История шифрования информации. История криптографии - учебная и научная деятельность анисимова владимира викторовича. Периоды развития и этапы криптографии

по дисциплине: История математики

по теме: История криптографии

Работа выполнена студентом:

Преподаватель:

1. Введение …………………………………………………………………………3

2. Периоды развития и этапы криптографии……………………………………..4

3. Криптография в древние времена ………...................................................……7

4. Криптография от средних веков до нового времени ……..………………......9

5. Криптография Первой мировой войны…………...…………………………..16

6. Современная криптография…...……………………………………………….17

7. Заключение………….…………………………………………………………..19

8. Биографические справки ……………..………………………………………..20

9. Список литературы……………..……………………………………………...24

Введение.

Проблема защиты информации путем ее преобразования, исключающего ее прочтение посторонним лицом, волновала человеческий ум с давних времен. 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. Священные книги древнего Египта, древней Индии тому примеры. История человеческой цивилизации стала также историей создания систем безопасной передачи информации. Искусство шифрования и тайной передачи информации было присуще практически всем государствам. Криптография в прошлом использовалась, прежде всего, в военных целях. Однако сейчас, по мере образования информационного общества, криптография становится одним из основных инструментов, обеспечивающих конфиденциальность, доверие, авторизацию, корпоративную безопасность и бесчисленное множество других важных вещей. Практическое применение криптографии стало неотъемлемой частью жизни современного общества - её используют в таких отраслях как электронная коммерция, электронный документооборот (включая цифровые подписи), телекоммуникации и других. Очень быстро после распространения компьютеров в деловой сфере практическая криптография сделала в своем развитии огромный скачок, причем сразу по нескольким направлениям:· во-первых, были разработаны стойкие блочные шифры с секретным ключом, предназначенные для решения классической задачи - обеспечения секретности и целостности передаваемых или хранимых данных, они до сих пор остаются "рабочей лошадкой" криптографии, наиболее часто используемыми средствами криптографической защиты;· во-вторых, были созданы методы решения новых, нетрадиционных задач сферы защиты информации, наиболее известными из которых являются задача подписи цифрового документа и открытого распределения ключей.

Исторически первой задачей криптографии была защита передаваемых текстовых сообщений от несанкционированного ознакомления с их содержанием, что нашло отражение в самом названии этой дисциплины, эта защита базируется на использовании "секретного языка", известного только отправителю и получателю, все методы шифрования являются лишь развитием этой философской идеи. С усложнением информационных взаимодействий в человеческом обществе возникли и продолжают возникать новые задачи по их защите, некоторые из них были решены в рамках криптографии, что потребовало развития принципиально новых подходов и методов.

Целью этого реферата является углубленный анализ истории криптографии с древних времен до настоящего времени, и определение ее влияние и место в математике в целом.

Были поставлены следующие задачи: выяснить способы периодизации развития криптографии, проанализировать ее методы в разных периодах истории человечества. Также задачей реферата являлась описания самых значимых шифров и их влияние на развитие криптографии.

В историко-математической литературе данная тема достаточно хорошо проработана, так как изучение истории криптографии необходимо для черпания идей и для ее развития в настоящем. С другой стороны, сама информация всегда обладала некоторой конфиденциальностью, и поэтому не всегда и сразу была доступна интересующему читателю.

Материалом для написания реферата послужила, в первую очередь, книга А.П. Алферова, А.Ю. Зубова А.С. Кузьмина и А.В. Черемушкина «Основы криптографии» , в которой дан подробный исторический очерк раннего развития криптографии. Для описания криптографии в нынешнем мире использовалась книга Баричева С.Г., Гончарова В.В. и Серова Р.Е. «Основы современной криптографии» . Статья Жельникова В., «Криптография от папируса до компьютера» послужила источником интересных примеров и неординарного описания проблемы. Биографические справки написаны по электронным ресурсам .

Периоды развития и этапы криптографии.

История криптографии насчитывает около 4 тысяч лет. В качестве основного критерия периодизации криптографии возможно использовать технологические характеристики используемых методов шифрования. В данном реферате будем придерживаться такой периодизации.

Первый период (приблизительно с 3-го тысячелетия до н.э.) характеризуется господством моноалфавитных шифров (основной принцип – замена алфавита исходного текста другим алфавитом через замену букв другими буквами или символами).

Второй период (хронологические рамки – с IX века на Ближнем Востоке (Ал-Кинди) и с XV века в Европе (Леон Баттиста Альберти) – до начала XX века) ознаменовался введением в обиход полиалфавитных шифров.

Третий период (с начала и до середины XX века) характеризуется внедрением электромеханических устройств в работу шифровальщиков. При этом продолжалось использование полиалфавитных шифров.

Четвёртый период – с середины до 70-х годов XX века – период перехода к математической криптографии. В работе Клода Шеннона появляются строгие математические определения количества информации, передачи данных, энтропии, функций шифрования. Обязательным этапом создания шифра считается изучение его уязвимости к различным известным атакам – линейному и дифференциальному криптоанализу. Однако до 1975 года криптография оставалась «классической», или же, более корректно, криптографией с секретным ключом.

Современный период развития криптографии (с конца 1970-х годов по настоящее время) отличается зарождением и развитием нового направления – криптография с открытым ключом. Её появление знаменуется не только новыми техническими возможностями, но и сравнительно широким распространением криптографии для использования частными лицами (в предыдущие эпохи использование криптографии было исключительной прерогативой государства). Правовое регулирование использования криптографии частными лицами в разных странах сильно различается – от разрешения до полного запрета.

Историю криптографии условно можно также разделить на 4 этапа .

1. Наивная криптография.

2. Формальная криптография

3. Научная криптография

4. Компьютерная криптография

Для наивной криптографии (до нач. XVI века) характерно использование любых (обычно примитивных) способов запутывания противника относительно содержания шифруемых текстов. На начальном этапе для защиты информации использовались методы кодирования и стеганографии, которые родственны, но не тождественны 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 5x5). Каждая буква исходного текста заменяется на букву, стоящую в квадрате снизу от нее.

Этап формальной криптографии (кон. XV века - нач. XX века) 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 века Блеза Вижинера , состоял в последовательном «сложении» букв исходного текста с ключом (процедуру можно облегчить с помощью специальной таблицы). Его работа «Трактат о шифре» 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» 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 века 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 веке 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 обеспечили еще более высокую криптостойкосить, а также позволило автоматизировать (в смысле механизировать) процесс шифрования стали роторные криптосистемы. Одной из первых подобных систем стала изобретенная в 1790 году 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 века. Одной из первых практически используемых машин, стала немецкая Enigma, разработанная в 1917 году 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 Purple2 (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 годов.

Главная отличительная черта научной криптографии (30-е - 60-е годы XX века) - появление криптосистем со строгим математическим обоснованием криптостойкости. К началу 30-х годов 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», где сформулированы теоретические принципы криптографической защиты информации. Шеннон ввел понятия «рассеивание» и «перемешивание», обосновал возможность создания сколь угодно стойких криптосистем. В 60-х годах ведущие криптографические школы подошли к созданию блочных шифров, еще более стойких по сравнению с роторными криптосистемами, однако допускающие практическую реализацию только в виде цифровых электронных устройств. Компьютерная криптография (с 70-х годов XX века) обязана своим появлением вычислительным средствам с производительностью, достаточной для реализации критосистем, обеспечивающих при большой скорости шифрования на несколько Примерно в 1900 году до н. э. древние египтяне начали видоизменять и искажать иероглифы, чтобы закодировать определенные сообщения. 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 годы был разработан американский стандарт шифрования DES (принят в 1978 году). Один из его авторов, Хорст Фейстел (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 годов 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 году 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 80-90-е годы 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 80-90-х годах были разработаны нефейстеловские шифры (SAFER, RC6 и др.), а в 2000 году после открытого международного конкурса был принят новый национальный стандарт шифрования США - AES.

Криптография в древние времена.

История криптографии насчитывает не одно тысячелетие. Уже в исторических документах древних цивилизаций – Индии, Египте, Китае, Месопотамии – имеются сведенья о системах и способах составления шифрованного письма. Видимо, первые системы шифрования появились одновременно с письменностью в четвёртом тысячелетии до нашей эры.

В древнеиндийских рукописях приводится более шестидесяти способов письма, среди которых есть и такие, которые можно рассматривать как криптографические. Имеется описание системы замены гласных букв согласными, и наоборот. Один из сохранившихся шифрованных текстов Месопотамии представляют собой табличку, написанную клинописью и содержащую рецепт изготовления глазури для гончарных изделий. В этом тексте использовались редко употребляемые значки, игнорировались некоторые буквы, употреблялись цифры вместо имён. В рукописях Древнего Египта шифровались религиозные тексты и медицинские рецепты. Шифрование использовалось в Библии. Некоторые фрагменты библейских текстов зашифрованы с помощью шифра, который называется атбаш. Правило зашифрования состояло в замене -й буквы алфавита (n-i+1), где n – число букв в алфавита. Происхождение слова атбаш объясняется принципом замены букв. Это слово составлено из букв Алеф, Тае, Бет и Шин, то есть первой и последней, второй и предпоследней букв древнесемитского алфавита.

