерами такого метода могут являться алгоритмы Цезаря, Вижинера, шифрование биграммами и др. Рассмотрим некоторые из этих методов.

Шифр Цезаря.

Самым основным и обычным методом подстановки являестся шифр Цезаря (шифр простой замены), который заключается в следующих действиях над словами:

1. Задается алфавит сообщения (т.е множество символов составляющих сообщение).

2. Задается ключ - некоторое число N.

3. Каждая буква в слове меняется на отстоящую от нее на N позиций вправо. Если сумма “номера символа по порядку” и N превышает размер алфавита, то отсчет производят от начала алфавита иначе берётся остаток от деления на число букв N в алфавите (mod).

Возьмём алфавит русского языка и пронумеруем каждый символ алфавита.

Получим следующую таблицу:

1	2		3		4	5		6		7		8		9	10		11		12		13		14		15	16	17	18	19	20	21	22
А	Б		В		Г	Д		Е		Ё		Ж		З	И		Й		К		Л		М		Н	О	П	Р	С	Т	У	Ф
23		24		25			26		27		28		29			30		31		32		33
Х		Ц		Ч			Ш		Щ		Ь		Ы			Ъ		Э		Ю		Я

Допустим что необходимо зашифровать слово ПЛОЩАДЬ с ключём равным N = 5. Номер буквы «П» в нашем алфавите 17, значит необходимо к 17 прибавить 5 и получим символ, cтоящий под номером 17+5=22 (“У”). Для буквы “Ъ” это будет выглядеть как (29+5) mod 33 = 1.

Результат шифрования будет выглядеть следующим образом:

«ПЛОЩАДЬ»

П(17) + 5 = 22 (У)

Л(13) + 5 = 18 (Р)

О(16) + 5 = 21 (Т)

Щ(28) +5 = 33 (Я)

А(1) + 5 = 6 (Е)

Д(5) + 5 = 10 (И)

Ь(29) + 5 = 34 mod 33 = 1 (А)

«УРТЯЕИА»

Проанализировав данный алгоритм заметим, что расшифровать данное сообщение достаточно легко простым перебором всех возможный комбинаций ключа (а для нашего алфавита их всего 33). А если присмотреться, то можно заметить часто повторяющиеся символы (например пробелы) и “угадать” ключ с первого раза.