1. Основные понятия криптологии. Классификация криптосистем

Как передать важную информацию нужному адресату в тайне от других или как хранить такую информацию в АС, чтобы к ней имел доступ ограниченный круг лиц? Размышляя над этими вопросами, нетрудно прийти к выводу, что есть три возможности:

1. Создать абсолютно надежный, недоступный для других канал связи между абонентами. При современном уровне развития науки и техники сделать такой канал связи между удаленными абонентами для неоднократной передачи больших объемов информации практически нереально.

2. Использовать общедоступный канал связи, но скрыть сам факт передачи информации. Разработкой средств и методов скрытия факта передачи сообщения занимается стеганография. Хорошо известны различные способы тайнописи между строк обычного текста: от молока до сложных химических реактивов с последующей обработкой. Сюда же относится метод «микроточки»: сообщение записывается с помощью современной техники на очень маленький носитель (микроточку), который пересылается с обычным письмом, например, под маркой или где-нибудь в другом, заранее обусловленном месте. Из современных стеганографических методов можно выделить методы «запрятывания» сообщений в графические или звуковые файлы.

3. Использовать общедоступный канал связи, но передавать по нему нужную информацию в таком преобразованном виде, чтобы восстановить ее мог только адресат. Разработкой методов преобразований (шифрования) информации с целью ее защиты от незаконных пользователей и занимается криптография.

Прежде всего, сделаем одно замечание, касающееся терминологии. В последнее время наряду со словом «криптография» часто встречается и слово «криптология», но соотношение между ними не всегда понимается правильно.

Криптология (от греч. kryptos – тайный, logos – наука) — наука, изучающая методы построения и анализа систем защиты информации, основанных на математических преобразованиях данных с использованием некоторых секретных параметров. Такие системы называются криптографическими.

Криптология традиционно разделяется на два тесно взаимодействующих направления: криптографию и криптоанализ.

Криптография — 1) область научных знаний, которая объединяет принципы, методы и средства преобразования данных с целью замаскировать содержание информации, предотвратить возможность ее перехвата и искажения, защитить ее от несанкционированного доступа; 2) наука о методах и способах преобразования (шифрования) информации с целью ее защиты от несанкционированных пользователей.

Криптоанализ — наука (и практика ее применения) о методах и способах вскрытия шифров, т.е. несанкционированного доступа аналитическим путем к информации, защищенной криптографическими методами.

Cooтношение криптографии и криптоанализа очевидно: криптография — защита, т.е. разработка шифров, а криптоанализ — нападение, т.е. атака на шифры.

В основе криптологии лежат следующие основополагающие понятия:

Шифр – криптографический прием, связанный с применением некоторого алгоритма преобразования символов (букв и цифр) исходного (открытого) текста в зашифрованный. В его основе лежит применение ключей.

Ключ – последовательность символов, на основе которой производится шифрование и дешифрование данных.

Шифрование — процесс применения шифра к защищаемой информации, т.е. взаимно-однозначное преобразование сообщения (открытого текста) в шифрованное сообщение (шифртекст) с помощью ключа и определенных правил, содержащихся в шифре, с целью скрытия смысла исходного сообщения от посторонних лиц.

Открытый текст состоит из элементов, которые определяются шифрпреобразованием. Элемент – это наименьшая часть данных (набор битов), которая может быть зашифрована. Элементам открытого текста соответствуют элементы шифртекста.

Для передачи по каналам связи шифртекст объединяется вместе с дополнительными данными (например, адресами корреспондентов) и компонуется в последовательность, называемую криптограммой.

Лицо, в адрес которого была направлена криптограмма, производит над ней ряд определенных операций, что позволяет ему восстановить открытый текст сообщения. Эта процедура называется расшифрованием криптограммы.

Создание системы секретной связи включает в себя, кроме прочего, разработку собственно криптосистемы, представляющей собой совокупность документов, устройств, оборудования и соответствующих методов, использование которых в совокупности обеспечивает средства шифрования и расшифрования сообщений.

Если кому-либо из посторонних удается путем анализа криптограммы получить открытый текст, то говорят, что криптограмма была дешифрована (раскрыта, решена).

Вскрытие (взламывание) шифра – процесс получения защищаемой информации (открытого текста) из шифрованного сообщения без знания примененного шифра.

Существуют криптосистемы, которые теоретически нельзя дешифровать. Все прочие системы заведомо обладают слабостями, поэтому возможность дешифрования или значительного ослабления шифра, вообще говоря, никогда нельзя исключать полностью. Дело заключается в том, насколько всесторонне и тщательно учтены все особенности работы криптосистемы в зависимости от условий, в которых она применяется.

Введя эти понятия, можно искать ответ на вопрос: «Что же является предметом криптографии?»

Сформулируем основную задачу криптографии.

Известно: Имеется два абонента (А и В), которые собираются обменяться между собой конфиденциальной информацией. Существует третье недружественное лицо – противник (П), стремящийся завладеть передаваемой информацией. Требуется: Построить криптосистему, которая обеспечит заданную гарантированную стойкость шифра.

Прежде всего, заметим, что эта задача возникает только для информации, которая нуждается в защите. Обычно в таких случаях говорят, что информация содержит тайну или является защищаемой, конфиденциальной, секретной. Для наиболее типичных часто встречающихся ситуаций такого типа введены даже специальные понятия: «государственная тайна», «военная тайна», «юридическая тайна», «банковская тайна» и т.п.

Далее речь идет о защищаемой информации, имея в виду следующие признаки такой информации:

• имеется какой-то определенный круг законных пользователей, которые имеют право владеть этой информацией;

• имеются незаконные пользователи, стремящиеся овладеть этой информацией с тем, чтобы обратить ее себе во благо, а законным пользователям во вред.

Классическая схема криптосистемы приведена на рис. 1.1. На этом рисунке используются следующие обозначения:

• М – исходное (открытое) сообщение;

• С – криптограмма (криптотекст);

• К – ключ;

• Е – алгоритм шифрования;

• D – алгоритм дешифрования.

Как правило, исходное сообщение представляет собой текст, записанный в некотором алфавите – конечном множестве используемых при кодировании информации символов (например, украинский алфавит Z34_укр содержит 34 буквы и пробел, русский алфавит Z33_рус – 32 буквы и пробел, расширенный код ASCII Z256, используемый в компьютерах и включающий 256 символов, двоичный алфавит Z2 ={0,1} и т.д.). Тогда открытый текст – это упорядоченный набор символов какого-либо алфавита.

Чтобы скрыть содержание передаваемого сообщения абонент А преобразует открытый текст М в криптограмму С с помощью специального алгоритма шифрования Е и секретного ключа К: это условно можно записать так С = Е_К(М). Аналогично, запись М = D_К(С) означает, что открытый текст М получается из шифртекста С и ключа К с помощью алгоритма дешифрования D.

При разработке шифров руководствуются правилом, сформулированным в конце XIX в. голландским математиком Керкхоффом: