Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Разработка моделей криптографической защиты информации. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

1 / 131 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ульяновский государственный педагогический университет

имени И.Н. Ульянова»



Шубович В.Г., Капитанчук В.В,

Знаенко Н.С., Титаренко Ю.И.

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ



КРИПТОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ

ИНФОРМАЦИИ

Монография

Ульяновск

2013

УДК 004.003.26 ББК 32.973.26-018.2 Р 17



Печатается по решению редакционноиздательского совета ФГБОУ ВПО «УлГПУ им. И.Н. Ульянова»

Рецензенты:  Смагин А.А., почётный работник высшего профессионального образования

РФ, заслуженный работник сферы информационных технологий Ульяновской области, доктор технических наук, профессор, организатор и заведующий кафедрой «Телекоммуникационные технологии и сети» УлГУ

Цыганов А.В., к.ф.-м.н., доцент кафедры высшей математики ФГБОУ ВПО

«УлГПУ им. И.Н. Ульянова»

Шубович В.Г., Капитанчук В.В, Знаенко Н.С., Титаренко Ю.И. Разработка моделей криптографической защиты информации. Монография. Ульяновск: УлГПУ, 2013. 127 с.

ISBN 978-5-86045-640-2

В монографии проводится теоретический анализ требований и критериев эффективности систем криптографической защиты информации (СКЗИ), исследуются возможности построения двухуровневого композиционного шифра, проводится вычислительный эксперимент по оценке эффективности композиционного алгоритма шифрования (АШ) на базе П-шифра. В результате исследования получены следующие результаты: разработаны и исследованы метод и модель криптографической защиты информации с использованием матричного кодирования; разработаны модели и алгоритм двухуровневой криптографической защиты информации на основе применения П-шифра; сформулирован и обоснован комплекс критериев эффективности алгоритмов шифрования, предложена и реализована методика их оценки на основе косвенных измерений; впервые разработана научно обоснованная классификация алгоритмов шифрования, позволяющая существенно упростить процедуру соотнесения множества известных алгоритмов шифрования к определенному классу, и процедура поиска набора обучающих выборок и функций классификации АШ.

УДК 004.003.26

ББК 32.973.26-018.2

9 785860 456402



ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 5

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ КРИПТОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ

ИНФОРМАЦИИ .................................................................................................. 7

1.1 Анализ способов криптографической защиты информации. ................... 7

1.1.1 Классификация шифров по различным признакам ............................. 7

1.1.2 Способы криптографического закрытия информации ..................... 9

1.1.3 Формальные модели шифров ............................................................ 11

1.1.4 Надежность шифров ........................................................................ 13

1.1.5 Стойкость шифров ........................................................................... 14

1.1.5.1 Теоретическая стойкость шифров ........................................... 16

1.1.5.2 Практическая стойкость шифров ............................................ 17

1.2 Общие требования к криптосистемам .................................................... 17

1.3 Структурная организация обобщенного алгоритма симметричного

блочного шифрования .................................................................................... 19

1.4 Модели алгоритмов шифрования ........................................................... 21

1.4.1 Вопросы проектирования шифров .................................................... 21

1.4.2 Показатели качества алгоритмов шифрования ............................. 24

1.4.3 Минимальные требования к кандидатам AES ................................. 25

1.4.4 Критерии и показатели оценки качества ......................................... 25

1.4.5 Управляемые перестановки в алгоритмах шифрования ................ 27

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА КРИПТОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТРИЧНОГО ПРЕДШИФРА . 30

2.1 Использование этапа предшифрования как способа повышения

стойкости систем криптографической защиты информации (СКЗИ) ......... 31

2.2 Метод кодирования на основе матрицы ................................................. 35

2.3 Построение структурно – логических моделей систем

криптографической защиты информации с использованием П - шифра .... 48

2.4 Разработка алгоритмов криптографической защиты информации на

основе матричного преобразования............................................................... 57

2.5 Программная реализация алгоритма криптографической защиты с

использованием матричного преобразования ............................................... 63

2.5.1 Модуль построения матрицы кодирования ..................................... 63