В Древней Греции криптография уже широко использовалась в разных областях деятельности, в особенности в государственной сфере. Плутарх сообщает, что жрецы, например, хранили в форме тайнописи свои прорицания. В Спарте в 5-6 вв. до Н.Э. использовалось одно из первых шифровальных приспособлений – Сцитала . Это был жезл цилиндрической формы, на который наматывалась лента из пергамента. Кроме жезла могли использоваться рукоятки мечей, кинжалов, копий, и т.д. Вдоль оси цилиндра на пергамент построчно записывался текст, предназначенный для передачи. После записи текста лента сматывалась с жезла и передавалась адресату, который имел точно такую же Сциталу. Ясно, что такой способ шифрования осуществлял перестановку букв сообщения. Ключом шифра служит диаметр Сциталы. Известен также и метод вскрытия такого шифра, приписываемый Аристотелю. Предлагалось заточить на конус длинный брус и, обернув в него ленту, начать сдвигать её по конусу от малого диаметра до самого большого. В том месте, где диаметр конуса совпадал с диаметром Сциталы, буквы текста сочетались в слоги и слова. После этого оставалось лишь изготовить цилиндр нужного диаметра.

Греческий писатель Полибий использовал систему сигнализации, которая была широко принята как метод шифрования . Он записывал буквы алфавита в квадратную таблицу и заменял их координатами: парами чисел (i,j), где i – номер строки, j – номер столбца. Применительно к латинскому алфавиту квадрат Полибия имеет следующий вид:

Пары (i,j) передавались с помощью факелов. Например, для передачи буквы О нужно было взять 3 факела в правую руку и 4 – в левую.

Подобные шифровальные приспособления, с небольшими изменениями просуществовали до эпохи военных походов Юлия Цезаря. Положение меняется в эпоху расцвета Рима, который первоначально представлял собой лишь небольшую гражданскую общину, со временем он разросся, подчинив себе Италию, а затем всё Средиземноморье. Чтобы управлять наместниками в многочисленных провинциях, шифрованная связь для римских органов власти стала жизненно необходимой. Особую роль в сохранении тайны сыграл способ шифрования, предложенный Юлием Цезарем и изложенным им в «Записках о галльской войне» (1 век до Н.Э.) Вот что пишет о нём Гай Светоний «…существуют и его письма к Цицерону и письма к близким о домашних делах: в них, если нужно было сообщить что-то негласно, он пользовался тайнописью, то есть менял буквы так, чтобы из них не складывалось ни одного слова. Чтобы разобрать и прочитать их, нужно читать всякий раз четвёртую букву вместо первой, например, D вместо А и так далее». Таким образом, Цезарь заменял буквы в соответствии с подстановкой, нижняя строка которой представляет собой алфавит открытого текста, сдвинутый циклически на 3 буквы влево.

Криптография от средних веков до нового времени.

Ещё один значительный шаг вперёд криптография сделала благодаря труду Леона Альберти. Известный философ, живописец, архитектор, в 1466 году написал труд о шифрах. В этой работе был предложен шифр, основанный на использовании шифровального диска. Сам Альберти называл его шифром, «достойным королей».

Шифровальный диск представлял собой пару соосных дисков разного диаметра. Больший из них – неподвижный, его окружность разделена на 24 равных сектора, в которые вписаны 20 букв латинского алфавита в их естественном порядке и 4 цифры (от 1 до 4()4 цифрыственном порядке которые вписаны 20 букв латинского алфавитара. о диска. и. __________________________________________). При этом из 24-х буквенного алфавита были удалены 4 буквы, без которых можно обойтись, подобно тому, как в русском языке обходятся без Ъ, Ё, Й. Меньший диск – подвижный, по его окружности, разбитой также на 24 сектора, были вписаны все буквы смешанного латинского алфавита.

Диск Альберти.

Имея два таких прибора, корреспонденты догадывались о первой индексной букве на подвижном диске. При шифровании сообщения отправитель ставил индексную букву против любой буквы большого диска. Он информировал корреспондента о таком положении диска, записывая эту букву внешнего диска в качестве первой буквы шифртекста. Очередная буква открытого текста отыскивалась на неподвижном диске и стоящая против неё буква меньшего диска являлась результатом её зашифрования. После того как были зашифрованы несколько букв текста, положение индексной буквы изменялось, о чём также сообщалось корреспонденту.

Такой шифр имел две особенности, которые делают изобретение Альберти событием в истории криптографии. Во-первых, в отличие от шифров простой замены шифровальный диск использовал не один, а несколько алфавитов для зашифрования. Такие шифры получили название многоалфавитных. Во-вторых, шифровальный диск позволял использовать так называемые коды с перешифрованием, которые получили широкое распространение лишь в конце XIX в., то есть спустя четыре столетия после изобретения Альберти. Для этой цели на внешнем диске имелись цифры. Альберти составил код, состоящий из 336 кодовых групп, занумерованных от 11 до 4444. Каждому кодовому обозначению соответствовала некоторая законченная фраза. Когда такая фраза встречалась в открытом сообщении, она заменялась соответствующим кодовым обозначением, а с помощью диска цифры зашифровы­вались как обычные знаки открытого текста, превращаясь в буквы.

Богатым на новые идеи в криптографии оказался XVI в. Многоалфавитные шифры получили развитие в вышедшей в 1518 г. первой печатной книге по криптографии под названием "Полиграфия" . Автором книги был один из самых знаме­нитых ученых того времени аббат Иоганнес Тритемий. В этой книге впервые в криптографии появляется квадратная таблица. Шифралфавиты записаны в строки таблицы один под дру­гим, причем каждый из них сдвинут на одну позицию влево по сравнению с предыдущим (см. табл. 2).

Тритемий предлагал использовать эту таблицу для многоалфавитного зашифрования самым простым из возможных способов: первая буква текста шифруется первым алфавитом, вторая буква - вторым и т. д. В этой таблице не было отдельного алфавита открытого текста, для этой цели служил алфавит первой строки. Таким образом, открытый текст, начинающийся со слов HUNC CAVETO VIRUM ..., приобретал вид HXPF GFBMCZ FUEIB ... .

Преимущество этого метода шифрования по сравнению с методом Альберти состоит в том, что с каждой буквой задействуется новый алфавит. Альберти менял алфавиты лишь по­сле трех или четырех слов. Поэтому его шифртекст состоял из отрезков, каждый из которых обладал закономерностями открытого текста, которые помогали вскрыть криптограмму. Побуквенное зашифрование не дает такого преимущества. Шифр Тритемия является также первым нетривиальным примером периодического шифра. Так называется многоалфавитный шифр, правило зашифрования которого состоит в использовании периодически повторяющейся последовательности простых замен.

В 1553 г. Джованни Баттиста Белазо предложил использовать для многоалфавитного шифра буквенный, легко запо­минаемый ключ, который он назвал паролем. Паролем могло служить слово или фраза. Пароль периодически записывался над открытым текстом. Буква пароля, расположенная над буквой текста, указывала на алфавит таблицы, который исполь­зовался для зашифрования этой буквы. Например, это мог быть алфавит из таблицы Тритемия, первой буквой которого являлась буква пароля. Однако Белазо, как и Тритемий, использовал в качестве шифралфавитов обычные алфавиты.

Еще одно важное усовершенствование многоалфавитных систем, состоящее в идее использования в качестве ключа текста самого сообщения или же шифрованного текста, при­надлежит Джероламо Кардано и Блезу де Виженеру. Такой шифр был назван самоключом. В книге Виженера "Трактат о шифрах" самоключ представлен следующим образом. В про­стейшем случае за основу бралась таблица Тритемия с добав­ленными к ней в качестве первой строки и первого столбца алфавитами в их естественном порядке. Позже такая таблица стала называться таблицей Виженера. Подчеркнем, что в общем случае таблица Виженера состоит из циклически сдви­гаемых алфавитов, причем первая строка может быть произ­вольным смешанным алфавитом (см. табл. 4).

Первая строка служит алфавитом открытого текста, а первый столбец - алфавитом ключа. Для зашифрования открытого сообщения Виженер предлагал в качестве ключевой последовательности (Г) использовать само сообщение (Т 0) с добавленной к нему в качестве первой буквы(), известной отправителю и получателю (этим идея Виженера отличалась от идеи Кардано, у которого не было начальной буквы и система которого не обеспечивала однозначности расшифрования). Последовательности букв подписывались друг под другом:

При этом пара букв, стоящих друг под другом в Г и, указывала, соответственно, номера строк и столбцов таблицы, на пресечении которых находится знак шифрованного текста (Т ш). Например, фраза HUNC CAVETO VIRUM ..., использованная в предыдущих примерах, и начальная буква Р дают шифртекст YCHP ECUWZHIDAMG.

