Файл: Вопросы Криптография основные термины.pdf

КРИПТОГРАФИЯ: ОСНОВНЫЕ
ПОНЯТИЯ
И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Вопросы:
1.1. Криптография: основные термины
1.2. Простейшие шифры
1.3. Криптоанализ
1.4. Безопасность данных
1.5. Криптосистемы
1.6. Требования к секретности и достоверности
1.7. Классификация криптосистем

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Под ключом понимается некая секретная последовательность символов, используемая алгоритмом для криптографического преобразования данных.
Шифр – совокупность обратимых преобразований комплекса открытых данных на комплекс зашифрованных данных, которые представлены в виде алгоритма криптографического преобразования.
Шифрование представляет собой процесс зашифрования или расшифрования данных.
Зашифрование данных – процесс преобразования открытых данных в закрытые при помощи шифра.
Расшифрование данных – процесс преобразования зашифрованных данных в открытые, используя при этом шифр.
Гаммирование - процесс наложения с помощью некоего закона гамма-шифра на открытые данные.
Гамма-шифр – это псевдослучайная двоичная последовательность, генерируемая по заданному алгоритму с целью зашифрования и дешифрования данных.

Дешифрирование – процесс трансформации зашифрованных данных в открытый текст без знания ключа и, скорее всего, алгоритма.
Под криптостойкостью понимается характеристика шифра, которая определяет его устойчивость к дешифрованию. Чаще всего подобная характеристика определяется периодом времени, необходимым для декодирования.
Имитозащита – специальный набор символов, который добавляется к сообщению и предназначен для обеспечения его целостности и аутентификации источника данных.
Криптографическая защита – это защита данных при помощи криптографического преобразования, которое включает в себя преобразование информации и (или) выработкой имитовставки.
Уравнение зашифрования (расшифрования) – соотношение, которое описывает процесс создания зашифрованных (открытой) данных из открытых (зашифрованных) данных посредством преобразований, заданных алгоритмом криптографического преобразования.
Синхропосылка – открытые исходные параметры алгоритма криптографического преобразования.

Требования к секретности и достоверности
Аппаратная реализация.
• высокая скорость работы;
• высокая надежность;
• высокая стоимость.
Программная реализация:
• доступность;
• простота в использовании;
• дешевизна;
• низкая надежность

ТРЕБОВАНИЯ К СОВРЕМЕННЫМ
ШИФРСИСТЕМАМ
1. Шифротекст не должен значительно превышать объем информации. исходной
2. Криптостойкость должна быть обеспечена только секретностью ключа.
3. Стоимость шифрования должна соответствовать стоимости преобразующейся информации.
4. Устойчивость шифра, противолежащего криптоанализу, должна обеспечивать такой уровень, при котором вскрытие шифра невозможно без решения задачи полного перебора ключей.
5. Время шифрования не должно быть большим.
6. Ошибки в шифровании, не должны приводить к искажению и потере информации.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
К СОВРЕМЕННЫМ
ШИФРСИСТЕМАМ
1. Алгоритм шифрования должен позволять аппаратную и программную реализацию.
2. Обладание знанием об алгоритме шифрования не должно влиять на степень защиты, устойчивость шифра должна определяться лишь секретностью ключа.
3. Невозможность криптоаналитической атаки открытого текста
4. Небольшое изменение ключа шифрования или открытого текста должно привести к значительному изменению вида зашифрованного текста.
5. Единственный возможный способ раскрытия зашифрованного осуществляться лишь при дешифрации его на секретном ключе, текста а поиск должен ключа дешифрования должен заключаться лишь в полном их переборе.
6. Избыточность информации, которая вносится в зашифрованный текст путем шифрования, желательно должна быть незначительным.
7. Закрытые данные должны поддаваться чтению лишь обладателям секретного ключа шифрования.

ТИПЫ КРИПТОГРАФИЧЕСКИХ АТАК
1. Криптоаналитическая атака при наличии лишь известного закрытого текста.
2. Криптоаналитическая атака при наличии лишь известного закрытого текста С.
3. Криптоаналитическая атака методом анализа частотности закрытого текста.
4. Криптоаналитическая атака методом полного перебора всех возможных ключей.

