Доклад: Криптография и криптосистемы
Н А Т Е Е Н М
После того, как открытый текст записан колонками, для образования шифровки он считывается по строкам. Если его записывать группами по 5 букв, то получится: НОНСБ НЯЕЕО ЯОЕТЯ СВЕЛП НСТИЩ ЕОЫНА ТЕЕНМ . Для использования этого шифра отправителю и получателю нужно договориться об общем ключе в виде размера таблицы. Объединение букв в группы не входит в ключ шифра и используется лишь для удобства записи несмыслового текста.
Несмотря на значительные успехи математики за века, прошедшие со времён Цезаря, тайнопись вплоть до середины 20 века не сделала существенных шагов вперёд. В ней бытовал дилетантский, умозрительный, ненаучный подход.
Например, в 20 веке широко применялись профессионалами "книжные" шифры, в которых в качестве ключа использовалось какое-либо массовое печатное издание. Надо ли говорить, как легко раскрывались подобные шифры! Конечно, с теоретической точки зрения, "книжный" шифр выглядит достаточно надёжным, поскольку множество его ключей - множество всех страниц всех доступных двум сторонам книг, перебрать которое вручную невозможно. Однако, малейшая априорная информация резко суживает этот выбор.
Во время Великой Отечественной войны, как известно, у нас уделяли значительное внимание организации партизанского движения. Почти каждый отряд в тылу врага имел радиостанцию, а также то или иное сообщение с "большой землёй". Имевшиеся у партизан шифры были крайне нестойкими - немецкие дешифровщики "раскалывали" их достаточно быстро. А это, как известно, выливается в боевые поражения и потери. Партизаны оказались хитры и изобретательны и в этой области тоже. Приём был предельно прост. В исходном тексте сообщения делалось большое количество грамматических ошибок, например, писали: "прошсли тры эшшелона з тнками". При верной расшифровке для русского человека всё было понятно. Но криптоаналитики противника перед подобным приёмом оказались бессильны: перебирая возможные варианты, они встречали невозможное для русского языка сочетание "тнк" и отбрасывали данный вариант как заведомо неверный. Этот, казалось бы, доморощенный приём, на самом деле, очень эффективен и часто применяется даже сейчас. В исходный текст сообщения подставляются случайные последовательности символов, чтобы сбить с толку криптоаналитические программы, работающие методом перебора или изменить статистические закономерности шифрограммы, которые также могут дать полезную информацию противнику. Но в целом всё же можно сказать, что довоенная криптография была крайне слаба и на звание серьёзной науки не тянула.
Однако жёстокая военная необходимость вскоре заставила учёных вплотную заняться проблемами криптографии и криптоанализа. Одним из первых существенных достижений в этой области была немецкая пишмашинка "Энигма", которая фактически являлась механическим шифратором и дешифратором с достаточно высокой стойкостью.
Казалось бы, сделано все для невозможности вскрытия шифровок Энигмы. И все же английские криптографические службы в Блетчли Парке (уединенное поместье в 80 километрах севернее Лондона, отведенное британским криптологам.) почти всю войну читали немецкие шифры. Это стало возможным лишь благодаря польской разведке, которая к злополучному 1939 году смогла получить чертежи Энигмы и разобраться в ее устройстве. После нападения гитлеровцев на Польшу чертежи немецкой шифровальной машины были переданы Англии. Довольно быстро британские криптоаналитики установили, что для взлома шифра, нужно знать распайку проводов в шифрующих колесах. Началась охота британских спецслужб за образцами Энигмы. Первый удалось выкрасть прямо с завода на юго-востоке Германии, второй сняли со сбитого в небе Норвегии немецкого бомбардировщика, третий был найден во время боев за Францию у немецких военных связистов, взятых в плен. Остальные Энигмы сняты водолазами с немецких подводных лодок, за которыми специально стали охотиться и топить на малых глубинах. Взлом шифров Энигмы шел тяжело до тех пор, пока в 1942 году не вступили в строй несколько ЭВМ, специально созданных для этого Аланом Тьюрингом. Это была первая в мире довольно быстродействующая ЭВМ под названием "Колосс", специализированная для взлома шифров. После этого английские криптоаналитики могли меньше чем за день могли расколоть любую шифровку Энигмы, полученную добытыми ранее колесами, методично перебирая все возможные ключи. Немцы рассчитывали на сложность своего шифра, исходя из его ручной дешифровки, в то время как англичане стали его ломать, используя ЭВМ. Отметим, что сами немцы допускали возможность взлома шифра Энигмы. Еще в 1930 году ведущий немецкий криптоаналитик Георг Шредер продемонстрировал такую возможность, едко заметив при этом: "Энигма - дерьмо!" Однако она постоянно усложнялась и были периоды, когда в Блетчли Парке с ней не могли справиться. Перед шифровками Энигмы, которые исходили не от войск, а из немецких криптографических центров, "Колосс" тоже был бессилен.