Во втором варианте Виженер предлагал в качестве ключевой последовательности использовать шифрованный текст:

Самоключ Виженера был незаслуженно забыт на долгое время, а под шифром Виженера до сих пор понимают самый простой вариант с коротким ключевым словом и с таблицей, состоящей из обычных алфавитов.

В истории криптографии XVII - XVIII в. называют эрой "черных кабинетов". В этот период во многих государствах Европы, в первую очередь во Франции, получили развитие дешифровальные подразделения, названные "черными кабинетами". Первый из них образован по инициативе кардинала Ришелье при дворе короля Людовика XIII. Его возглавил первый профессиональный криптограф Франции Антуан Россиньоль. Следует отметить, что некоторые оригинальные идеи, возникшие в криптографии в этот период, связаны с именем самого Ришелье, который использовал, например, для секретной переписки с королем оригинальный шифр перестановки с переменным ключом.

Много новых идей в криптографии принес XIX в. Изобретение в середине XIX в. телеграфа и других технических видов связи дало новый толчок развитию криптографии. Информация передавалась в виде токовых и бестоковых посылок, то есть представлялась в двоичном виде. Поэтому возникла проблема "рационального" представления информа ции, которая решалась с помощью кодов. Коды позволяли передать длинное слово или целую фразу двумя-тремя знаками. Появилась потребность в высокоскоростных способах шифрования и в корректирующих кодах, необходимых в связи с неизбежными ошибками при передаче сообщений.

Во второй половине XIX в. появился весьма устойчивый способ усложнения числовых кодов - гаммирование. Он заключался в перешифровании закодированного сообщения с помощью некоторого ключевого числа, которое и называлось гаммой. Шифрование с помощью гаммы состояло в сложении всех кодированных групп сообщения с одним и тем же ключевым числом. Эту операцию стали называть "наложением гаммы". Например, результатом наложения гаммы 6413 на кодированный текст 3425 7102 8139 являлась числовая последовательность 9838 3515 4552:

Единицы переноса, появляющиеся при сложении между кодовыми группами, опускались. "Снятие гаммы" являлось обратной операцией:

В 1888 г. француз маркиз де Виари в одной из своих научных статей, посвященных криптографии, обозначил греческой буквой X любую букву шифрованного текста, греческой буквой Г любую букву гаммы и строчной буквой С любую букву открытого текста. Он, по сути, доказал, что алгебраическая формула

воспроизводит зашифрование по Виженеру при замене букв алфавита числами согласно следующей таблице:

Тем самым была заложена алгебраическая основа для исследования шифров замены типа шифра Виженера. Используя уравнение шифрования, можно было отказаться от громоздкой таблицы Виженера.

Позже лозунговая гамма стала произвольной последовательностью, а шифр с уравнением шифрования (1) стал называться шифром гаммирования.

Криптография Первой мировой войны .

Первая мировая война оставила свой отпечаток на всех процессах, происходивших в человеческом обществе. Она не могла не сказаться и на развитии криптографии.

В период первой мировой войны в качестве полевых шифров широко использовались ручные шифры, в первую очередь шифры перестановки с различными усложнениями. Это были вертикальные перестановки, усложненные перекодировкой исходного алфавита, а также двойные вертикальные перестановки.

Первая мировая война явилась поворотным пунктом в истории криптографии: если до войны криптография представляла собой достаточно узкую область, то после войны она стала широким полем деятельности. Причина этого состояла в необычайном росте объема шифрпереписки, передаваемой по различным каналам связи. Криптоанализ стал важнейшим элементом разведки.

Прогресс этой области криптографии характеризовался и изменениями в самом криптоанализе. Эта наука переросла методы индивидуальной работы криптоаналитика над криптограммой. Системы секретной связи перестали быть настолько малочисленными и однородными, что один специалист мог овладеть всеми специализациями. Характер используемых шифров потребовал для их вскрытия скрупулезного анализа переписки, поиска ситуаций, благоприятствующих успешному криптоанализу, знания соответствующей обстановки. Кроме того, криптоанализ обогатился большим опытом использования в годы войны ошибок неопытных или ленивых шифровальщиков. Еще Ф. Бэкон писал, что "в результате неловкости и неискусности тех рук, через которые проходят величайшие секреты, эти секреты во многих случаях оказывались обеспеченными слабейшими шифрами". Этот печальный опыт привел к необходимости введения строгой дисциплины среди шифровальщиков.

Несмотря на указанные последствия, первая мировая война не породила никаких новых научных идей в криптографии. Наоборот, полностью исчерпали свои возможности ручное шифрование, с одной стороны, и техническая сторона криптоанализа, состоявшая в подсчете частот встречаемости знаков, с другой.

В тот период проявились таланты целого ряда ставших впоследствии известными криптографов. В их числе был Г. О. Ярдли, который вскоре после вступления США в войну в 1917 г. убедил военное министерство в необходимости создания криптографической службы. В 27 лет он был назначен начальником криптографического отдела (MI-8) разведки военного министерства. При отделе было создано учебное отделение по подготовке криптоаналитиков для американской армии. Отдел MI-8 добился больших успехов в дешифровании дипломатической переписки многих развитых стран. В 1919 г. отдел был преобразован в "черный кабинет" с совместным финансированием от военного министерства и госдепартамента в объеме 100 тыс. долларов в год. Одной из главных задач "черного кабинета" было раскрытие японских кодов, некоторые из которых содержали до 25 тысяч кодовых величин. В период с 1917 по 1929 г. специалистам "черного кабинета" удалось дешифровать более 45 тысяч криптограмм различных стран, в том числе и Японии.

Ярдли, желая упрочить успехи, подготовил докладную записку Президенту США о мерах по укреплению своей службы. Однако ставший в то время Государственным секретарем Г. Стимсон был шокирован, узнав о существовании "черного кабинета", и полностью осудил его деятельность. Ему принадлежит знаменитая фраза: "Джентльмены не читают писем друг друга". Финансирование "черного кабинета" было прекращено, и Ярдли лишился работы. Он написал книгу "Американский черный кабинет", в которой рассказал о многих успехах по дешифрованию. Книга была издана большими тиражами в ряде стран и произвела эффект разорвавшейся бомбы. Позже он написал книгу "Японские дипломатические секреты", в которой приводились многие японские телеграммы. Рукопись этой книги была конфискована по решению суда. Последние годы жизни Ярдли не занимался криптографией. Он умер в 1958 г. и был похоронен с воинскими почестями на Арлингтонском национальном кладбище. В некрологе он был назван "отцом американской криптографии".

Современная криптография.

В семидесятых годах произошло два события, серьезно повлиявших на дальнейшее развитие криптографии. Во-первых, был принят (и опубликован!) первый стандарт шифрования данных (DES), "легализовавший" принцип Керкгоффса в криптографии. Во-вторых, после работы американ­ских математиков У. Диффи и М. Хеллмана родилась "новая криптография"- криптография с открытым клю­чом. Оба этих события были рождены потребностями бурно развивающихся средств коммуникаций, в том числе локаль­ных и глобальных компьютерных сетей, для защиты которых потребовались легко доступные и достаточно надежные крип­тографические средства. Криптография стала широко востребоваться не только в военной, дипломатической, государст­венной сферах, но также в коммерческой, банковской и дру­гих сферах.

Вслед за идеей Диффи и Хеллмана, связанной с гипотетическим понятием однонаправленной (или односторонней) функции с секретом, появились "кандидат" на такую функ­цию и реально осуществленная шифрсистема RSA с откры­тым ключом. Такая система была предложена в 1978 г. Райвестом, Шамиром и Адлеманом. Парадоксальным казалось то, что в RSA для зашифрования и расшифрования используются разные ключи, причем ключ зашифрования может быть от­крытым, то есть всем известным. Вслед за RSA появился целый ряд других систем. В связи с несимметричным исполь­зованием ключей стал использоваться термин асимметричная шифрсистема, в то время как традиционные шифрсистемы стали называться симметричными.

Наряду с идеей открытого шифрования Диффи и Хеллман предложили идею открытого распределения ключей, позво­ляющую избавиться от защищенного канала связи при рас­сылке криптографических ключей. Их идея основывалась на сложности решения задачи дискретного логарифмировании, то есть задачи, являющейся обратной для задачи возведения в степень в конечном поле большого порядка.

Заключение.