ОБЩАЯ СХЕМА ПЕРЕДАЧИ КЛЮЧЕЙ

1. Шифры перестановки:
1.1. Шифр перестановки ―скитала‖ (цилиндр + намотанная кожа).
1.2. Шифрующие таблицы (запись цифр алфавита в матрицу).
1.3. Применение магических квадратов.
Все традиционные криптографические системы можно подразделить на:
Шифрование перестановкой заключается в том, что символы шифруемого текста переставляются по определенному правилу в пределах некоторого блока этого текста. При достаточной длине блока, в пределах которого осуществляется перестановка, и сложном неповторяющемся порядке перестановки можно достигнуть приемлемой для простых практических приложений стойкости шифра.

2. Шифры простой замены:
2.1. Полибианский квадрат.
2.2. Система шифрования Цезаря (сдвиг текста на определенное число позиций).
2.3. Аффинная система подстановок Цезаря.
2.4. Система Цезаря с ключевым словом.
2.5. Шифрующие таблицы Трисемуса.
2.6. Биграммный шифр Плейфейра.
2.7. Криптосистема Хилла.
2.8. Система омофонов.
Шифрование заменой (подстановкой) заключается в том, что символы шифруемого текста заменяются символами того же самого
(простая замена), также одно или нескольких других алфавитов
(сложная замена) в соответствии с заранее обусловленной схемой замены.

3. Шифры сложной замены:
3.1. Шифр Гронсфельда.
3.2. Система шифрования Вижинера.
3.3. Шифр ―двойной квадрат‖ Уитстона.
3.4. Одноразовая система шифрования.
3.5. Шифрование методом Вернама.
3.6. Роторные машины.

4. Шифрование методом гаммирования.
Шифрование гаммированием заключается в том, что символы шифруемого текста складываются с символами некоторой случайной последовательности, именуемой гаммой шифра. Стойкость шифрования определяется в основном длиной (периодом) неповторяющейся части гаммы шифра. Данный способ является одним из основных для шифрования информации в автоматизированных системах.

5. Шифрование, основанное на аналитических преобразованиях
шифруемых данных.
Шифрование аналитическим преобразованием заключается в том, что шифруемый текст преобразуется по некоторому аналитическому правилу
(формуле). Например, можно использовать правило умножения вектора на матрицу, причем умножаемая матрица является ключом шифра, а символами умножаемого вектора последовательно служат символы шифруемого текста.
Другим примером может служить использование так называемых однонаправленных функций для построения криптосистем с открытым ключом

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ
КРИПТОГРАФИЧЕСКОГО ЗАКРЫТИЯ ИНФОРМАЦИИ

КЛАССИФИКАЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ
КРИПТОГРАФИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Классические криптографические методы и алгоритмы разделяют на два основных типа: симметричные (с секретным ключом), асимметричные (с открытым ключом)
В симметричных методах для шифрования и расшифровывания используется один и тот же секретный ключ.

СИММЕТРИЧНОЕ ШИФРОВАНИЕ

Общая технология использования симметричного метода шифрования

К достоинствам симметричных методов относят
высокое быстродействие и простоту.
Основным недостатком указанных методов является то, что ключ должен быть известен и отправителю, и получателю.
Это существенно усложняет процедуру назначения и распределения ключей между пользователями. По существу, в открытых сетях должен быть предусмотрен физически защищенный канал передачи ключей.
Названный недостаток послужил причиной разработки методов шифрования с открытым ключом – асимметричных методов

Наиболее известным стандартом на симметричное шифрование с закрытым ключом является стандарт для обработки информации в государственных
учреждениях США DES (Data Encryption Standard).
Коммерческий вариант алгоритма DES использует ключ длиной 56 бит, что требует от злоумышленника перебора 72·10^12 возможных ключевых комбинаций.
Более криптостойкая (но втрое менее быстродействующая) версия алгоритма
DES - Triple DES (тройной DES) позволяет задать ключ длиной 112 бит
IDEA (International Data Encryption Algorithm), отличающийся применением ключа длиной 128 бит. Он считается более стойким, чем
DES.
Отечественный стандарт шифрования данных - ГОСТ 28147-89 “Системы
обработки информации. Защита криптографическая. Алгоритм
криптографического преобразования” определяет алгоритм симметричного шифрования с ключом длиной до 256 бит.

Асимметричные методы используют два взаимосвязанных
ключа: для шифрования и расшифрования.
Один ключ является закрытым и известным только получателю.
Его используют для расшифрования.
Второй из ключей является открытым, т.е. он может быть общедоступным по сети и опубликован вместе с адресом пользователя. Его используют для выполнения шифрования.

