Введение
То, что информация имеет ценность, люди осознали очень давно - недаром переписка сильных мира сего издавна была объектом пристального внимания их недругов и друзей. Тогда-то и возникла задача защиты этой переписки от чрезмерно любопытных глаз. Древние пытались использовать для решения этой задачи самые разнообразные методы, и одним из них была тайнопись - умение составлять сообщения таким образом, чтобы его смысл был недоступен никому кроме посвященных в тайну. Есть свидетельства тому, что искусство тайнописи зародилось еще в доантичные времена. На протяжении всей своей многовековой истории, вплоть до совсем недавнего времени, это искусство служило немногим, в основном верхушке общества, не выходя за пределы резиденций глав государств, посольств и - конечно же - разведывательных миссий. И лишь несколько десятилетий назад все изменилось коренным образом - информация приобрела самостоятельную коммерческую ценность и стала широко распространенным, почти обычным товаром. Ее производят, хранят, транспортируют, продают и покупают, а значит - воруют и подделывают - и, следовательно, ее необходимо защищать. Современное общество все в большей степени становится информационно-обусловленным, успех любого вида деятельности все сильней зависит от обладания определенными сведениями и от отсутствия их у конкурентов. И чем сильней проявляется указанный эффект, тем больше потенциальные убытки от злоупотреблений в информационной сфере, и тем больше потребность в защите информации.
Среди всего спектра методов защиты данных от нежелательного доступа особое место занимают криптографические методы. В отличие от других методов, они опираются лишь на свойства самой информации и не используют свойства ее материальных носителей, особенности узлов ее обработки, передачи и хранения.
Широкое применение компьютерных технологий и постоянное увеличение объема информационных потоков вызывает постоянный рост интереса к криптографии. В настоящее время существует огромное количество разнообразных программ шифрования/расшифрования. Они в значительной мере позволяют повысить степень защищенности текстовых данных.
В данном проекте представлено приложение для шифрования/расшифрования данных методом перестановки, которое может быть использовано как в домашних, так и в коммерческих условиях.
1 Теоретические основы разработки
1.1 Криптографический метод защиты данных
Наука, занимающаяся вопросами безопасной связи (т.е посредством зашифрованных сообщений называется криптологией (kryptos — тайный, logos — наука). Она в свою очередь разделяется на два направления криптографию и криптоанализ.
Криптография — наука о создании безопасных методов связи, о создании стойких (устойчивых к взлому) шифров. Она занимается поиском математических методов преобразования информации.
Криптоанализ — данный раздел посвящен исследованию возможности чтения сообщений без знания ключей, т. е. связана непосредственно со взломом шифров. Люди, занимающиеся криптоанализом и исследованием шифров называются криптоаналитиками.
Шифр — совокупность обратимых преобразований множества открытых текстов (т.е. исходного сообщения) на множество зашифрованных текстов, проводимых с целью их защиты. Конкретный вид преобразования определяется с помощью ключа шифрования.
Определим еще несколько понятий. Во-первых, зашифрование — процесс применения шифра к открытому тексту. Во-вторых, расшифрование — процесс обратного применения шифра к зашифрованному тексту. И в-третьих, дешифрование — попытка прочесть зашифрованный текст без знания ключа, т.е. взлом шифротекста или шифра. Здесь следует подчеркнуть разницу между расшифрованием и дешифрованием. Первое действие проводится законным пользователем, знающим ключ, а второе — криптоаналитиком или мощным хакером.
Криптографическая система — семейство преобразований шифра и совокупность ключей (т.е алгоритм + ключи). Само по себе описание алгоритма не является криптосистемой. Только дополненное схемами распределения и управления ключами оно становится системой. Примеры алгоритмов — описания DES, ГОСТ28.147-89. Дополненые алгоритмами выработки ключей, они превращаются в криптосиситемы. Как правило, описание алгоритма шифрования уже включает в себя все необходимые части.
1.2 Классификация методов шифрования
Желательно, чтобы методы шифрования обладали минимум двумя свойствами:
Законный получатель сможет выполнить обратное преобразование и расшифровать сообщение;
Криптоаналитик противника, перехвативший сообщение, не сможет восстановить по нему исходное сообщение без таких затрат времени и средств, которые сделают эту работу нецелесообразной.
Общий принцип шифрования представлен на рисунке 1.
Рисунок 1. Общий принцип шифрования
По характеру использования ключа известные криптосистемы можно разделить на два типа: симметричные (одноключевые, с секретным ключом) и несимметричные (с открытым ключом).