Появление в середине двадцатого столетия первых электронно-вычислительных машин кардинально изменило ситуацию в области шифрования (криптографии). С проникновением компьютеров в различные сферы жизни возникла принципиально новая отрасль - информационная индустрия.Проблема обеспечения необходимого уровня защиты информации оказалась (и это предметно подтверждено как теоретическими исследованиями, так и опытом практического решения) весьма сложной, требующей для своего решения не просто осуществления некоторой совокупности научных, научно-технических и организационных мероприятий и применения специфических средств и методов, а создания целостной системы организационных мероприятий и применения специфических средств и методов по защите информации.Объем циркулирующей в обществе информации стабильно возрастает. Популярность всемирной сети Интренет в последние годы способствует удваиванию информации каждый год. Фактически, на пороге нового тысячелетия человечество создало информационную цивилизацию, в которой от успешной работы средств обработки информации зависит благополучие и даже выживание человечества в его нынешнем качестве. Произошедшие за этот период изменения можно охарактеризовать следующим образом: объемы обрабатываемой информации возросли за полвека на несколько порядков; доступ к определенным данным позволяет контролировать значительные материальные и финансовые ценности; информация приобрела стоимость, которую даже можно подсчитать; характер обрабатываемых данных стал чрезвычайно многообразным и более не сводится к исключительно текстовым данным; информация полностью "обезличилась", т.е. особенности ее материального представления потеряли свое значение - сравните письмо прошлого века и современное послание по электронной почте; характер информационных взаимодействий чрезвычайно усложнился, и наряду с классической задачей защиты передаваемых текстовых сообщений от несанкционированного прочтения и искажения возникли новые задачи сферы защиты информации, ранее стоявшие и решавшиеся в рамках используемых "бумажных" технологий - например, подпись под электронным документом и вручение электронного документа "под расписку"; субъектами информационных процессов теперь являются не только люди, но и созданные ими автоматические системы, действующие по заложенной в них программе; вычислительные "способности" современных компьютеров подняли на совершенно новый уровень как возможности по реализации шифров, ранее немыслимых из-за своей высокой сложности, так и возможности аналитиков по их взлому.

Биографические справки.

1. Полибий (Polybios), из Мегалополя в Аркадии, ок. 200-ок. 118 гг. до н. э., греческий историк . Сын Ликорта, влиятельного политика и главы Ахейского союза, с юности принимал участие в военной и политической жизни. В 169 г. во время III Македонской войны стал гиппархом (предводителем конницы). Ездил с посольством к консулу Манлию. После победы под Пидной (168 г. до н. э.) римляне захватили 1000 заложников из самых знатных ахейских семей, в числе которых был и Полибий. В Риме он подружился с сыновьями Эмилия Паула, победителя под Пидной, а в особенности со Сципионом Младшим. Освобожденный вместе с другими заложниками, в 151 г. возвратился на родину, совершал многочисленные путешествия, часто приезжал в Рим по приглашению Сципиона, который использовал его познания в военном деле. В 146 г. до н. э. стал свидетелем взятия Карфагена. В том же году после взятия римлянами Коринфа и его разрушения Полибий. принял на себя посредническую роль в урегулировании отношений в покоренной Греции. По-видимому, Полибий. участвовал и в осаде Нуманция Сципионом в 133 г. до н. э. Последние годы жизни Полибий. провел на родине, умер в возрасте 82 лет, вероятно, вследствие падения с лошади. - Главное произведение Полибия. - История в 40 книгах - является всемирной историей, в которой автиор показал, как в течение 50 лет, от начала II Пунической войны до конца III Македонской, Рим объединил под своей властью почти весь населенный мир того времени. Из греческих историков дело Полибия продолжили Посидоний и Страбон, его использовали Диодор и Плутарх. В византийскую эпоху вышел пересказ произведения.

2. Альберти Леон Батиста - итальянский архитектор и литератор, один из наиболее ярких представителей культуры Возрождения . Обладал обширными познаниями в самых разных областях: был философом и музыкантом, скульптором и математиком, физиком и лингвистом. На протяжении ряда лет он - итальянский ученый, архитектор, теоретик искусства эпохи Раннего Возрождения. Теоретические трактаты («О статуе», 1435, «О живописи», 1435-36, «О зодчестве»; опубликован в 1485) обобщили опыт современного ему искусства и гуманистической науки в области изучения античного наследия. В архитектуре использовал античную ордерную систему (церковь Сант-Андреа в Мантуе, 1472-94, дворец Ручеллаи во Флоренции, 1446-51). В молодости написал на латыни комедию "Любитель славы" (около 1424). Исследованию природы власти посвящен его сатирический роман (тоже на латыни) "Мом" (между 1443 и 1450). Он выступал горячим защитником литературного "народного" языка и основные его сочинения написаны по-итальянски. Это сонеты, элегии и эклоги. Наиболее известная работа - трактат в 4-х книгах "О семье" (1433-1441). Огромное значение имел знаменитый латинский трактат в 10-ти книгах "О зодчестве" (1450). Один из основополжников проективной геометрии.

3. Чарлз Уитстон (Wheatstone) (6.2.1802, Глостер, Англия, - 19.10.1875, Париж), английский физик и изобретатель, член Лондонского королевского общества (1836) . Занимаясь изготовлением музыкальных инструментов, поставил ряд остроумных акустических опытов. В 1833 году объяснил возникновение фигур Хладни. С 1834 года профессор Королевского колледжа (Лондон). Предложил метод измерения продолжительности разрядной искры (1834); показал, что искровые спектры металлов однозначно характеризуют эти металлы (1835). В 1837 году вместе с У. Ф. Куком получил патент на изобретение электромагнитного телеграфа; в 1858 году создал первый практически пригодный автоматический телеграфный аппарат (телеграфный аппарат Уитстона). В 1867 году независимо от Э. В. Сименса открыл принцип самовозбуждения электрических машин. Сконструировал зеркальный стереоскоп, фотометр, шифровальный аппарат - криптограф, самопишущие метеорологические приборы и др. Предложил мостовой метод измерения сопротивлений.

4. Клод Элвуд Шеннон (Shannon)(1916 - 2001) - американский инженер и математик . Человек, которого называют отцом современных теорий информации и связи. Клод Шеннон родился в 1916 году и вырос в городе Гэйлорде штата Мичиган. Еще в детские годы Клод познакомился как с детальностью технических конструкций, так и с общностью математических принципов. Он постоянно возился с детекторными приемниками и радио-конструкторами, которые приносил ему отец, помощник судьи, и решал математические задачки и головоломки, которыми снабжала его старшая сестра Кэтрин, ставшая впоследствии профессором математики. Клод полюбил эти два мира, столь несхожие между собой, - технику и математику. Будучи студентом Мичиганского университета, который он окончил в 1936 году, Клод специализировался одновременно и в математике, и в электротехнике. Эта двусторонность интересов и образования определила первый крупный успех, которого Клод Шеннон достиг в свои аспирантские годы в Массачусетском технологическом институте. В своей диссертации, защищенной в 1940 году, он доказал, что работу переключателей и реле в электрических схемах можно представить посредством алгебры, изобретенной в середине XIX века английским математиком Джорджем Булем. "Просто случилось так, что никто другой не был знаком с этими обеими областями одновременно!" - так скромно Шеннон объяснил причину своего открытия. В 1941 году 25-летний Клод Шеннон поступил на работу в Bell Laboratories. В годы войны он занимался разработкой криптографических систем, и позже это помогло ему открыть методы кодирования с коррекцией ошибок. А в свободное время он начал развивать идеи, которые потом вылились в теорию информации. Исходная цель Шеннона заключалась в улучшении передачи информации по телеграфному или телефонному каналу, находящемуся под воздействием электрических шумов. Он быстро пришел к выводу, что наилучшее решение проблемы заключается в более эффективной упаковке информации. В своих работах 1948-49 годов он определил количество информации через энтропию - величину, известную в термодинамике и статистической физике как мера разупорядоченности системы, а за единицу информации принял то, что впоследствии окрестили "битом", то есть выбор одного из двух равновероятных вариантов. Позже Шеннон любил рассказывать, что использовать энтропию ему посоветовал знаменитый математик Джон фон Нейман, который мотивировал свой совет тем, что мало кто из математиков и инженеров знает об энтропии, и это обеспечит Шеннону большое преимущество в неизбежных спорах. На прочном фундаменте своего определения количества информации Клод Шеннон доказал удивительную теорему о пропускной способности зашумленных каналов связи. Во всей полноте эта теорема была опубликована в его работах 1957-61 годов и теперь носит его имя. Кроме теории информации, неуемный Шеннон приложился во многих областях. Одним из первых он высказал мысль о том, что машины могут играть в игры и самообучаться. В 1950 году он сделал механическую мышку Тесей, дистанционно управляемую сложной электронной схемой. Эта мышка училась находить выход из лабиринта. В честь его изобретения IEEE учредил международный конкурс "микромышь", в котором до сих пор принимают участие тысячи студентов технических вузов. В те же 50-е годы Шеннон создал машину, которая "читала мысли" при игре в "монетку":человек загадывал "орел" или "решку", а машина отгадывала с вероятностью выше 50%, потому что человек никак не может избежать каких-либо закономерностей, которые машина может использовать. В 1956 году Шеннон покинул Bell Labs и со следующего года стал профессором Массачусетского технологического института, откуда ушел на пенсию в 1978 году. Труды Шеннона, к которым с благоговением относятся деятели науки, столь же интересны и для специалистов, решающих сугубо прикладные задачи. Шеннон заложил основание и для современного кодирования с коррекцией ошибок, без которого не обходится сейчас ни один дисковод для жестких дисков или система потокового видео, и, возможно, многие продукты, которым еще только предстоит увидеть свет. В МТИ и на пенсии им полностью завладело его давнее увлечение жонглированием. Шеннон построил несколько жонглирующих машин и даже создал общую теорию жонглирования, которая, впрочем, не помогла ему побить личный рекорд - жонглирование четырьмя мячиками. Клод Шеннон скончался в 2001 году в массачусетском доме для престарелых от болезни Альцгеймера на 84 году жизни.

