Статья "Криптография для начинающих"

Криптография для начинающих

Стрелкова Мария,   ученица 9 А класса МБОУ СОШ № 29 г. Георгиевска

руководитель – учитель информатики М. В. Прокуда МБОУ СОШ № 29 г. Георгиевска 

Криптография – область знаний, изучающая тайнопись и методы ее раскрытия. Криптография считается разделом математики.

Раньше все исследования в области криптографии были закрытыми, но в последнее время у нас и за рубежом все чаще стали опубликовываться статей в открытой печати. Смягчение секретности, отчасти, объясняется тем, что стало уже невозможным скрывать в огромных количествах накопленную информацию. С другой стороны, криптография все больше используется в гражданских отраслях, что требует раскрытия сведений.

Цель криптографической системы заключается в том, чтобы зашифровать исходный осмысленный текст, и получить в результате совершенно бессмысленный и зашифрованный текст- криптограмму. Получатель, которому предназначен это текст, должен расшифровать эту криптограмму и восстановить, таким образом, исходный осмысленный текст.

Криптография предполагает наличие 3-х компонентов: данных, ключа и криптографического преобразования.

Шифрование - преобразовательный процесс: исходный или открытый текст заменяется шифрованным текстом.

Дешифрование -  это процесс, обратный шифрованию. Шифрованный текст преобразуется в открытый на основе ключа.

Ключ -  это информация, необходимая для свободного шифрования и дешифрования текста.

Считается, что криптографическое преобразование текста известно всем, но ели не знать ключа, с помощью которого пользователь зашифровал текст от любопытных глаз, то потребуется потратить невообразимо много времени для дешифрования текста сообщения. Но абсолютно устойчивого от вскрытия шифрования нет. Качество шрифта определяется лишь суммой, которую необходимо вложить в разработку ключа.

Расшифровкой криптосистемы занимается криптоаналитик. Он приводит к возможности эффективного раскрытия любого текста, зашифрованного с помощью данной криптосистемы. Если криптосистема неспособна к дешифрованию, то ее называют стойкой.

Стойкость криптосистемы - это степень неспособности криптосистемы к ее раскрытию.

Вопрос безопасности систем защиты информации - очень сложный. Суть в том, что надежных тестов, позволяющих убедится в том, что информация защищена вполне надежно, не существует. Во-первых, одна из особенностей криптографии - это то, что на расшифровку шрифта  понадобится больше средств, чем на его создание. Из этого следует, что тестовые испытания криптосистемы не всегда возможны. Во-вторых,  неоднократные попытки преодоления защиты не означают того, что последующие попытки будут удачны.  Бывают случаи, когда профессионалы долго работали над шифром, а некий новичок применил необычный подход - и криптограмма расшифроваетс легко.

В результате такой скверной доказуемости безопасности систем защиты информации на рынке информации очень много предложений, судить о надежности которых невозможно. Конечно, их разработчики сильно превозносят свои творения, но обосновать качество и надежность не могут, и даже в большинства случаев это невыполнимо. Разумеется, недоказуемость безопасности сопровождается еще и тем, что метод шифрования держится в тайне.

На первый взгляд, закрытость алгоритма служит дополнительному обеспечению безопасности шифра. Этот довод, рассчитанный на любителей. На самом деле, если алгоритм известен производителям, то он уже не может считаться секретным (бывают случаи, когда пользователь и разработчик одно лицо, тогда метод шифрования является тайным). Также, вследствие неграмотности или из-за ошибок разработчика алгоритм может оказаться нестойким, то это может обнаружится только после взлома, а то и вовсе не обнаружится, так как противник не будет хвастаться своими успехами.

Каждый криптограф должен следовать правилу, которое впервые сформулировал голландец О. Керкхофф: стойкость шрифта должна определятся только секретностью ключа. Другими словами, правило Керкхоффа заключается в том, что все устройство шифрования, кроме секретного ключа по-любому считается известным противнику.

Криптография - наука, покрытая пеленой тайн, и это делает ее столь увлекательной. Это одна из древнейших наук на планете. Скорее всего, она существует с того момента, когда появился на Земле человек мыслящий - homosapiens. А вместе с первыми людьми и наскальные рисунки. Криптография - это наука о шифрах. О тех самых трудностях, которые можно создать своему сопернику в плане сокрытия собственной важной информации. В противовес ей возник криптоанализ. А сплотила эти два направления современная наука - криптология.

В процессе поисков было исследовано, что в исторических документах древних цивилизаций (Индия, Египет, Месопотамия) есть сведения о системах и способов шифрования. Кодировались даже религиозные и медицинские тексты. Шифровали нередко и ученые, чтобы не прослыть еретиками и не повернутся преследованиям инквизиции. Но это весьма закрытая наука - криптография - во многих странах, даже европейских, не продвинулась дальше "шифра Цезаря" -  самого простого шифра замены. Не позволяла этой науке развиваться  строжайшая тайна, которая преследовала ее на протяжении веков. И, все-таки, искусство шифрования формировалось более быстрыми  темпами, чем искусство дешифрования.

