Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Введение в информационную безопасность основы, методы, задачи. Практикум
.pdf
Современные угрозы и средства защиты
Угроза
информаци-
онной безо-
пасности
Средства
защиты
Функциональ-
ность
Область
применения
Наименова-
ние решений
на российском
рынке
Несанкционированный
доступ
Системы управления доступом
Защита от несанкционированного доступа, контроль доступа, шифрование данных
Компьютерные, корпоративные
и локальные
сети, удаленный доступ
Secret Net Studio,
ViPNetSafePoint
Потеря или
повреждение данных
Резервное копирование, системы RAID,
системы защиты от потерь
Восстановление
данных, предотвращение потерь, защита от
сбоев
Все типы
информационных систем, базы
данных
AcronisBackup,
DataGuard,
Восстановление
Касперского
Вирусные
атаки и вредоносное
ПО
Антивирусные
программы,
системы мониторинга
безопасности
Обнаружение
и блокировка
вирусов, вредоносных программ
Локальные
системы,
корпоративные сети.
Конечные
точки
Kaspersky,
Dr.Web, PRO32,
NANO Antivirus
от угроз информационной безопасности
Таблица 2.7
6. Оформите отчет по данному заданию согласно требованиям,
приведенным в практическом задании 1.1.
31
3 . Ш И Ф Р О В А Н И Е И К Р И П Т О Г Р А Ф И Ч Е С К А Я
З А Щ И Т А И Н Ф О Р М А Ц И И
Криптография – это область математики и компьютерных наук,
изучающая методы защиты информации путем ее преобразования с помощью различных алгоритмов. Криптографические системы обеспечивают безопасность передачи данных, защиту конфиденциальности, целостности информации, а также аутентификацию и проверку подлинности сообщений. В информационной безопасности криптография занимает центральное место, так как обеспечивает защиту данных от несанкционированного доступа, модификации, а также позволяет подтвердить
идентичность отправителя и получателя.
Шифрование – это процесс преобразования исходной (открытой)
информации в нечитаемую форму с помощью криптографического алгоритма. Преобразование данных происходит с использованием ключа,
который является секретным или публичным в зависимости от типа
криптосистемы. Алгоритмы криптографии можно разделить на две основные категории:
1) cимметричное шифрование, в котором один и тот же ключ используется для шифрования и дешифрования данных;
2) асимметричное шифрование (криптосистемы с открытым ключом), где используются два различных ключа: один для шифрования (открытый ключ), другой – для дешифрования (закрытый ключ).
История криптографии насчитывает тысячи лет, ее зарождение
связано с попытками защиты информации от несанкционированного доступа. Рассмотрим некоторые из древних шифров, которые сыграли важную роль в развитии криптографии.
Шифр Цезаря является одним из наиболее простых и старых ме-
тодов шифрования. Он получил свое название в честь римского императора Юлия Цезаря, который использовал его для защиты своих военных сообщений. Данный шифр является примером подстановочного
шифра, согласно которому каждая буква исходного текста заменяется
другой буквой, расположенной через определенное количество позиций далее по алфавиту. Например, если смещение равно трем, то при
использовании латинского алфавита буква A будет заменена на D,
буква B – на E и т. д. Алгоритм шифрования Цезаря является симметричным, поскольку для дешифрования достаточно выполнить тот же
32
33
процесс с обратным сдвигом. Этот метод является примером базового
шифрования, отличается простотой и может быть легко взломан с путем частотного анализа или простого подбора.
Шифр Атбаш – один из древнейших методов подстановки, ко-
торый использовался еще в Древнем Израиле. В этом случае каждая
буква алфавита заменяется на букву, находящуюся на противоположной позиции. Например, первая буква алфавита (A) заменяется на последнюю (Z), вторая буква (B) – на предпоследнюю (Y), третья (C) – на
третью с конца (X) и т. д. Атбаш является одним из вариантов отраженного шифра, где все символы исходного сообщения переворачиваются
по отношению к центру алфавита. И, хотя данный шифр использовался
в античные времена, его безопасность очень низка, поскольку существует всего один возможный способ дешифровки. Поэтому его можно
легко взломать.