Список литературы.

. А.П. Алферов, А.Ю. Зубов, А.С. Кузьмин, А.В. Черемушкин Основы Криптографии. - М.: Гелиос, 2005., с.5 – 53.

. Баричев С.Г., Гончаров В.В., Серов Р.Е. Основы современной криптографии. - М.: Горячая линия - Телеком, 2002., с. 4 – 8.

. Жельников В., Криптография от папируса до компьютера. - М.: ABF, 1996. http://www.fidel-kastro.ru/crypto/zhelnik.htm

Http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2005/feht/chernenkaya/ind/history.html

Http://persona.rin.ru/view/fall//31397/polibij-polybios

Http://www.tonnel.ru/?l=kniga&273

Http://www.c-cafe.ru/days/bio/5/085.php

Http://persona.rin.ru/view/f/0/35276/shennon-klod-elvud

Http://www.enlight.ru/crypto/articles/shannon/__shann.htm

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.

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 .

Архаичные шифраторы канули в Лету, чего нельзя сказать об алгоритмах шифрования. Операции сдвига, замены и перестановки до сих пор применяются в современных алгоритмах, однако с существенной поправкой в стойкости. За многие столетия, прошедшие со времен первого применения этих шифров, криптографы научились оценивать количество информации, энтропию и стойкость, однако так было не всегда. Рассмотрим подробнее, как работают самые популярные шифры в истории криптографии и в чем их недостатки.

В современном обществе, где почти каждый человек имеет электронный девайс (а то и не один), где каждую минуту совершаются операции с электронной валютой, пересылаются конфиденциальные email, подписываются электронные документы, криптография нужна как воздух. Нужна пользователям, чтобы защитить свою приватность. Нужна программистам, чтобы обеспечить безопасность проектируемых систем. Нужна хакерам, чтобы при аудите понимать уязвимые места в системах. Нужна админам, чтобы представлять, чем и как лучше защищать корпоративные данные. Мы не могли обойти стороной такую важную тему и начинаем цикл статей, посвященный введению в криптoграфию. Для новичков - самый простой путь познакомиться с криптой, для профи - хороший повод систематизировать свои знания. Шесть уроков, от самого простого к сложному. Вперед!

Термины

Для начала давай определимся с терминологией:

• Криптография - это наука о том, как обеспечить секретность сообщения.
• Криптоанализ - это наука о том, как вскрыть зашифрованное сообщение, не зная ключа.
• Дешифровка - это процeсс получения открытого текста средствами криптоанализа.
• Расшифрование - это процесс получения открытого текста с использованием ключа и алгоритма расшифрования, предусмотренного для данного шифра.

В мире криптографии путаться в этих словах - ужасный моветон.

Зачем мне знания о криптографии?

Предположим, криптография очень нужна, но пусть ей займутся дядьки с усами математики. Зачем же мне знания по криптографии?

Если ты обычный пользователь - то как минимум, чтобы обеспечить свою приватность. Сегодня крупным государствам и влиятельным организациям становятся доступны средства тотального надзора за миллионами людей. Поэтому криптография оказывается важнейшим инструментом, обеспечивающим конфиденциальность, доверие, целостность, авторизацию сообщений и электронных платежей. Повсеместное распространение криптографии останется одним из немногих способов защитить пользователя от угроз, нависающих над его конфиденциальной информацией. Зная, как работает тот или иной протокол или шифр, чем он хорош и где его слабые места, ты сможешь оcознанно выбирать инструменты для работы или просто общения в Сети.

Если ты программист или специалист по ИБ, то здесь вообще от криптографии никуда не скрыться. Любой крупный проект требует обеспечения безопасности информации. Неважно, что ты разрабатываешь: контентный сервис, почтовик, мессенджер, соцсеть или просто интернет-магазин, - везде есть критичные данные, которые надо защищать от перехвата или угона БД. Каждая операция должна быть защищена криптографическими протоколами. В этом случае криптография - подходящий инструмент. Если ты еще с ней не столкнулся, будь уверен - это на 100% лишь вопрос времени.

Короче говоря, криптография используется гораздо чаще, чем можно себе представить. Поэтому пора снять завесу тайны с этой науки, познакомиться с наиболее интересными аспектами и использовать ее возможности себе на пользу.

Зачем изучать старые шифры?

В интернете криптографические протоколы используются практически при каждом запросе. Но как же дело обстояло, когда интернета не было и в помине? Не стоит думать, что в те далекие лохматые времена не было криптографии. Первые способы шифрования появились около четырех тысяч лет назад. Конечно, это были самые примитивные и нестойкие шифры, однако и население тогда было малограмотное, так что такие способы могли защитить информацию от любопытных глаз.

Люди всегда нуждались в секретной переписке, поэтому шифрование не стояло на месте. С раскрытием одних шифров придумывали другие, более стойкие. На смену бумажным шифрам пришли шифровальные машины, которым не было равных среди людей. Даже опытному математику не удавалось взломать шифр, рассчитанный на роторной машине. С появлением первых компьютеров требования к защите информации возросли многократно.

Зачем же нам знакомиться с такими древними и нестойкими шифрами, если можно сразу прочитать про DES и RSA - и вуаля, почти специалист? Изучение первых шифров поможет лучше понять, зачем нужна та или иная операция в современном алгоритме шифрования. Например, шифр перестановки, один из первых примитивных алгоритмов, не был забыт, и перестановка - одна из часто встречающихся операций в современном шифровании. Таким образом, чтобы лучше осознать, откуда на самом деле растут ноги у современных алгоритмов, нужно оглянуться на несколько тысяч лет назад.

Исторические шифры и первые шифраторы

Согласно источникам, первые способы шифрования текста появились вместе с зарождением письменности. Способы тайного письма применялись древними цивилизациями Индии, Месопотамии и Египта. В письменах Древней Индии упоминаются способы изменения текста, которые использовали не только правители, но и ремесленники, желающие скрыть секрет мастерства. Истоком криптографии считается использование специальных иероглифов в древнеегипетской письменности около четырех тысячелетий назад.

Первым шифром, зародившимся в древних цивилизациях и актуальным, в некотором роде, и по сей день, можно считать шифр замены. Чуть позже был придуман шифр сдвига, который применялся Юлием Цезарем, почему и был назван в его честь.

Помимо шифров, нельзя не упомянуть о приборах для шифрования, которые разрабатывали древние математики. Например, скитала - первый шифратор, разработанный в Спарте. Представлял собой палку, на которую по всей длине наматывалась лента пергамента. Текст наносился вдоль оси палки, после чего пергамент снимался, и получалось шифрованное сообщение. Ключом служил диаметр палки. Однако такой способ шифрования был абсолютно нестойким - автором взлома стал Аристотель. Он наматывал ленту пергамента на конусообразную палку до тех пор, пока не появлялись отрывки читаемого текста.

Также ярким примером из мира древних шифраторов может стать диск Энея - диск с отверстиями по количеству букв в алфавите. Нитка протягивалась последовательно в те отверстия, которые соответствовали буквам сообщения. Получатель вытаскивал нитку, записывал последовательность букв и читал секретное послание. Однако этот шифратор обладал существенным недостатком - достать нитку и разгадать послание мог кто угодно.

Шифр сдвига

Это один из самых первых типов шифра. Процесс шифрования очень прост. Он заключается в замене каждой буквы исходного сообщения на другую, отстоящую от исходной на заданное количество позиций в алфавите. Это количество позиций называется ключом. При ключе, равном трем, этот метод называется шифром Цезаря. Император использовал его для секретной переписки. Для того чтобы зашифровать сообщение, нужно построить таблицу подстановок:

a	b	c	d	e	f	g	h	i	j	k	l	m	n	o	p	q	r	s	t	u	v	w	x	y	z
d	e	f	g	h	i	j	k	l	m	n	o	p	q	r	s	t	u	v	w	x	y	z	a	b	c

Как видишь, во втором ряду символы алфавита сдвинуты на три позиции «назад». Чтобы зашифровать сообщение, для каждого символа исходного текста нужно взять соответствующий ему символ из таблицы подстановки.

