Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элементы теории информации в защите информации. Учебное пособие для академического бакалавриата
.pdf
1.2. Современные задачи криптологии
Криптографические и стеганографические методы
относятся к методам, получившим с древних времен название «тайнопись».
1.2. Современные задачи криптологии
Современную науку о тайнописи называют криптологией, ее название образовано как составное от двух
греческих слов: cryptos — тайный и logos — слово. Объектом криптологии являются криптографические системы, которые реализуют большое семейство функций,
выполняющих трансформацию информации. Эффективность криптографических методов защиты информации
во многом определяется многообразием возможных вариантов трансформации сообщений, привязанных к выбору
функции из семейства криптосистемы. Криптология состоит из криптографии, развивающей методы защиты информации, и криптографического анализа, нацеленного
на добычу информации с помощью преодоления криптографической защиты.
Выбор функции криптосистемы для защиты конкретных сообщений реализуется как случайный выбор
секретного ключа (параметра криптографической функции) из многих вариантов, образующих ключевое множество. Измененная форма сообщения легко восстанавливается в исходную форму при известном ключе с помощью
обратной функции. При неизвестном ключе восстановление исходного сообщения весьма сложно, т.е. невозможно
в реальное время при использовании современных мощных вычислителей. Таким образом, защита информации
с помощью криптографических методов обеспечивается
сложностью криптографической функции, а также большой вариативностью и секретностью ключа, т.е. ключ
должен выбираться из большой совокупности и быть
— 11 —
Глава 1. Системные аспекты теории защиты информации
известным обладателю информации и его партнеру, но не
известным нарушителю.
Наиболее эффективная защита объекта информатизации обеспечивается комплексной системой, отвечающей
наиболее значимым информационным угрозам данного
объекта и сочетающей различные методы. Криптографические методы являются важной частью комплексной системы защиты. Преодоление криптографической защиты
является, как правило, наукоемкой задачей, требующей
в современных условиях высокой квалификации нарушителя и значительных вычислительных ресурсов для
взлома защиты с помощью компьютеров.
Для раскрытия существа и задач криптографической
защиты определим базовые понятия криптологии.
Криптографическая система применяется для решения различных задач защиты информации соответствующими действующими лицами или сторонами (например,
система шифрования применяется пользователями секретной связи), при этом устанавливается определенный
порядок взаимодействия сторон, называемый криптогра-
фическим протоколом. Семейство криптографических
функций вместе с используемыми криптографическими
протоколами образуют криптосистему (криптографиче-
скую систему). Функции криптосистемы зависят от параметра k∈K, называемого ключом криптосистемы, где
K — конечное множество допустимых значений ключа,
называемое ключевым множеством криптосистемы.
Выбранный ключ k однозначно определяет криптографическую функцию криптосистемы.
Использование ключа криптосистемы подразумевает
реализацию жизненного цикла ключа, т.е. выполнение
с ключом ряда действий: генерации, распределения (рассылки) пользователям, хранения, установки (с целью реализации при данном ключе криптографической функции
— 12 —
1.2. Современные задачи криптологии
для защиты информации), смены и уничтожения ключей.
Протоколы, управляющие жизненным циклом ключей,
называются ключевыми протоколами. Ключевое множество и ключевые протоколы образуют ключевую подси-
стему криптографической системы.
В зависимости от задач защиты информации различают и выполняющие эти задачи криптографические
системы. Для обеспечения конфиденциальности информации используется система шифрования, реализующая
семейство Е биективных функций множества сообщений, называемое шифром: Е={E
}, k∈K. Защищаемое
k
сообщение, к которому применяется криптографическая
функция шифра, называют открытым текстом, а само
применение функции шифра к открытому тексту — шиф-
рованием или зашифрованием. Результат шифрования
открытого текста называется шифрованным текстом
или криптограммой.
Шифр Е рассматривается также как семейство отображений Х* × K → Y*, биективных по первой переменной,
где Х* и Y* — соответственно множество открытых и шифрованных текстов в алфавитах Х и Y. Биективность функций шифра обеспечивает возможность восстановления
открытого текста по шифрованному тексту. Применение
к криптограмме обратного отображения с использованием
известного ключа называется расшифрованием. При расшифровании реализуется отображение Y* × K → Х*.
Раскрытие криптоаналитиком информации, защищаемой шифром, называют дешифрованием (криптоаналитику неизвестен ключ расшифрования, т.е. неизвестна
функция семейства Е, использованная для шифрования).
Криптографический метод дешифрования называют также криптоаналитической атакой.