1.2.1 Симметричные криптосистемы
В данной криптосистеме используется один секретный ключ для шифрования и дешифрования сообщения. При этом секретный ключ должен храниться в тайне, и при его передаче должна быть исключена возможность его прехвата.
Общий принцип шифрования симметричной криптосистемы показан на рисунке 2.
Рисунок 2. Общий принцип шифрования симметричной криптосистемы
Преимущества:
Большая скорость
Простота в реализации
Меньшая требуемая длина ключа для сопоставимой стойкости
Недостатки:
Сложность обмена ключами. Для применения необходимо решить проблему надёжной передачи ключей каждому абоненту, так как нужен секретный канал для передачи каждого ключа обеим сторонам.
Сложность управления ключами в большой сети. Означает квадратичное возрастание числа пар ключей, которые надо генерировать, передавать, хранить и уничтожать в сети. Для сети в 10 абонентов требуется 45 ключей, для 100 уже 4950, для 1000 — 499500 и т. д.
Шифрование заменой (подстановкой)
Это наиболее простой метод, в котором символы шифруемого текста заменяются другими символами, взятыми из одного (одно- или моноалфавитная подстановка) или нескольких (много- или полиалфавитная подстановка) алфавитов. Самой простой разновидностью является прямая замена, когда буквы шифруемого сообщения заменяются другими буквами того же самого или некоторого другого алфавита.
Пример таблицы замены представлен на рисунке 3.
Рисунок 3. Таблица замены
Однако, такой метод шифрования имеет низкую стойкость. Поэтому простую замену в настоящее время используют редко и лишь в тех случаях, когда шифруемый текст короток. Для повышения стойкости шифра используют так называемые полиалфавитные подстановки, в которых для замены символов используются символы нескольких алфавитов, причем смена алфавита осуществляется последовательно и циклически, то есть первый символ шифруемого текста заменяется первым символом соответствующего алфавита, второй - символом второго алфавита и т.д. до тех пор, пока не будут использованы все выбранные алфавиты. После этого использование алфавитов повторяется. Шифрование заменой в чистом его виде никогда не применяется, а всегда употребляется вместе с перестановкой, например, бит внутри байта.
Шифрование перестановкой
Этот метод заключается в том, что символы шифруемого текста переставляются по определенным правилам внутри шифруемого блока символов. Если после замены символы сообщения превращались во что угодно, но сохраняли в шифровке свое исходное местоположение, после перестановки они там расположены еще и где угодно, что надежно защищает шифровку от атак криптологов.
Слабость шифрования простой перестановкой обуславливается тем, что при большой длине шифруемого текста в зашифрованном тексте могут появится закономерности символов ключа. Для устранения этого недостатка можно менять ключ после зашифровки определенного числа знаков. При достаточно частой смене ключа стойкость шифрования можно существенно повысить. При этом, однако, усложняется организация процесса шифрования и расшифрования.
Подробнее этот метод рассматривается в пункте 1.3 данной работы.
Системы блочного шифрования
Это такие системы, в которых текст, имеющий большой объем, разбивается на блоки фиксированной длины, и каждый блок шифруется в отдельности, не зависимо от его положения во входной последовательности. Такие криптосистемы называются системами блочного шифрования. В то же время блочные шифры обладают существенным недостатком - они размножают ошибки, возникающие в процессе передачи сообщения по каналу связи. Одиночная ошибка в шифротексте вызывает искажение примерно половины открытого текста при дешифровании. Это требует применения мощных кодов, исправляющих ошибки.
Общий принцип блочного шифрования представлен на рисунке 4.
Рисунок 4. Общий принцип блочного шифрования
Системы потокового шифрования
Это такие системы, в которых каждый символ открытого текста преобразуется в символ шифрованного текста в зависимости не только от используемого ключа, но и от его расположения в потоке открытого текста. Системы потокового шифрования близки к криптосистемам с одноразовым ключом, в которых размер ключа равен размеру шифруемого текста.
Преимущества:
Не происходит размножения ошибок, возникающие в процессе передачи сообщения по каналу связи.
Высокая скорость.
Недостатки:
Необходимость передачи информации синхронизации перед заголовком сообщения, которая должна быть принята до расшифрования любого сообщения.
Это связано с тем, что если два различных сообщения шифруются на одном и том же ключе, то для расшифрования этих сообщений должна использоваться одна и та же псевдослучайная последовательность. Такое положение может создать опасную угрозу криптостойкости системы и поэтому часто используется дополнительный, случайно выбираемый ключ сообщения, который передается в начале сообщения и используется для модификации ключа шифрования. В результате разные сообщения будут шифроваться с использованием различных последовательностей.