Пример шифра

Исходный текст: Hi, Brut! How are you?
Шифрованный текст: Kl, Euxw! Krz duh brx?

Расшифрование

На этапе расшифрования мы имеем шифрованный текст и ключ, равный трем. Чтобы получить исходный текст, ищем для каждого символа сдвиг на три позиции к началу алфавита. Так, для первого символа K сдвиг три будет означать символ H. Далее посимвольно расшифровываем текст, пока не получаем исходную фразу Hi, Brut! How are you? .

Криптоанализ

Легче всего такой шифр взломать простым перебором всех возможных значений ключа - их всего 25. Здесь все просто, и останавливаться смысла нет.

Другой вариант - использовать частотный анализ текста. Для каждого языка есть статистическая информация о частоте употребления каждой буквы алфавита и наиболее часто встречающихся сочетаний букв. Для английского, например, среднестатистические частоты употребления букв таковы:

e 0,12702	s 0,06327	u 0,02758	p 0,01929	q 0,00095
t 0,09056	h 0,06094	m 0,02406	b 0,01492	z 0,00074
a 0,08167	r 0,05987	w 0,02360	v 0,00978
o 0,07507	d 0,04253	f 0,02228	k 0,00772
i 0,06966	l 0,04025	g 0,02015	j 0,00153
n 0,06749	c 0,02782	y 0,01974	x 0,00150

Что касается двухбуквенных сочетаний (биграмм), то можно заметить следующую тенденцию:

Биграмма	Процентное содержание	Биграмма	Процентное содержание
th	3,15	he	2,51
an	1,72	in	1,69
er	1,54	re	1,48
es	1,45	on	1,45
ea	1,31	ti	1,28
at	1,24	st	1,21
en	1,20	nd	1,18

Идея в том, что в зашифрованном тексте самой часто встречаемой буквой будет не эталонная e, а что-то другое. Соответственно, нам нужно найти самую часто встречаемую букву в нашем шифре. Это и будет зашифрованная е. А дальше нужно подсчитать ее сдвиг от е в таблице подстановок. Полученное значение и есть наш ключ!

Шифр замены

Основной недостаток шифра сдвига заключается в том, что есть всего 25 возможных значений ключа. Даже Цезарь начал подозревать, что его шифр не самая лучшая идея. Поэтому на смену ему пришел шифр замены. Для того чтобы воспользоваться этим алгоритмом, создается таблица с исходным алфавитом и, непосредственно под ним, тот же алфавит, но с переставленными буквами (или любой другой набор знаков):

a	b	c	d	e	f	g	h	i	j	k	l	m	n	o	p	q	r	s	t	u	v	w	x	y	z
b	e	x	g	w	i	q	v	l	o	u	m	p	j	r	s	t	n	k	h	f	y	z	a	d	c

Пример шифра

Действуем аналогично предыдущему шифру. Для каждого символа исходного текста берем соответствующий ему из таблицы подстановки:

Исходный текст: Hi, Brut! How are you?
Шифрованный текст: Vl, Enfh!Vrz bnw drf?

Расшифрование

При расшифровании заменяем каждый символ шифротекста соответствующим символом из известной нам таблицы подстановки: v => h, l => i и так далее. После чего получаем исходную строку Hi, Brut! How are you? .

Криптоанализ

Криптоанализ этого шифра также выполняется методом частотного анализа текста. Рассмотрим пример:

MRJGRJ LK HVW XBSLHBM RI QNWBH ENLHBLJ , LHK SRMLHLXBM , WXRJRPLX , BJG XRPPWNXLBM XWJHNW . LH LK RJW RI HVW MBNQWKH XLHLWK LJ HVW ZRNMG BJG HVW MBNQWKH XLHD LJ WFNRSW . LHK SRSFMBHLRJ LK BERFH 8 PLMMLRJ . MRJGRJ LK GLYLGWG LJHR KWYWNBM SBNHK : HVW XLHD , ZWKHPLJKHWN , HVW ZWKH WJG , BJG HVW WBKH WJG . HVW VWBNH RI MRJGRJ LK HVW XLHD , LHK ILJBJXLBM BJG EFKLJWKK XWJHNW . JFPWNRFK EBJUK , RIILXWK , BJG ILNPK BNW KLHFBHWG HVWNW , LJXMFGLJQ HVW EBJU RI WJQMBJG , HVW KHRXU WAXVBJQW , BJG HVW RMG EBLMWD . IWZ SWRSMW MLYW VWNW , EFH RYWN B PLMMLRJ SWRSMW XRPW HR HVW XLHD HR ZRNU . HVWNW BNW KRPW IBPRFK BJXLWJH EFLMGLJQK ZLHVLJ HVW XLHD . SWNVBSK HVW PRKH KHNLULJQ RI HVWP LK HVW KH . SBFM \ "K XBHVWGNBM , HVW QNWBHWKH RI WJQMLKV XVFNXVWK . LH ZBK EFLMH LJ HVW 17HV XWJHFND ED KLN XVNLKHRSVWN ZNWJ . HVW HRZWN RI MRJGRJ ZBK IRFJGWG ED OFMLFK XBWKBN BJG LJ 1066 NWEFLMH ED ZLMMLBP HVW XRJTFWNRN . LH ZBK FKWG BK B IRNHNWKK , B NRDBM SBMBXW , BJG B SNLKRJ . JRZ LH LK B PFKWFP .

Частотный анализ букв этого шифра показывает следующее (читай построчно, буквы сортированы по частоте использования):

W -88 , H -74 , L -67 , J -55 , B -54 , K -52 , R -51 , N -41 , M -36 , V -35 , X -29 , G -27 , F -23 , P -16 , S -16 , I -15 , Z -13 , E -13 , D -11 , Q -10 , U -5 , Y -4 , T -1 , O -1 , A -1

Вероятно, что W => e, так как это самая часто встречающаяся буква в шифре (смотри таблицу среднестатистических частот использования букв для английского языка в предыдущем шифре).

Дальше пробуем найти наиболее короткое слово, куда входит уже известная нам буква W => e. Видим, что сочетание HVW чаще всего встречается в шифре. Нетрудно догадаться, что, скорее всего, это триграмма the, то есть в тексте мы уже определили три символа. Если посмотреть на промежуточный результат, сомнений не остается:

MRJGRJ LK the XBSLtBM RI QNeBt ENLtBLJ , LtK SRMLtLXBM , eXRJRPLX , BJG XRPPeNXLBM XeJtNe . Lt LK RJe RI the MBNQeKt XLtLeK LJ the ZRNMG BJG the MBNQeKt XLtD LJ eFNRSe . LtK SRSFMBtLRJ LK BERFt 8 PLMMLRJ . MRJGRJ LK GLYLGeG LJtR KeYeNBM SBNtK : the XLtD , ZeKtPLJKteN , the ZeKt eJG , BJG the eBKt eJG . the heBNt RI MRJGRJ LK the XLtD , LtK ILJBJXLBM BJG EFKLJeKK XeJtNe . JFPeNRFK EBJUK , RIILXeK , BJG ILNPK BNe KLtFBteG theNe , LJXMFGLJQ the EBJU RI eJQMBJG , the KtRXU eAXhBJQe , BJG the RMG EBLMeD . IeZ SeRSMe MLYe heNe , EFt RYeN B PLMMLRJ SeRSMe XRPe tR the XLtD tR ZRNU . theNe BNe KRPe IBPRFK BJXLeJt EFLMGLJQK ZLthLJ the XLtD . SeNhBSK the PRKt KtNLULJQ RI theP LK the Kt . SBFM \ "K XBtheGNBM , the QNeBteKt RI eJQMLKh XhFNXheK . Lt ZBK EFLMt LJ the 17th XeJtFND ED KLN XhNLKtRSheN ZNeJ . the tRZeN RI MRJGRJ ZBK IRFJGeG ED OFMLFK XBeKBN BJG LJ 1066 NeEFLMt ED ZLMMLBP the XRJTFeNRN . Lt ZBK FKeG BK B IRNtNeKK , B NRDBM SBMBXe , BJG B SNLKRJ . JRZ Lt LK B PFKeFP .

