История развития криптографии. Краткая история криптографии

Краткая история криптографии

История человеческой цивилизации стала также историей создания систем безопасной передачи информации. Искусство шифрования и тайной передачи информации было присуще практически всем государствам.
Примерно в 1900 году до н. э. древние египтяне начали видоизменять и искажать иероглифы, чтобы закодировать определенные сообщения.
В 600 - 500 годы до н. э. древние евреи создали упорядоченную систему криптографии "Атбаш" - в России известна под названием "тарабарская грамота". Суть метода проста: при письме одна буква алфавита заменяется другой, например, вместо буквы "а" всегда пишется буква "я".
Основные принципы разведки и контрразведки, включая и методы обработки информации, впервые сформулировал китайский ученый Сун Цзы в своей книге "Искусство войны" примерно в 500 году до н. э. Малоизвестно, что в известной древнеиндийской книге "Кама Сутра" криптография упоминается как одно из 64 искусств, обязательных к изучению.
Абу Яхмади, составитель первого словаря арабского языка в VIII веке научился взламывать византийские секретные депеши, написанные на основе греческого языка.
В XV веке итальянский математик Леон Батиста Альберти создал первую математическую модель криптографии. Он также создал первое механическое устройство для шифрования секретных документов. На основе его изобретения действовали все криптографические устройства, использовавшиеся до появление компьютеров. В частности, в 17 веке известный английский ученый сэр Фрэнсис Бэкон создал подобное устройство, где каждой букве алфавита могло соответствовать пять вариантов шифровки.
В XVII столетии криптографией увлекся Томас Джефферсон, один из отцов-основателей США, третий по счету президент страны и ученый. Он создал шифровальную машину цилиндрической формы, позволявшую использовать десятки вариантов кодирования. Подобные устройства использовались во всем мире вплоть до конца Второй мировой войны.
В XVIII веке английская разведка стала широко применять невидимые чернила - в частности молоко. Метод письма молоком (текст становится виден при нагревании листа бумаги) позже использовал Владимир Ленин.
В 1930-е годы германские ученые создали шифровальную машину Enigma - фактически первый специализированный механический компьютер. Через три года после появление Enigma принцип действия этого устройства был разгадан специально созданной группой английских ученых.

К теме:
Многие американские организации занялись самоцензурой. Агентство Защиты Окружающей Среды США (The Environmental Protection Agency) ранее публиковало на своем сайте подробную информацию о химических предприятиях США, но ныне убрало ее. Министерство Энергетики США (The Department of Energy) убрало со своего сайта информацию об атомных электростанциях, карту нефтепроводов и т.д. Федеральная Авиационная Администрация (The Federal Aviation Administration) убрала детальную информацию о летных школах. Налоговая Служба США (Internal Revenue Service), НАСА (NASA), Национальное Агентство Картографии (The National Imagery and Mapping Agency) также убрали из свободного доступа ряд разделов своих интернет -страничек. Аналогичные меры приняли власти отдельных штатов и городов США. Против подобных мер выступают многие организации, борющиеся против ограничения свободы слова. В частности, общественная организация OMB Watch считает подобные действия незаконными, поскольку нигде не указано, какого рода информация должна или не должна содержаться на интернет-сайтах.

В ходе эволюции человек учился защищаться от холода, голода, диких зверей и капризов погоды. На каком-то из этапов своего развития он понял важность своевременного получения достоверной и правильно отобранной информации. И, наконец, осознал необходимость информацию эту защищать.

В условиях соперничества (военного, научного или коммерческого - не важно) знания существуют в двух формах - «у меня и у моего врага». И для того чтобы победить или хотя бы выжить, первую форму желательно довести до максимума, а вторую - до минимума. Защищая свою информацию, мы стремимся сохранить в тайне имеющийся у нас запас знаний, а рассекречивая чужую - увеличить этот запас за счет конкурентов.

История защиты информации начинается, по всей вероятности, где-то в то время, когда люди начали учиться общаться при помощи переписки. Естественно, им потребовались способы обеспечить ее секретность. Точных дат и достоверных данных о тайнописи в древности никто не приводит.

Известно, например, что в Древней Греции голову раба брили, писали на его голове, ждали, когда волосы вновь вырастут, после чего отправляли с поручением к адресату. Что и говорить, время было такое - расстояния большие, скорости малые, плюс-минус два месяца роли не играли.