Самым известным примером криптосистемы из истории является  "шифр Цезаря". Он представляет собой простейшую замену каждой буквы открытого текста на третью, следующую за ней букву алфавита. Например, «A» заменялась на «D», «B» на «E», «Z» на «C».

Несмотря на значительные успехи математики за века, прошедшие со времён Цезаря, тайнопись вплоть до середины 20 века не сделала существенных шагов вперёд. В ней бытовал дилетантский, умозрительный, ненаучный подход.

После него был создан шифр Виженера . Он состоит из последовательности нескольких шифров Цезаря, на каждом этапе кодирования использовались различные алфавиты в зависимости от символа ключевого слова. Так же появились шифр Атбаш и шифр Плейфера . Атбаш использовался для еврейского алфавита. Шифрование происходило заменой первой буквы алфавита на последнюю, второй на предпоследнюю, и т.д. Например: А-пробел, Б-Я, В-Ю и т.д. Тогда слово КРИПТОГРАФИЯ мы зашифруем как ФОЦПМРЬОЯЛЦА. А шифр Плейфера, созданный Чарльзом Уитстоном, кодировался с использованием замены биграмм. Бигра́ммный шифр — это криптографический алгоритм, который предназначен для шифрования групп из двух букв.

Даже во время Великой Отечественной войны партизаны кодировали свои письма для того, чтобы немцы не смогли узнать секретную информацию. А делалось это так: в письмах допускалось большое количество грамматических ошибок, например, писали: «прошсли тры эшшелона з тнками». При правильной расшифровки для русского было все понятно , а вот фашисты становились беспомощными.

Жёсткая военная необходимость заставила ученых  плотно заняться проблемами криптографии и криптоанализа.  Самым первым существенным достижением была пишмашинка "Энигма". Она являлась механическим шифратором и дешифратором с  довольно высокой стойкостью.

Кажется, что была сделано все для того, чтобы шифровки "Энигмы" не были вскрыты. Но английские криптографические службы в местечке Блетчли Парке почти всю войну читали немецкие шифры. Именно благодаря польской разведке, которая к 1939 году смогла получить чертежи "Энигмы" и разобратся в ее устройстве. После нападение фашистов на Польшу чертежи были переданы Англии. Британские крипоаналитики быстро установили, что для взлома криптограммы, нужно знать распайку проводов в кодирующих колесах. Британские спецслужбы начали охоту за образцами "Энигмы". Самый первый удалось выкрасть прямо с производства на юго-востоке Германии, второй сняли со сбитого над Норвегией немецкого бомбардировщика, третий был найден у немецких военных связистов, взятых в плен во время боев за Францию.  Остальные шифровальные машинки сняты водолазами с немецких подводных лодок, за которыми намеренно стали охотится и топить на небольших глубинах. Тяжело шел взлом "Энигмы" до тех пор, пока в 1942 году не поступили в ряды криптографов несколько ЭВМ, специально разработанных и созданных Аланом Тьюрингом. Это была первая в мире вполне быстродействующая машина под названием  "Колосс". Она специализировалась для взлома шифров.  С помощью этой ЭВМ британские криптоаналитики могли меньше чем за сутки дешифровать любую шифровку "Энигмы". Фашисты рассчитывали на сложность своего шифра при ручной расшифровке, а британцы стаи его расшифровывать используюя  "Колосс".  Однако шифр постепенно услажнялся и были моменты, кода в Блетчли Парке не могли с ним справится.  Перед шифровками Энигмы, которые исходили не от войск, а из немецких криптографических центров, «Колосс» тоже был бессилен.

Огромное развитие криптографической техники стран запада в высокой степени предугадало ход многочисленных боевых операций во время Второй мировой войны. Англия, хоть и несла на море большие потери, но практически подавляла любые организованные действия немецкого флота, перехватывая и читая приказы гросс-адмиралов Редера и Деница. В книгах воспоминаний английских криптографов страницы сплошь усеяны фразами "… мы знали...", за которыми стоит колоссальный труд тысяч человек.

Таким образом криптография постепенно вливалась в наш мир. Появилось просто  бесчисленное количество различных шифров, которые стали неотъемлемой частью современного общества.

Есть два вида криптосистем - с открытым и с секретным ключами.

В криптосистеме с открытым ключом для шифрования используются два ключа: открытый и закрытый. Данные шифруются с помощью открытого ключа, а дешифруются с помощью закрытого.

