Способы шифрования данных. Обзор алгоритмов шифрования. Спецификации и Информация. Система шифрования Цезаря

В связи с тем, что основной функцией нашего программного обеспечения является шифрование данных, нам часто задают вопросы, касающиеся тех или иных аспектов криптографии. Мы решили собрать наиболее часто задаваемые вопросы, в один документ и постарались дать на них максимально подробные, но, в то же время, не перегруженные лишней информацией ответы.

1. Что такое криптография?

Криптография — это теоретическая научная дисциплина, раздел математики, изучающая вопросы преобразования информации с целью ее защиты от разумных действий противника.

2. Что такое алгоритм шифрования?

Алгоритм шифрования — это набор логических правил, определяющих процесс преобразования информации из открытого состояния в зашифрованное (зашифровывание) и, наоборот, из зашифрованного состояния в открытое (расшифровывание).

Алгоритмы шифрования появляются в результате теоретических исследований, как отдельных ученых, так и научных коллективов.

3. Как с помощью шифрования защищаются данные?

Основной принцип защиты данных с помощью шифрования — это зашифровывание данных. Зашифрованные данные для постороннего выглядят как «информационный мусор» — бессмысленный набор символов. Таким образом, если информация в зашифрованном виде попадет к злоумышленнику, он просто не сможет ей воспользоваться.

4. Какой алгоритм шифрования самый стойкий?

В принципе, любой алгоритм шифрования, предложенный каким-либо известным специалистом в области криптографии, считается стойким до тех пор, пока не будет доказано обратное.

Как правило, все вновь появляющиеся алгоритмы шифрования публикуются для всеобщего ознакомления, и всесторонне изучаются в специализированных криптографических научных центрах. Результаты таких изучений также публикуются для всеобщего ознакомления.

5. Что такое ключ шифрования?

Ключ шифрования — это случайная, псевдослучайная или специальным образом сформированная последовательность бит, являющаяся переменным параметром алгоритма шифрования.

Иными словами, если зашифровать одну и ту же информацию одним и тем же алгоритмом, но разными ключами, результаты получится также разные.

Ключ шифрования имеет одну существенную характеристику — длину, которая, как правило, измеряется в битах.

6. Какие бывают алгоритмы шифрования?

Алгоритмы шифрования делятся на два больших класса — симметричные и асимметричные (или несимметричные).

Симметричные алгоритмы шифрования используют один и тот же ключ для зашифровывания информации и для ее расшифровывания. При этом ключ шифрования должен быть секретным.

Симметричные алгоритмы шифрования, как правило, просты в реализации и не требуют для своей работы много вычислительных ресурсов. Однако неудобство таких алгоритмов проявляется в случаях, когда, например, двум пользователям надо обменяться ключами. В этом случае пользователям надо или непосредственно встретиться друг с другом, или иметь какой-то надежный, защищенный от перехвата канал для пересылки ключа, что не всегда возможно.

Примеры симметричных алгоритмов шифрования — DES, RC4, RC5, AES, CAST.

Асимметричные алгоритмы шифрования используют два ключа — один для зашифровывания, другой для расшифровывания. В таком случае говорят о паре ключей. Один ключ из пары может быть открытым (доступным для всех), другой — секретным.

Асимметричные алгоритмы шифрования более сложны в реализации и более требовательны к вычислительным ресурсам, чем симметричные, однако, проблема обмена ключами между двумя пользователями решается проще.

Каждый пользователь может создать собственную пару ключей, и послать открытый ключ своему абоненту. Этим ключом можно только зашифровать данные, для расшифровывания нужен секретный ключ, который хранится только у его владельца. Таким образом, получение злоумышленником открытого ключа ничего ему не даст, поскольку расшифровать им зашифрованные данные невозможно.

Примеры асимметричных алгоритмов шифрования — RSA, El-Gamal.

7. Как взламывают алгоритмы шифрования?

В криптографической науке есть подраздел — криптоанализ, который изучает вопросы взлома алгоритмов шифрования, то есть получения открытой информации из зашифрованной без ключа шифрования.

Существует много различных способов и методов криптоанализа, большинство из которых слишком сложно и объемно для воспроизведения здесь.

Единственный метод, который уместно упомянуть — метод прямого перебора всех возможных значений ключа шифрования (также называемый методом «грубой силы», или brute force). Суть данного метода состоит в переборе всех возможных значений ключа шифрования до тех пор, пока не будет подобран нужный ключ.

8. Какова должна быть длина ключа шифрования?

На сегодняшний день для симметричных алгоритмов шифрования достаточной длиной ключа шифрования считается 128 бит (16 байт). Для полного перебора всех возможных ключей длиной 128 бит (атака brute force) за один год необходимо наличие 4,2х1022 процессоров производительностью 256 миллионов операций шифрования в секунду. Стоимость такого количества процессоров составляет 3,5х1024 долларов США (по данным Bruce Schneier, Applied Cryptography).

Существует международный проект distributed.net , целью которого является объединение пользователей Интернет для создания виртуального распределенного суперкомпьютера, занимающегося перебором ключей шифрования. Последний проект по взлому ключа 64 бит был завершен в течение 1757 дней, в нем приняло участие более трехсот тысяч пользователей, а вычислительная мощность всех компьютеров проекта была эквивалентна почти 50.000 процессорам AMD Athlon XP с тактовой частотой 2 ГГц.

При этом следует учитывать, что увеличение длины ключа шифрования на один бит увеличивает количество значений ключа, а, следовательно, и время перебора, в два раза. То есть, исходя из вышеприведенных цифр, за время 1757 * 2 дней можно взломать не 128-битный ключ, как может показаться на первый взгляд, а всего лишь 65-битный.

9. Я слышал о ключах шифрования 1024 и даже 2048 бит, а вы говорите, что 128 бит вполне достаточно. Что это значит?

Все правильно, ключи шифрования 512, 1024 и 2048 бит, а иногда и длиннее используются в асимметричных алгоритмах шифрования. В них используются принципы, совершенно отличные от симметричных алгоритмов, поэтому масштабы ключей шифрования также разные.

Ответ на этот вопрос — самая охраняемая тайна спецслужб любого государства. С теоретической точки зрения прочитать данные, зашифрованные с помощью известного алгоритма ключом достаточной длины невозможно (см. предыдущие вопросы), однако, кто знает, что скрывается за завесой государственной тайны? Вполне может оказаться, что существуют какие-то технологии инопланетян, известные правительству, с помощью которых можно взломать любой шифр 🙂

Единственное, что можно утверждать с уверенностью — ни одно государство, ни одна спецслужба не раскроет этого секрета, и даже в случае наличия возможности как-то расшифровывать данные, никогда и никак этого не проявит.

Для иллюстрации этого утверждения можно привести исторический пример. Во время второй мировой войны британскому премьер-министру Уинстону Черчиллю в результате перехвата и дешифровки немецких сообщений стало известно о предстоящей бомбардировке города Ковентри. Несмотря на это, он не принял никаких мер, чтобы противник не узнал о том, что британская разведка может дешифровать их сообщения. В результате, в ночь с 14 на 15 ноября 1940 года Ковентри был разрушен немецкой авиацией, погибло большое количество мирных жителей. Таким образом, для Черчилля цена разглашения информации о том, что он может дешифровать немецкие сообщения, оказалась выше цены нескольких тысяч человеческих жизней.

Очевидно, что для современных политиков цена подобной информации еще выше, поэтому о возможностях современных спецслужб мы ничего не узнаем, ни в явном виде, ни в косвенном. Так что если даже ответ на этот вопрос утвердительный, эта возможность, скорее всего, никак не проявится.

Источник: SecurIT

^ вернуться в начало ^

Обычно, новые алгоритмы шифрования публикуются для всеобщего ознакомления и изучаются в специализированных научных центрах. Результаты таких изучений тоже публикуются для всеобщего ознакомления.

Симметричные алгоритмы
Алгоритмы шифрования делятся на два больших класса: симметричные (AES, ГОСТ, Blowfish, CAST, DES) и асимметричные (RSA, El-Gamal). Симметричные алгоритмы шифрования используют один и тот же ключ для зашифровывания информации и для ее расшифровывания, а асимметричные алгоритмы используют два ключа — один для зашифровывания, другой для расшифровывания.

Если зашифрованную информацию необходимо передавать в другое место, то в этом надо передавать и ключ для расшифрования. Слабое место здесь — это канал передачи данных — если он не защищенный или его прослушивают, то ключ для расшифрования может попасть к злоумышленику. Системы на ассиметричных алгоритмах лишены этого недостатка. Поскольку каждый участник такой системы обладает парой ключей: Открытым и Секретным Ключом.

Ключ шифрования
Это случайная или специальным образом созданная по паролю последовательность бит, являющаяся переменным параметром алгоритма шифрования.
Если зашифровать одни и те же данные одним алгоритмом, но разными ключами, результаты получатся тоже разные.

Обычно в Программах для шифрования (WinRAR, Rohos и т.д.) ключ создается из пароля, который задает пользователь.

Ключ шифрования бывает разной длины, которая, как правило, измеряется в битах. С увеличением длины ключа повышается теоритическая стойкость шифра. На практике это не всегда верно.

В криптографии считается, что механизм шифрования — это несекретная величина, и злоумышленник может иметь полный исходный код алгоритма шифрования, а также зашифрованный текст (правило Керкхоффа). Еще одно допущение, которое может иметь место — злоумышленник может знать часть незашифрованного (открытого) текста.

Стойкость алгоритма шифрования.
Алгоритм шифрования считается стойким до тех пор, пока не будет доказано обратное. Таким образом, если алгоритм шифрования опубликован, существует более 5 лет, и для него не найдено серьезных уязвимостей, можно считать, что его стойкость подходит для задач защиты секретной информации.

Теоретическая и практическая стойкость.
В 1949 г. К.Э. Шеннон опубликовал статью «Теория связи в секретных системах». Шеннон рассматривал стойкость криптографических систем как Практическую и Теоритическую. Вывод по теоритической стойкости до сих пор остается пессимистическим: длина ключа должна быть равна длине открытого текста.
Поэтому Шеннон также рассмотрел вопрос и по практической стойкости криптографических систем. Надежна ли система, если злоумышленник обладает ограниченным временем и вычислительными ресурсами для анализа перехваченных сообщений?

Обычно уязвимости находят в программах, которые шифруют данные по какому-либо алгоритму. В этом случае, программисты допускают ошибку в логике программы или в криптографическом протоколе, благодaря чему, изучив, как работает программа (на низком уровне), можно в итоге получить доступ к секретной информации.

Взлом алгоритма шифрования
Считается, что криптосистема раскрыта, если злоумышленник сможет вычислить секретный ключ, а также выполнить алгоритм преобразования, эквивалентный исходному криптоалгоритму. И чтобы этот алгоритм был выполним за реальное время.

В криптологии есть подраздел — криптоанализ, который изучает вопросы взлома или подделывания зашифрованных сообщений. Существует много способов и методов криптоанализа. Самый популярный — это метод прямого перебора всех возможных значений ключа шифрования (так называемым методом «грубой силы» или brute force). Суть данного метода состоит в переборе всех возможных значений ключа шифрования до тех пор, пока не будет подобран нужный ключ.

На практике это означает, что злоумышленник должен:

Иметь в распоряжении криптосистему (т.е. программу) и примеры зашифрованных сообщений.
Разобраться в криптографическом протоколе. Иначе говоря, как программа шифрует данные.
Разработать и реализовать алгоритм перебора Ключей для этой криптосистемы.

Как определить, что ключ верный или нет?
Все зависит от конкретной программы и реализации протокола шифрования. Обычно, если после расшифрования получился ‘мусор’, то это неверный Ключ. А если более менее осмысленный текст (это можно проверить), то значит, Ключ верный.

Алгоритмы шифрования
AES (Rijndael) . В настоящее время является федеральным стандартом шифрования США.

Какой алгоритм шифровки выбрать для защиты информации?

Утвержден министерством торговли в качестве стандарта 4 декабря 2001 года. Решение вступило в силу с момента опубликования в федеральном реестре (06.12.01). В качестве стандарта принят вариант шифра только с размером блока 128 бит.

ГОСТ 28147-8. Стандарт Российской Федерации на шифрование и имитозащиту данных. Первоначально имел гриф (ОВ или СС — точно не известно), затем гриф последовательно снижался, и к моменту официального проведения алгоритма через Госстандарт СССР в 1989 году был снят. Алгоритм остался ДСП (как известно, ДСП не считается грифом). В 1989 году стал официальным стандартом СССР, а позже, после распада СССР, федеральным стандартом Российской Федерации.

Blowfish Сложная схема выработки ключевых элементов существенно затрудняет атаку на алгоритм методом перебора, однако делает его непригодным для использования в системах, где ключ часто меняется, и на каждом ключе шифруется небольшие по объему данные.

Алгоритм лучше всего подходит для систем, в которых на одном и том же ключе шифруются большие массивы данных.

DES Федеральный стандарт шифрования США в 1977-2001 годах. В качестве федерального стандарта США принят в 1977 году. В декабре 2001 года утратил свой статус в связи с введением в действие нового стандарта.

CAST В некотором смысле аналог DES.

www.codenet.ru/progr/alg/enc
Алгоритмы шифрования, Обзор, информация, сравнение.

http://www.enlight.ru/crypto
Материалы по асимметричному шифрованию, цифровой подписи и другим «современным» криптографическим системам.

Александр Великанов,
Ольга Чебан,
Tesline-Service SRL.

Бывший банкир из Абу-Даби Мохаммад Гейт бин Махах Аль Мазруи разработал шифр, который, как он заявляет, невозможно взломать. Шифр под названием «Код Абу-Даби» создан на основе группы символов, придуманных самим Аль Мазруи. В его коде каждая буква заменена специально изобретенным символом, и эти символы не принадлежат ни одному из известных в мире языков.

Какие алгоритмы шифрования данных более безопасны

Для работы над шифром, который Аль Мазруи называет «абсолютно новым», разработчику понадобилось полтора года.