Квадрат Полибия представляет собой геометрический шифр,
который использует таблицу 5×5 для кодирования букв латинского алфавита. Он был разработан древнегреческим историком, полководцем
и государственным деятелем Полибием (II в. до н. э.). В этом шифре каж-
дая буква заменяется на пару чисел, характеризующих ее положение
в таблице. Алфавит (без учета буквы J, которая сливается с буквой I) заполняет квадрат, и для каждой буквы указывается ее строка и столбец
(рис. 3.1 и 3.2). Например, буква A будет представлять собой цифру 11,
буква B – 12, C – 13 и т. д.
Рис. 3.1. Квадрат Полибия для латинского алфавита
34
Рис. 3.2. Квадрат Полибия для русского алфавита
Этот метод позволяет достаточно эффективно скрывать текст, однако он также является уязвимым при использовании криптоанализа.
Квадрат Полибия использовался в Древней Греции и был одним из первых примеров применения таблиц для кодирования данных.
Для русского алфавита возможен и другой вариант шифрования,
предусматривающий объединение букв Е и Ё, И и Й, Ъ и Ь (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Вариант квадрата Полибия для русского алфавита
Используя подобный алгоритм, таблицу шифрования можно приспособить для любого языка.
Существует несколько способов шифрования с помощью квадрата Полибия.
35
Метод 1. Зашифруем слово SOMETEXT. С этой целью в квадрате
находим нужную букву текста и вставляем в шифровку нижнюю от нее
в том же столбце. Если буква была в нижней строке, то берем верхнюю
из того же столбца (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Шифрование с использованием квадрата Полибия (метод 1)
Метод 2. Сообщение преобразуется в координаты по квадрату По-
либия, которые записываются вертикально (см. рис. 3.4). Затем координаты преобразуются в буквы по этому же квадрату. Таким образом, после
шифрования получим результат, представленный на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Шифрование с использованием квадрата Полибия (метод 2)
Метод 3. Данный способ является усложненным, поскольку при
его использовании полученный первичный шифротекст шифруется
вторично. При этом он выписывается без разбиения на пары:
3425453443314154
Полученная последовательность цифр сдвигается циклически
влево на один шаг (нечетное количество шагов):
4254534433141543
Эта последовательность вновь разбивается в группы по две цифры:
42 54 53 44 33 14 15 43
и по таблице заменяется на окончательный шифротекст (рис. 3.6).
36
Рис. 3.6. Шифрование с использованием квадрата Полибия (метод 3)
Шифр выглядит довольно уязвимым, однако объективная оценка
его надежности требует учета двух существенных аспектов:
а) возможность заполнения квадрата Полибия буквами в произвольном порядке, а не только строго по алфавиту;
б) возможность периодического изменения самих квадратов – тогда анализ предыдущих сообщений ничего не даст, так как к моменту
раскрытия шифра он может быть заменен.
Поскольку буквы могут вписываться в таблицу в произвольном
порядке, то уже само ее заполнение в данном случае является ключом.
Например, для латинского алфавита в первую клетку можно вписать
одну из 25 букв, во вторую – одну из 24, в третью – одну из 23 и т. д.
Получаем максимальное количество ключей для шифра, основанного
на таблице латинского алфавита. Соответственно, для дешифрования
сообщения потребуется знание не только этого алфавита, но и ключа,
с помощью которого составлялась таблица. Но произвольный порядок
букв сложно запомнить, поэтому пользователю шифра необходимо постоянно иметь при себе ключ – квадрат. В этом случае появляется опасность тайного ознакомления с ключом посторонних лиц. Поэтому в качестве компромиссного решения был предложен ключ – пароль. Пароль
выписывается без повторов букв в квадрат; в оставшиеся клетки в алфавитном порядке выписываются буквы алфавита, отсутствующие
в пароле.