Знатокам поэзии хорошо известен такой довольно широко используемый в то время прием тайнописи, как акростих, в котором скрываемое сообщение образуют начальные буквы стихотворных строк.

Для создания скрытого сообщения можно применять специальные технические средства (передать в конкретную точку пространства по радиоканалу остронаправленным лучом, предельно сжать информацию и передать в мгновенном импульсе, написать бесцветными чернилами, проявляющимися лишь после некоторого физического или химического воздействия). Кто из нас не читал, как в царских застенках революционеры писали письма молоком …

Все вышеперечисленные и подобные им способы защиты информации относят к стеганографическим или симпатическим, при которых сама информация остается неизменной, ее стараются сделать невидимой и тем самым скрыть факт ее передачи.

Стеганогра́фия (от греч. στεγανός - скрытый + γράφω - пишу; буквально «тайнопись» ) - это наука о скрытой передаче информации путём сохранения в тайне самого факта передачи.

Симпати́ческие (невидимые) черни́ла - это чернила, записи которыми являются изначально невидимыми и становятся видимыми только при определенных условиях (нагрев, освещение, химический проявитель и т. д.)

Методы эти развивались и усложнялись вместе с ходом технического прогресса. Вершиной развития этих методов можно считать, вероятно, технологию создания сверхминиатюрных фотографий - так называемых микроточек, - которая появилась после Второй мировой войны. Такая микроточка размером с точку печатного текста могла содержать сотни документов, и найти ее в книге, журнале или газете было ненамного проще, чем иголку в стоге сена. Современная микросхемотехника сверхбольшой интеграции позволяет записать текст так мелко, что без электронного микроскопа прочесть его будет невозможно. Широкое распространение компьютеров позволяет применять другие способы сокрытия информации. Например, «нестандартное» форматирование дисков, запись на технические дорожки, замешивание информации в большие объемы данных и т. д.

Однако явным недостатком симпатических методов является то, что скрытность созданных с их помощью сообщений обеспечивается лишь на данном этапе развития техники. Любой способ создания симпатического текста будет вскоре разрушен. А что за секретность без гарантии стойкости?

Интересно, что в глубокой древности тайнопись считалась одним из 64-х искусств, которым следует владеть как мужчинам, так и женщинам. Сведения о способах шифрованного письма можно обнаружить уже в документах древних цивилизаций Индии, Египта, Месопотамии. Среди самых простых - иероглифическое письмо, написание знаков не по порядку, а вразброс по некоторому правилу.

Первое исторически достоверное применение технических средств шифровки приписывается древним грекам и датируется примерно V–VI веками до нашей эры. Таким техническим средством был специальный брусок, называемый «скитала»(сцитала). Его оборачивали узкой полоской бумаги и писали сообщение вдоль бруска. Затем полоску снимали и отправляли адресату. Предполагалось, что прочесть сообщение, не зная толщины бруска - которая служила здесь ключом шифрования - было невозможно.

Кроме того, Эней в работе «Об обороне укрепленных мест» описывает так называемый «книжный шифр» и способ перестановки букв в тексте по специальной таблице.

Известна также система шифрования под названием «квадрат Полибия», в которой каждая буква заменяется парой чисел - ее координатами в квадрате 5x5, куда предварительно в заранее заданном порядке вписаны буквы алфавита.

Уже тогда шифрованная переписка использовалась не только полководцами, но и церковью, и учеными. Жрецы шифровали тексты прорицателей, а ученые - свои открытия. Например, у Эдуарда Шюре в книге «Великие посвященные» встречается фраза о том, что «с великим трудом и большой ценой добыл Платон один из манускриптов Пифагора, который никогда не записывал свое учение иначе, как тайными знаками и под различными символами».

Классический пример с шифром Цезаря описан во всех учебниках по криптографии: не доверяя гонцам, Юлий Цезарь шифровал свои депеши, используя способ, который впоследствии получит название шифра прямой замены . В своих письмах он заменял каждую A на D, каждую B на E, и т. д. И его послание мог дешифровать только тот, кто знал правило «смещения на 3».

Словом, к началу нашей эры люди знали о криптографии довольно много и использовали ее достаточно широко. Последующие 19 веков были потрачены на изобретение более или менее хитроумных способов шифрования, надежность которых во многом была призрачной и зависела, главным образом, от того, насколько им доверяли те, кто ими пользовался.