По словам энтузиаста, создать свой собственный код под силу каждому, а сложность шифра определяет длина его ключа. Считается, что в принципе при наличии желания, определенных навыков и соответствующего программного обеспечения практически каждый, даже самый сложный шифр может быть взломан.

Однако Аль Мазруи уверяет, что его творение не поддается взлому и является на сегодня самым надежным шифром. «Расшифровать документ, закодированный «Кодом Абу-Даби», практически невозможно», — уверен Аль Мазруи.

Чтобы доказать свою правоту, банкир бросил вызов всем незаурядным шифровальщикам, хакерам и криптографам, призывая их попробовать взломать его шифр.

3. Криптос — скульптура, которую американский ваятель Джеймс Сэнборн установил на территории штаб-квартиры ЦРУ в Лэнгли, штат Вирджиния, в 1990 году. Зашифрованное послание, нанесенное на нее, до сих пор не могут разгадать.

4. Шифр, нанесенный на китайский золотой слиток . Семь золотых слитков были в 1933 году предположительно выданы генералу Ваню в Шанхае. На них нанесены картинки, китайские письмена и какие-то зашифрованные сообщения, в том числе латинскими буквами. Они, возможно, содержат свидетельства подлинности металла, выданные одним из банков США.

Какой алгоритм шифрования выбрать в TrueCrypt

5. Криптограммы Бейла — три зашифрованных сообщения, которые, как предполагается, содержат сведения о местонахождении клада из двух фургонов золота, серебра и драгоценных камней, зарытого в 1820-х годах под Линчбергом, что в округе Бедфорд, штат Виргиния, партией золотоискателей под предводительством Томаса Джефферсона Бейла. Цена не найденного доныне клада в пересчете на современные деньги должна составлять около 30 млн долларов. Загадка криптограмм не раскрыта до сих пор, в частности, спорным остается вопрос о реальном существовании клада. Одно из сообщений расшифровано — в нем описан сам клад и даны общие указания на его местоположение. В оставшихся нераскрытыми письменах, возможно, содержатся точное место закладки и список владельцев клада. (подробная информация)

6. Рукопись Войнича , которую часто называют самой таинственной в мире книгой. В рукописи использован уникальный алфавит, в ней около 250 страниц и рисунки, изображающие неведомые цветы, обнаженных нимф и астрологические символы. Впервые она появилась в конце XVI века, когда император Священной Римской империи Рудольф II купил ее в Праге у неизвестного торговца за 600 дукатов (около 3,5 кг золота, сегодня более 50 тысяч долларов). От Рудольфа II книга перешла к дворянам и ученым, а в конце XVII века исчезла. Манускрипт вновь появился примерно в 1912 году, когда его купил американский книготорговец Вилфрид Войнич. После его смерти рукопись была передана в дар Йельскому университету. Британский ученый Гордон Рагг считает, что книга — искусная мистификация. В тексте есть особенности, не свойственные ни одному из языков. С другой стороны, некоторые черты, например, длина слов, способы соединения букв и слогов, похожи на существующие в настоящих языках. «Многие считают, что все это слишком сложно для мистификации, чтобы выстроить такую систему, какому-нибудь безумному алхимику потребовались бы годы», — говорит Рагг. Однако Рагг показывает, что добиться такой сложности можно было легко, используя шифровальное устройство, придуманное примерно в 1550 году и названное сеткой Кардана. В этой таблице символов слова создаются передвижением карточки с прорезанными в ней отверстиями. Благодаря пробелам, оставленным в таблице, слова получаются разной длины. Накладывая такие решетки на таблицу слогов манускрипта, Рагг создал язык, которому присущи многие, если не все, особенности языка рукописи. По его словам, на создание всей книги хватило бы трех месяцев. (подробная информация, википедия)

7. Шифр Дорабелла , составленный в 1897 году британским композитором сэром Эдвардом Уильямом Эльгаром. В зашифрованном виде он отправил письмо в город Вульвергемптон своей подруге Доре Пенни, 22-летней дочери Альфреда Пенни, настоятеля собора святого Петра. Этот шифр остается неразгаданным.

8. До недавнего времени в списке присутствовал и чаошифр , который не смогли раскрыть при жизни его создателя. Шифр изобрел Джон Ф. Байрн в 1918 году, и в течение почти 40 лет безуспешно пытался заинтересовать им власти США. Изобретатель предложил денежную награду тому, кто сможет раскрыть его шифр, но в результате никто за ней не обратился.

Но в мае 2010 года члены семьи Байрна передали все оставшиеся от него документы в Национальный музей криптографии в Мэрилэнде, что привело к раскрытию алгоритма.

9. Шифр Д’Агапейеффа . В 1939 году британский картограф русского происхождения Александер Д’Агапейефф опубликовал книгу по основам криптографии Codes and Ciphers, в первом издании которой привел шифр собственного изобретения. В последующие издания этот шифр включен не был. Впоследствии Д`Агапейефф признался, что забыл алгоритм раскрытия этого шифра. Подозревают, что неудачи, постигшие всех, кто пытался расшифровать его работу, вызваны тем, что при зашифровке текста автор допускал ошибки.

Но в наше время появилась надежда, что шифр удастся раскрыть с использованием современных методов — например, генетического алгоритма.

10. Таман Шуд . 1 декабря 1948 года на побережье Австралии в Сомертоне, что под Аделаидой, было найдено мертвое тело мужчины, одетого в свитер и пальто, несмотря на характерно жаркий для австралийского климата день. Документов при нем не обнаружили. Попытки сравнить отпечатки его зубов и пальцев с имеющимися данными на живых людей также ни к чему не привели. Патологоанатомическое освидетельствование выявило противоестественный прилив крови, которой была наполнена, в частности, его брюшная полость, а также увеличение внутренних органов, но никаких инородных веществ в его организме при этом найдено не было. На железнодорожной станции одновременно нашли чемодан, который мог принадлежать погибшему. В чемодане лежали брюки с секретным карманом, в котором нашли вырванный из книги кусок бумаги с напечатанными на нем словами Taman Shud . Следствие установило, что клочок бумаги был вырван из очень редкого экземпляра сборника «Рубаи» великого персидского поэта Омара Хайяма. Сама книга была обнаружена на заднем сидении автомобиля, брошенного незапертым. На задней обложке книги были небрежно набросаны пять строк заглавными буквами — смысл этого послания разгадать так и не удалось. По сей день эта история остается одной из самых таинственных загадок Австралии.

Алгоритм шифрования данных DES (Data Encryption Standard) был опубликован в 1977 г. и остается пока распространенным блочным симметричным алгоритмом, используемым в системах защиты коммерческой информации.

Алгоритм DES построен в соответствии с методологией сети Фейстеля и состоит из чередующейся последовательности перестановок и подстановок. Алгоритм DES осуществляет шифрование 64-битовых блоков данных с помощью 64-битового ключа, в котором значащими являются 56 бит (остальные 8 - проверочные биты для контроля на четность).

Процесс шифрования заключается в начальной перестановке битов 64-битового блока, 16 циклах (раундах) шифрования и, наконец, в конечной перестановке битов (рис. 6.2).

Рис. 6.2.

Расшифровывание в DES является операцией, обратной шифрованию, и выполняется путем повторения операций шифрования в обратной последовательности.

Основные достоинства алгоритма DES:

используется только один ключ длиной 56 бит;
относительная простота алгоритма обеспечивает высокую скорость обработки;
зашифровав сообщение с помощью одного пакета программ, для расшифровки можно использовать любой другой пакет программ, соответствующий алгоритму DES;
криптостойкость алгоритма вполне достаточна для обеспечения информационной безопасности большинства коммерческих приложений.

Современная микропроцессорная техника позволяет за достаточно приемлемое время взламывать симметричные блочные шифры с длиной ключа 40 бит. Для такого взламывания используется метод полного перебора - тотального опробования всех возможных значений ключа (метод «грубой силы»). До недавнего времени DES считался относительно безопасным алгоритмом шифрования.

Существует много способов комбинирования блочных алгоритмов для получения новых более стойких алгоритмов. Одним из таких способов является многократное шифрование - использование блочного алгоритма несколько раз с разными ключами для шифрования одного и того же блока открытого текста. При трехкратном шифровании можно применить три различных ключа.

Алгоритм 3-DES (Triple DES - тройной DES) используется в ситуациях, когда надежность алгоритма DES считается недостаточной.

Сегодня все шире используются два современных криптостойких алгоритма шифрования: отечественный стандарт шифрования ГОСТ 28147-89 и новый криптостандарт США - AES (Advanced Encryption Standard).

Стандарт шифрования ГОСТ 28147-89 предназначен для аппаратной и программной реализации, удовлетворяет криптографическим требованиям и не накладывает ограничений на степень секретности защищаемой информации. Алгоритм шифрования данных, определяемый ГОСТ 28147-89, представляет собой 64-битовый блочный алгоритм с 256-битовым ключом.

Данные, подлежащие зашифрованию, разбивают на 64-раз-рядные блоки. Эти блоки разбиваются на два субблока N x и N 2 по 32 бит (рис. 6.3). Субблок /V, обрабатывается определенным образом, после чего его значение складывается со значением субблока N 2 (сложение выполняется по модулю 2, т. е. применяется логическая операция XOR - «исключающее или»), а затем

Рис. 6.3.

субблоки меняются местами. Данное преобразование выполняется определенное число раз («раундов») - 16 или 32, в зависимости от режима работы алгоритма.

В каждом раунде выполняются две операции.

Первая операция - наложение ключа. Содержимое субблока /V, складывается по модулю 2 32 с 32-битовой частью ключа К х. Полный ключ шифрования представляется в виде конкатенации 32-битовых подключей: К 0 , К { , К 2 , К 3 , К 4 , К 5 , К 6 , К 7 . В процессе шифрования используется один из этих подключей - в зависимости от номера раунда и режима работы алгоритма.

Вторая операция - табличная замена. После наложения ключа субблок N { разбивается на 8 частей по 4 бит, значение каждой из которых заменяется в соответствии с таблицей замены для данной части субблока. Затем выполняется побитовый циклический сдвиг субблока влево на 11 бит.

Табличные замены. Блок подстановки 5-box (Substitution box) часто используются в современных алгоритмах шифрования, поэтому стоит пояснить, как организуется подобная операция.

Блок подстановки 5-Ьох состоит из восьми узлов замены (5-блоков замены) 5, S 2 , ..., 5 8 с памятью 64 бит каждый. Поступающий на блок подстановки S 32-битовый вектор разбивают на 8 последовательно идущих 4-битовых векторов, каждый из которых преобразуется в 4-битовый вектор соответствующим узлом замены. Каждый узел замены можно представить в виде таблицы-перестановки 16 4-битовых двоичных чисел в диапазоне 0000... 1111. Входной вектор указывает адрес строки в таблице, а число в этой строке является выходным вектором. Затем 4-битовые выходные векторы последовательно объединяют в 32-би-товый вектор. Узлы замены (таблицы-перестановки) представляют собой ключевые элементы, которые являются общими для сети ЭВМ и редко изменяются. Эти узлы замены должны сохраняться в секрете.

Алгоритм, определяемый ГОСТ 28147-89, предусматривает четыре режима работы: простой замены, гаммирования, гаммиро-вания с обратной связью и генерации имитоприставок. В них используется одно и то же описанное выше шифрующее преобразование, но, поскольку назначение режимов различно, осуществляется это преобразование в каждом из них по-разному.

В режиме простой замены для зашифровывания каждого 64-битового блока информации выполняются 32 описанных выше раунда. При этом 32-битовые подключи используются в следующей последовательности:

К 0 , К { , К 2 , К 3 , К 4 , К 5 , К 6 , К 7 , К 0 , /Г, и т. д. - в раундах с 1-го по 24-й;

К 7 , К ь, К 5 , К 4 , К 3 , К 2 , К х, К 0 - в раундах с 25-го по 32-й.

Расшифровывание в данном режиме проводится точно так же, но с несколько другой последовательностью применения подключей:

К 0 , АГ, К 2 , К 3 , К 4 , К 5 , К ь, К 7 - в раундах с 1-го по 8-й;

К 7 , К 6 , К 5 , К 4 , К 3 , К 2 , К { , К 0 , К 7 , К ь и т. д. - в раундах с 9-го по 32-й.

Все блоки шифруются независимо друг от друга, т. е. результат зашифровывания каждого блока зависит только от его содержимого (соответствующего блока исходного текста). При наличии нескольких одинаковых блоков исходного (открытого) текста соответствующие им блоки шифртекста тоже будут одинаковы, что дает дополнительную полезную информацию для пытающегося вскрыть шифр криптоаналитика. Поэтому данный режим применяется в основном для шифрования самих ключей шифрования (очень часто реализуются многоключевые схемы, в которых по ряду соображений ключи шифруются друг на друге). Для шифрования собственно информации предназначены два других режима работы - гаммирования и гаммирования с обратной связью.

В режиме гаммирования каждый блок открытого текста побитно складывается по модулю 2 с блоком гаммы шифра размером 64 бит. Гамма шифра - это специальная последовательность, которая получается в результате определенных операций с регистрами N 1 и Ы 2 (рис. 6.9):

1. В регистры N^ и 1У 2 записывается их начальное заполнение - 64-битовая величина, называемая синхропосылкой.
2. Выполняется зашифровывание содержимого регистров N 1 и М 2 (в данном случае - синхропосылки) в режиме простой замены.
3. Содержимое регистра N^ складывается по модулю (2 32 - 1) с константой С, = 2 24 + 2 16 + 2 8 + 2 4 , а результат сложения записывается в регистр N 1 .
4. Содержимое регистра УУ 2 складывается по модулю 232 с константой С 2 = 2 24 + 2 16 + 2 8 + 1, а результат сложения записывается в регистр УУ 2 .
5. Содержимое регистров N , и Ы 2 подается на выход в качестве 64-битового блока гаммы шифра (в данном случае N^ и УУ 2 образуют первый блок гаммы).