Особенностью шифров с открытым ключом является то, что секретный ключ известен лишь одному человеку. В криптосистеме с закрытым ключом, ключ известен двоим и более людям.

В криптосистеме с секретным ключом и для шифрования, и для дешифрования используется один и тот же ключ.

В мире существует множество различных шифров, и каждый скрывает в себе свои тайны и загадки. Например, шифр простой замены, простой подставочный шифр  и моноалавитный  шифр кодируются по определенному алгоритму таблицы шифрования, в которой для каждой буквы открытого текста существует единственная сопоставленная ей буква шифр-текста.

Квадрат Полибия - оригинальный код простой замены. Представленный вид кодирования с самого начала предназначался для греческого алфавита, но затем был распространен и на другие языки. Для формирования таблицы шифрования к каждому языку отдельно составляется таблица шифрования с одинаковым  количеством пронумерованных строк и столбцов. Берутся два целых числа, произведение которых ближе всего к количеству букв в языке - получаем нужное число строк и столбцов,  параметры которой зависят от ее мощности, затем записываем в таблицу все буквы алфавита по одной на каждую клетку. При нехватке клеток можно вписать в одну две буквы.

Решётка Кардано  - инструмент кодирования , представляющий собой специальную прямоугольную таблицу-карточку. Решетка Кардано сделана из листа картона или пергамента, или же из тонкого металла. Чтобы обозначить линии письма, бумагу разлиновывают, и между этими линиями вырезают прямоугольные области через интервалы произвольной длины.

Код Мо́рзе – это представление букв алфавита, цифр, знаков препинания и других символов последовательностью сигналов: длинных («тире») и коротких («точек»). За единицу времени принимается длительность одной точки. Длительность тире равна трём точкам. Пауза между элементами одного знака — одна точка, между знаками в слове — 3 точки, между словами — 7 точек. Назван в честь американского изобретателя и художника Сэмюэля Морзе.

В середине XX века появились первые электронно-вычислительные вычислительные машины, что значительно повлияло на развитие криптографии. Компьютеры проникли в различные сферы жизни, возникла новая отрасль хозяйства - информационная индустрия. Объем информации, циркулирующий в обществе, с тех пор стабильно возрастает.

Криптографами были разработаны стойкие блочные шифры с секретным ключом для обеспечение секретности и целостности передаваемых или хранимых данных. Эти средства криптографической защиты до сих пор остаются самыми используемыми.

Многие социальные сети пользуются средствами криптографической защиты.  Это необходимо для того, чтобы информация, передаваемая одним пользователем, была полечена в целостности и сохранности другим пользователем. Зашифрованная информация хранится в дата-центрах.

Криптография сегодня - это важнейшая часть всего Интернета. Она обеспечивает подотчетность, точность, прозрачность и конфиденциальность. Криптография предотвращает попытки мошенничества в сети Интернет, помогает установить личность, но и обеспечить анонимность.

Электронный вандализм становится все более серьезной проблемой. Вандалы уже разрисовывали граффити Internet-страницу ЦРУ, забрасывали почтовыми бомбами провайдеров Internet и отменили тысячи сообщений новостных групп. Обычным делом для вандалов стал взлом социальных систем, когда средства безопасности неадекватны угрозе, риск быть пойманными для нарушителей невелик.

Законодательство США приняло закон, о присвоении криптографическим устройствам и программным обеспечениям статус системы вооружения, так как в последнее время все чаще информационные сети подвергаются нападениям мошенников, вандалов и хакеров.

В Российской Федерации в рамках проведения контроля за оборотом и использованием средств криптографической защиты информации  Федеральное агентство совместно с региональными структурами и правоохранительными органами проводит работу по выявлению фактов несанкционированного провоза шифровальных средств через таможенную границу, использования, продажи шифровальных средств, а также упоминания этих средств в печати, рекламе, появления их на выставках.

Литература

1.     http://www.ronl.ru/referaty/informatika-programmirovanie/100965/

2.     Бабаш А.В., Шанкин Г.П. История криптографии. Часть I. — М.: Гелиос АРВ, 2002. — 240 с. — 3000 экз. — ISBN 5-85438-043-9.

3.     Дориченко С.А., Ященко В.В. « 25 этюдов о шифрах»

4.     http://m.nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2015/05/20/kriptografiya

5.     http://alexinternetclic.ru/Kriptograf.php

Краткое описание документа:

Криптография – область знаний, изучающая тайнопись и методы ее раскрытия. Криптография считается разделом математики.

Раньше все исследования в области криптографии были закрытыми, но в последнее время у нас и за рубежом все чаще стали опубликовываться статей в открытой печати. Смягчение секретности, отчасти, объясняется тем, что стало уже невозможным скрывать в огромных количествах накопленную информацию. С другой стороны, криптография все больше используется в гражданских отраслях, что требует раскрытия сведений.