Симметричные и асимметричные методы шифрования данных

Шифрование данных. Дипломная работа.

 

 Введение

1. Основные термины

2. История криптографии

3. Шифрование на первом  этапе развития криптографии

3.1 Атбаш

3.2 Скитала

3.3 Диск Энея

3.4 Шифр Цезаря

3.5 Квадрат Полибия

3.6 Перестановка "Магический квадрат"

4. Шифры второго и третьего этапов развития криптографии

4.1 Шифр Вижинера

4.2 Шифр Гронсфельда

5. Современные классификации типов шифрования

5.1 Ассиметричные шифры

5.2 Симметричные шифры

6. Энигма

6.1 История появления  "Энигмы"

6.2 Как взломали "Энигму"?

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Передача информации развивалась по мере того, как развивалось человечество.

Информация - это основной  источник развития человека и общества в целом: зародыш уже получает генетическую информацию от его родителей. Информация – один из основных аспектов развития и жизни как человека, так и мирового сообщества.  Она может не только созидать, но и разрушать. Во всех войнах на Земле, выигрывали те, чья информированность о силах и действиях врага была выше. Появилась необходимость появления методов сокрытия информации от посторонних глаз. Одним из этих методов стал шифр.

Каков же истинный возраст шифра и метода, позволяющего преобразовать важную информацию в шифротекст – шифрования?

1. Основные термины

 

Шифр (от араб. صِفْر ‎‎, ṣifr "ноль", откуда фр. chiffre "цифра"; родственно слову цифра) - какая-либо система преобразования текста (код) для обеспечения секретности передаваемой информации.

Шифры применяются для тайной дипломатической переписки, а также для передачи секретных документов в вооруженных силах.

Шифр может представлять собой  совокупность условных знаков либо алгоритм кодирования с использованием обычных  цифр и букв. Процесс засекречивания сообщения с помощью шифра  называется шифрованием. Наука о создании и использовании шифров называется криптографией. Криптоанализ - наука о методах получения исходного значения зашифрованной информации.

Код — совокупность алгоритмов шифрования, отображающих множество возможных открытых данных на множество возможных зашифрованных данных, и обратных им преобразований. Важным параметром любого шифра является ключ — параметр криптографического алгоритма, обеспечивающий выбор одного преобразования из совокупности преобразований, возможных для этого алгоритма. В современной криптографии предполагается, что вся секретность криптографического алгоритма сосредоточена в ключе, но не деталях самого алгоритма (принцип Керкгоффса).

Для изучения шифров была разработана  наука – криптография.

Криптография – наука о методах  обеспечения конфиденциальности и  аутентичности информации.

Изначально криптография изучала  методы шифрования информации — 

обратимого преобразования открытого (исходного) текста на основе

секретного алгоритма и/или ключа в шифрованный текст (шифротекст).

Традиционная криптография образует раздел симметричных криптосистем, в

которых зашифрование и расшифрование  проводится с использованием одного и того же секретного ключа. Помимо этого раздела современная криптография включает в себя асимметричные криптосистемы, системы электронной цифровой подписи (ЭЦП), хеш-функции, управление ключами, получение скрытой информации, квантовую криптографию.

Криптография не занимается: защитой  от обмана, подкупа или шантажа  законных абонентов, кражи ключей и  других угроз информации, возникающих в защищенных системах передачи данных.

Криптография — одна из старейших  наук, ее история насчитывает несколько тысяч лет.

 

 

 

2. История криптографии

 

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

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 XXвека) 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.

Четвертый период — с  середины до 70-х годов XX века — период перехода к математической криптографии. В работах К.Шеннона появляются строгие математические определения количества информации, передачи данных, энтропии, функций шифрования. Обязательным при создания шифра считается изучение его уязвимости к различным известным атакам криптоанализа (линейному и дифференциальному). 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 появлением и развитием нового направления — криптографии с открытым ключом. Он характеризуется не только новыми техническими возможностями, но и сравнительно широким распространением криптографии для использования частными лицами (в предыдущие эпохи криптография использовалась исключительно государством).