Если необходим следующий блок гаммы (т. е. необходимо продолжить зашифровывание или расшифровывание), выполняется возврат к операции 2.

Для расшифровывания гамма вырабатывается аналогичным образом, а затем к битам зашифрованного текста и гаммы снова применяется операция Х(Ж. Поскольку эта операция обратима, в случае правильно выработанной гаммы получается исходный текст (табл. 6.1).

Таблица 6.1. Зашифровывание и расшифровывание в режиме гаммирования

Для выработки нужной для расшифровки гаммы шифра у пользователя, расшифровывающего криптограмму, должен быть тот же ключ и то же значение синхропосылки, которые применялись при зашифровывании информации. В противном случае получить исходный текст из зашифрованного не удастся.

В большинстве реализаций алгоритма ГОСТ 28147-89 синхропосылка не секретна, однако есть системы, где синхропосылка такой же секретный элемент, как и ключ шифрования. Для таких систем эффективная длина ключа алгоритма (256 бит) увеличивается еще на 64 бит секретной синхропосылки, которую также можно рассматривать как ключевой элемент.

В режиме гаммирования с обратной связью для заполнения регистров Л", и ІУ 2 , начиная со 2-го блока, используется не предыдущий блок гаммы, а результат зашифрования предыдущего блока открытого текста (рис. 6.4). Первый же блок в данном режиме генерируется полностью аналогично предыдущему.

Рассматривая режим генерации имитоприставок, следует определить понятие предмета генерации. Имитоприставка - это криптографическая контрольная сумма, вычисляемая с исполь-

Рис. 6.4.

зованием ключа шифрования и предназначенная для проверки целостности сообщений. При генерации имитоприставки выполняются следующие операции: первый 64-битовый блок массива информации, для которого вычисляется имитоприставка, записывается в регистры ^ и А^ 2 и зашифровывается в сокращенном режиме простой замены (выполняются первые 16 раундов из 32). Полученный результат суммируется по модулю 2 со следующим блоком информации с сохранением результата в Л", и Ы 2 .

Цикл повторяется до последнего блока информации. Получившееся в результате этих преобразований 64-битовое содержимое регистров Л^, и А^ 2 или его часть и называется имитопри-ставкой. Размер имитоприставки выбирается, исходя из требуемой достоверности сообщений: при длине имитоприставки г бит вероятность, что изменение сообщения останется незамеченным, равна 2~ г.

Чаще всего используется 32-битовая имитоприставка, т. е. половина содержимого регистров. Этого достаточно, поскольку, как любая контрольная сумма, имитоприставка предназначена прежде всего для защиты от случайных искажений информации. Для защиты же от преднамеренной модификации данных применяются другие криптографические методы - в первую очередь электронная цифровая подпись.

При обмене информацией имитоприставка служит своего рода дополнительным средством контроля. Она вычисляется для открытого текста при зашифровывании какой-либо информации и посылается вместе с шифртекстом. После расшифровывания вычисляется новое значение имитоприставки, которое сравнивается с присланной. Если значения не совпадают, значит шифр-текст был искажен при передаче или при расшифровывании использовались неверные ключи. Особенно полезна имитоприставка для проверки правильности расшифровывания ключевой информации при использовании многоключевых схем.

Алгоритм ГОСТ 28147-89 является очень стойким алгоритмом - в настоящее время для его раскрытия не предложено более эффективных методов, чем упомянутый выше метод «грубой силы». Его высокая стойкость достигается в первую очередь за счет большой длины ключа - 256 бит. При использовании секретной синхропосылки эффективная длина ключа увеличивается до 320 бит, а засекречивание таблицы замен прибавляет дополнительные биты. Кроме того, криптостойкость зависит от количества раундов преобразований, которых по ГОСТ 28147-89 должно быть 32 (полный эффект рассеивания входных данных достигается уже после 8 раундов).

Стандарт шифрования AES. В 1997 г. Американский институт стандартизации NIST (National Institute of Standards & Technology) объявил конкурс на новый стандарт симметричного криптоалгоритма, названного AES (Advanced Encryption Standard). К его разработке были подключены самые крупные центры криптологии всего мира. Победитель этого соревнования фактически становился мировым криптостандартом на ближайшие 10-20 лет.

К криптоалгоритмам - кандидатам на новый стандарт AES - были предъявлены следующие требования:

алгоритм должен быть симметричным;
алгоритм должен быть блочным шифром;
алгоритм должен иметь длину блока 128 бит и поддерживать три длины ключа: 128, 192 и 256 бит.

Дополнительно разработчикам криптоалгоритмов рекомендовалось:

использовать операции, легко реализуемые как аппаратно (в микрочипах), так и программно (на персональных компьютерах и серверах);
ориентироваться на 32-разрядные процессоры;
не усложнять без необходимости структуру шифра, для того чтобы все заинтересованные стороны были в состоянии самостоятельно провести независимый криптоанализ алгоритма и убедиться, что в нем не заложено каких-либо недокументированных возможностей.

Итоги конкурса были подведены в октябре 2000 г. - победителем был объявлен алгоритм Rijndael, разработанный двумя криптографами из Бельгии, Винсентом Риджменом (Vincent Rijmen) и Джоан Даймен (Joan Daemen). Алгоритм Rijndael стал новым стандартом шифрования данных AES .

Алгоритм AES не похож на большинство известных алгоритмов симметричного шифрования, структура которых носит название «сеть Фейстеля» и аналогична российскому ГОСТ 28147-89. В отличие от отечественного стандарта шифрования, алгоритм AES представляет каждый блок обрабатываемых данных в виде двухмерного байтового массива размером 4x4, 4x6 или 4 х 8 в зависимости от установленной длины блока (допускается использование нескольких фиксированных размеров шифруемого блока информации). Далее на соответствующих этапах производятся преобразования либо над независимыми столбцами, либо над независимыми строками, либо вообще над отдельными байтами.

Алгоритм AES состоит из определенного количества раундов (от 10 до 14 - это зависит от размера блока и длины ключа) и выполняет четыре преобразования:

BS (ByteSub) - табличная замена каждого байта массива (рис. 6.5);

SR (ShiftRow) - сдвиг строк массива (рис. 6.6). При этой операции первая строка остается без изменений, а остальные циклически побайтно сдвигаются влево на фиксированное число байт, зависящее от размера массива. Например, для массива размером 4x4 строки 2, 3 и 4 сдвигаются соответственно на 1, 2 и 3 байта;

МС (MixColumn) - операция над независимыми столбцами массива (рис. 6.7), когда каждый столбец по определенному правилу умножается на фиксированную матрицу с(х);

АК (AddRoundKey) - добавление ключа. Каждый бит массива складывается по модулю 2 с соответствующим битом ключа раунда, который в свою очередь определенным образом вычисляется из ключа шифрования (рис. 6.8).

Рис. 6.5.

для обработки каждого байта массива State

Рис. 6.6. Преобразование SR (ShiftRow) циклически сдвигает три последних

строки в массиве State




		d 2 j

			к оз


			к зз

Рис. 6.8. Преобразование АК (AddRoundKey) производит сложение XOR каждого

столбца массива State со словом из ключевого набора

Эти преобразования воздействуют на массив State, который адресуется с помощью указателя "state". Преобразование AddRoundKey использует дополнительный указатель для адресации ключа раунда Round Key.

Преобразование BS (ByteSub) является нелинейной байтовой подстановкой, которая воздействует независимо на каждый байт массива State, используя таблицу замен (подстановок) iS-box.

В каждом раунде (с некоторыми исключениями) над шифруемыми данными поочередно выполняются перечисленные

преобразования (рис. 6.9). Исключения касаются первого и последнего раундов: перед первым раундом дополнительно выполняется операция А К, а в последнем раунде отсутствует МС.

Рис. 6.9.

В результате последовательность операций при зашифровы-вании выглядит так:

AK, {BS, SR, MC, АК} (повторяется R - 1 раз), BS, SR, АК.

Количество раундов шифрования R в алгоритме AES переменное (10, 12 или 14 раундов) и зависит от размеров блока и ключа шифрования (для ключа также предусмотрено несколько фиксированных размеров).

Расшифровывание выполняется с помощью следующих обратных операций. Выполняется обращение таблицы и табличная замена на инверсной таблице (относительно применяемой при зашифровывании). Обратная операция к SR - это циклический сдвиг строк вправо, а не влево. Обратная операция для МС - умножение по тем же правилам на другую матрицу d(x), удовлетворяющую условию с(х) d{x ) = 1. Добавление ключа АК является обратным самому себе, поскольку в нем используется только операция XOR. Эти обратные операции применяются при расшифровании в последовательности, обратной той, что использовалась при зашифровании.

Все преобразования в шифре AES имеют строгое математическое обоснование. Сама структура и последовательность операций позволяют выполнять данный алгоритм эффективно как на 8-битных так и на 32-битных процессорах. В структуре алгоритма заложена возможность параллельного исполнения некоторых операций, что может поднять скорость шифрования на многопроцессорных рабочих станциях в 4 раза.

Алгоритм AES стал новым стандартом шифрования данных благодаря ряду преимуществ перед другими алгоритмами. Прежде всего он обеспечивает высокую скорость шифрования на всех платформах: как при программной, так и при аппаратной реализации. Кроме того, требования к ресурсам для его работы минимальны, что важно при его использовании в устройствах, обладающих ограниченными вычислительными возможностями.

Недостатком алгоритма AES можно считать лишь его нетрадиционную схему. Дело в том, что свойства алгоритмов, основанных на «сети Фейстеля», хорошо исследованы, a AES, в отличие от них, может содержать скрытые уязвимости, которые могут обнаружиться только по прошествии какого-то времени с момента начала его широкого распространения.

Для шифрования данных применяются и другие симметричные блочные криптоалгоритмы.

Основные режимы работы блочного симметричного

алгоритма

Большинство блочных симметричных криптоалгоритмов непосредственно преобразуют 64-битовый входной открытый текст в 64-битовый выходной шифрованный текст, однако данные редко ограничиваются 64 разрядами.

Чтобы воспользоваться блочным симметричным алгоритмом для решения разнообразных криптографических задач, разработаны четыре рабочих режима:

электронная кодовая книга ЕС В (Electronic Code Book);
сцепление блоков шифра СВС (Cipher Block Chaining);
обратная связь по шифртексту CFB (Cipher Feed Back);
обратная связь по выходу OFB (Output Feed Back).

Эти рабочие режимы первоначально были разработаны для блочного алгоритма DES, но в любом из этих режимов могут работать и другие блочные криптоалгоритмы.

Среди разнообразнейших способов шифровании можно выделить следующие основные методы:

Алгоритмы замены или подстановки - символы исходного текста заменяются на символы другого (или того же) алфавита в соответствии с заранее определенной схемой, которая и будет ключом данного шифра. Отдельно этот метод в современных криптосистемах практически не используется из-за чрезвычайно низкой криптостойкости.

Алгоритмы перестановки - символы оригинального текста меняются местами по определенному принципу, являющемуся секретным ключом. Алгоритм перестановки сам по себе обладает низкой криптостойкостью, но входит в качестве элемента в очень многие современные криптосистемы.

Алгоритмы гаммирования - символы исходного текста складываются с символами некой случайной последовательности. Самым распространенным примером считается шифрование файлов «имя пользователя.рwl», в которых операционная система Microsoft Windows 95 хранит пароли к сетевым ресурсам данного пользователя (пароли на вход в NT-серверы, пароли для DialUр-доступа в Интернет и т.д.). Когда пользователь вводит свой пароль при входе в Windows 95, из него по алгоритму шифрования RC4 генерируется гамма (всегда одна и та же), применяемая для шифрования сетевых паролей. Простота подбора пароля обусловливается в данном случае тем, что Windows всегда предпочитает одну и ту же гамму.

Алгоритмы, основанные на сложных математических преобразованиях исходного текста по некоторой формуле. Многие из них используют нерешенные математические задачи. Например, широко используемый в Интернете алгоритм шифрования RSA основан на свойствах простых чисел.

Комбинированные методы. Последовательное шифрование исходного текста с помощью двух и более методов.

Алгоритмы шифрования

Рассмотрим подробнее методы криптографической защиты данных

1. Алгоритмы замены(подстановки)

2. Алгоритм перестановки

3. Алгоритм гаммирования

4. Алгоритмы, основанные на сложных математических преобразованиях

5. Комбинированные методы шифрования

Алгоритмы 1-4 в «чистом виде» использовались раньше, а в наши дни они заложены практически в любой, даже самой сложной программе шифрования. Каждый из рассмотренных методов реализует собственный способ криптографической защиты информации и имеет собственные достоинства и недостатки, но их общей важнейшей характеристикой является стойкость. Под этим понимается минимальный объем зашифрованного текста, статистическим анализом которого можно вскрыть исходный текст. Таким образом, по стойкости шифра можно определить предельно допустимый объем информации, зашифрованной при использовании одного ключа. При выборе криптографического алгоритма для использования в конкретной разработке его стойкость является одним из определяющих факторов.

Все современные криптосистемы спроектированы таким образом, чтобы не было пути вскрыть их более эффективным способом, чем полным перебором по всему ключевому пространству, т.е. по всем возможным значениям ключа. Ясно, что стойкость таких шифров определяется размером используемого в них ключа.

Приведу оценки стойкости рассмотренных выше методов шифрования. Моноалфавитная подстановка является наименее стойким шифром, так как при ее использовании сохраняются все статистические закономерности исходного текста. Уже при длине в 20-30 символов указанные закономерности проявляются в такой степени, что, как правило, позволяет вскрыть исходный текст. Поэтому такое шифрование считается пригодным только для закрывания паролей, коротких сигнальных сообщений и отдельных знаков.