Отлично, уже известны три буквы. Снова ищем наиболее короткие слова с новыми известными нам подстановками. Сочетание it является частоупотребляемым, и, поскольку буква t уже дешифрована (HVW => the), очевидно, что в нашем тексте L => i (LH => it). После этого обращаемся к поиску биграмм is и to, устанавливаем, что K => s, R => o. Затем обращаем внимание на триграммы ~ing и and. Анализ текста показывает, что BJG, скорее всего, шифротекст от and. После замены всех наиболее часто встречающихся символов получаем текст:

Mondon is the XaSitaM oI QNeat ENitain , its SoMitiXaM , eXonoPiX , and XoPPeNXiaM XentNe . it is one oI the MaNQest Xities in the ZoNMd and the MaNQest XitD in eFNoSe . its SoSFMation is aEoFt 8 PiMMion . Mondon is diYided into seYeNaM SaNts : the XitD , ZestPinsteN , the Zest end , and the east end . the heaNt oI Mondon is the XitD , its IinanXiaM and EFsiness XentNe . nFPeNoFs EanUs , oIIiXes , and IiNPs aNe sitFated theNe , inXMFdinQ the EanU oI enQMand , the stoXU eAXhanQe , and the oMd EaiMeD . IeZ SeoSMe MiYe heNe , EFt oYeN a PiMMion SeoSMe XoPe to the XitD to ZoNU . theNe aNe soPe IaPoFs anXient EFiMdinQs Zithin the XitD . SeNhaSs the Post stNiUinQ oI theP is the st . SaFM \ "s XathedNaM , the QNeatest oI enQMish XhFNXhes . it Zas EFiMt in the 17th XentFND ED siN XhNistoSheN ZNen . the toZeN oI Mondon Zas IoFnded ED OFMiFs XaesaN and in 1066 NeEFiMt ED ZiMMiaP the XonTFeNoN . it Zas Fsed as a IoNtNess , a NoDaM SaMaXe , and a SNison . noZ it is a PFseFP .

London is the capital of Great Britain , its political , economic , and commercial centre . It is one of the largest cities in the world and the largest city in Europe . Its population is about 8 million . London is divided into several parts : the City , Westminster , the West End , and the East End . The heart of London is the City , its financial and business centre . Numerous banks , offices , and firms are situated there , including the Bank of England , the Stock Exchange , and the Old Bailey . Few people live here , but over a million people come to the City to work . There are some famous ancient buildings within the City . Perhaps the most striking of them is the St . Paul "s Cathedral , the greatest of English churches . It was built in the 17th century by Sir Christopher Wren . The Tower of London was founded by Julius Caesar and in 1066 rebuilt by William the Conqueror . It was used as a fortress , a royal palace , and a prison . Now it is a museum .

Как видишь, в этом криптоанализе нашим главным инструментом был статистический анализ частот. Идем дальше!

Шифр Рихарда Зорге

Нельзя рассказывать о шифрах и ни слова не сказать о шпионах. В недалеком прошлом, когда компьютеров еще не было, информацию стремились скрыть в основном разведчики. Наука о шифровании не могла стоять на месте, ведь служба Родине была самым важным и нужным ее предназначением. Кстати, именно советские шифры, разработанные отечественными специалистами, на многие десятилетия вперед определили вектор развития криптографии.

Давай разберем довольно известный шифр Рихарда Зорге - советского разведчика, который был направлен в Японию. Этот шифр продуман до мелочей. Шифрование ведется на английском языке. Первоначально нужно составить следующую таблицу:

S	U	B	W	A	Y
C	D	E	F	G	H
I	J	K	L	M	N
O	P	Q	R	T	V
X	Y	Z	.	/

Сначала записываем в нее слово SUBWAY, выбранное нами. Затем пишем все остальные буквы алфавита по порядку. Слеш означает новое слово (разделитель), а точка обозначает себя. Далее наиболее часто встречающиеся буквы английского алфавита (A , S , I , N , T , O , E , R) нумеруются в порядке появления в таблице:

0) S	U	B	W	5) A	Y
C	D	3) E	F	G	H
1) I	J	K	L	M	7) N
2) O	P	Q	4) R	6) T	V
X	Y	Z	.	/

Саму таблицу мы строим по горизонтали, записывая буквы рядами, а нумеруем по вертикали, столбцами. Так улучшаются перемешивающие свойства.

Далее таблица преобразуется к следующему виду: сначала в строку по столбцам записываются наиболее часто встречаемые буквы в порядке нумерации (S, I, E, …). А затем записываются и все остальные буквы, также по столбцам в строки (С, X, U, D, J, …). Такая таблица обеспечит хорошие перемешивающие свойства и в то же время не «испортит» частотный анализ шифротекста:

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
-	S	I	O	E	R	A	T	N	-	-
8	C	X	U	D	J	P	Z	B	K	Q
9	.	W	F	L	/	G	M	Y	H	V

Таблица готова. Теперь можно зашифровать сообщение.

Пример шифра

Возьмем исходный текст:

Mr . X will fly tomorrow .

Расставим слеши для разделения слов:

Mr . / X / will / fly / tomorrow .

Разобьем текст на блоки по четыре символа (просто для удобства представления):

Mr . / X / wi ll / f ly / t omor row .

Теперь текст нужно зашифровать по нашей таблице. Алгоритм такой:

1. Для каждого исходного символа ищем соответствующую ему цифру в первом столбце (для M это будет 9).
2. Для каждого исходного символа ищем соответствующую ему цифру в первом ряду (для M это будет 6).
3. Записываем полученные символы один за другим (96). Если вместо символа в первом ряду/столбце стоит прочерк, не пишем ничего:96 4 …
   M R …
4. Переходим к следующему символу. И так далее.

В итоге у нас получится такой шифротекст:

9649094 81 94 911 93939492 9397946 29624 429190 M R . / X / W I L L / F L Y / T OM OR ROW .

После этого шифротекст заново переразбивается на блоки одинаковой длины по пять символов. Оставшиеся символы, которые придутся на последнюю незавершенную группу из пяти символов, можно просто отбросить. Если у нас останется больше двух символов, то их нужно добить нулями до полной группы из пяти. Если один или два - можно отбросить, они не несут особо много информации, и до них легко догадаются в штабе. В нашем случае лишних символов не осталось.

После перегруппировки у нас получится вот такой шифротекст:

96490 94819 49119 39394 92939 79462 96244 29190

Далее нужно наложить на полученный шифротекст некую гамму. Если упрощенно, то гамма - это последовательность чисел, которая выбирается для сложения с исходным шифротекстом. Например, если у нас есть гамма 1234 5678 9876 , а исходный шифротекст выглядел как 12222 14444 1555 , то конечный шифротекст после наложения гаммы выглядит как их сумма - 1234+12222, 14444+5678, 9876+1555 .

Откуда брать гамму и как незаметно передать ее в штаб? Зорге выбирал гамму из «Немецкого статистического ежегодника». Такое издание не должно было вызвать удивление у японцев, так как Зорге приехал в страну под видом немецкого журналиста. Зорге указывал страницу и столбец, откуда начиналась последовательность, которая была наложена на шифротекст в этом послании. Например, 201-я страница и 43-й столбец. Эти данные он записывал добавочным числом 20143 перед шифротекстом, который, в свою очередь, уже шифровался гаммой.

Конечно, сегодня стоит выбирать более известный источник для гаммы. Подойдут любые распространенные табличные данные, не вызывающие подозрения. Но для знакомства с шифром давай все же использовать аутентичный исходник:).

Предположим, мы выбрали 199-ю страницу и четвертую строку, четвертый столбец. Отсюда и начинается нужная гамма:

324 36 380 230 6683 4358 50 2841

В этом случае, чтобы наложить гамму, нужно сделать:

19946 { 96490 + 324 94819 + 36 49119 + 380 39394 + 230 92939 + 6683 79462 + 4358 96244 + 50 29190 + 2841 }

В итоге полученный шифротекст будет:

19946 96814 94855 49499 39624 99622 83820 96294 32031

Расшифрование

В Москве этот текст расшифровывали с помощью аналогичной таблицы. Первым делом анализировалось первое пятизначное число, и в справочнике находилась указанная последовательность гаммы:

{ 96814 - 324 94855 - 36 49499 - 380 39624 - 230 99622 - 6683 83820 - 4358 96294 Mr . X will fly tomorrow

Криптоанализ

Шифр Зорге так и не был взломан вражескими криптоаналитиками. Множество раз японские спецслужбы перехватывали шифротекст, но он так и останется в виде колонок пятизначных чисел, которые подшивались в дела непойманных шпионов.

Шифр Вернама

Во время Первой мировой войны криптологами активно использовался одноразовый шифр-блокнот, или шифр Вернама. Доказано, что он теоретически абсолютно стойкий, однако ключ key должен быть той же длины, что и передаваемое сообщение. Абсолютная стойкость - это свойство, при котором зашифрованное сообщение не поддается криптоанализу, так как не дает злоумышленнику никакой информации об открытом тексте.