2.5.2 Модуль кодирования и декодирования .............................................. 63

2.5.3 Модуль шифрования и дешифрования .............................................. 65

2.5.4 Модуль кодирования – шифрования / дешифрования -

декодирования выбранного файла .............................................................. 69

2.6 Оценка криптографической стойкости матричного кодирования ........ 70

2.7 Схемы обработки информации с использованием П-шифра ................ 73

3. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И КЛАССИФИКАЦИЯ АЛГОРИТМОВ

ШИФРОВАНИЯ ................................................................................................ 78

3.1 Методика косвенной оценки эффективности криптографических

примитивов в составе алгоритмов шифрования ........................................... 79

3.2 Обоснование новых критериев и классификация алгоритмов

шифрования основе множества признаков ................................................... 85

3.3 Модификация алгоритмов шифрования и оценка их показателей

эффективности .............................................................................................. 105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................ 107

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................................ 108

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................ 113

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время первостепенным фактором, влияющим на политическую и экономическую составляющие национальной безопасности, является степень защищенности информации и информационной среды. Поэтому важное значение приобретают вопросы обеспечения безопасности информационных и телекоммуникационных технологий и гарантированной защиты данных в компьютерных сетях, в том числе и в Intеrnet. Существующая научно - методологическая база теории и практики обеспечения безопасности информации в настоящее время находится в стадии становления и совершенствования.

Для разработки современных средств защиты информации вопрос о необходимости применения криптографического преобразования информации стал очевидным. Надежная защита информации может быть обеспечена только на базе комплексного сочетания организационных мер с физическими, аппаратно-программными и криптографическими методами. При этом роль криптографических методов продолжает возрастать.

В приоритетных проблемах научных исследований в области информационной безопасности Российской Федерации, одобренных секцией по информационной безопасности научного совета при Совете Безопасности Российской Федерации, выделяются следующие задачи: разработка фундаментальных проблем теоретической криптографии, разработка криптографических проблем создания перспективных отечественных шифросистем (в частности, высокоскоростных), анализ основных направлений и тенденций развития отечественных и зарубежных средств криптографической защиты информации, исследование алгоритмических и технологических особенностей новейших зарубежных и отечественных криптографических средств защиты информации, разработка скоростных программно-ориентированных и аппаратно-ориентированных методов шифрования.

В условиях становления рыночной экономики каждая фирма вынуждена постоянно вести конкурентную борьбу за свое существование, за прибыльное ведение дел, за свое доброе имя. Вопросы информационнокоммерческой безопасности занимают особое место и в связи с

возрастающей ролью информации в жизни общества требуют особого внимания. Успех производственной и предпринимательской деятельности в немалой степени зависит от умения распоряжаться таким ценнейшим товаром, как информация.

Применение криптографических преобразований является одним из эффективных путей развития систем защиты информации. Исследования в этом направлении необходимы вследствие широкого спектра задач и возможностей их решения. Поэтому поиск новых подходов к повышению эффективности систем криптографической защиты информации (СКЗИ) становится достаточно актуальным.

Целью научно-исследовательской работы является повышение эффективности систем криптографической защиты информации на основе использования матричного кодирования на этапе предварительной обработки информации.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ КРИПТОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ

Одним из путей повышения защищенности информационных систем

является использование криптографических методов защиты информации.

В то же время систематизированное изложение основных способов и методов криптографической защиты информации с использованием управляемых перестановок в алгоритмах шифрования представлено в весьма ограниченном числе работ. При этом отсутствует обоснованная классификация алгоритмов шифрования.

Для повышения эффективности алгоритмов шифрования необходимо использовать криптографические примитивы, отличительной особенностью которых является высокая стойкость к линейному и дифференциальному криптоанализу.

В связи с этим возникают следующие основные задачи: сравнительный анализ способов и средств защиты информации; анализ способов криптографической защиты информации; выявление основных направлений повышения эффективности алгоритмов шифрования, построенных с использованием стойких криптографических примитивов.

1.1 Анализ способов криптографической защиты информации.