Стойкость простой полиалфавитной подстановки (из подобных систем была рассмотрена подстановка по таблице Вижинера) оценивается значением 20n, где n - число различных алфавитов используемых для замены. При использовании таблицы Вижинера число различных алфавитов определяется числом букв в ключевом слове. Усложнение полиалфавитной подстановки существенно повышает ее стойкость.

Стойкость гаммирования однозначно определяется длинной периода гаммы. В настоящее время реальным становится использование бесконечной гаммы, при использовании которой теоретически стойкость зашифрованного текста также будет бесконечной.

Можно отметить, что для надежного закрытия больших массивов информации наиболее пригодны гаммирование и усложненные перестановки и подстановки.

При использовании комбинированных методов шифрования стойкость шифра равна произведению стойкостей отдельных методов. Поэтому комбинированное шифрование является наиболее надежным способом криптографического закрытия. Именно такой метод был положен в основу работы всех известных в настоящее время шифрующих аппаратов.

Алгоритм DES был утвержден еще долее 20 лет назад, однако за это время компьютеры сделали немыслимый скачок в скорости вычислений, и сейчас не так уж трудно сломать этот алгоритм путем полного перебора всех возможных вариантов ключей (а в DES используется всего 8-байтный),что недавно казалось совершенно невозможным.

ГОСТ 28147-89 был разработан еще спецслужбами Советского Союза, и он моложе DES всего на 10 лет; при разработке в него был заложен такой запас прочности, что данный ГОСТ является актуальным до сих пор.

Рассмотренные значения стойкости шифров являются потенциальными величинами. Они могут быть реализованы при строгом соблюдении правил использования криптографических средств защиты. Основными из этих првил являются: сохранение в тайне ключей, исключения дублирования(т.е. повторное шифрование одного и того же отрывка текста с использованием тех же ключей) и достаточно частая смена ключей.

Заключение

Итак, в этой работе был сделан обзор наиболее распространенных в настоящее время методов криптографической защиты информации и способов ее реализации. Выбор для конкретных систем должен быть основан на глубоком анализе слабых и сильных сторон тех или иных методов защиты. Обоснованный выбор той или иной системы защиты в общем-то должен опираться на какие-то критерии эффективности. К сожалению, до сих пор не разработаны подходящие методики оценки эффективности криптографических систем.

Наиболее простой критерий такой эффективности - вероятность раскрытия ключа или мощность множества ключей (М). По сути это то же самое, что и криптостойкость. Для ее численной оценки можно использовать также и сложность раскрытия шифра путем перебора всех ключей. Однако, этот критерий не учитывает других важных требований к криптосистемам:

· невозможность раскрытия или осмысленной модификации информации на основе анализа ее структуры,

· совершенство используемых протоколов защиты,

· минимальный объем используемой ключевой информации,

· минимальная сложность реализации (в количестве машинных операций), ее стоимость,

· высокая оперативность.

Поэтому желательно конечно использование некоторых интегральных показателей, учитывающих указанные факторы. Но в любом случае выбранный комплекс криптографических методов должен сочетать как удобство, гибкость и оперативность использования, так и надежную защиту от злоумышленников циркулирующей в системе информации.

Практическая часть:

Задание 1.

1) Заполняем поле X выполнив

1.1 Задаем вручную первое значение

1.2 Выполняем Правка->Заполнить->

2) Заполняем поле значений функции g =

Рис.1.1 – Формула функции g(x)

2.1) Просчитываем значения функций

3) Построение графиков

3.1) Выделяем ячейки с значениями Функций g

3.2) Выбираем мастер диаграмм

Рис.1.2 – Мастер диаграмм - График

Далее ->ряд

Рис.1.3 – Мастер диаграмм – подпись осей

Выделяем значение оси X

Нажимаем Ввод (enter)

3.3) Даем имена графикам

3.4) Выделяем ячейку с формулой графика

3.6) Выбираем закладку ->Линии сетки, выставляем

X промежуточные линии, Y Основные линии ->Далее

3.7) Помещаем график функции на имеющемся листе -> (Готово)

4) В итоге получаем (Рис.1.4)

Рис.1.4 – График функции g(x)

1.2.

1) Определяем в полях таблицы функции будущих графиков

Рис.1.5 – Подпись функций будущих графиков

2) Заполняем поле X выполнив:

2.1 Задаем вручную первое значение

2.2 Выполняем Правка->Заполнить->Прогрессия (по столбцам, арифметическая, шаг, предельное значение) при х [-2;2]

3) Просчитываем значения функций y=2sin( x) – 3cos( x), z = cos²(2 x) – 2sin( x).

Рис.1.6 – Формулы функций y(x) и z(x)

4) Построение графиков

4.1Выделяем ячейки с значениями Функций y и z

Выбираем мастер диаграмм

Рис.1.7 - Мастер диаграмм - График

Выделяем значение оси X

Нажимаем Ввод (enter)

4.2) Даем имена графикам

4.3) Выделяем ячейку с формулой графика

Нажимаем ввод (enter) , потом тоже самое проделываем со вторым рядом

4.5) Выбираем закладку ->Линии сетки, выставляем

X промежуточные линии, Y Основные линии ->Далее

4.6) Помещаем график функции на имеющемся листе -> (Готово)

5) В итоге получаем (Рис.1.8)

Рис.1.8 – Графики функций y(x) и z(x)

Задание 2.

· Создание списка «Отдела кадров»

Рис.2.1 Список «Отдела кадров»

· Сортировка

Рис.2.2 – Сортировка по полю Имя

В итоге получаем (Рис.2.3)

Рис.2.3 – Отсортированная таблица «Отдел кадров»

·
Поиск информации с помощью автофильтра (получить информацию о мужчинах, имя которых начинается на букву Буква, отчество – «Иванович», с окладом Оклад );

Рис.2.4 - Автофильтр

· Поиск информации с помощью расширенного фильтра (найти информацию из отдела Отдел1 в возрасте Возраст1 и Возраст2 , и о женщинах из отдела Отдел2 в возрасте Возраст3 );

1) Вводим критерии для расширенного фильтра 1

В итоге получаем (Рис.2.5)

Рис.2.5 – Расширенный фильтр 1

2) Вводим критерии для расширенного фильтра 2.

В итоге получаем(Рис.2.6)

Рис.2.6 – Расширенный фильтр 2

· Подведение итогов (определить количество и средний возраст сотрудников в каждом отделе);

Рис.2.7 - Итоги

Функция ДМИН- Возвращает наименьшее число в поле (столбце) записей списка или базы данных, которое удовлетворяет заданным условиям.

Рис.2.8 – Анализ списка с помощью функции ДМИН

Задание 3.

Создаём две связанные таблицы Сессия (рис.3.2) и Студенты (рис.3.4)

Рис.3.1- Конструктор таблицы Сессия

Рис.3.2- Таблица Сессия

Рис.3.3 – Конструктор таблицы Студенты

Рис.3.4 – Таблица Студенты

1) Используя таблицу Студенты, создать три запроса, по которым из базы данных будут поочередно отобраны фамилии и имена студентов групп 1-Э-1, 1-Э-2, 1-Э-3.

Рис.3.5– Конструктор Запроса 1.1

Рис.3.7– Конструктор Запроса1.2

Рис.3.9– Конструктор Запроса 1.3

2) Используя таблицу Студенты, создать два запроса, по которым из базы данных будут поочередно отобраны фамилии и имена женщин, а затем фамилии и имена мужчин.

Рис.3.11– Конструктор Запроса 2.1

Рис.3.13 – Конструктор Запроса 2.2

3)Использую таблицу Студенты, создать два запроса, по которым из базы данных будут поочередно отобраны фамилии и имена женщин группы 1-Э-2, а затем-мужчин группы 1-Э-1.

Рис.3.15– Конструктор Запроса 3.1

Рис.3.17– Конструктор – 3.2

4) Используя связанные таблицы Студенты и Сессия, создать запрос, по которому из базы данных будут отобраны фамилии, имена, номера зачёток и оценки по математике студентов группы 1-Э-2.

Рис.3.19– Конструктор Запроса 5

5) Используя связанные таблицы Студенты и Сессия, создать запрос, по которому из базы данных будут отобраны фамилии, имена, номера зачёток и оценки по философии студентов (мужчин) группы 1-Э-2.

Рис.3.21– Конструктор Запроса 8

6) Используя связанные таблицы Студенты и Сессия, создать запрос, по которому из базы данных будут отобраны фамилии, имена, номера зачёток студентов, получивших оценку «удовлетворительно» (3) по философии.

Рис.3.23– Конструктор Запроса 10

7) Используя связанные таблицы Студенты и Сессия, создать запрос, по которому из базы данных будут отобраны фамилии, имена, номера зачёток студентов, получивших оценку «хорошо» (4) одновременно по двум предмета: философии и математике.

Рис.3.25– Конструктор Запроса 14

8) Используя связанные таблицы Студенты и Сессия, создать запрос, по которому из базы данных будут отобраны фамилии, имена, номера зачёток студентов, получивших оценку «неудовлетворительно» (2) по одному из двух предметов: по математике или информатике.

Рис.3.27– Конструктор Запроса 18

9) Используя связанные таблицы Студенты и Сессия, создать запрос, по которому из базы данных будут отобраны фамилии, имена, номера зачёток студентов, получивших оценку «хорошо» (4) по всем предметам.

Рис.3.29– Конструктор Запроса 22

10) Используя таблицу Сессия, создать запрос с именем Средний балл для расчёта среднего балла каждого студента по результатам сдачи четырёх экзаменов. Запрос обязательно должен содержать поле Зачётка , которое впоследствии будет использовано для связывания нескольких таблиц.

Рис.3.31 – Конструктор таблицы Сессия

11) Используя связанные таблицы Студенты , Сессия и запрос Средний балл , создать запрос, по которому из базы данных будут отобраны фамилии, имена, номера зачёток, номера групп студентов, имеющих средний балл 3,25.

Рис.3.33 – Конструктор Запроса 25

12) Используя связанные таблицы Студенты , Сессия и запрос Средний балл , создать запрос, по которому из базы данных будут отобраны оценка по математике, средний балл и номер группы студента Иванова.

Рис.3.35– Конструктор Запроса 29

13) Используя связанные таблицы Студенты , Сессия и запрос Средний балл , создать запрос, по которому из базы данных будут отобраны фамилии, имена студентов имеющих средний балл менее 3,75.

Рис.3.37– Конструктор Запроса 33

14) Используя таблицу Студенты , определить фамилию, имя и номер зачетки студентки, если известно, что её отчество Викторовна.

Рис.3.39– Конструктор Запроса 35

Задание 4.

Для перевода числа из десятичной системы счисления в систему счисления с другим основанием поступают следующим образом:

а) Для перевода целой части числа его делят нацело на основание системы, фиксируя остаток. Если неполное частное не равно нулю продолжают делить его нацело. Если равно нулю остатки записываются в обратном порядке.

б) Для перевода дробной части числа ее умножают на основание системы счисления, фиксируя при этом целые части полученных произведений. Целые части в дальнейшем умножении не участвуют. Умножение производиться до получения 0 в дробной части произведения или до заданной точности вычисления.

в) Ответ записывают в виде сложения переведенной целой и переведенной дробной части числа.

49812,22₁₀ = 1100001010010100,001₂ 49812,22₁₀ = 141224,160₈

0,

0,

49812,22₁₀ = С294, 385₁₆

0,

Задание 5.

Для перевода числа в десятичную систему счисления из системы счисления с другим основанием каждый коэффициент переводимого числа умножается на основание системы в степени соответствующей этому коэффициенту и полученные результаты складываются.

А) 10101001,11001₂ = 1*2^7+1*2^5+1*2^3+1*2^0+1*2^(-1)+1*2^(-2)+1*2(-5)= 169,78125₁₀

Для перевода из двоичной системы счисления в восьмеричную необходимо разбить данное двоичное число вправо и влево от запятой на триада (три цифры) и представить каждую триаду соответствующим восьмеричным кодом. При невозможности разбиения на триады допускается добавление нулей слева в целой записи числа и справа в дробной части числа. Для обратного перевода каждую цифру восьмеричного числа представляют соответствующей триадой двоичного кода.

Таблица 5.1 – Перевод чисел

Десятичная система счисления	Двоичная система счисления	Восьмеричная система счисления	Шестнадцатеричная система счисления
Триады (0-7)	Тетрады (0-15)










				A
				B
				C
				D
				E
				F

Б) 674,7₈ = 110111100,111₂=1*2^2+1*2^3+1*2^4+1*2^5+1*2^7+1*2^8+1*2^(-1) +1*2^(-2) +1*2^(-3)= 443,875₁₀

110 111 100. 111₂

В) EDF,51₁₆ = 111011011111,01010001₂=1*2^0+1*2^1+1*2^2+1*2^3+1*2^4+1*2^6+ +1*2^7+1*2^9+ +1*2^10+1*2^11+1*2^(-2) 1*2^(-4) 1*2^(-8)= 3807,31640625₁₀

1110 1101 1111 . 0101 0001₂

Задание 6.

В основе сложения чисел в двоичной системе лежит таблица сложения одноразрядных двоичных чисел.

0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 1 + 0 = 1 1 + 1 = 10
Сложение многоразрядных двоичных чисел осуществляется в соответствии с этой таблицей с учетом возможных переносов из младшего разряда в старшие. В восьмеричной системе счисления, как и в любой другой позиционной, действуют собственные правила сложения чисел, представляющиеся правилами сложения цифр с равными порядками, относящихся к двум складываемым числам. Эти правила видны из табл.6.1. Появляющийся при сложении некоторых цифр данного разряда перенос, показан символом "↶". Таблица 6.1 - Сложение в 8–ой системе счисления
+

							↶0
						↶0	↶1
					↶0	↶1	↶2
				↶0	↶1	↶2	↶3
			↶0	↶1	↶2	↶3	↶4
		↶0	↶1	↶2	↶3	↶4	↶5
	↶0	↶1	↶2	↶3	↶4	↶5	↶6

Правила сложения цифр двух шестнадцатеричных чисел, находящихся в одинаковых разрядах этих чисел, можно видеть из табл.6.2. Имеющий место при сложении некоторых цифр данного разряда перенос показан символом "↶".