Довольно мало сведений о применяемых шифрах можно найти до эпохи Возрождения. Известен ряд значковых шифров, при котором буквы открытого текста заменяются специальными знаками (помните «танцующих человечков» Конана Дойля?). Таким является шифр Карла Великого, применявшийся в IX веке нашей эры.

Период расцвета арабских государств (VIII век н. э.) - поистине эпоха великих открытий в области криптографии. Не зря ведь слово «шифр», как и слово «цифра», имеет арабские корни. В появившейся в 855 году арабской «Книге о стремлении человека разгадать загадки древней письменности» описываются различные системы защиты информации, в том числе и несколько классических шифралфавитов. Один такой шифралфавит, называвшийся «дауди» (по имени израильского царя Давида), использовался для шифрования трактатов по черной магии. Он был составлен из видоизмененных букв древнееврейского алфавита.

Следующие сведения о криптографии также относятся к арабскому миру. В 1412 году на свет появляется произведение Шехаба Калкашанди - 14-томная «Энциклопедия всех наук», содержащая и сведения о методах засекречивания переписки. Раздел под общим заголовком «Относительно сокрытия в буквах тайных сообщений» состоял из двух частей: одна касалась символических действий, намеков и иносказаний, во второй описывались симпатические чернила и криптология.

Здесь не только впервые подробно рассказывалось о шифрах перестановок и шифрах замены, но и упоминался шифр, использующий несколько замен букв открытого текста. Но не этим известна книга. Все остальное затмевается первым в истории описанием криптоанализа на основе частоты появления знаков в исходном и шифрованном текстах. Автор даже приводит список букв арабского алфавита с указанием частоты их встречаемости в текстах Корана. Уже тогда частотный анализ сообщения позволял достаточно просто раскрывать шифры простой подстановки.

Криптоло́гия - наука, занимающаяся методами шифрования и дешифрования. Криптология состоит из двух частей - криптографии и криптоанализа.

Криптогра́фия - наука о методах обеспечения конфиденциальности (невозможности прочтения информации посторонним) и аутентичности (целостности и подлинности авторства, а также невозможности отказа от авторства) информации.

Изначально криптография изучала методы шифрования информации - обратимого преобразования открытого (исходного) текста на основе секретного алгоритма и/или ключа в шифрованный текст (шифротекст).

Вопросы тайнописи оказались для человечества столь актуальны, что еще в древности возникла целая наука криптография (от греческого «криптос» - скрытый). Первые специалисты по шифрованию и расшифровке сообщений появились одновременно с первыми рукописными текстами.

Античная секретность

Шифрованные сообщения активно использовали уже в Древней Иудее. Непосвященный человек мог видеть только ничем не связанный на первый взгляд набор букв. Но те, кто владел специальной формулой, могли легко прочитать послание. Ведь каждой букве секретного текста соответствовал правильный знак алфавита. Например, следовало вместо первой буквы алфавита читать последнюю, вместо второй - предпоследнюю и так далее. Такой способ шифровки получил название атбаш.

Одним из самых известных примеров шифрованных сообщений считается переписка Юлия Цезаря. Знаменитый полководец использовал очень простой, но одновременно вполне надежный способ криптографического текста: вместо правильной буквы писалась та, что находилась в латинском алфавите на три позиции дальше. Это позволяло составлять сообщения очень быстро и так же быстро их расшифровывать. Если учесть, что римляне не делали пробелов между словами, то в итоге письмо превращалось во множество ничем не связанных знаков. Соответственно, враги ничего не могли понять из перехваченного сообщения.

Эпоха античности оставила еще один яркий пример важности сохранения переписки в тайне от окружающих, который связан с именем спартанского полководца Павсания. Во время греко-персидских войн он сумел одержать ряд выдающихся побед. Но этот успех настолько вскружил ему голову, что Павсаний стал заносчив и груб с простыми воинами. Более того, он возомнил себя будущим властелином всей Эллады. Не найдя понимания у бывших союзников, полководец вступил в тайную переписку с персидским царем Ксерксом.

Для сохранения своего предательства в секрете Павсаний придумал жуткий, но очень надежный способ. По его просьбе персы казнили каждого прибывшего гонца. В конце концов очередной курьер, которого спартанец хотел отправить с посланием, заподозрил неладное. Он вскрыл письмо и с ужасом прочитал в конце приписку: «А гонца, как и прежде, следует убить».

Для жителей античной Спарты поступок Павсания был немыслим. Его прокляла даже родная мать. Не дожидаясь расправы, полководец скрылся в ближайшем храме. Ведь суеверные спартанцы не могли решиться на святотатство и устроить кровопролитие у алтаря. Но Павсаний недооценил своих соотечественников. Первой принесла камень к дверям храма его престарелая мать. А вскоре предатель оказался полностью замурован и умер от голода.

Тайны средневековья

С началом Средневековья развитие системы шифрования текстов получает новый мощный импульс. Причем отныне различные шифры активно использовали не только дипломаты и военные (что было закономерно), но и купцы. Богатые торговцы старались сохранить в тайне свои источники доходов и прибыль.

Еще одним стимулом для развития шифров оказалась чрезвычайная популярность алхимии и всевозможного колдовства. Любое заклинание или рецепт получения философского камня требовали непременной секретности. Европу заполонили рукописи с нечитаемыми, но безусловно «магическими» текстами. Появились и первые научные труды по криптографии.

Одним из самых распространенных способов шифрования писем стало использование гибридной системы.

То есть, например, в донесении сначала использовался алфавитный сдвиг (зачастую по гораздо более сложной системе, чем у Цезаря), а затем латинские буквы заменялись на буквы менее распространенного (допустим, армянского) алфавита или на цифры. При этом для надежности само донесение могло быть составлено на чередовании немецкого и французского языков. Правда, при такой системе работа по подготовке секретных сведений и последующий «перевод» на обычный язык отнимали очень много времени. А простая ошибка или опечатка могли вообще все испортить.

Однако опасения, что враги все же сумеют подобрать ключи и прочитают секретное послание, привели к появлению специальных таблиц. Это было некое подобие паролей, когда слова «ждем хорошей погоды» могли означать просьбу об отправке денег. В таком случае смысл сообщения понимал только обладатель дешифратора. А само письмо при перехвате не вызывало подозрений. У дипломатов отныне имелись толстые книги, в которых были предусмотрены тысячи вариантов для создания секретного текста. Подобный способ получил название стеганография.

От возрождения к новому времени

С эпохой Ренессанса началось повальное увлечение криптографией. Составление зашифрованных писем стало очень модным занятием как среди дворян, так и простолюдинов.

С появлением книгопечатания труды по тайнописи (которые выходили все чаще) стали доступны тысячам читателей. Отцом современной криптографии считается итальянский ученый Леон Альберти. Его трактат о методах шифрования стал своеобразной библией для последующих специалистов-криптологов. Кроме того, Альберти придумал и не-1У сколько технических устройств, которые стали прообразом будущих шифровальных механизмов.

Еще одним выдающимся теоретиком криптологии часто называют немецкого аббата Иоганна Тритемия. В своих трудах «Полиграфия» и «Стеганография» он подробно описывает разные системы тайнописи и предлагает новые эффективные методы. Причем часть текстов этих книг также зашифрована.

С XVI века вопросами криптографии активно начинают заниматься европейские математики. Предложенные способы шифровки получают характерное название - геометрические. Одновременно опытные математики помогают и в расшифровке сообщений. В частности, смертный приговор Марии Стюарт был вынесен после того, как криптографам удалось разгадать ее закодированные письма.

Новое развитие криптография получила в эпоху колонизации Америки. Свои сообщения шифровали как великий мореплаватель Христофор Колумб, так и покоритель ацтеков Эрнан Кортес. А основание британских колоний в Северной Америке через некоторое время привело к появлению среди поселенцев так называемого книжного шифра. Этот способ отличала удивительная простота и надежность. В сообщении указывались цифры, которые соответствовали номерам страниц, строк и местоположению букв в заранее оговоренной книге. Не зная, о какой именно книге идет речь, расшифровать подобное сообщение было невозможно.

А в 1790-е годы под руководством будущего президента США Томаса Джефферсона была построена машина, с помощью которой удавалось производить шифрование очень быстро. Считается, что победа британских колонистов в войне за независимость, а также успехи армии северян в Гражданской войне во многом были обусловлены работой опытных криптографов в их войсках.

Эпоха электричества

Изобретение электронного телеграфа принципиально не изменило необходимости защищать важные сообщения от несанкционированного прочтения. Только отныне в распоряжении криптографов появились разнообразные механизмы и устройства для максимальной автоматизации процессов шифрования.

Расцвет криптографии пришелся на XX век. Две мировые войны, истерия шпиономании и многолетняя холодная война между странами Запада и СССР привели к тому, что к работе над секретностью электронных коммуникаций были привлечены десятки тысяч специально обученных людей. И все же самые яркие истории этой эпохи связаны не с самими секретами технологий, а с событиями вокруг них.

