358 Глава 18. Криптографическая защита

тых текстов (защищаемой информации), например, общую тематику сообщений, их стиль, некоторые стандарты, форматы и т.д.

Приведем три примера специфических возможностей противника:

•противник может перехватывать все шифрованные сообщения, но не имеет соответствующих им открытых текстов;

•противник может перехватывать все шифрованные сообщения и добывать соответствующие им открытые тексты;

•противник имеет доступ к шифру (но не к ключам!) и поэтому может зашифровать любую информацию.

На протяжении многих веков среди специалистов не утихали споры о стойкости шифров и о возможности построения абсолютно стойкого шифра.

“Отец кибернетики” Норберт Винер отмечал: “Любой шифр может быть вскрыт, если только в этом есть настоятельная необходимость и информация, которую предполагается получить, стоит затраченных средств, усилий и времени…”

Поэтому у пользователя остается единственный путь — получение практических оценок стойкости. Этот путь состоит из следующих этапов.

1.Понять и четко сформулировать, от какого противника необходимо защищать информацию. Следует уяснить, что именно противник знает или может узнать о системе шифра, какие силы и средства он сможет применить для его вскрытия.

2.Мысленно стать в положение противника и попытаться с его позиций вскрыть шифр, т.е. разработать различные алгоритмы вскрытия шифра, обеспечивая при этом в максимальной мере моделирование сил, средств и возможностей противника.

3.Наилучший из разработанных алгоритмов использовать для практической оценки стойкости шифра.

Следует упомянуть о двух простейших методах вскрытия шифра: случайного угадывания ключа (он срабатывает с малой вероятностью, но является самую низкую вычислительную сложность) и перебора всех подряд ключей вплоть до нахождения истинного (он срабатывает всегда, но имеет самую высокую вычислительную сложность).

Анализ основных криптографических методов ЗИ

Иногда криптографические методы ЗИ разделяют на три группы: методы подста-

новки, методы перестановки и аддитивные методы. Методы перестановки и подста-

новки характеризуются хорошими ключами, а их надежность связана со сложным алгоритмом преобразования. При аддитивных методах пользуются простыми алгоритмами преобразования, обеспечивая надежность с помощью ключей большого объема.

Иногда говорят о блочных методах, имея в виду первые две группы, в которых алгоритм работает сразу над большим блоком информации, и о потоковых методах, где шифрование происходит знак за знаком. Однако при использовании аддитивных методов преобразование может осуществляться сразу над целым машинным словом и метод приобретает признаки блочного.

Анализ основных криптографических методов ЗИ 359

Шифрование методом подстановки (замены)

Вэтом, наиболее простом, методе символы шифруемого текста заменяются другими символами, взятыми из одного (моноалфавитная подстановка) или нескольких (полиалфавитная подстановка) алфавитов. Самой простой разновидностей является прямая замена, когда буквы шифруемого текста заменяются другими буквами того же самого или некоторого другого 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.

Поэтому простую замену в настоящее время используют редко и в тех случаях, когда шифруемый текст короток.

Для повышения стойкости шифра используют так называемые полиалфавитные подстановки, в которых для замены символов исходного текста используются символы нескольких алфавитов. Существует несколько разновидностей полиалфавитной подстановки, наиболее известными из которых являются одно- (обыкновенная и монофоническая) и многоконтурная.

При полиалфавитной одноконтурной обыкновенной подстановке для замены симво-

лов исходного текста используется несколько алфавитов, причем смена алфавитов 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.

Вкачестве примера рассмотрим шифрование с помощью таблицы Виженера. Таблица Виженера представляет собой матрицу с n2 элементами, где n — количество символов используемого алфавита. Каждая строка матрицы получена циклическим сдвигом алфавита на символ. Для шифрования выбирается буквенный ключ, в соответствии с которым формируется рабочая матрица шифрования. Осуществляется это следующим образом. Из полной таблицы выбирается первая строка и те строки, первые буквы которых соответствуют буквам ключа. Первой размещается первая строка, а под нею — строки, соответствующие буквам ключа в порядке следования этих букв в ключе.

Сам процесс шифрования осуществляется следующим образом:

•под каждой буквой шифруемого текста записывают буквы ключа (ключ при этом повторяется необходимое количество раз);

•каждая буква шифруемого текста заменяется по подматрице буквами, находящимися на пересечении линий, соединяющих буквы шифруемого текста в первой строке подматрицы и находящихся под ними букв ключа;

•полученный текст может разбиваться на группы по несколько знаков.

Исследования показали, что при использовании такого метода статистические харак-

теристики исходного текста практически не проявляются в зашифрованном тексте. Нетрудно заметить, что замена по таблице Виженера эквивалентна простой замене с циклическим изменением алфавита, т.е. здесь мы имеем полиалфавитную подстановку, при-

360 Глава 18. Криптографическая защита

чем число используемых алфавитов определяется числом букв в ключе. Поэтому стойкость такой замены определяется произведением прямой замены на количество используемых алфавитов, т.е. на количество букв в ключе.

Одним из недостатков шифрования по таблице Виженера является то, что при небольшой длине ключа надежность шифрования остается невысокой, а формирование длинных ключей сопряжено с определенными трудностями.

Нецелесообразно выбирать ключи с повторяющимися буквами, так как при этом стойкость шифра не возрастает. В то же время ключ должен легко запоминаться, чтобы его можно было не записывать. Последовательность же букв, не имеющих смысла, запомнить трудно.

С целью повышения стойкости шифрования можно использовать усовершенствованные варианты таблицы Виженера. Отметим некоторые из них:

•во всех (кроме первой) строках таблицы буквы располагаются в произвольном порядке;

•в качестве ключа используются случайные последовательности чисел.

Из таблицы Виженера выбираются десять произвольных строк, которые кодируются натуральными числами от 0 до 10. Эти строки используются в соответствии с чередованием цифр в выбранном ключе.

Частным случаем рассмотренной полиалфавитной подстановки является так называемая монофоническая подстановка. Особенность этого метода состоит в том, 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 статической 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.

Полиалфавитная многоконтурная подстановка заключается в том, что для шифро-

вания 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. Частным случаем многоконтурной полиалфавитной подстановки является замена по таблице Вижинера, если для шифрования используется несколько ключей, каждый из которых имеет свой период применения.

Общая модель шифрования подстановкой может быть представлена в следующем виде:

tci = tpi + ω mod (K – 1)

где tci — символ зашифрованного текста; tpi — символ исходного текста; ω — целое число в диапазоне от 0 до (К–1); К — количество символов используемого алфавита.

Если ω фиксировано, то формула описывает моноалфавитную подстановку, если ω выбирается из последовательности ω1, ω2, …, ωn, то получается полиалфавитная подстановка с периодом n.