Современная криптография образует отдельное научное направление  на стыке математики и информатики — работы в этой области публикуются в научных журналах, организуются регулярные конференции. 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.

3. Шифрование на первом  этапе развития криптографии

 

Имеются свидетельства, что  криптография возникла вместе с письменностью, и способы тайного письма были известны уже древним цивилизациям Индии и Египта. В древнеиндийских текстах среди 64-х искусств названы способы изменения текста, некоторые из них можно отнести к криптографическим.

Первым упоминанием об использовании криптографии принято  считать использование специальных  иероглифов около 3900 лет назад в  Древнем Египте. Хотя целью было не затруднить чтение текста — скорее наоборот, с помощью необычности  и загадочности привлечь внимание читателя и прославить вельможу Хнумхотепа Второго (англ. Khnumhotep II). В дальнейшем встречаются  различные упоминания об использовании  криптографии, большая часть относится  к использованию в военном  деле.

Рассмотрим некоторые  шифры, которые возникли на заре развития криптографии.

 

3.1 Атбаш

 

Атба́ш (ивр. אתב"ש‎) — простой шифр подстановки для иврита. Правило шифрования состоит в замене i-й буквы алфавита буквой с номером n − i + 1, где n — число букв в алфавите. Пример для латинского алфавита выглядит так:

Исходный текст: abcdefghijklmnopqrstuvwxyz

Зашифрованный текст: ZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA

 

Происхождение слова "атбаш" объясняется принципом замены букв. Слово אתבש составлено из букв "алеф", "тав", "бет" и "шин", то есть первой и последней, второй и предпоследней букв еврейского алфавита.

3.2 Скитала

Скитала ("шифр древней Спарты"- от слова «посох») также является одним из древнейших известных криптографических устройств.

Известно, что скитала использовалась в войне Спарты против Афин в конце V века до н. э.

Принцип её действия изложили Аполлоний Родосский (середина III века до н. э.) и Плутарх (около 45—125 н. э.), но сохранилось лишь описание последнего. Скитала представляла собой длинный стержень, на который наматывалась лента из пергамента. На ленту наносился текст вдоль оси скиталы, так, что после разматывания текст становился нечитаемым. Для его восстановления требовалась скитала такого же диаметра.

 

 

Считается, что автором  способа взлома шифра скиталы  является Аристотель, который наматывал  ленту на конусообразную палку до тех пор, пока не появлялись читаемые куски текста.

3.3 Диск Энея

 

Диск Энея — криптографический  инструмент для защиты информации, созданный Энеем Тактиком в IV веке до н.э.. Он представлял собой диск диаметром около 14 см и толщиной 1-2 см с отверстиями, количество которых равнялось числу букв в алфавите. Каждому отверстию ставится в соответствие конкретная буква. В центре диска находится катушка с намотанной на нее ниткой.

 

 

Механизм шифрования был  прост. Чтобы зашифровать послание, необходимо поочередно протягивать свободный конец нити через отверстия обозначающие буквы исходного не зашифрованного сообщения. В итоге, сам диск, с продетой в его отверстия ниткой, и являлся зашифрованным посланием.

Для того, чтобы дешифровать  послание, получатель сообщения последовательно  вытягивал нить из каждого отверстия, тем самым получал последовательность букв. Но эта последовательность являлась обратной по отношению к исходному  сообщению, то есть он читал сообщение  наоборот. Пусть исходное сообщение было "секретныйтекст", тогда после дешифрования получалось "тсткейынтеркес". Чтобы прочитать сообщение, требовалось читать с конца. Этот вид защиты информации имел существенный недостаток.