Так, название одной из самых знаменитых шифровальных машин стало нарицательным. Словом «энигма» называли любую задачу, решение которой выглядело невозможным. Так как во время Второй мировой войны устройства из семейства «Энигма» активно использовали войска и флот Германии, то в Британии создали мощную службу для расшифровки перехвачен-
ных сообщений. На определенном этапе в этом центре работали почти 12 тысяч сотрудников.

Благодаря усердию привлеченных криптографов в Англии смогли прочитать сотни секретных немецких донесений. Правда, британцы далеко не всегда решались воспользоваться этой информацией. Ведь принятие контрмер могло привести к тому, что английское командование выдаст свою осведомленность о немецких планах.

А значит, Германия изменит всю систему секретности. Поэтому, например, расшифровав известия о подготовке немцами в 1940 году разрушительной бомбардировки города Ковентри, англичане отказались от эвакуации жителей и усиления противовоздушной обороны.

Вообще же во время Второй мировой войны шифровальные машины использовали все воюющие страны.

И почти все испытывали одинаковые проблемы. Во-первых, необходимость соблюдения режима секретной радиосвязи требовала обязательного нахождения в штабах громоздких устройств. А любая поломка или отсутствие квалифицированных специалистов парализовали всю работу командования. Во-вторых, в условиях, когда решения приходилось принимать оперативно (во время наступления или организации контрударов), генералы теряли драгоценные часы и даже дни на сложный процесс шифровки и дешифровки.

В итоге наиболее разумным принято считать метод секретности, который успешно практиковали в армии США. Идея оказалась простой и одновременно гениальной. В качестве радистов во все главные штабы привлекли индейцев племени навахо. Общаясь на родном языке в прямом эфире, они могли смело передавать любые важные приказы. При этом противник оказался совершенно беспомощен. Язык навахо столь необычен, что самое внимательное прослушивание диалога не позволяло даже приблизительно догадываться о предмете разговора. А кроме того, этот язык в 1940-е оставался бесписьменным.

Вместе с тем само племя было немногочисленным и проживало в изолированной и хорошо охраняемой резервации. Поэтому выкрасть хоть одного носителя языка не представлялось возможным. А в случае если бы даже радист-индеец оказался в руках врага, американцы могли легко привлечь индейцев какого-нибудь другого племени с не менее сложной речью.

Единственной трудностью оказалось отсутствие в словаре навахо таких слов, как «подводная лодка» или «взвод». Пришлось придумать около четырехсот словосочетаний (типа «железная рыба» и «черные овцы»), чтобы закрыть проблемы с военной терминологией.

Понятно, что ни Германиями Япония не имели физической возможности создать подобную систему радистов в своих армиях. А вот Советский Союз, чьи солдаты еще во время Зимней войны несли огромные потери из-за скверной работы радистов-шифроваль-
щиков, вполне мог. Ведь в СССР проживали десятки малочисленных народов, чьи сложные языки могли стать надежным средством оперативной связи между штабами самых разных подразделений. По некоторым данным, Иосифу Сталину не раз предлагали привлечь в армию в качестве радистов как представителей народов Крайнего Севера, так и жителей ряда народностей Кавказа. Но будущий генералиссимус, которому заговорщики и предатели гораздо чаще мерещились в среде своих собственных подданных, чем в стане откровенного врага, решительно отверг эту идею.

Последний всплеск активности борьбы различных разведок и контрразведок в вопросах тайнописи связан с периодом холодной войны. Например, в СССР были сняты десятки фильмов о коварных западных шпионах, которые использовали невероятно хитроумные средства коммуникации, но каждый раз оказывались разоблаченными благодаря проницательности мудрых работников КГБ. Но в целом тема криптографии в этот период породила больше мифов, чем оригинальных и надежных решений.

Необходимость обеспечить секретность информации возникла с самых древних времен. Во многом роль средства переноса секретной информации в древние времена играл язык жрецов. На этом языке записывали сакральные знания, он был доступен только крайне малому числу людей.

Большинство ученых связывают появление криптографии с появлением письменности. Используемое в древнейших государствах клинопись, рисуночное и иероглифическое письмо было крайне сложно и требовало длительного обучения, круг грамотных лиц был весьма ограничен. Это позволяло использовать для передачи секретной информации ее письменную запись.

