Простейшие методы шифрования с закрытым ключом. Шифр вертикальной перестановки[править

Шифр перестановки «скитала». В V в. до н.э. правители греческого государства Спарты имели хорошо отработанную систему секретной военной связи и шифровали свои послания с помощью скитала, первого простейшего криптографического устройства, реализующего метод простой перестановки (рис. 1.6).

Рис. 1.6.

Шифрование выполнялось следующим образом. На стержень цилиндрической формы, который назывался скитала, наматывали спиралью (виток к витку) полоску кожи и писали на ней вдоль стержня несколько строк текста сообщения. Затем снимали со стержня полоску - буквы на ней оказывались расположенными вразнобой.

Вестник обычно прятал сообщение, используя кожаную полосу как пояс, т.е. кроме шифрования применяли также и стеганографию. Чтобы получить исходное сообщение, полоску кожи надо намотать вокруг скиталы того же диаметра. Ключом этого шифра является диаметр стержн я - с к итал ы. Зная только вид шифра, но не имея ключа, расшифровать сообщение непросто. Шифр «скитала» многократно совершенствовался в последующие времена.

Способ взлома этого шифра предложен Аристотелем. Надо изготовить длинный конус и, начиная с основания, обертывать его лентой с шифрованным сообщением, постепенно сдвигая к вершине. В какой-то момент начнут просматриваться куски сообщения. Диаметр конуса в этом месте соответствует диаметру скиталы.

Шифрующие таблицы. Одним из самых примитивных табличных шифров перестановки является простая перестановка, для которой ключом служит размер таблицы. Этот метод шифрования в простейшем варианте сходен с шифром «скитала». Например, текст сообщение записывается в таблицу определенного размера в столбик, а считывается но строкам.

Запишем фразу «Терминатор прибывает седьмого в полночь» в таблицу размером 5x7 (рис. 1.7) но столбцам. Выписав текст из таблицы построчно, получим шифр: «тннвеглеарадонртиеьвомобтмнчирысооь».

Рис. 1.7.

Отправитель и получатель сообщения должны заранее условиться об общем ключе в виде размера таблицы. При расшифровке действия выполняют в обратном порядке (построчная запись, чтение по столбцам).

Этот шифр может быть несколько усложнен: например, столбцы могут быть переставлены в некоторой последовательности, определяемой ключом. Возможна двойная перестановка - столбцов и строк.

Решетка Кардано. Решетка Кардано (поворотная решетка) - это прямоугольная или квадратная карточка с четным числом строк и столбцов 2k X 2т. В ней проделаны отверстия таким образом, что при последовательном отражении или поворачивании и заполнении открытых клеток карточки постепенно будут заполнены все клетки листа.

Карточку сначала отражают относительно вертикальной оси симметрии, затем - относительно горизонтальной оси, и снова - относительно вертикальной (рис. 1.8).

Если решетка Кардано - квадратная, то возможен и другой вариант ее преобразований - поворот на 90° (рис. 1.9).

Рис. 1.8.

Рис. 1.9.

При записи обычным способом (слева направо и сверху вниз) словосочетания «шифрование текста» (без пробелов) в свободные клетки поворотной решетки, изображенной на рис. 1.9, получим текст в виде таблицы (рис. 1.10), или, записав текст в одну строку, - «кшииоесвтафатрен».

Рис. 1.10.

Получатель должен знать трафарет и наложить его в той же последовательности, что и при шифровании. Ключом является выбранный тип перемещения решетки (отражение или поворот) и трафарет - расположение отверстий, которые для квадратной решетки размером 2т х 2к могут быть выбраны 4""* способами (с учетом начальной ориентации трафарета). В этом случае среди трафаретов, считающихся различными, будут встречаться такие, которые являются зеркальным отражением или поворотами других трафаретов, т.е. трафареты, различающиеся только начальным расположением (ориентацией). Если пренебречь начальным расположением трафарета, то, очевидно, различных трафаретов будет в 4 раза меньше - 4""*"

Например, для решеток размером 4X4 существует 256 возможных вариантов трафарета (с учетом начальной ориентации) или всего 64 различных трафаретов.

Несмотря на то, что число трафаретов для больших решеток достаточно велико (порядка 4 млн (4- 10 е)), оно все же существенно меньше, чем случайных перестановок элементов таблицы, число которых равно (2т? 2k).

Например, для таблицы размером 4x4 число случайных перестановок составляет порядка 2 ? 10 13 , а для таблиц размером 8x8 - около 10 89 .

Решетки Кардано, так же как и шифрующие таблицы, являются частными случаями шифра маршрутной перестановки.

Широкое применение получили так называемые мар­шрутные перестановки, основанные на некоторой геометри­ческой фигуре. Отрезок открытого текста записывается в та­кую фигуру по некоторой траектории. Шифрованным текстом является последовательность, полученная при выписывании текста по другой траектории. Например, можно записывать сообщение в прямоугольную таблицу, выбрав такой маршрут: будем двигаться по горизонтали, начиная с левого верхнего угла, поочередно слева направо и справа налево. Списывать же сообщение будем по другому маршруту: по вертикалям, начиная с верхнего правого угла и двигаясь поочередно свер­ху вниз и снизу вверх.