Использование асимметричного метода шифрования с открытым ключом

Как отмечалось, основным недостатком асимметричных алгоритмов является их низкое быстродействие: данные алгоритмы в несколько тысяч раз медленнее симметричных алгоритмов.
Поэтому для исключения данного недостатка используют технологии сочетания симметричных и асимметричных методов шифрования. В частности, текст шифруется быстродействующим симметричным алгоритмом, а секретный
(случайный) ключ, сопровождающий текст, - асимметричным алгоритмом

В настоящее время наиболее известными и надежными являются следующие асимметричные алгоритмы: алгоритм RSA (Rivest, Shamir, Adleman); алгоритм Эль Гамаля.

СИММЕТРИЧНЫЕ СИСТЕМЫ С ЗАКРЫТЫМ
(СЕКРЕТНЫМ) КЛЮЧОМ
Различают три основных способа шифрования: поточные шифры; блочные шифры; блочные шифры с обратной связью.

Криптосистем и их основные характеристики

Поточное шифрование состоит в том, что биты открытого текста складываются по модулю 2 с битами псевдослучайной
последовательности.
К достоинствам поточных шифров относятся высокая скорость
шифрования, относительная простота реализации и отсутствие
размножения ошибок.
Недостатком является необходимость передачи информации синхронизации перед заголовком сообщения, которая должна быть принята до расшифрования любого сообщения.
Это обусловлено тем, что если два различных сообщения шифруются на одном и том же ключе, то для расшифрования этих сообщений требуется одна и та же псевдослучайная последовательность. Такое положение может создать угрозу криптостойкости системы. Поэтому часто используют дополнительный, случайно выбираемый ключ сообщения, который передается в начале сообщения и применяется для модификации ключа шифрования. В результате разные сообщения будут шифроваться с помощью различных последовательностей.

При
блочном шифровании
открытый текст сначала разбивается на равные по длине блоки, затем применяется зависящая от ключа функция шифрования для преобразования блока открытого текста длиной m бит в блок шифртекста такой же длины.
Достоинством блочного шифрования является то, что каждый бит блока шифртекста зависит от значений всех битов соответствующего блока открытого текста, и никакие два блока открытого текста не могут быть представлены одним и тем же блоком шифртекста. Поэтому в настоящее время подавляющее большинство применяемых на практике как симметричных систем с закрытым (секретным) ключом так и асимметричных систем с открытым ключом представляют собой блочные системы, как правило, с длиной блоков в 64 бита. Алгоритм блочного шифрования может использоваться в различных режимах.
Четыре режима шифрования алгоритма DES практически применимы к любому блочному шифру.

Наиболее
часто применяются системы блочного шифрования с обратной
связью.
Как и при простом блочном шифровании, сообщения разбиваются на ряд блоков. Для преобразования этих блоков в блоки шифртекста используются специальные функции шифрования. Однако, если в блочном шифре такая функция зависит только от ключа, то в блочных шифрах с обратной связью она зависит как от ключа, так и от одного или более предшествующих блоков шифртекста. Достоинством криптосистем с блочного шифрования с обратной связью является возможность применения их для обнаружения манипуляций сообщениями, производимых активными перехватчиками.
При этом используется факт размножения ошибок в таких шифрах, а также способность этих систем легко генерировать код аутентификации сообщений.
Основным недостатком систем блочного шифрования с обратной связью является размножение ошибок и сложность при разработке и реализации.

Математические основы
криптографии

Вспомним какие бывают числа
Используемые в математике числовые множества включают в себя:
•
Натуральные числа — числа, получаемые при естественном счѐте:
•
Целые числа — числа, получаемые объединением натуральных чисел с множеством чисел противоположных натуральным и нулѐм:
•
Рациональные числа — числа, представимые в виде дроби m/n (n ≠ 0), где m — целое число, а n — натуральное число.
ℚ = *… − 1, −
1 2
, 0,
1 2
, 1, … +
•
Действительные (вещественные) числа — множество чисел, представляющее собой расширение множества рациональных чисел, включающее иррациональные числа (те, которые нельзя представить в виде дроби с целыми числами, например 2 3
)
•
Комплексные числа — расширение множества действительных чисел, включающее мнимую единицу ???? = −1 (ℂ)