1.1.1 Классификация шифров по различным признакам

Используемые в настоящее время системы шифрования делятся на два класса: блочные и поточные системы [1]. Основной критерий такого разделения - мощность алфавита, над знаками которого производится операция шифрования. Если открытый текст перед шифрованием разбивается на блоки, состоящие из нескольких знаков, то есть исходное сообщение обрабатывается блоками, то мы имеем дело с блочным шифром. Если каждый знак сообщения шифруется отдельно, то такой шифр - поточный.

Разделение шифров на поточные и блочные связано с алгоритмическими и техническими особенностями реализации шифрующих преобразований, использующими возможности существующей элементной базы (разрядность процессоров, быстродействие микросхем, объем памяти компьютера). Точное значение мощности алфавита, начиная с которого шифр

следует считать уже не поточным, а блочным, назвать нельзя. Более того, с

замены

перестановки

замены

перестановки

развитием техники эта характеристика меняется в сторону увеличения мощности алфавита. Например, в настоящее время используются 16- и 32разрядные процессоры, а перспективная шифровальная техника проектируется уже на 64-разрядных процессорах [2]. Поэтому при построении шифров могут быть использованы алфавиты мощности 232 и 264.

ШИФРЫ

Шифры

замены

Композиционные

шифры

Шифры

перестановки

многозначные

Ассимметричные

шифры

Поточные

шифры

Одноалфавитные

шифры

однозначные

столбцовые (строчные)

Симметричные

шифры

Многоалфавитные

маршрутные

решетки,

лабиринты

БЛОЧНЫЕ ШИФРЫ

шифры

Рисунок 1.1 – Классификация шифров

управляемые

шифры

гаммирования

К недостаткам блочных шифров следует отнести также сложность реализации преобразований алфавитов большой мощности. Однако этот недостаток удается преодолеть путем использования преобразований специального вида [3].

В качестве другого признака, по которому производится классификация шифров, используется тип преобразования, осуществляемого с открытым текстом при шифровании. Классификация шифров по указанному признаку представлена на рис. 1.1.

В асимметричных системах необходимо применять длинные ключи (512 битов и больше). Длинный ключ резко увеличивает время шифрования. Кроме того, генерация ключей весьма длительна. Зато распределять ключи можно по незащищенным каналам. В симметричных алгоритмах используют более короткие ключи, т. е. шифрование происходит быстрее. Но в таких системах сложно распределение ключей.

1.1.2 Способы криптографического закрытия информации

Для начала множество всех известных способов криптографического закрытия информации разделим на три большие группы: шифрование, кодирование, специальные методы [4]. Далее классификацию каждого из них можно представить в виде дерева (рис. 1.2).

 Шифрование

 замена: простая (одноалфавитная), многоалфавитная, управляемая

подстановка;

 перестановка: простая, усложнённая по таблице, усложнённая по

маршрутам, управляемая перестановка;

 аналитическое преобразование: по правилам алгебры матриц, по

особым зависимостям;

 гаммирование: конечно короткой гаммой, конечно длинной гаммой,

бесконечной гаммой; Комбинированные методы: замена + перестановка, замена + гаммирование,

перестановка + гаммирование, гаммирование + гаммирование;

 Кодирование

 смысловое: по специальным таблицам (словарям);  символьное: по кодовому алфавиту.

механич

еское

(одноалфавитная)

подстановка

простая

по таблице

по маршрутам

перестановка

алгебры матриц

зависимостям

гаммой

перестановка

гаммир

ование

гаммирование

СПОСОБЫ КРИПТОГРАФИЧЕСКОГО ЗАКРЫТИЯ ИНФОРМАЦИИ

Простое кодирование

Шифрование

Специальные методы

Смысловое Символьное

Рассечениеразнесение

Сжатие расширение

по специальным

таблицам

(словарям)

по кодовому

алфавиту

смысловое

замена

перестановка

аналитическое

преобразование

гаммирование

простая

многоалфавитная

управляемая

усложненная

управляемая

по правилам

по особым

конечно короткой

конечно длинной

бесконечной

комбинированные

методы

замена +

перестановка +

Рисунок 1.2 - Способы криптографического закрытия информации

1 / 131 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]