Высокое развитие криптографической техники стран западных союзников в значительной степени предопределило ход многих боевых операций во время Второй мировой войны. Англия, хоть и несла на море большие потери, но практически подавляла любые организованные действия немецкого флота, перехватывая и читая приказы гроссадмиралов Редера и Деница. В книгах воспоминаний английских криптографов страницы сплошь усеяны фразами "...мы знали...", за которыми стоит колоссальный труд тысяч человек.
3. Типы шифров
Криптосистемы разделяются на симметричные (с секретным ключом) и с открытым ключом.
В симметричных криптосистемах и для шифрования, и для дешифрования используется один и тот же ключ.
В системах 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.
4. Шифры с секретным ключом
С одной стороны, такая схема имеет те недостатки, что необходимо кроме открытого канала для передачи шифрограммы наличие также секретного канала для передачи ключа, а кроме того, при утечке информации о ключе, невозможно доказать, от кого из двух корреспондентов произошла утечка.
С другой стороны, среди шифров именно этой группы есть единственная в мире схема шифровки, обладающая абсолютной теоретической стойкостью. Все прочие можно расшифровать хотя бы в принципе. Такой схемой является обычная шифровка с ключом, длина которого равна длине сообщения. При этом ключ должен использоваться только раз. Любые попытки расшифровать такое сообщение бесполезны, даже если имеется априорная информация о тексте сообщения. Осуществляя подбор ключа, можно получить в результате любое сообщение.
5. Шифры с открытым ключом
Шифры с открытым ключом подразумевают наличие двух ключей - открытого и закрытого; один используется для шифровки, другой для расшифровки сообщений. Открытый ключ публикуется - доводится до сведения всех желающих, секретный же ключ хранится у его владельца и является залогом секретности сообщений. Суть метода в том, что зашифрованное при помощи секретного ключа может быть расшифровано лишь при помощи открытого и наоборот. Ключи эти генерируются парами и имеют однозначное соответствие друг другу. Причём из одного ключа невозможно вычислить другой.
Характерной особенностью шифров этого типа, выгодно отличающих их от шифров с секретным ключом, является то, что секретный ключ здесь известен лишь одному человеку, в то время как в первой схеме он должен быть известен по крайней мере двоим. Это даёт такие преимущества:
· не требуется защищённый канал для пересылки секретного ключа, вся связь осуществляется по открытому каналу;
· наличие единственной копии ключа уменьшает возможности его утраты и позволяет установить чёткую персональную ответственность за сохранение тайны;
· наличие двух ключей позволяет использовать данную шифровальную систему в двух режимах - секретная связь и цифровая подпись.
Простейшим примером рассматриваемых алгоритмов шифровки служит алгоритм RSA. Все другие алгоритмы этого класса отличаются от него непринципиально. Можно сказать, что, по большому счёту, RSA является единственным алгоритмом с открытым ключом.
Сообщение, зашифрованное при помощи открытого ключа какого-либо абонента, может быть расшифровано только им самим, поскольку только он обладает секретным ключом. Таким образом, чтобы послать закрытое сообщение, вы должны взять открытый ключ получателя и зашифровать сообщение на нём. После этого даже вы сами не сможете его расшифровать.
Шифровка с открытым ключом
6. Криптография - оружие
Все государства уделяют пристальное внимание вопросам криптографии. Наблюдаются постоянные попытки наложить некие рамки, запреты и прочие ограничения на производство, использование и экспорт криптографических средств. Например, в России лицензируется ввоз и вывоз средств защиты информации, в частности, криптографических средств, согласно Указу Президента Российской Федерации от 3 апреля 1995 г. N 334 и постановлению Правительства Российской Федерации от 15 апреля 1994 г. N 331.