Cуть шифра Вернама крайне проста. Для этого нужно вспомнить операцию «исключающее или» или сложение по модулю 2. Итак, для сообщения plaintext шифротекст будет равен:

-- -- - +

G 11011

Во времена Первой мировой войны двоичные коды для символов задавались в Международном телеграфном алфавите № 2 (International Telegraph Alphabet No. 2, ITA2).

На самом деле, несмотря на свою криптостойкость, этот шифр имеет больше минусов, нежели плюсов:

• в качестве ключа должна быть абсолютно случайная последовательность - вероятно, придется стоять и подбрасывать кубик, чтобы сгенерировать такую;
• для передачи необходим защищенный канал - сомнительно, что он всегда имелся под рукой во времена Первой мировой войны;
• если третья сторона сможет каким-то образом узнать послание, она легко и восстановит ключи, и подменит сообщение;
• требуется надежное уничтожение страницы блокнота - сжечь ее и съесть пепел, тогда враг точно не узнает, что было зашифровано.

Пример шифра

Исходный текст: HELLO
Ключ: AXHJB

Складываем побитово по модулю 2 и ищем, какой букве соответствует полученный код в телеграфном алфавите:

H⊕A = 10100⊕00011 = 10111 => Q
E⊕X = 00001⊕11101 = 11100 => M
L⊕H = 10010⊕10100 = 00110 => I
L⊕J = 10010⊕01011 = 11001 => B
O⊕B = 11000⊕11001 = 00001 => E

Шифрованный текст: QMIBE

Расшифрование

Расшифрование с помощью ключа выполняется аналогично шифровке:

ciphertext⊕key = plaintext

Криптоанализ

При правильном использовании ключа злоумышленник может только угадать символы. Даже при условии, что у него будет неограниченное количество шифротекстов, но все они будут зашифрованы на различных ключах из разных символов, он будет иметь бесконечное множество вариантов исходного текста. При этом догадываться о значении исходного текста можно лишь по количеству символов.

Криптоанализ шифра Вернама легко возможен в том случае, если при шифровании мы выбрали ключ с повторяющимися символами. Если злоумышленнику удалось заполучить несколько текстов с перекрывающимися ключами, он сможет восстановить исходный текст.

Рассмотрим атаку, которая осуществима, если мы дважды при шифровании используем один и тот же ключ. Она называется атака вставки.

Предположим, нам удалось перехватить зашифрованное сообщение QMIVE. Мы пытаемся взломать шифр и убедили отправителя зашифровать свое сообщение еще раз, но при этом поставить первым символом 1 (конечно, отправитель должен быть безмерным простофилей, чтобы выполнить такое условие, но, предположим, мы умеем убеждать).

Тогда мы получаем шифротекст VDYBJY.

Нам известно, что первый символ 1. Я вычисляю первый символ секретного ключа key:

H⊕D = 10100⊕01001 = 11101 => X

Применяем его к первому тексту и получаем:

M⊕X = 11100⊕11101 = 00001 => E

• складываем символ открытого текста с символом шифротекста => узнаем символ ключа;
• складываем символ ключа с соответствующим символом шифротекста => получаем символ открытого текста

Такая последовательность операций повторяется, пока не станут известны все символы открытого текста.

Шифровальные машины

Cо временем шифрование вручную стало казаться долгим и малополезным. Криптографы постоянно шифровали, а криптоаналитики в это время отчаянно пытались взломать шифр. Нужно было ускорять и автоматизировать процесс и усложнять алгоритм. Наиболее подходящим для модификации оказался шифр замены. Если текст, зашифрованный этим способом вручную, можно было без особого труда восстановить, то машина могла проделать эту операцию несколько раз, и восстановить текст становилось очень трудно.

Итак, основным механизмом работы шифратора был диск с нанесенными с двух сторон контактами, соответствующими алфавитам открытого и шифрованного текста. Контакты соединялись между собой по некоторому правилу, называемому коммутацией диска. Эта коммутация определяла замену букв при начальном положении диска. При изменении положения диска коммутация менялась и алфавит для шифрования сдвигался.

Пример работы

Пусть начальное положение диска задает подстановку:

a	b	c	d	e	f	g	h	i	j	k	l	m	n	o	p	q	r	s	t	u	v	w	x	y	z
b	e	x	g	w	i	q	v	l	o	u	m	p	j	r	s	t	n	k	h	f	y	z	a	d	c

После того как первая буква исходного текста заменена, ротор поворачивается и подстановка сдвигается на один символ:

a	b	c	d	e	f	g	h	i	j	k	l	m	n	o	p	q	r	s	t	u	v	w	x	y	z
e	x	g	w	i	q	v	l	o	u	m	p	j	r	s	t	n	k	h	f	y	z	a	d	c	b

Вторая буква будет зашифрована согласно новому алфавиту. А после ее замены ротор сдвигается вновь, и так далее по количеству символов в исходном шифруемом сообщении.

Энигма

Первой роторной машиной шифрования была «Энигма», состоявшая на вооружении Германии во время Второй мировой войны. Она имела три ротора, связанных между собой. При повороте первого ротора соединенное с ним кольцо попадает в паз второго диска и толкает его. Аналогично итерации третьего ротора контролируются вторым ротором. В итоге при каждом нажатии на клавишу машины одна и та же буква кодируется совершенно разными значениями.

При шифровании необходимо было учитывать начальное положение роторов, их порядок и положения колец. Для двойной замены букв используется штекерная панель. Рефлектор осуществляет завершающую подстановку для контроля соответствия между операциями зашифрования и расшифрования. Взгляни на конструкцию «Энигмы»:

На рисунке жирной линией выделено, как буква A вводится с клавиатуры, кодируется штекером, проходит через три ротора, заменяется на рефлекторе и выходит зашифрованной буквой D.

«Энигма» долгое время считалась неуязвимой. Немцы ежедневно меняли положение штекеров, диски и их компоновку и положение. Во время военных действий они ежедневно кодировали короткую последовательность букв, которая шифровалась дважды и передавалась в самом начале сообщения. Адресат дешифровал ключ и устанавливал настройки машины согласно этому ключу. Именно это многократное использование одного и того же ключа позволило аналитикам из Блетчли-Парка (главного шифровального подразделения Великобритании) взломать немецкий шифр.

На самом деле механизм «Энигмы» не является стойким, так как штекеры и рефлектор выполняют взаимоисключающие операции. Пользуясь частотным анализом для достаточно большого шифротекста, можно подобрать положение роторов брутфорсом. Именно из-за этих уязвимостей «Энигма» остается лишь экспонатом в музее Блетчли-Парка.

Сигаба

Спустя десять лет американскими военными была разработана роторная шифровальная машина «Сигаба», которая значительно превзошла по характеристикам свою прародительницу. «Сигаба» имеет три блока по пять роторов и печатающий механизм. Шифрование на этой машине использовалось американскими военными и военно-морским флотом вплоть до 1950-х годов, пока ее не сменила более новая модификация KL-7. Как известно, эта роторная машина так и не была взломана.

Purple

Говоря о знаменитых криптографических механизмах, нельзя не упомянуть о японской шифровальной машине Purplе, как ее назвали американцы. Шифрование в Purple также основывалось на движении четырех роторов, а секретный ключ задавался один раз в день. Текст вводился с клавиатуры, при помощи роторов заменялся на шифрованный и выводился напечатанным на бумаге. При расшифровании процесс последовательного прохождения через роторы повторялся в обратном порядке. Такая система является совершенно стойкой. Однако на практике ошибки при выборе ключей привели к тому, что Purple повторила судьбу немецкой «Энигмы». Она была взломана американским отделом криптоаналитиков.

Выводы

Опыт истории криптографии показывает нам значимость выбора секретного ключа и частоты смены ключа. Ошибки в этом тяжелом процессе превращают любую систему шифрования в менее стойкую, чем она могла бы быть. В следующий раз поговорим про распределение ключей.

ссылки:

Это первый урок из цикла «Погружение в крипту». Все уроки цикла в хронологическом порядке:

• Уроки криптографии. Основные шифры. часть 1. Основы, исторические шифраторы, как работают (и анализируются) шифры сдвига, замены, Рихарда Зорге, шифр Вернама и шифровальные машины (ты здесь)
• . часть 2. Что это такое, как выполняется распределение ключей и как выбрать криптостойкий ключ
• Что тaкое сеть Фейстеля, какими бывают отечественные блочные шифры, используемые в современных протоколах, - ГОСТ 28147-89, «Кузнечик»
• Урок 4. Современные зарубежные шифры . Что такое, как работают и в чем разница между 3DES, AES, Blowfish, IDEA, Threefish от Брюса Шнайдера
• Урок 5. Электронная подпись . Виды ЭП, как они работают и как их использовать
• Урок 6. Квантовая криптография . Что это такое, где используется и как помогает в распределении секретных ключей, генерации случайных чисел и электронной подписи

[Всего голосов: 5 Средний: 3.8/5]

Last updated by at Июнь 28, 2016 .

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 .