Некоторые из сохранившихся глиняных табличек позволяют предположить что древним был известен прием когда исходное письмо, написанное на глиняной табличке и закрепленное обжигом, покрывалось вторым слоем глины на котором писалось сообщение не содержащие секретных сведений. Подобный прием использовал строитель Александрийского маяка Сострат, который по указанию правителя Египта Птолемея Филадельфа установил в стене табличку с его именем, но сделал ее из штукатурки покрашенной под мрамор. Спустя многие годы слой штукатурки рассыпался и открыл подлинное имя автора одно из чудес света выбитое на камне. Другой подобный прием использовался при отправки писем: рабу брили наголо волосы, писали на голове послание а когда волосы отрастали, отправляли к адресату с маловажным сообщением.

Таким образом, уже в древнем мире люди использовали два основных приема используемых до сих пор:

скрытия самого факта передачи (наличия) тайного сообщения – стеганография ;

шифрования сообщения – криптография .

Первые шифры

Большинство исследователей связывают появление криптографии с появлением фонетического письма, значительно более простого и доступного большему количеству людей, чем рисуночное и иероглифическое письмо.

Древнейшим зашифрованным сообщением, сохранившимся до наших дней, является история жизни египетского сановника, записанная его писцом на стенах гробницы в городе Менет-Хуфу примерно в 1900 году до нашей эры. Примененная писцом система основывалась на изменении начертания отдельных иероглифов. Фактически она не была тайнописью в полном понимании этого слова. По египетским верованиям, тот, кто читал надписи на гробнице, способствовал загробной жизни человека. Фактически это была головоломка, требующая больше времени, заставляющая задуматься и взывающая желание разгадать скрытый смысл.

Криптография в государствах Азии

Сведения о способах шифрования применявшихся в государствах Азии в нашей литературе встречаются не часто.

В Индии, стране с древней высокоразвитой цивилизацией, люди с незапамятных времен пользовались несколькими разновидностями тайнописи. В древнеиндийском трактате об искусстве управлять государством, написанном примерно в 300 году до н. э., говорится о использовании тайнописи для служебной переписки служб безопасности, дипломатии. Кроме того упоминается о необходимости вскрытия чужих зашифрованных писем с целью получения конфиденциальной информации как частных лиц, так и секретов других государств.

КРИПТОГРАФИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ

В течение многих лет криптография служила исключительно военным целям. Сегодня обычные пользователи получают возможность обращаться к средствам, позволяющим им обезопасить себя от несанкционированного доступа к конфиденциальной информации, применяя методы компьютерной криптографии.

В настоящем учебном пособии последовательно рассматриваются, классифицируются и анализируются основные алгоритмы шифрования, их эффективность, надежность и особенности реализации.

Вначале рассмотрены криптографические системы, приведена краткая история криптографии, введены основные понятия и определения, указаны требования к криптографическим системам, представлены сведения о криптоанализе и рассмотрена классификация методов криптографического закрытия информации.

Далее описана наиболее распространенная в настоящее время симметричная криптосистема. Приведены элементы теории, а также методы и алгоритмы шифрования. Для алгоритмов блочного шифрования представлены способы генерирования блочного ключа и режимы применения блочных шифров. Для потоковых шифров приведены методы и алгоритмы шифрования. Рассмотрены также комбинированные методы симметричного шифрования. Асимметричные алгоритмы шифрования, получающие все более широкое распространение, представлены краткими теоретическими сведениями об асимметричном шифровании, обсуждением некоторых распространенных криптосистем с асимметричным шифрованием, примерами применения асимметричных алгоритмов шифрования.

Обсуждены вопросы, относящиеся к электронной цифровой подписи, как к эффективному средству криптозащиты. Рассмотрена постановка задачи верификации сообщений с помощью электронной цифровой подписи, приведены алгоритмы электронной цифровой подписи, основанные как на симметричных, так и на асимметричных криптосистемах, представлены алгоритмы формирования функций хэширования, удовлетворяющих условиям использования в процессе аутентификации сообщений.

Представлена методика управления криптографическими ключами. Рассмотрены обычная система управления ключами, управление ключами, основанное на системах с открытым ключом, протокол обмена секретным ключом, использование сертификатов, протоколы аутентификации и анонимное распределение ключей.

В конце каждой главы приведены контрольные вопросы.

1. КРИПТОГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

1.1. История криптографии

С распространением письменности в человеческом обществе появилась потребность в обмене письмами и сообщениями, что вызвало необходимость сокрытия содержимого письменных сообщений от посторонних.

Методы сокрытия содержимого письменных сообщений можно разделить на три группы. К первой группе относятся методы маскировки или стеганографии , которые осуществляют сокрытие самого факта наличия сообщения; вторую группу составляют различные методы тайнописи или криптографии (от греческих слов ktyptos – тайный и grapho – пишу); методы третьей группы ориентированы на создание специальных технических устройств, засекречивания информации.

История криптографии – ровесница истории человеческого языка. Более того, первоначально письменность сама по себе была своеобразной криптографической системой, так как в древних обществах ею владели только избранные.

Развитию тайнописи способствовали войны. Письменные приказы и донесения обязательно шифровались, чтобы пленение курьеров не позволило противнику получить важную информацию. Например, римский император Цезарь пользовался в своей военной и личной переписке шифром, сущность которого состояла в замене каждой буквы латинского языка на следующую букву алфавита. Тогда знаменитая фраза: "VENI , VIDI , VICI " ("Пришел, увидел, победил"), которой Цезарь, известил одного из своих друзей в Риме о быстро одержанной им победе, в зашифрованном виде будет иметь следующий вид: "XFOJ , XJEJ , XJDJ ".

Практически одновременно с криптографией стал развиваться и криптоанализ – наука о раскрытии шифров (ключей) по шифртексту. В истории криптографии условно можно выделить четыре этапа: наивный, формальный, научный; компьютерный.

Для наивной криптографии (до начала XVI в.) характерно использование любых, обычно криптографии.

Большинство из используемых шифров сводились к перестановке или

моноалфавитной подстановке. Одним из первых зафиксированных примеров является шифр Цезаря, состоящий в замене каждой буквы исходного текста на другую, отстоящую от нее в алфавите на определенное число позиций.

Другой шифр, полибианский квадрат, авторство которого приписывается греческому писателю Полибию, является общей моноалфавитной подстановкой, которая проводится с помощью случайно заполненной алфавитом квадратной таблицей (для греческого алфавита размер составляет 5 × 5). Каждая буква исходного текста заменяется на букву, стоящую в квадрате снизу от нее.

Этап формальной криптографии (конец XV – начало XX вв.) связан с появлением формализованных и относительно стойких к ручному криптоанализу шифров. В европейских странах это произошло в эпоху Возрождения, когда развитие науки и торговли вызвало спрос на надежные способы защиты информации. Важная роль на этом этапе принадлежит Леону Батисте Альберти, итальянскому архитектору, который одним из первых предложил многоалфавитную подстановку.

Данный шифр, получивший имя дипломата XVI в. Блеза Вижинера, состоял в последовательном "сложении" букв исходного текста с ключом (процедуру можно облегчить с помощью специальной таблицы). Его работа "Трактат о шифре" (1466 г.) считается первой научной работой по криптологии.

Одной из первых печатных работ, в которой обобщены и сформулированы известные на тот момент алгоритмы шифрования, является труд "Полиграфия" (1508 г.) немецкого аббата Иоганна Трисемуса. Ему принадлежат два небольших, но важных открытия: способ заполнения полибианского квадрата (первые позиции заполняются с помощью легко запоминаемого ключевого слова, остальные – оставшимися буквами алфавита) и шифрование пар букв (биграмм).

Простым, но стойким способом многоалфавитной замены (подстановки биграмм) является шифр Плейфера, который был открыт в начале XIX в. Чарльзом Уитстоном. Уитстону принадлежит и важное усовершенствование – шифрование "двойным квадратом". Шифры Плейфера и Уитстона использовались вплоть до первой мировой войны, так как с трудом поддавались ручному криптоанализу.

В XIX в. голландец Керкхофф сформулировал главное требование к

криптографическим системам, которое остается актуальным и поныне: секретность шифров должна быть основана на секретности ключа, но не

алгоритма .

Наконец, последним словом в донаучной криптографии, которое обеспечило еще более высокую криптостойкость, а также позволило автоматизировать (в смысле механизировать) процесс шифрования стали роторные криптосистемы.

Одной из первых подобных систем стала изобретенная в 1790 г. Томасом Джефферсоном, будущим президентом США, механическая машина. Многоалфавитная подстановка с помощью роторной машины реализуется вариацией взаимного положения вращающихся роторов, каждый из которых осуществляет "прошитую" в нем подстановку.