6 8 5 , 3 2 2 A ₁₆ + 1 0 1 0 1 0 0 1 0 , 1 0 ₂ + 4 7 7 , 6₈

D A 4 8 5 , 4 4 6 0 ₁₆ 1 1 0 0 0 0 1 1 0 , 1 1 0 1 0₂6 5 1 , 5 6₈

D A B 0 A , 7 6 8 A₁₆ 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 , 0 1 0 1 0₂ 1 3 5 1 ,3 6₈

Таблица 6.2 - Сложение в 16-ой системе счисления

↶0

↶1

↶0

↶1

↶2

↶0

↶1

↶2

↶3

↶0

↶1

↶2

↶3

↶4

↶0

↶1

↶2

↶3

↶4

↶5

↶0

↶1

↶2

↶3

↶4

↶5

↶6

↶0

↶1

↶2

↶3

↶4

↶5

↶6

↶7

↶0

↶1

↶2

↶3

↶4

↶5

↶6

↶7

↶8

↶0

↶1

↶2

↶3

↶4

↶5

↶6

↶7

↶8

↶9

↶0

↶1

↶2

↶3

↶4

↶5

↶6

↶7

↶8

↶9

↶A

↶0

↶1

↶2

↶3

↶4

↶5

↶6

↶7

↶8

↶9

↶A

↶B

↶0

↶1

↶2

↶3

↶4

↶5

↶6

↶7

↶8

↶9

↶A

↶B

↶C

↶0

↶1

↶2

↶3

↶4

↶5

↶6

↶7

↶8

↶9

↶A

↶B

↶C

↶D

↶0

↶1

↶2

↶3

↶4

↶5

↶6

↶7

↶8

↶9

↶A

↶B

↶C

↶D

↶E

Задание 7.

Используя таблицу сложения восьмеричных чисел, можно выполнять их вычитание. Пусть требуется вычислить разность двух восьмеричных чисел. Найдём в первом столбце табл. 6.1 цифру, соответствующую последней в вычитаемом, и в её строке отыщем последнюю цифру уменьшаемого - она расположена на пересечении строки вычитаемого и столбца разности. Так мы найдём последнюю цифру разности. Аналогично ищется каждая цифра разности.

а) _ 2 5 1 5 1 4 , 4 0₈

5 4 2 5 , 5 5 ₈

2 4 3 0 6 6 , 6 3₈

б) _1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 , 1 0 0 0 0₂

1 0 1 0 0 1 0 0 1 , 1 0 0 1 1 ₂

1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 , 0 0 0 0 1₂

в) _E 3 1 6 , 2 5 0₁₆

5 8 8 1 , F D C₁₆

8 А 9 4 , 2 7 4

Задание 8.

В основе умножения чисел в двоичной системе лежит таблица умножения одноразрядных двоичных чисел.

0 · 0 = 0
0 · 1 = 0
1 · 0 = 0
1 · 1 = 1

Умножение многоразрядных двоичных чисел осуществляется в
соответствии с этой таблицей по обычной схеме,
которую вы применяете в десятичной системе.

Собственная таблица умножения, как у нас уже была возможность убедиться, имеется в каждой позиционной системе счисления. В двоичной она самая маленькая, в восьмеричной (табл.8.1) и десятичной уже более обширная. Среди часто используемых систем счисления из рассмотренных нами самой крупной таблицей умножения располагает шестнадцатеричная (табл. 8.2).

Табл. 8.1. – Умножение в 8-ой системе

×

а) 1 0 1 0 0 1₂

* 1 1 1 0 1 1 ₂

1 0 1 0 0 1 .

1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1₂

б) 1 0 1 1 1 0 0₂

* 1 1 0 1 1 ₂

1 0 1 1 1 0 0 .

1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0₂

в) B C D , 5₁₆

* D5A ₁₆

9 D 9 3 3 E 2₁₆

Табл.8.2 – Умножение в 16-ой системе

Задание 9.

Прямой код - способ представления двоичных чисел с фиксированной запятой в компьютерной арифметике. При записи числа в прямом коде старший разряд является знаковым разрядом . Если его значение равно 0 - то число положительное, если 1 - то отрицательное.

Обратный код - метод вычислительной математики, позволяющий вычесть одно число из другого, используя только операцию сложения над натуральными числами. При записи числа для положительного числа совпадает с прямым кодом, а для отрицательного числа все цифры заменяются на противоположные, кроме разрядного.

Дополнительный код (англ. two’s complement , иногда twos-complement ) - наиболее распространённый способ представления отрицательных целых чисел в компьютерах. Он позволяет заменить операцию вычитания на операцию сложения и сделать операции сложения и вычитания одинаковыми для знаковых и беззнаковых чисел, чем упрощает архитектуру ЭВМ. При записи числа для положительного числа совпадает с прямым кодом, а для отрицательного числа дополнительный код обуславливается получением обратного кода и добавлением 1.

Сложение чисел в дополнительном коде возникающая 1 переноса в знаковом разряде отбрасывается, а в обратном коде прибавляется к младшему разряду суммы кодов.

Если результат арифметических действий является кодом отрицательного числа необходимо преобразовать в прямой код. Обратный код преобразовать в прямой заменой цифр во всех разрядах кроме знакового на противоположных. Дополнительный код преобразовывается в прямой прибавлением 1.

Прямой код:

X=0,10111 1,11110

Y=1,11110 0,10111

Обратный код:

X=0,10111 0,10111

Y=1,00001 1,00001

1,11000 1,00111

Дополнительный код:

X=0,10111 0,10111

Y=1,00010 1,00010

1,11001 1,00110

Прямой код:

Обратный код:

X=0,110110 0,0110110

Y=0,101110 0,0101110

Дополнительный код:

X=0,110110 0,0110110

Y=0,101110 0,0101110

Задание 10.

Логические элементы

1. Логический элемент НЕ выполняет логическое отрицание. Он имеет один вход и один выход. Отсутствие сигнала (напряжения) обозначим через «0», а наличие сигнала через «1». Сигнал на выходе всегда противоположен входному сигналу. Это видно из таблицы истинности, которая показывает зависимость выходного сигнала от входного.

2. Логический элемент ИЛИ выполняет логическое сложение. Он имеет несколько входов и один выход. Сигнал на выходе будет, если есть сигнал хотя бы на одном входе.

Условное обозначение Таблица истинности

3. Логический элемент И выполняет логическое умножение. Сигнал на выходе этого логического элемента будет только в том случае, если есть сигнал на всех входах.

Условное обозначение Таблица истинности

F=(A v B) ʌ (C v D)

Таблица 10.1 – Таблица истинности

A	B	C	D	A	B	C	D	(A v B)	(C vD)	F=(A v B) ʌ (C v D)

AВ алгебре логики имеется ряд законов, позволяющих производить равносильные преобразования логических выражений. Приведем соотношения, отражающие эти законы.

1. Закон двойного отрицания: (А) = А

Двойное отрицание исключает отрицание.

2. Переместительный (коммутативный) закон:

Для логического сложения: A V B = B V A

Для логического умножения: A&B = B&A

Результат операции над высказываниями не зависит от того, в каком порядке берутся эти высказывания.

3. Сочетательный (ассоциативный) закон:

Для логического сложения: (A v B) v C = A v (Bv C);

Для логического умножения: (A&B)&C = A&(B&C).

При одинаковых знаках скобки можно ставить произвольно или вообще опускать.

4. Распределительный (дистрибутивный) закон:

Для логического сложения: (A v B)&C = (A&C)v(B&C);

Для логического умножения: (A&B) v C = (A v C)&(B v C).

Определяет правило выноса общего высказывания за скобку.

5. Закон общей инверсии (законы де Моргана):

Для логического сложения: (Av B) = A & B;

Для логического умножения: (A& B) = A v B;

6. Закон идемпотентности

Для логического сложения: A v A = A;

Для логического умножения: A&A = A.

Закон означает отсутствие показателей степени.

7. Законы исключения констант:

Для логического сложения: A v 1 = 1, A v 0 = A;

Для логического умножения: A&1 = A, A&0 = 0.

8. Закон противоречия: A& A = 0.

Невозможно, чтобы противоречащие высказывания были одновременно истинными.

9. Закон исключения третьего: A v A = 1.

10. Закон поглощения:

Для логического сложения: A v (A&B) = A;

Для логического умножения: A&(A v B) = A.

11. Закон исключения (склеивания):

Для логического сложения: (A&B) v (A &B) = B;

Для логического умножения: (A v B)&(A v B) = B.

12. Закон контрапозиции (правило перевертывания):

(A v B) = (Bv A).

(А→В) = А&В

А&(АvВ)= А&В

Формула имеет нормальную форму, если в ней отсутствуют знаки эквивалентности, импликации, двойного отрицания, при этом знаки отрицания находятся только при переменных.

Похожая информация.

Сергей Панасенко ,
начальник отдела разработки программного обеспечения фирмы «Анкад»,
[email protected]

Основные понятия

Процесс преобразования открытых данных в зашифрованные и наоборот принято называть шифрованием, причем две составляющие этого процесса называют соответственно зашифрованием и расшифрованием. Математически данное преобразование представляется следующими зависимостями, описывающими действия с исходной информацией:

С = Ek1(M)

M" = Dk2(C),

где M (message) - открытая информация (в литературе по защите информации часто носит название "исходный текст");
C (cipher text) - полученный в результате зашифрования шифртекст (или криптограмма);
E (encryption) - функция зашифрования, выполняющая криптографические преобразования над исходным текстом;
k1 (key) - параметр функции E, называемый ключом зашифрования;
M" - информация, полученная в результате расшифрования;
D (decryption) - функция расшифрования, выполняющая обратные зашифрованию криптографические преобразования над шифртекстом;
k2 - ключ, с помощью которого выполняется расшифрование информации.

Понятие "ключ" в стандарте ГОСТ 28147-89 (алгоритм симметричного шифрования) определено следующим образом: "конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования, обеспечивающее выбор одного преобразования из совокупности всевозможных для данного алгоритма преобразований". Иными словами, ключ представляет собой уникальный элемент, с помощью которого можно изменять результаты работы алгоритма шифрования: один и тот же исходный текст при использовании различных ключей будет зашифрован по-разному.

Для того, чтобы результат расшифрования совпал с исходным сообщением (т. е. чтобы M" = M), необходимо одновременное выполнение двух условий. Во-первых, функция расшифрования D должна соответствовать функции зашифрования E. Во-вторых, ключ расшифрования k2 должен соответствовать ключу зашифрования k1.

Если для зашифрования использовался криптостойкий алгоритм шифрования, то при отсутствии правильного ключа k2 получить M" = M невозможно. Криптостойкость - основная характеристика алгоритмов шифрования и указывает прежде всего на степень сложности получения исходного текста из зашифрованного без ключа k2.

Алгоритмы шифрования можно разделить на две категории: симметричного и асимметричного шифрования. Для первых соотношение ключей зашифрования и расшифрования определяется как k1 = k2 = k (т. е. функции E и D используют один и тот же ключ шифрования). При асимметричном шифровании ключ зашифрования k1 вычисляется по ключу k2 таким образом, что обратное преобразование невозможно, например, по формуле k1 = ak2 mod p (a и p - параметры используемого алгоритма).

Симметричное шифрование

Свою историю алгоритмы симметричного шифрования ведут с древности: именно этим способом сокрытия информации пользовался римский император Гай Юлий Цезарь в I веке до н. э., а изобретенный им алгоритм известен как "криптосистема Цезаря".

В настоящее время наиболее известен алгоритм симметричного шифрования DES (Data Encryption Standard), разработанный в 1977 г. До недавнего времени он был "стандартом США", поскольку правительство этой страны рекомендовало применять его для реализации различных систем шифрования данных. Несмотря на то, что изначально DES планировалось использовать не более 10-15 лет, попытки его замены начались только в 1997 г.

Мы не будем рассматривать DES подробно (почти во всех книгах из списка дополнительных материалов есть его подробнейшее описание), а обратимся к более современным алгоритмам шифрования. Стоит только отметить, что основная причина изменения стандарта шифрования - его относительно слабая криптостойкость, причина которой в том, что длина ключа DES составляет всего 56 значащих бит. Известно, что любой криптостойкий алгоритм можно взломать, перебрав все возможные варианты ключей шифрования (так называемый метод грубой силы - brute force attack). Легко подсчитать, что кластер из 1 млн процессоров, каждый из которых вычисляет 1 млн ключей в секунду, проверит 256 вариантов ключей DES почти за 20 ч. А поскольку по нынешним меркам такие вычислительные мощности вполне реальны, ясно, что 56-бит ключ слишком короток и алгоритм DES необходимо заменить на более "сильный".

Сегодня все шире используются два современных криптостойких алгоритма шифрования: отечественный стандарт ГОСТ 28147-89 и новый криптостандарт США - AES (Advanced Encryption Standard).

Стандарт ГОСТ 28147-89

Алгоритм, определяемый ГОСТ 28147-89 (рис. 1), имеет длину ключа шифрования 256 бит. Он шифрует информацию блоками по 64 бит (такие алгоритмы называются блочными), которые затем разбиваются на два субблока по 32 бит (N1 и N2). Субблок N1 обрабатывается определенным образом, после чего его значение складывается со значением субблока N2 (сложение выполняется по модулю 2, т. е. применяется логическая операция XOR - "исключающее или"), а затем субблоки меняются местами. Данное преобразование выполняется определенное число раз ("раундов"): 16 или 32 в зависимости от режима работы алгоритма. В каждом раунде выполняются две операции.

Первая - наложение ключа. Содержимое субблока N1 складывается по модулю 2 с 32-бит частью ключа Kx. Полный ключ шифрования представляется в виде конкатенации 32-бит подключей: K0, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7. В процессе шифрования используется один из этих подключей - в зависимости от номера раунда и режима работы алгоритма.