Зашифрованное сообщение  было доступно к прочтению любому, кто смог завладеть диском. Так  как сообщение предавали обычные  гонцы, а не воины, Эней предусмотрел возможность быстрого уничтожения передаваемой информации. Для этого было достаточно вытянуть всю нить за один из ее концов, либо сломать диск, просто наступив на него.

3.4 Шифр Цезаря

 

Шифр Цезаря ( шифр сдвига ), код Цезаря или сдвиг Цезаря — один из самых простых и наиболее широко известных методов шифрования.

 

 

Шифр Цезаря — это шифр подстановки, в котором каждый символ в открытом тексте заменяется буквой находящейся на некоторое постоянное число позиций левее или правее него в алфавите. Например, в шифре со сдвигом 3, А была бы заменена на Г, Б станет Д, и так далее.

Он назван в честь римского императора Юлия Цезаря, использовавшего его для секретной переписки со своими генералами.

Шаг шифрования, выполняемый  шифром Цезаря, часто включается как  часть более сложных схем, таких  как шифр Виженера, и все еще  имеет современное приложение в  системе ROT13. Как и все моноалфавитные шифры, шифр Цезаря легко взламывается и не имеет практически никакого применения на практике.

Если сопоставить каждому  символу алфавита его порядковый номер (нумеруя с 0), то шифрование и  дешифрование можно выразить формулами  модульной арифметики:

 

Y=(x+k) mod n

X=(y-k) mod n

 

где x — символ открытого текста, y — символ шифрованного текста, n — мощность алфавита, а k — ключ.

С точки зрения математики шифр Цезаря является частным случаем  аффинного шифра.

Например:

Шифрование с использованием ключа k = 3. Буква "С" "сдвигается" на три буквы вперед и становится буквой "Ф". Твердый знак, перемещённый на три буквы вперед, становится буквой "Э", и так далее:

Исходный алфавит:

АБВГДЕЁЖЗИЙКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЪЫЬЭЮЯ

Шифрованный: ГДЕЁЖЗИЙКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЪЫЬЭЮЯАБВ

Тот же самый пример с  текстом:

Съешь же ещё этих мягких французских булок, да выпей чаю.

Зашифрованный текст имеет  вид:

Фэзыяйззьиахлшпвёнлшчугрщцкфнлшдцосн, жгеютзмъгб.

3.5 Квадрат Полибия

 

 

Во II веке до н. э. в Древней  Греции был изобретён Квадрат  Полибия. В нём буквы алфавита записывались в квадрат 5 на 5 (при  использовании греческого алфавита одна ячейка оставалась пустой), после  чего с помощью оптического телеграфа  передавались номер строки и столбца, соответствующие символу исходного  текста (на каждую букву приходилось  два сигнала: число факелов обозначало разряд буквы по горизонтали и  вертикали).

Некоторые исследователи  полагают, что это можно рассматривать  как первую систему, уменьшавшую (сжимавшую) исходный алфавит, и, в некотором  смысле, как прообраз современной  системы двоичной передачи данных.

3.6 Перестановка "Магический квадрат"

 

Магическими квадратами называются квадратные таблицы с вписанными в их клетки последовательными натуральными числами от 1, которые дают в сумме по каждому столбцу, каждой строке и каждой диагонали одно и то же число. Подобные квадраты широко применялись для вписывания шифруемого текста по приведенной в них нумерации. Если потом выписать содержимое таблицы по строкам, то получалась шифровка перестановкой букв. На первый взгляд кажется, будто магических квадратов очень мало. Тем не менее, их число очень быстро возрастает с увеличением размера квадрата. Так, существует лишь один магический квадрат размером 3 х 3, если не принимать во внимание его повороты. Магических квадратов 4 х 4 насчитывается уже 880, а число магических квадратов размером 5 х 5 около 250000. Поэтому магические квадраты больших размеров могли быть хорошей основой для надежной системы шифрования того времени, потому что ручной перебор всех вариантов ключа для этого шифра был немыслим.