Способность криптосистемы противостоять криптоаналитическим атакам называется криптографической
— 13 —
Глава 1. Системные аспекты теории защиты информации
стойкостью. Количественно стойкость характеризуется
наименьшими ресурсами (вычислительными, временными, материальными затратами), достаточными для ее раскрытия.
С помощью криптографических функций решаются
задачи защиты информации, связанные с обеспечением:
1) конфиденциальности информации, т.е. защиты
от несанкционированного ознакомления с содержанием;
2) целостности информации, т.е. защиты от несанкционированного изменения нарушителем; к таковым относятся вставка, удаление и замена фрагментов исходных
данных;
3) идентификации пользователя и аутентифика-
ции информации, иными словами, подтверждения подлинности партнерских сторон, содержания и времени
генерации сообщения и т.д;
4) удостоверения авторства по отношению к сообщению или документу (обеспечение невозможности отказа от авторства или присвоения его);
5) неотслеживаемости информации, т.е. невозможности получения нарушителем содержательной информации с помощью наблюдения за действиями законных
пользователей.
Первая задача — традиционная для криптографии
на протяжении нескольких тысячелетий развития человечества и актуальная по сей день. Остальные задачи
криптографии сформировались лишь в ХХ в. в связи
с развитием электронных информационных технологий
и телекоммуникационных сетей. Криптографические
системы нашли применение в защите электронного документооборота, баз данных, электронных платежей, коммерции и др.
По величине стойкости криптографические системы классифицируются на системы временной стойкости
— 14 —
1.2. Современные задачи криптологии
и гарантированной стойкости. Последние обеспечивают
защиту информации в течение длительного времени в условиях значительных материальных, интеллектуальных
и вычислительных ресурсов нарушителя. Криптосистема
гарантированной стойкости способна реализовать много
различных функций, иначе секретная информация может быть раскрыта с помощью тотального перебора функций расшифрования. Сложность задачи дешифрования
должна базироваться на обосновании сложности решения
трудной математической задачи с использованием передовых современных технологий.
Криптографические системы классифицируются
также по решаемым задачам. Для обеспечения конфиденциальности информации используются системы шифрования, для аутентификации данных, сторон протокола
и других параметров — системы идентификации, для
аутентификации данных — системы имитозащиты, для
аутентификации авторства сообщений (документов) — си-
стемы электронной подписи (ЭП).
Различные задачи защиты информации обусловливают разделение криптосистем на системы с секретным
ключом и двухключевые системы, где один из ключей является открытым (несекретным) ключом.
Системы шифрования с секретным ключом k используются издавна и до настоящего времени и основаны
на классическом принципе использования единственного
ключа k, секретного для всех, кроме допущенных пользователей. Алгоритмы зашифрования и расшифрования ре-
1
и E
ализуют при ключе k взаимно обратные функции E
т.е. E
(x) = y и E
k
1
(y) = x. Такие криптосистемы называют
k
,
k
k
симметричными в связи с тем, что ключи для зашифрова-
ния и для расшифрования или совпадают, или обладают
определенной симметрией. Защита информации с помощью симметричных систем обеспечивается секретностью
ключа k.
— 15 —
Глава 1. Системные аспекты теории защиты информации
Появление в 1975 г. систем с открытым ключом
(авторы — американские криптографы Диффи и Хеллман) стимулировалось потребностью развивающихся
компьютерных сетей в новых ключевых протоколах.
Другое их название — асимметричные системы, в них
ключ шифрования e и ключ расшифрования d не связаны
явным отношением симметрии или равенства. Алгоритмы зашифрования и расшифрования также реализуют
взаимно обратные функции: E
(x) = y и Ed(y) = x. Ключ
е
шифрования e может быть открытым, доступным для
всех, но расшифровать сообщение можно, только зная
секретный ключ d расшифрования. Ключ d часто называют закрытым ключом во избежание путаницы с ключом
симметричной системы.
Вычисление закрытого ключа d по ключу e, т.е. раскрытие шифра, увязано с решением сложных математических задач. К таким задачам относятся, например,
поиск делителей большого натурального числа и логарифмирование в группе большого порядка.
Преимущество симметричных систем заключается
в высокой скорости шифрования, в меньших размерах используемого ключа, обеспечивающего стойкость, и в более
высокой степени научной обоснованности криптографической стойкости. Однако асимметричные криптосистемы
позволяют реализовать протоколы, заметно расширяющие
область применения криптографии (например, распределение без посредника ключей между пользователями).
Гибридные криптосистемы способны сочетать преимущества симметричных и асимметричных систем.