Вторая операция - табличная замена. После наложения ключа субблок N1 разбивается на 8 частей по 4 бит, значение каждой из которых заменяется в соответствии с таблицей замены для данной части субблока. Затем выполняется побитовый циклический сдвиг субблока влево на 11 бит.

Табличные замены (Substitution box - S-box) часто используются в современных алгоритмах шифрования, поэтому стоит пояснить, как организуется подобная операция. В таблицу записываются выходные значения блоков. Блок данных определенной размерности (в нашем случае - 4-бит) имеет свое числовое представление, которое определяет номер выходного значения. Например, если S-box имеет вид 4, 11, 2, 14, 15, 0, 8, 13, 3, 12, 9, 7, 5, 10, 6, 1 и на вход пришел 4-бит блок "0100" (значение 4), то, согласно таблице, выходное значение будет равно 15, т. е. "1111" (0 а 4, 1 а 11, 2 а 2 ...).

Алгоритм, определяемый ГОСТ 28147-89, предусматривает четыре режима работы: простой замены, гаммирования, гаммирования с обратной связью и генерации имитоприставок. В них используется одно и то же описанное выше шифрующее преобразование, но, поскольку назначение режимов различно, осуществляется это преобразование в каждом из них по-разному.

В режиме простой замены для зашифрования каждого 64-бит блока информации выполняются 32 описанных выше раунда. При этом 32-бит подключи используются в следующей последовательности:

K0, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K0, K1 и т. д. - в раундах с 1-го по 24-й;

K7, K6, K5, K4, K3, K2, K1, K0 - в раундах с 25-го по 32-й.

Расшифрование в данном режиме проводится точно так же, но с несколько другой последовательностью применения подключей:

K0, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7 - в раундах с 1-го по 8-й;

K7, K6, K5, K4, K3, K2, K1, K0, K7, K6 и т. д. - в раундах с 9-го по 32-й.

Все блоки шифруются независимо друг от друга, т. е. результат зашифрования каждого блока зависит только от его содержимого (соответствующего блока исходного текста). При наличии нескольких одинаковых блоков исходного (открытого) текста соответствующие им блоки шифртекста тоже будут одинаковы, что дает дополнительную полезную информацию для пытающегося вскрыть шифр криптоаналитика. Поэтому данный режим применяется в основном для шифрования самих ключей шифрования (очень часто реализуются многоключевые схемы, в которых по ряду соображений ключи шифруются друг на друге). Для шифрования собственно информации предназначены два других режима работы - гаммирования и гаммирования с обратной связью.

В режиме гаммирования каждый блок открытого текста побитно складывается по модулю 2 с блоком гаммы шифра размером 64 бит. Гамма шифра - это специальная последовательность, которая получается в результате определенных операций с регистрами N1 и N2 (см. рис. 1).

1. В регистры N1 и N2 записывается их начальное заполнение - 64-бит величина, называемая синхропосылкой.

2. Выполняется зашифрование содержимого регистров N1 и N2 (в данном случае - синхропосылки) в режиме простой замены.

3. Содержимое регистра N1 складывается по модулю (232 - 1) с константой C1 = 224 + 216 + 28 + 24, а результат сложения записывается в регистр N1.

4. Содержимое регистра N2 складывается по модулю 232 с константой C2 = 224 + 216 + 28 + 1, а результат сложения записывается в регистр N2.

5. Содержимое регистров N1 и N2 подается на выход в качестве 64-бит блока гаммы шифра (в данном случае N1 и N2 образуют первый блок гаммы).

Если необходим следующий блок гаммы (т. е. необходимо продолжить зашифрование или расшифрование), выполняется возврат к операции 2.

Для расшифрования гамма вырабатывается аналогичным образом, а затем к битам зашифрованного текста и гаммы снова применяется операция XOR. Поскольку эта операция обратима, в случае правильно выработанной гаммы получается исходный текст (таблица).

Зашифрование и расшифрование в режиме гаммирования

Для выработки нужной для расшифровки гаммы шифра у пользователя, расшифровывающего криптограмму, должен быть тот же ключ и то же значение синхропосылки, которые применялись при зашифровании информации. В противном случае получить исходный текст из зашифрованного не удастся.

В большинстве реализаций алгоритма ГОСТ 28147-89 синхропосылка не секретна, однако есть системы, где синхропосылка - такой же секретный элемент, как и ключ шифрования. Для таких систем эффективная длина ключа алгоритма (256 бит) увеличивается еще на 64 бит секретной синхропосылки, которую также можно рассматривать как ключевой элемент.

В режиме гаммирования с обратной связью для заполнения регистров N1 и N2, начиная со 2-го блока, используется не предыдущий блок гаммы, а результат зашифрования предыдущего блока открытого текста (рис. 2). Первый же блок в данном режиме генерируется полностью аналогично предыдущему.

Рис. 2. Выработка гаммы шифра в режиме гаммирования с обратной связью.

Рассматривая режим генерации имитоприставок , следует определить понятие предмета генерации. Имитоприставка - это криптографическая контрольная сумма, вычисляемая с использованием ключа шифрования и предназначенная для проверки целостности сообщений. При генерации имитоприставки выполняются следующие операции: первый 64-бит блок массива информации, для которого вычисляется имитоприставка, записывается в регистры N1 и N2 и зашифровывается в сокращенном режиме простой замены (выполняются первые 16 раундов из 32). Полученный результат суммируется по модулю 2 со следующим блоком информации с сохранением результата в N1 и N2.

Цикл повторяется до последнего блока информации. Получившееся в результате этих преобразований 64-бит содержимое регистров N1 и N2 или его часть и называется имитоприставкой. Размер имитоприставки выбирается, исходя из требуемой достоверности сообщений: при длине имитоприставки r бит вероятность, что изменение сообщения останется незамеченным, равна 2-r.Чаще всего используется 32-бит имитоприставка, т. е. половина содержимого регистров. Этого достаточно, поскольку, как любая контрольная сумма, имитоприставка предназначена прежде всего для защиты от случайных искажений информации. Для защиты же от преднамеренной модификации данных применяются другие криптографические методы - в первую очередь электронная цифровая подпись.

При обмене информацией имитоприставка служит своего рода дополнительным средством контроля. Она вычисляется для открытого текста при зашифровании какой-либо информации и посылается вместе с шифртекстом. После расшифрования вычисляется новое значение имитоприставки, которое сравнивается с присланной. Если значения не совпадают - значит, шифртекст был искажен при передаче или при расшифровании использовались неверные ключи. Особенно полезна имитоприставка для проверки правильности расшифрования ключевой информации при использовании многоключевых схем.

Алгоритм ГОСТ 28147-89 считается очень сильным алгоритмом - в настоящее время для его раскрытия не предложено более эффективных методов, чем упомянутый выше метод "грубой силы". Его высокая стойкость достигается в первую очередь за счет большой длины ключа - 256 бит. При использовании секретной синхропосылки эффективная длина ключа увеличивается до 320 бит, а засекречивание таблицы замен прибавляет дополнительные биты. Кроме того, криптостойкость зависит от количества раундов преобразований, которых по ГОСТ 28147-89 должно быть 32 (полный эффект рассеивания входных данных достигается уже после 8 раундов).

Стандарт AES

В отличие от алгоритма ГОСТ 28147-89, который долгое время оставался секретным, американский стандарт шифрования AES, призванный заменить DES, выбирался на открытом конкурсе, где все заинтересованные организации и частные лица могли изучать и комментировать алгоритмы-претенденты.

Конкурс на замену DES был объявлен в 1997 г. Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST - National Institute of Standards and Technology). На конкурс было представлено 15 алгоритмов-претендентов, разработанных как известными в области криптографии организациями (RSA Security, Counterpane и т. д.), так и частными лицами. Итоги конкурса были подведены в октябре 2000 г.: победителем был объявлен алгоритм Rijndael, разработанный двумя криптографами из Бельгии, Винсентом Риджменом (Vincent Rijmen) и Джоан Даймен (Joan Daemen).

Алгоритм Rijndael не похож на большинство известных алгоритмов симметричного шифрования, структура которых носит название "сеть Фейстеля" и аналогична российскому ГОСТ 28147-89. Особенность сети Фейстеля состоит в том, что входное значение разбивается на два и более субблоков, часть из которых в каждом раунде обрабатывается по определенному закону, после чего накладывается на необрабатываемые субблоки (см. рис. 1).

В отличие от отечественного стандарта шифрования, алгоритм Rijndael представляет блок данных в виде двухмерного байтового массива размером 4X4, 4X6 или 4X8 (допускается использование нескольких фиксированных размеров шифруемого блока информации). Все операции выполняются с отдельными байтами массива, а также с независимыми столбцами и строками.

Алгоритм Rijndael выполняет четыре преобразования: BS (ByteSub) - табличная замена каждого байта массива (рис. 3); SR (ShiftRow) - сдвиг строк массива (рис. 4). При этой операции первая строка остается без изменений, а остальные циклически побайтно сдвигаются влево на фиксированное число байт, зависящее от размера массива. Например, для массива размером 4X4 строки 2, 3 и 4 сдвигаются соответственно на 1, 2 и 3 байта. Далее идет MC (MixColumn) - операция над независимыми столбцами массива (рис. 5), когда каждый столбец по определенному правилу умножается на фиксированную матрицу c(x). И, наконец, AK (AddRoundKey) - добавление ключа. Каждый бит массива складывается по модулю 2 с соответствующим битом ключа раунда, который, в свою очередь, определенным образом вычисляется из ключа шифрования (рис. 6).

Рис. 3. Операция BS.

Рис. 4. Операция SR.

Рис. 5. Операция MC.

Количество раундов шифрования (R) в алгоритме Rijndael переменное (10, 12 или 14 раундов) и зависит от размеров блока и ключа шифрования (для ключа также предусмотрено несколько фиксированных размеров).

Расшифрование выполняется с помощью следующих обратных операций. Выполняется обращение таблицы и табличная замена на инверсной таблице (относительно применяемой при зашифровании). Обратная операция к SR - это циклический сдвиг строк вправо, а не влево. Обратная операция для MC - умножение по тем же правилам на другую матрицу d(x), удовлетворяющую условию: c(x) * d(x) = 1. Добавление ключа AK является обратным самому себе, поскольку в нем используется только операция XOR. Эти обратные операции применяются при расшифровании в последовательности, обратной той, что использовалась при зашифровании.

Rijndael стал новым стандартом шифрования данных благодаря целому ряду преимуществ перед другими алгоритмами. Прежде всего он обеспечивает высокую скорость шифрования на всех платформах: как при программной, так и при аппаратной реализации. Его отличают несравнимо лучшие возможности распараллеливания вычислений по сравнению с другими алгоритмами, представленными на конкурс. Кроме того, требования к ресурсам для его работы минимальны, что важно при его использовании в устройствах, обладающих ограниченными вычислительными возможностями.

Недостатком же алгоритма можно считать лишь свойственную ему нетрадиционную схему. Дело в том, что свойства алгоритмов, основанных на сети Фейстеля, хорошо исследованы, а Rijndael, в отличие от них, может содержать скрытые уязвимости, которые могут обнаружиться только по прошествии какого-то времени с момента начала его широкого распространения.

Асимметричное шифрование

Алгоритмы асимметричного шифрования, как уже отмечалось, используют два ключа: k1 - ключ зашифрования, или открытый, и k2 - ключ расшифрования, или секретный. Открытый ключ вычисляется из секретного: k1 = f(k2).

Асимметричные алгоритмы шифрования основаны на применении однонаправленных функций. Согласно определению, функция y = f(x) является однонаправленной, если: ее легко вычислить для всех возможных вариантов x и для большинства возможных значений y достаточно сложно вычислить такое значение x, при котором y = f(x).

Примером однонаправленной функции может служить умножение двух больших чисел: N = P*Q. Само по себе такое умножение - простая операция. Однако обратная функция (разложение N на два больших множителя), называемая факторизацией, по современным временным оценкам представляет собой достаточно сложную математическую задачу. Например, разложение на множители N размерностью 664 бит при P ? Q потребует выполнения примерно 1023 операций, а для обратного вычисления х для модульной экспоненты y = ax mod p при известных a, p и y (при такой же размерности a и p) нужно выполнить примерно 1026 операций. Последний из приведенных примеров носит название - "Проблема дискретного логарифма" (DLP - Discrete Logarithm Problem), и такого рода функции часто используются в алгоритмах асимметричного шифрования, а также в алгоритмах, используемых для создания электронной цифровой подписи.

Еще один важный класс функций, используемых в асимметричном шифровании, - однонаправленные функции с потайным ходом. Их определение гласит, что функция является однонаправленной с потайным ходом, если она является однонаправленной и существует возможность эффективного вычисления обратной функции x = f-1(y), т. е. если известен "потайной ход" (некое секретное число, в применении к алгоритмам асимметричного шифрования - значение секретного ключа).

Однонаправленные функции с потайным ходом используются в широко распространенном алгоритме асимметричного шифрования RSA.

Алгоритм RSA

Разработанный в 1978 г. тремя авторами (Rivest, Shamir, Adleman), он получил свое название по первым буквам фамилий разработчиков. Надежность алгоритма основывается на сложности факторизации больших чисел и вычисления дискретных логарифмов. Основной параметр алгоритма RSA - модуль системы N, по которому проводятся все вычисления в системе, а N = P*Q (P и Q - секретные случайные простые большие числа, обычно одинаковой размерности).

Секретный ключ k2 выбирается случайным образом и должен соответствовать следующим условиям:

где НОД - наибольший общий делитель, т. е. k1 должен быть взаимно простым со значением функции Эйлера F(N), причем последнее равно количеству положительных целых чисел в диапазоне от 1 до N, взаимно простых с N, и вычисляется как F(N) = (P - 1)*(Q - 1) .