Шифр Виженера, получивший свое название в честь француз-
ского дипломата, криптографа и алхимика Блеза де Виженера (XVI в.),
представляет собой более сложный метод шифрования, чем предыдущие. В отличие от шифра Цезаря, где применяется одно фиксированное
смещение, шифр Виженера использует для каждой буквы ключевое
слово, которое повторяется, чтобы определить сдвиг для каждой буквы
37
в исходном сообщении. Таким образом, в процессе шифрования каждая
буква текста сдвигается на количество позиций, соответствующее буквам ключевого слова. Например, если для шифрования текста используется ключевое слово Key, то для первой буквы текста будет применен
сдвиг, соответствующий букве K, для второй – сдвиг буквы E и т. д.
Этот метод шифрования является многофакторным и имеет более высокую степень защиты по сравнению с шифром Цезаря. Однако при недостаточном выборе ключа или его повторении шифр может быть легко
расшифрован с помощью метода анализа частот.
Такие старинные шифры, как Атбаш, квадрат Полибия, шифры
Цезаря и Виженера, стали основой для дальнейшего развития криптографических методов. Они продемонстрировали различные подходы
к защите информации – от простых подстановок до более сложных
многофакторных методов. И уж тем более эти шифры не способны
обеспечить надежную защиту информации в современном мире. Поэтому закономерным стало появление более сложных методов шифрования, таких как симметричные и асимметричные криптографические
системы, которые лежат в основе современной информационной безопасности.
Криптосистемы с открытым ключом (асимметричные криптосистемы) основываются на использовании пары ключей: открытого и закрытого. Эти системы значительно увеличивают уровень безопасности
по сравнению с симметричными системами, потому что, хотя открытый
ключ и может быть общедоступным, закрытый ключ остается секретным.
На практике криптосистемы с открытым ключом обеспечивают
конфиденциальность данных и аутентификацию пользователей,
а также позволяют создавать цифровые подписи. Основные примеры
криптосистем с открытым ключом включают такие алгоритмы, как
RSA, Диффи–Хеллмана, Шамира, Эль-Гамаля и использование односторонних функций.
RSA (Rivest–Shamir–Adleman) – один из наиболее известных
и активно используемых алгоритмов асимметричного шифрования,
разработанный в 1977 г. RSA применяется для обеспечения конфиденциальности данных, а также в цифровых подписях для обеспечения
аутентификации и целостности сообщений. Он основан на сложности
задачи факторизации больших чисел на простые множители. В системе
RSA генерируются два ключа: открытый, который используется для
шифрования данных, и закрытый, который используется для дешифрования.
38
Алгоритм RSA содержит несколько ключевых шагов:
1) генерация двух больших простых чисел, p и q;
2) вычисление модуля
n = p‧q;
3) вычисление функции Эйлера:
φ(n) = (p − 1)(q − 1);
4) выбор открытого ключа e, который взаимно прост с φ(n);
5) вычисление закрытого ключа d, такого что
e‧d ≡ 1 (mod φ(n)).
Шифрование данных осуществляется с использованием открытого
ключа e, а дешифрование – с использованием закрытого ключа d.
Протокол Диффи–Хеллмана (Diffie–Hellman) был предложен
в 1976 г. для безопасного обмена ключами через небезопасные каналы
связи. Он используется для создания общего секрета, который может
быть использован для симметричного шифрования в дальнейшем. Перечислим основные шаги его алгоритма:
1. Выбираются два публичных числа g и p (основание и модуль).
Каждая сторона выбирает свой секретный ключ, например a и b.
2. Обе стороны вычисляют публичные элементы
A = ga(mod p)
и
B = gb(mod p).
После обмена этими числами каждая сторона вычисляет общий секрет:
K = Ab (mod p)
или
K = Bа(mod p).