Объясняется такая политика теми особенностями, которые имеет криптография в плане её доступности для использования и трудности преодоления. О значении информации в современных производственных процессах было сказано в начале курса. Соответственно, с потерей контроля над информацией государство потеряет и свою власть над производственными и другими процессами. А криптография даёт обычному гражданину средства закрыть свою информацию настолько надёжно, что преодолеть защиту не сможет даже государство со всей его экономической мощью.
К необходимым аксессуарам криптографической техники кроме алгоритмов шифрования и расшифрования принадлежат секретные ключи. Их роль такая же, как и у ключей от сейфа. А вот изготавливаются и хранятся криптографические ключи куда более тщательно, чем стальные аналоги. Заботу об их выпуске обычно берут на себя криптографические службы, лишь в этом случае гарантируя стойкость от взлома своих систем шифрования. Какие ухищрения только не предпринимаются, чтобы сделать ключи недоступными, а факт их чтения известным! Ключи хранят в криптографических блокнотах, которые всегда представляли собой крепость для посторонних. Во-первых, они открываются с предосторожностями, чтобы ключи не исчезли физически вместе с открывшим их человеком. Во-вторых, в блокноте находишь подобие отрывного календаря с прошитыми насквозь страницами, разделенными непрозрачными для любого подсматривания листами. Чтобы прочесть очередной ключ, нужно вырвать лист разделителя, а это не может впоследствии остаться незамеченным хозяином блокнота. Более того, как только страница с ключом открыта для чтения, то ее текст начинает бледнеть и через некоторое время пропадает бесследно. Но главное еще впереди - нередко в блокноты вносят не сами ключи, а их шифровки, сделанные по ключу, который шифровальщик хранит лишь в памяти. Ухищрениям в хранении ключей нет конца. У разведчика Абеля американскими спецслужбами был обнаружен криптографический блокнот размером с почтовую марку. Позднее, неподалеку от дома, где Абель жил, найдена монета, развинчивающаяся на две половинки, с тайником внутри. Очень возможно, что она служила контейнером для этого миниатюрного криптографического блокнота. ита относительно дёшева, а средства её преодоления либо очень дороги, либо вообще не существуют. Один человек с персональным компьютером может успешно противопоставить свою защиту любым государственным структурам.
В ближайшем будущем ожидается ужесточение контроля со стороны государства за производством и использованием криптосредств и дальнейшее ограничение её использования частными лицами.
Криптография, в отличие от мер физической защиты, обладает тем уникальным свойством, что при правильном выборе метода затраты на обеспечение защиты информации много меньше затрат на преодоление этой защиты. То есть, обыкновенный гражданин может себе позволить такую крепкую защиту, которую не в силах преодолеть государство со всей его финансовой и технической мощью. Попробуйте представить себе такое в отношении, например, защиты частного имущества.
Криптография становится оружием. Недаром правительства почти всех стран за последние годы постоянно ужесточают меры в отношении использования криптоалгоритмов. Власти пытаются запретить частное использование наиболее стойких из них, монополизировать, принудить производителей оставлять "чёрные ходы" в выпускаемых устройствах, ввести другие ограничения. Речь уже заходит о полном запрещении криптографии. В наш информационный век, когда технология стоит дороже материалов, программное обеспечение - дороже аппаратной части, когда люди гибнут не «за металл», а за ценные сведения, информация становится реальной силой. Следовательно, криптография - оружием. И допустить попадание его в частные руки никакое государство не желает.
7. Угрозы данным
В принципе есть лишь два вида угрозы: раскрытие и видоизменение данных. Раскрытие данных предполагает, что кому-то случайно или после целенаправленных действий стал известен смысл информации. Этот вид нарушения встречается наиболее часто. Последствия могут быть самые разные. Если похищен текст книги справочника, на которую потрачены месяцы работы десятков людей, то для коллектива авторов это катастрофа и потери могут выражаться в тысячах долларов. Однако если книга уже издана, то достаточно лишь слегка пожурить похитителя и рассказать о случившемся в отделе новостей газеты или TV, похититель может сделать книге великолепную рекламу. Очень важную информацию, тщательно оберегаемую от раскрытия, представляют сведения о людях: истории болезни, письма, состояния счетов в банках. Однако, по мнению большого числа специалистов, угрозы личности с введением компьютеров остались на том же уровне и в том же состоянии, что и до обширного использования ЭВМ.