Открытый ключ k1 вычисляется из соотношения (k2*k1) = 1 mod F(N) , и для этого используется обобщенный алгоритм Евклида (алгоритм вычисления наибольшего общего делителя). Зашифрование блока данных M по алгоритму RSA выполняется следующим образом: C = M[в степени k1] mod N . Заметим, что, поскольку в реальной криптосистеме с использованием RSA число k1 весьма велико (в настоящее время его размерность может доходить до 2048 бит), прямое вычисление M[в степени k1] нереально. Для его получения применяется комбинация многократного возведения M в квадрат с перемножением результатов.

Обращение данной функции при больших размерностях неосуществимо; иными словами, невозможно найти M по известным C, N и k1. Однако, имея секретный ключ k2, при помощи несложных преобразований можно вычислить M = Ck2 mod N. Очевидно, что, помимо собственно секретного ключа, необходимо обеспечивать секретность параметров P и Q. Если злоумышленник добудет их значения, то сможет вычислить и секретный ключ k2.

Какое шифрование лучше?

Основной недостаток симметричного шифрования - необходимость передачи ключей "из рук в руки". Недостаток этот весьма серьезен, поскольку делает невозможным использование симметричного шифрования в системах с неограниченным числом участников. Однако в остальном симметричное шифрование имеет одни достоинства, которые хорошо видны на фоне серьезных недостатков шифрования асимметричного.

Первый из них - низкая скорость выполнения операций зашифрования и расшифрования, обусловленная наличием ресурсоемких операций. Другой недостаток "теоретический" - математически криптостойкость алгоритмов асимметричного шифрования не доказана. Это связано прежде всего с задачей дискретного логарифма - пока не удалось доказать, что ее решение за приемлемое время невозможно. Излишние трудности создает и необходимость защиты открытых ключей от подмены - подменив открытый ключ легального пользователя, злоумышленник сможет обеспечить зашифрование важного сообщения на своем открытом ключе и впоследствии легко расшифровать его своим секретным ключом.

Тем не менее эти недостатки не препятствуют широкому применению алгоритмов асимметричного шифрования. Сегодня существуют криптосистемы, поддерживающие сертификацию открытых ключей, а также сочетающие алгоритмы симметричного и асимметричного шифрования. Но это уже тема для отдельной статьи.

Дополнительные источники информации

Тем читателям, которые непраздно интересуются шифрованием, автор рекомендует расширить свой кругозор с помощью следующих книг.

Брассар Ж. "Современная криптология".
Петров А. А. "Компьютерная безопасность: криптографические методы защиты".
Романец Ю. В., Тимофеев П. А., Шаньгин В. Ф. "Защита информации в современных компьютерных системах".
Соколов А. В., Шаньгин В. Ф. "Защита информации в распределенных корпоративных сетях и системах".

Полное описание алгоритмов шифрования можно найти в следующих документах:

ГОСТ 28147-89. Система обработки информации. Защита криптографическая. Алгоритм криптографического преобразования. - М.: Госстандарт СССР, 1989.
Алгоритм AES: http://www.nist.gov/ae .
Алгоритм RSA: http://www.rsasecurity.com/rsalabs/pkcs/pkcs-1 .

Основные понятия и определения

По мере образования информационного общества крупным государствам становятся доступны технические средства тотального надзора за миллионами людей. Поэтому криптография становится одним из основных инструментов, обеспечивающих конфиденциальность, доверие, авторизацию, электронные платежи, корпоративную безопасность и другие важные вещи.

Проблемой защиты информации путем ее преобразования занимается криптология , которая разделяется на два направления: криптографию и криптоанализ . Цели этих направлений прямо противоположны.

Криптография занимается поиском и исследованием математических методов преобразования информации. Сфера интересов криптоанализа – исследование возможности расшифрования информации без знания ключей.

Современная криптография включает в себя 4 основных раздела:

1. Симметричные криптосистемы.

2. Криптосистемы с открытым ключом.

3. Системы электронной подписи.

4. Управление ключами.

Основные направления использования криптографических методов – передача конфиденциальной информации по каналам связи, установление подлинности передаваемых сообщений, хранение информации на носителях в зашифрованном виде.

Криптография дает возможность преобразовать информацию таким образом, что ее прочтение (восстановление) возможно только при знании ключа. В качестве информации, подлежащей шифрованию и дешифрованию, будут рассматриваться тексты, построенные на некотором алфавите.

Алфавит – конечное множество используемых для кодирования информации знаков. Примеры:

ü алфавит Z33 – содержит 32 буквы русского алфавита и пробел;

ü алфавит Z256 – символы, входящие в стандартные коды ASCII и КОИ-8;

ü бинарный алфавит Z2 – два символа (0 и 1);

ü восьмеричный или шестнадцатеричный алфавиты.

Текст – упорядоченный набор из элементов алфавита.

Шифрование – преобразовательный процесс замены исходного (открытого) текста на шифрованный текст.

Дешифрование (обратный шифрованию) – преобразовательный процесс замены на основе ключа шифрованного текста на исходный текст.

Ключ – информация, необходимая для беспрепятственного шифрования и дешифрования текстов.

Криптографическая система представляет собой семейство Т [Т 1 , Т 2 , …, Т к ] преобразований открытого текста. Члены этого семейства индексируются или обозначаются символом к ; параметр к является ключом. Пространство ключей К – это набор возможных значений ключа. Обычно ключ представляет собой последовательный ряд знаков алфавита.

Криптосистемы разделяются на симметричные и асиммитричные . В симметричных криптосистемах и для шифрования, и для дешифрования используется один и тот же ключ. В асимметричныхсистемах (с открытым ключом) используются два ключа – открытый и закрытый, которые математически связаны друг с другом. Информация шифруется с помощью открытого ключа, который доступен всем желающим, а расшифровывается – с помощью закрытого ключа, известного только получателю сообщения.

Термины распределение ключей и управление ключами относятся к процессам обработки информации, содержанием которых является составление ключей и распределение их между пользователями.

Электронной (цифровой) подписью называется присоединяемой к тексту его криптографическое преобразование, которое позволяет при получении текста другим пользователем проверить авторство и подлинность сообщения.

Криптостойкостью называется характеристика шифра, определяющая ее стойкость к дешифрованию без знания ключа (т.е. стойкостью к криптоанализу). Имеется несколько показателей криптостойкости:

количество всех возможных ключей;

среднее время, необходимое для криптоанализа.

Требования к криптосистемам

Процесс криптографического закрытия данных может осуществляться как программно, так и аппаратно. Аппаратная реализация отличается существенно большей стоимостью, однако имеет высокую производительность, простоту, защищенность. Программная реализация более практична, допускает известную гибкость в использовании.

Общепринятые требования к криптографическим системам:

· зашифрованное сообщение должно поддаваться чтению только при наличии ключа;

· число операций, необходимых для определения использованного ключа по фрагменту шифрованного сообщения и соответствующего ему открытого текста, должно быть не менее общего числа возможных ключей;

· число операций, необходимых для расшифровывания информации путем перебора возможных ключей, должно иметь строгую нижнюю оценку и выходить за пределы возможностей современных компьютеров (с учетом возможностей сетевых вычислений);

· знание алгоритма шифрования не должно влиять на надежность защиты;

· незначительное изменение ключа должно приводить к существенному изменению вида зашифрованного сообщения;

· структурные элементы алгоритма шифрования должны быть неизменными;

· дополнительные биты, вводимые в сообщение в процессе шифрования, должны быть полностью и надежно скрыты в шифрованном тексте;

· длина шифрованного текста должна быть равной длине исходного текста;

· не должно быть простых и легко устанавливаемых зависимостей между ключами, последовательно используемыми в процессе шифрования;

· любой ключ из множества возможных должен обеспечивать надежную защиту информации;

· алгоритм должен допускать как программную, так и аппаратную реализацию, при этом изменение длины ключа не должно вести к качественному ухудшению алгоритма шифрования.

Основные алгоритмы шифрования

Метод шифровки-дешифровки называют шифром . Ключ, используемый для дешифровки, может не совпадать с ключом, используемым для шифрования, однако в большинстве алгоритмов ключи совпадают.

Алгоритмы с использованием ключа делятся на два класса: симметричные (с секретным ключом) и асимметричные (с открытым ключом). Симметричные алгоритмы используют один и тот же ключ для шифрования и для дешифрования или же ключ для дешифрования просто вычисляется по ключу шифрования. В асимметричных алгоритмах используются разные ключи, и ключ для дешифровки не может быть вычислен по ключу шифровки.

Симметричные алгоритмы подразделяются на потоковые шифры и блочные шифры. Потоковые позволяют шифровать информацию побитово, в то время как блочные работают с некоторым набором битов данных (обычно размер блока составляет 64 бита ) и шифруют этот набор как единое целое.

Обычно ключ шифрования представляет собой файл или массив данных и хранится на персональном ключевом носителе (например, флешке или смарт-карте); обязательно принятие мер, обеспечивающих недоступность персонального ключевого носителя кому-либо, кроме его владельца.

Подлинность обеспечивается за счет того, что без предварительного расшифровывания практически невозможно осуществить смысловую модификацию и подлог криптографически закрытого сообщения. Фальшивое сообщение не может быть правильно зашифровано без знания секретного ключа.

Целостность данных обеспечивается присоединением к передаваемым данным специального кода (имитовставки ), вырабатываемой по секретному ключу. Имитовставка является разновидностью контрольной суммы, т.е. некоторой эталонной характеристикой сообщения, по которой осуществляется проверка целостности последнего. Алгоритм формирования имитовставки должен обеспечивать ее зависимость по некоторому сложному криптографическому закону от каждого бита сообщения. Проверка целостности сообщения выполняется получателем сообщения путем выработки по секретному ключу имитовставки, соответствующей полученному сообщению, и ее сравнения с полученным значением имитовставки. При совпадении делается вывод о том, что информация не была модифицирована на пути от отправителя к получателю.

Симметричное шифрование идеально подходит для шифрования информации «для себя», например, с целью предотвращения несанкционированного доступа к ней в отсутствие владельца. Обладаю высокой скоростью шифрования, одноключевые криптосистемы позволяют решать многие важные задачи защиты информации. Однако автономное использование симметричных криптосистем в компьютерных сетях порождает проблему распределения ключей шифрования между пользователями.

Перед началом обмена зашифрованными данными необходимо обменяться секретными ключами со всеми адресатами. Передача секретного ключа симметричной криптосистемы не может быть осуществлена по общедоступным каналам связи, секретный ключ надо передавать отправителю и получателю по защищенному каналу (или с помощью курьера). Для обеспечения эффективной защиты циркулирующих в сети сообщений необходимо огромное число часто меняющихся ключей (один ключ на каждую пару пользователей). Проблема распределения секретных ключей при большом количестве пользователей является весьма трудоемкой и сложной задачей. В сети на N пользователей необходимо распределить N(N-1)/2 секретных ключей.

Асимметричные шифры допускают, чтобы открытый ключ был доступен всем (например, опубликован в газете). Это позволяет любому зашифровать сообщение. Однако расшифровать это сообщение сможет только пользователь, владеющий ключом дешифровки. Ключ для шифрования называют открытым ключом , а ключ для дешифрования – закрытым ключом или секретным ключом .

Секретный и открытый ключи генерируются попарно. Секретный ключ должен оставаться у его владельца и быть надежно защищен от НСД (аналогично ключу шифрования в симметричных алгоритмах). Копия открытого ключа должна находиться у каждого абонента криптографической сети, с которым обменивается информацией владелец секретного ключа.

Криптографические системы с открытым ключом используют так называемые необратимые или односторонние функции, которые обладают свойством: при заданном значении х относительно просто вычислить значение f(x) , однако, если yM = j(x) , то нет простого пути вычисления значения х . Множество классов необратимых функций и порождает все разнообразие систем с открытым ключом.

Процесс передачи зашифрованной информации в асимметричной криптосистеме осуществляется следующим образом.

Подготовительный этап :

· абонент В генерирует пару ключей: секретный ключ k в и открытый ключ К в;

· открытый ключ К в посылается абоненту А и остальным абонентам (или делается доступным, например на разделяемом ресурсе).

Использование (обмен информацией между А и В):

· абонент А зашифровывает сообщение с помощью открытого ключа К в абонента В и отправляет шифротекст абоненту В;

· абонент В расшифровывает сообщение с помощью своего секретного ключа k в; никто другой не может расшифровать данное сообщение, т.к. не имеет секретного ключа абонента В.

Защита информации в асимметричной криптосистеме основана на секретности ключа k в получателя сообщения.

Преимущества асимметричных криптографических систем перед симметричными криптосистемами:

ü в асимметричных криптосистемах решена сложная проблема распределения ключей между пользователями, т.к. каждый пользователь может сгенерировать свою пару ключей сам, а открытые ключи пользователей могут свободно публиковаться и распространяться по сетевым коммуникациям;

ü исчезает квадратичная зависимость числа ключей от числа пользователей; в асимметричной криптосистеме число используемых ключей связано с числом абонентов линейной зависимостью (в системе из N пользователей используется 2N ключей), а не квадратичной, как в симметричных системах;

ü асимметричные криптосистемы позволяют реализовывать протоколы взаимодействия сторон, которые не доверяют друг другу, поскольку при использовании асимметричных криптосистем закрытый ключ должен быть известен только его владельцу.

Недостатки асимметричных криптосистем:

ü на настоящий момент нет математического доказательства необратимости используемых в асимметричных алгортмах функций;

ü асимметричное шифрование существенно медленнее симметричного, поскольку при шифровке и расшифровке используются весьма ресурсоемкие операции; по этой же причине реализовать аппаратный шифратор с асимметричным алгоритмом существенно сложнее, чем реализовать аппаратно симметричный алгоритм;

ü необходимость защиты открытых ключей от подмены.

Современные алгоритмы шифровки-дешифровки достаточно сложны и их невозможно выполнять вручную. Настоящие криптографические алгоритмы разработаны для использования компьютерами или специальными аппаратными устройствами. В большинстве приложений криптография производится программным обеспечением и имеется множество доступных криптографических пакетов.