3. Протокол Диффи–Хеллмана позволяет двум сторонам догово-
риться о секрете, который они могут использовать для дальнейшего
шифрования данных с помощью симметричного алгоритма. Протокол
сам по себе не используется для шифрования сообщений, но является ос-
новой для создания защищенных каналов связи.
Схема Эль-Гамаля (Elgamal) – это криптосистема с открытым
ключом, разработанная в 1985 г. По своей сути она аналогична протоколу Диффи–Хеллмана и использует те же принципы для обмена ключами. Алгоритм Эль-Гамаля подходит как для шифрования, так и для
создания цифровых подписей.
39
Шифрование осуществляется с использованием двух чисел:
m (сообщение) и y (открытый ключ) – и включает следующие шаги:
1) выбираются параметры p и g (модуль и основание);
2) генерируется секретный ключ x, и вычисляется открытый
ключ:
y = gx (mod p);
3) для шифрования сообщения m вычисляется случайное
число k и создаются два числа:
c1 = gk (mod p)
и
c2 = m‧yk (mod p);
4) для дешифрования используется секретный ключ x, и сообще-
ние восстанавливается с помощью формулы
m = c2‧(
–1
(mod p).
Данный алгоритм обычно используется для защиты данных в системах, где необходимо обеспечить высокую степень безопасности при
передаче информации.
Односторонние функции – это математические функции, которые
легко вычисляются в одну сторону, но для которых трудно (или невозможно) вычислить обратную операцию. Это основывается на проблемах,
таких как факторизация больших чисел и вычисление дискретного логарифма. Примером односторонней функции является вычисление хешфункции или решение задачи дискретного логарифма. Односторонние
функции лежат в основе безопасности многих криптографических алгоритмов, включая RSA и протокол Диффи–Хеллмана. Они обеспечивают
защиту данных, делая задачу взлома чрезвычайно трудной без знания секретного ключа.
Электронная цифровая подпись (ЭП) представляет собой криптографический механизм, используемый для подтверждения подлинности
и целостности данных. В Российской Федерации для создания ЭП используется стандарт ГОСТ Р 34.10-2001, определяющий алгоритм цифровой подписи, основанный на эллиптической криптографии.
Процесс создания электронной подписи включает:
– генерацию пары ключей: закрытого и открытого;
– применение закрытого ключа для создания подписи, которая
является результатом вычисления хеш-функции от сообщения;
40
– проверку подлинности подписи с использованием открытого
ключа.
Электронная подпись играет ключевую роль в информационной
безопасности, обеспечивая аутентификацию и подтверждение целостности данных, а также в правовой сфере, где она признается как электронный аналог собственноручной подписи.
Криптографические алгоритмы и методы шифрования являются
основой для обеспечения безопасности в современном информационном
обществе. От их надежности зависит защищенность данных, передаваемых через открытые и закрытые каналы связи. Знание и понимание этих
методов необходимо для разработки и поддержания эффективных систем
защиты информации, способных противостоять современным угрозам
и атакам на информационные ресурсы.
П р а к т и ч е с к о е з а д а н и е 3 . 1
ИЗУЧЕНИЕ ДРЕВНИХ ПРОСТЫХ ШИФРОВ
Цель: изучение и применение современных криптографических
методов шифрования, включая симметричные и асимметричные алгоритмы, понимание их работы и принципов защиты информации.
Задания направлены на углубление знаний о криптографических
системах и их использование для обеспечения безопасности информации.
Задания
Выполните задания, используя указанные методы шифрования
(в каждом задании предусмотрены два варианта).
Вариант 1
1. Зашифруйте с помощью шифра Цезаря (ROT 3) фразу: «Насто-
ящая ответственность бывает только личной».
2. Расшифруйте с помощью шифра Цезаря (ROT 4) фразу:
«Цгкипт ё чыисмм – пижот ё етв».
3. Зашифруйте с помощью шифра Атбаш фразу: «May the Force
be with you!».
4. Расшифруйте с помощью шифра Атбаш фразу: «Этрурыр-
нмцлзямна, яэнмяорнмцпрсцтябм».
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]