1.3. Шифрование и кодирование,
предмет теории информации
В XIX веке наступило время кодов. Если ранее при
шифровании замене подвергались буквы или пары букв,
— 16 —
1.3. Шифрование и кодирование, предмет теории информации
то при кодировании условными обозначениями стали
заменять не только буквы алфавита и цифры, но и слова,
и словесные выражения. Однако кодовая замена в отличие от ключа криптосистемы использовалась в течение
длительного периода времени, что сильно ослабляло защитные свойства кодов.
Кодирование стало активно развиваться после изобретения Павлом Львовичем Шиллингом электромагнитного телеграфа в 1832 г. Также П.Л. Шиллинг знаменит
изобретением шифра, который одновременно зашифровывал пары букв, и разработкой оригинальных кодов.
Кодовые книги постепенно увеличивались в объёме,
включая в себя уже тысячи слов и выражений.
С началом Первой мировой войны в 1914 г. появляется новый, тайный, криптографический фронт борьбы
противников. Особенно ярко новый фронт проявился
в войне на море, где не было колючей проволоки, разделяющей противников. Полем боёв, источником побед и поражений там стал радиоэфир.
Военно-морские силы (ВМС) противоборствующих государств использовали при организации связи в основном
кодирование посредством кодовых книг с последующим
шифрованием сообщения. Кодовая книга не являлась
собственно шифром, она использовалась для придания
содержанию передаваемых сообщений определенной формы, удобной для передачи сообщений. Кодовая книга позволяла заменить отдельные слова, фразы, числа из первоначального текста (так называемые словарные величины)
на условные обозначения (кодовые величины). Это уменьшало общий объем передаваемого сообщения и делало его
удобным для передачи. Полученный таким образом текст
из буквенных или цифровых групп затем шифровали.
Слабость самих словарных кодов с точки зрения
засекречивания сообщений прекрасно понимали еще
— 17 —
Глава 1. Системные аспекты теории защиты информации
в XIX веке. Поэтому при передаче секретных сведений
радиограмма, составленная по кодовой книге, дополнительно «закрывалась» каким-либо несложным шифром
и уже в таком виде сообщение передавали в эфир. Использование в сложных военных условиях более надёжных,
но и более трудоёмких в применении криптографических
средств не представлялось возможным, так как шифрование и расшифрование переписки осуществлялось вручную.
Теория информации как наука сформировалась в связи с публикацией книги «Математическая теория связи»
(К. Шеннон, [9]). Разработанные математический аппарат
и методология способствовали разработке и внедрению
в обиход высокоскоростных телефонных модемов, лазерных компакт-дисков, жестких дисков для компьютеров,
мобильных телефонов.
Таким образом, теория информации посвящена изучению различных способов кодирования информации,
являясь по существу математической теорией связи, задача которой — экономная и безошибочная передача информации между пользователями.
1.4. Схема кодирования информации,
кодеры источника и канала
Схема типовой системы передачи или хранения информации дана на рисунке 1.1. Кодер источника представляет информацию в компактной форме, чтобы наиболее эффективно использовать ресурсы канала связи или
запоминающего устройства.
Кодер канала предназначен для защиты от помех при
передаче информации (от искажений при хранении).
Модулятор преобразует сообщения кодера канала
в сигналы, соответствующие физической природе канала
(среде накопителя).
— 18 —
1.5. Контрольные вопросы
Блоки на приемной стороне выполняют обратные
функции.
Рис. 1.1. Блок-схема системы связи
Далее изложены принципы и методы кодирования:
• дискретных источников открытых сообщений
(ДИОС), порождающих последовательности символов конечного алфавита,
• дискретных сообщений при передаче в канале
с шумом.
1.5. Контрольные вопросы
1.1. Сформулируйте основные методы защиты информации.
1.2. Сформулируйте основное отличие криптографических методов от других методов защиты информации.
1.3. Каковы основные задачи криптографических методов защиты информации?
1.4. Укажите основное различие терминов расшифро-
вание и дешифрование.
1.5. Поясните различие между симметричными
и асимметричными криптосистемами.
1.6. В чем различие между открытыми и закрытыми
ключами асимметричной системы?
1.7. Какую криптосистему называют гибридной?
В чем ее преимущества?
— 19 —
Глава 1. Системные аспекты теории защиты информации
1.8. Каковы основные задачи кодирования информа-
ции?
1.9. Сформулируйте основное отличие шифрования
от кодирования информации в части защиты информации.
1.10. В чем состоит задача обеспечения целостности
информации?
1.11. В чем состоит задача удостоверения авторства
по отношению к документу?
1.12. Какой из элементов пары «логин-пароль» предназначен для идентификации пользователя и какой —
для аутентификации пользователя?
1.13. Какого рода информацию можно подтверждать
с помощью аутентификации?
— 20 —
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]