Практическое распространение роторные машины получили только в начале XX в. Одной из первых практически используемых машин, стала немецкая Enigma , разработанная в 1917 г. Эдвардом Хеберном и усовершенствованная Артуром Кирхом.

Роторные машины активно использовались во время второй мировой войны. Помимо немецкой машины Enigma использовались также устройства Sigaba (США), Турех (Великобритания), Red , Orange и Purple (Япония). Роторные системы – вершина формальной криптографии, так как относительно просто реализовывали очень стойкие шифры. Успешные криптоатаки на роторные системы стали возможны только с появлением ЭВМ в начале 40-х гг.

Главная отличительная черта научной криптографии (1930 – 60-е гг.)

– появление криптосистем со строгим математическим обоснованием

криптостойкости.

К началу 30-х гг. окончательно сформировались разделы математики, являющиеся научной основой криптологии: теория вероятностей и математическая статистика, общая алгебра, теория чисел, начали активно развиваться теория алгоритмов, теория информации, кибернетика.

Своеобразным водоразделом стала работа Клода Шеннона "Теория связи в секретных системах" (1949), которая подвела научную базу под криптографию и криптоанализ. С этого времени стали говорить о КРИПТОЛОГИИ (от греческого kryptos – тайный и logos – сообщение) – науке о преобразовании информации для обеспечения ее секретности. Этап развития криптографии и криптоанализа до 1949 г. стали называть донаучной криптологией.

Шеннон ввел понятия "рассеивание" и "перемешивание", обосновал возможность создания сколь угодно стойких криптосистем.

В 1960-х гг. ведущие криптографические школы подошли к созданию

блочных шифров, еще более стойких по сравнению с роторными криптосистемами, однако допускающих практическую реализацию только в виде цифровых электронных устройств.

Компьютерная криптография (с 1970-х гг.) обязана своим появлением вычислительным средствам с производительностью, достаточной для реализации криптосистем, обеспечивающих при большой скорости шифрования на несколько порядков более высокую криптостойкость, чем "ручные" и "механические" шифры.

Первым классом криптосистем, практическое применение которых стало возможно с появлением мощных и компактных вычислительных средств, стали блочные шифры. В 70-е гг. был разработан американский стандарт шифрования DES (принят в 1978 г.). Один из его авторов, Хорст Фейстель (сотрудник IBM ), описал модель блочных шифров, на основе которой были построены другие, более стойкие симметричные криптосистемы, в том числе отечественный стандарт шифрования ГОСТ 28147–89.

С появлением DES обогатился и криптоанализ, для атак на американский алгоритм был создано несколько новых видов криптоанализа (линейный, дифференциальный и т.д.), практическая реализация которых опять же была возможна только с появлением мощных вычислительных систем. В середине 70-х гг. ХХ столетия произошел настоящий прорыв в современной криптографии – появление асимметричных криптосистем, которые не требовали передачи секретного ключа между сторонами. Здесь отправной точкой принято считать работу, опубликованную Уитфилдом Диффи и Мартином Хеллманом в 1976 г. под названием "Новые направления в современной криптографии". В ней впервые сформулированы принципы обмена шифрованной информацией без обмена секретным ключом.

Независимо к идее асимметричных криптосистем подошел Ральф Меркли. Несколькими годами позже Рон Ривест, Ади Шамир и Леонард Адлеман открыли систему RSA , первую практическую асимметричную криптосистему, стойкость которой была основана на проблеме факторизации больших простых чисел. Асимметричная криптография открыла сразу несколько новых прикладных направлений, в частности системы электронной цифровой подписи (ЭЦП) и электронных денег.

В 1980–90-е гг. появились совершенно новые направления криптографии: вероятностное шифрование, квантовая криптография и другие. Осознание их практической ценности еще впереди. Актуальной остается и задача совершенствования симметричных криптосистем. В этот же период были разработаны нефейстелевские шифры (SAFER , RC 6 и др.), а в 2000 г. после открытого международного конкурса был принят новый национальный стандарт шифрования США – AES.

Криптография является одним из наиболее мощных средств обеспечения конфиденциальности и контроля целостности информации. Во многих отношениях она занимает центральное место среди программно-технических регуляторов безопасности. Например, для портативных компьютеров, физически защитить которые крайне трудно, только криптография позволяет гарантировать конфиденциальность информации даже в случае кражи.

Подробнее об увлекательной истории криптографии можно прочитать литературе .