Симметричные алгоритмы работают быстрее, чем асимметричные. На практике оба типа алгортмов часто используются вместе: алгоритм с открытым ключом используется для того, чтобы передать случайным образом сгенерированный секретный ключ, который затем используется для дешифровки сообщения.

Многие качественные криптографические алгоритмы доступны широко. Наиболее известными симметричными алгоритмами являются DES и IDEA; лучший асимметричный алгоритм – RSA. В России за стандарт шифрования принят ГОСТ 28147-89.

В таблице 1 приведена классификации криптографического закрытия информации.

Таблица 1

Виды преобразования	Способы преобразований	Разновидности способа	Способ реализации
Шифрование	Замена (подстановка)	Простая (одноалфавитная)	Прогр.
Многоалфавитная одноконтурная обыкновенная	Прогр.
Многоалфавитная одноконтурная монофоническая	Прогр.
	Прогр.
Перестановка	Простая	Прогр.
Усложненная по таблице	Прогр.
Усложненная по маршрутам	Прогр.
Аналитическое преобразование	По правилам алгебры матриц	Прогр.
По особым зависимостям	Прогр.
Гаммирование	С конечной короткой гаммой	Аппар.-прогр.
С конечной длинной гаммой	Аппар.-прогр.
С бесконечной гаммой	Аппар.-прогр.
Комбинированные	Замена+перестановка	Аппар.-прогр.
Замена+гаммирование	Аппар.-прогр.
Перестановка+гаммирование	Аппар.-прогр.
Гаммирование+гаммирование	Аппар.-прогр.
Кодирование	Смысловое	По специальным таблицам (словарям)	Прогр.
Символьное	По кодовому алфавиту	Прогр.
Другие виды	Рассечение-разнесение	Смысловое	Аппар.-прогр.
Механическое	Прогр.
Сжатие-расширение

I. Под шифрованием понимается такой вид криптографического закрытия, при котором преобразованию подвергается каждый символ защищаемого сообщения.

Все известные способы шифрования можно разбить на пять групп: замена (подстановка), перестановка, аналитическое преобразование, гаммирование и комбинированное шифрование. Каждый из этих способов может иметь несколько разновидностей.

Разновидности способа замена (подстановка ):

1) Простая (одноалфавитная) – символы шифруемого текста заменяются другими символами того же самого алфавита. Если объем зашифрованного текста большой, то частоты появления букв в зашифрованном тексте будут ближе к частотам появления букв в алфавите (того языка, на котором написан текст) и расшифровка будет очень простой. Данный способ в настоящее время используется редко и в тех случаях, когда шифруемый текст короток.

2) Многоалфавитная подстановка - наиболее простой вид преобразований, заключающийся в замене символов исходного текста на символы других алфавитов по более или менее сложному правилу. Для обеспечения высокой криптостойкости требуется использование больших ключей.

При многоалфавитной одноконтурной обыкновенной подстановке для замены символов исходного текста используется несколько алфавитов, причем смена алфавита осуществляется последовательно и циклически, т.е. первый символ заменяется соответствующим символом первого алфавита, второй – символом второго алфавита и т.д. до тех пор, пока не будут использованы все выбранные алфавиты. После этого использование алфавитов повторяется.

Особенностью многоалфавитной одноконтурной монофонической подстановки является то, что количество и состав алфавитов выбираются таким образом, чтобы частоты появления всех символов в зашифрованном тексте были одинаковыми. При таком положении затрудняется криптоанализ зашифрованного текста с помощью его статистической обработки. Выравнивание частот появления символов достигается за счет того, что для часто встречающихся символов исходного текста предусматривается использование большего числа заменяющих элементов, чем для редко встречающихся.

Многоалфавитная многоконтурная подстановка заключается в том, что для шифрования используется несколько наборов (контуров) алфавитов, используемых циклически, причем каждый контур в общем случае имеет свой индивидуальный период применения. Этот период исчисляется, как правило, количеством знаков, после зашифровки которых меняется контур алфавитов.

Способ перестановки - несложный способ криптографического преобразования. Используется, как правило, в сочетании с другими способами. Данный способ заключается в том, что символы шифруемого текста переставляются по определенным правилам внутри шифруемого блока символов. Все процедуры шифрования и расшифровки способом перестановки являются в достаточной степени формализованными и могут быть реализованы алгоритмически.

Шифрование простой перестановкой осуществляется следующим образом:

· выбирается ключевое слово с неповторяющимися символами;

· шифруемый текст записывается последовательными строками под символами ключевого слова;

· зашифрованный текст выписывается колонками в той последовательности, в которой располагаются в алфавите буквы ключа (или в порядке следования цифр в натуральном ряду, если он цифровой).

Пример:

открытый текст: БУДЬТЕ ОСТОРОЖНЫ

ключ: 5 8 1 3 7 4 6 2

схема шифрования:

Б У Д Ь Т Е q О (где q – пробел)

С Т О Р О Ж Н Ы

Группируем по 2 символа и получаем зашифрованный текст:

ДООЫЬРЕЖБСqНТОУТ

Недостаток шифрования простой перестановкой заключается в том, что при большой длине шифруемого текста в зашифрованном тексте могут проявиться закономерности символов ключа. Для устранения этого недостатка можно менять ключ после шифрования определенного количества знаков. При достаточно частой смене ключа стойкость шифрования можно существенно повысить. При этом, однако, усложняется организация процесса шифрования и дешифрования.

Усложненная перестановка по таблицам заключается в том, что для записи символов шифруемого текста используется специальная таблица, в которую введены некоторые усложняющие элементы. Таблица представляет собой матрицу, размеры которой могут быть выбраны произвольно. В нее, как в случае простой перестановки, записываются знаки шифруемого текста. Усложнение заключается в том, что определенное число клеток таблицы не используются. Количество и расположение неиспользуемых элементов является дополнительным ключом шифрования. Шифруемый текст блоками по (m x n – S ) элементов записывается в таблицу (m x n – размеры таблицы, S – количество неиспользуемых элементов). Далее процедура шифрования аналогична простой перестановке.

Варьируя размерами таблицы, последовательностью символов ключа, количеством и расположением неиспользуемых элементов, можно получить требуемую стойкость шифрованного текста.

Усложненная перестановка по маршрутам обладает высокой стойкостью шифрования, использует усложненный метод перестановок по маршрутам типа гамильтоновских. При этом для записи символов шифруемого текста используются вершины некоторого гиперкуба, а знаки зашифрованного текста считаются по маршрутам Гамильтона, причем используется несколько различных маршрутов.

Способ шифрования с помощью аналитических преобразований обеспечивает достаточно надежное закрытие информации. Для этого можно применять методы алгебры матриц, например, умножение матрицы на вектор. Если матрицу использовать в качестве ключа, а вместо компонента вектора подставлять символы исходного текста, то компоненты результирующего вектора будут представлять собой символы зашифрованного текста. Расшифровывание осуществляется с использованием того же правила умножения матрицы на вектор, только в качестве основы берется матрица, обратная той, с помощью которой осуществляется закрытие, а в качестве вектора-сомножителя – соответствующее количество символов закрытого текста. Значениями вектора-результата будут цифровые эквиваленты знаков открытого текста.

Гаммирование - этот метод заключается в наложении на исходный текст некоторой псевдослучайной последовательности, генерируемой на основе ключа. Процедуру наложения гаммы на исходный текст можно осуществлять двумя способами. В первом способе символы исходного текста и гаммы заменяются цифровыми эквивалентами, которые затем складываются по модулю К , где К – количество символов в алфавите, т.е.

t c = (t p + t g) mod K , где t c , t p ,t g – символы соответственно зашифрованного текста, исходного текста и гаммы.

При втором способе символы исходного текста и гаммы представляются в виде двоичного кода, а затем соответствующие разряды складываются по модулю 2. Вместо сложения по модулю 2 при гаммировании можно использовать другие логические операции, например, преобразование по правилу логической эквивалентности или логической неэквивалентности. Такая замена равносильна введению еще одного ключа, которым является выбор правила формирования символов зашифрованного сообщения из символов исходного текста и гаммы.

Стойкость шифрования способом гаммирования определяется, главным образом, свойствами гаммы – длительностью периода и равномерностью статистических характеристик. Последнее свойство обеспечивает отсутствие закономерностей в появлении различных символов в пределах периода.

При хороших статистических свойствах гаммы стойкость шифрования определяется только длиной ее периода. При этом, если длина периода гаммы превышает длину шифруемого текста, то такой шифр теоретически является абсолютно стойким. В качестве бесконечной гаммы может быть использована любая последовательность случайных символов, например, последовательность цифр числа ПИ. При шифровании с помощью ЭВМ последовательность гаммы формируется с помощью датчика псевдослучайных чисел.

Комбинированные способы шифрования используют одновременно несколько различных способов, т.е. последовательное шифрование исходного текста с помощью двух или более способов. Это является достаточно эффективным средством повышения стойкости шифрования.

Типичным примером комбинированного шифра является национальный стандарт США криптографического закрытия данных (DES).

II. Под кодированием понимается такой вид криптографического закрытия, когда некоторые элементы защищаемых данных (это не обязательно отдельные символы) заменяются заранее выбранными кодами (цифровыми, буквенными, буквенно-цифровыми сочетаниями и т. п.).

Этот метод имеет две разновидности: смысловое и символьное кодирование. При смысловом кодировании кодируемые элементы имеют вполне определенный смысл (слова, предложения, группы предложений). При символьном кодировании кодируется каждый символ защищаемого сообщения. Символьное кодирование по существу совпадает с шифрованием заменой.

При правильном использовании коды намного сложнее раскрыть, чем другие классические системы. Это объясняется тремя причинами. Во-первых , большая длина используемого кода (при шифровании – несколько сотен бит; кодовая книга – сотни тысяч – миллион бит). Во-вторых , коды удаляют избыточность – работа криптоаналитика осложняется. В-третьих , коды работают с относительно большими блоками открытого текста (словами и фразами) и, следовательно, скрывают локальную информацию, которая, в противном случае, могла бы дать ценные «зацепки» для криптоаналитика.

К недостаткам кодирования следует отнести то, что ключ при кодировании используется недостаточно хорошо, т.к. при кодировании отдельного слова и фразы используется только очень малая часть кодовой книги. В результате код при интенсивном использовании поддается частичному анализу и оказывается особенно чувствительным к вскрытию при наличии известного открытого текста. По этим причинам для обеспечения большей надежности коды необходимо чаще менять.

III. Другие способы криптографического закрытия включают в себя рассечение/разнесение и сжатие данных. Рассечение/разнесение данных состоит в том, что массив защищаемых данных рассекается на такие элементы, каждые из которых не позволяет раскрыть содержание защищаемой информации, и выделенные таким образом элементы размещаются в различных зонах памяти. Обратная процедура называется сборкой данных. Совершенно очевидно, что алгоритм разнесения и сборки данных должен сохраняться в тайне.

Сжатие данных представляет собой замену часто встречающихся одинаковых строк данных или последовательностей одинаковых символов некоторыми заранее выбранными символами.

Хеш-функции

Хеш-функцией называется односторонняя функция, предназначенная для получения дайджеста или "отпечатков пальцев" файла, сообщения или некоторого блока данных.

Изначально функции хеширования использовались как функции создания уникального образа информационных последовательностей произвольной длины, с целью идентификации и определения их подлинности. Сам образ должен быть небольшим блоком фиксированной длины, как правило, 30, 60, 64, 128, 256, или 512 бит. Поэтому операции поиска сортировки и другие с большими массивами или базами данных существенно упрощаются, т.е. занимают гораздо меньшее время. Для обеспечения требуемой вероятности ошибки необходимо обеспечивать ряд требований к функции хеширования:

· хеш-функция должна быть чувствительна к всевозможным изменениям в тексте M, таким как вставки, выбросы, перестановки;

· хеш-функция должна обладать свойством необратимости, то есть задача подбора документа M", который обладал бы требуемым значением хеш-функции, должна быть вычислительно неразрешима;

· вероятность того, что значения хеш-функций двух различных документов (вне зависимости от их длин) совпадут, должна быть ничтожно мала.

Обеспечить эти требования могут большое количество существующих математических функций. Если данные функции используются для сортировки, поиска и т.д. Однако позднее, опираясь на работы Симонсона по теории аутентификации, стало явным целесообразность использования методов хеширования в схемах аутентификации сообщений в каналах связи и телекоммуникационных системах. В связи с чем, открылся ряд направлений в исследованиях в области криптографии, которые связаны с разработкой новых и усовершенствованием существующих хеш-функций. Основная идея использования хеширующих функций является получение на их основе однонаправленных функций, которые являются основным продуктом для разработки современных криптографических механизмов и методов аутентификации.
Рассмотрим основные понятия касающиеся однонаправленных функций хеширования.

Большинство хеш-функций строится на основе однонаправленной функции f( ) , которая образует выходное значение длиной n при задании двух входных значений длиной n . Этими входами являются блок исходного текста Mi и хеш-значение Hi–1 предыдущего блока текста (рис.1):

Hi = f (Mi, Hi–1) .

Хеш-значение, вычисляемое при вводе последнего блока текста, становится хеш-значением всего сообщения M.

Рис.1. Схема однонаправленной хэш-функции

В результате однонаправленная хеш-функция всегда формирует выход фиксированной длины n (независимо от длины входного текста). Алгоритм хеширования является итерационным, поэтому функции хеширования еще называют итерационными алгоритмами. Сущность алгоритма хеширования заключается в его односторонности, т.е. функция должна работать в одну сторону – сжимать, перемешивать и рассеивать, но никогда не восстанавливать. Подобные схемы позволяют отслеживать изменения исходных текстов, что является обеспечением целостности данных, а в алгоритмах цифровой подписи еще обеспечивать аутентичность данных. Однако в чистой форме аутентичность эти функции не позволяют подтвердить.