Пример (маршрутной перестановки)

Зашифруем указанным выше способом фразу пример маршрутной перестановки, используя прямоугольную табли­цу размером 4х7:

Зашифрованная фраза выглядит следующим образом:

мастаеррешрноермиупвкйтрпнои

Обращение описанных шагов при расшифровании не представляет труда.

Широкое распространение получила разновидность мар­шрутной перестановки, называемая вертикальной переста­новкой. В этой системе также используется прямоугольная таблица, в которую сообщение записывается обычным обра­зом (по строкам слева направо). Выписывается же сообщение по вертикалям (сверху вниз), при этом столбцы выбираются в порядке, определяемом числовым ключом.

Пример (вертикальной перестановки)

Зашифруем фразу вот пример шифра вертикальной пере­становки, используя прямоугольник размером 6 х 7 и число­вой ключ (5,1,4,7,2,6,3).

Отметим, что нецелесообразно заполнять последнюю строку прямоугольника "нерабочими" буквами, так как это дало бы противнику, получившему в свое распоряжение дан­ную криптограмму, сведения о длине числового ключа. В са­мом деле, в этом случае длину ключа следовало бы искать среди делителей длины сообщения.

Теперь, выписывая буквы по столбцам в порядке, указан­ном числовым ключом, получим такую криптограмму:

ореьекрфийамааеотшрнсивевлрвиркпнпитот

При расшифровании, в первую очередь, надо определить число длинных столбцов, то есть число букв в последней строке прямоугольника. Для этого нужно разделить число букв в сообщении на длину числового ключа. Ясно, что оста­ток от деления и будет искомым числом. Когда это число оп­ределено, буквы криптограммы можно водворить на их соб­ственные места, и сообщение будет прочитано естественным образом.

В нашем примере 38=7×5+3, поэтому в заполненной таблице имеется 3 длинных и 4 коротких столбца.

Более сложные маршрутные перестановки могут исполь­зовать другие геометрические фигуры и более "хитрые" мар­шруты, как, например, при обходе шахматной доски "ходом коня", пути в некотором лабиринте и т.п. Возможные вариан­ты зависят от фантазии составителя системы и, конечно, есте­ственного требования простоты ее использования.

Шифры подстановки (замены) основаны на алгебраической операции, называемой подстановкой. Подстановкой называется взаимно-однозначное отображение конечного множества M на себя. Число N элементов множеств называется степенью подстановки. Количество n чисел действительно перемещаемых подстановкой называется длиной цикла подстановки.

Шифры перестановки – это шифр, преобразование из которого изменяют только порядок следования символов исходного текста, но не изменяют их самих.

Слабость шифров замены. Если в открытом сообщении часто встречается какой-то символ, то в шифрованном сообщении с такой же частотой встречается соответствующий символ. При больших объемах текста это приводит к успешному криптоанализу. Таким образом, на одном ключе нельзя шифровать достаточно длинные сообщения.

Сети (как элемент шифрования) – любой блочный шифр является комбинацией первых двух схем. Использование понятия «сети» в блочном шифровании заключается в многократном повторении исходных операций (повторения – циклы или раунды, а сами операции - слоями). Некоторые из слоев могут содержать ключи. Это позволяет:

1. Сделать шифр легко усложняемым (за счет увеличения количества раундов)
2. Сократить размера программного кода
3. Унифицировать алгоритмическую формулу шифрования

Сеть Фейсиля (Файсиля) – Feistel – это способ построения цикла шифрования в алгоритмах шифрования итеративных на основе регистра сдвига, с функцией обратной связи, зависящей от раундового ключа (оптимальное число раундов от 8 до 32)

DES – федеральный стандарт шифрования США (1997-2001).

Архитектура – классическая, сбалансированная сеть Фейсиля с начальными и конечными битовыми перестановками общего вида. Размер ключа – 56 бит. На его основе – международный стандарт ISO 8372-87. Алгоритм предназначен для шифрования данных 64-битовыми блоками.

DES представляет собой комбинацию двух основных методов:

1. Подстановка
2. Перестановка.

К тексту применяется единичная комбинация этих двух методов.

DES включает 16 раундов, то есть одна и та же комбинация методов применяется к открытому тексту 16 раз.

Наложение ключа-раунда производится операцией XOR

Исходный текст=>Начальная перестановка=>Шифрование * 16(<=Ключ) =>Конечная перестановка=>шифротекст

Цель начальной перестановки – равномерно распределить по блокам рядом стоящие биты.

Для зашифрования и расшифрования можно использовать одну и ту же функцию, но ключи используются в обратном порядке.

DES предусматривает 4 типа работы:

1. ECB-электронный шифр-блокнот. Открытый текст обрабатывается блоками по 64 бит, шифруемых одним ключом
2. CBC - цепочка блоков. Устраняет недостаток первого режима. Входное значение алгоритма зашифрования задается равным XOR-разности текущего блока открытого текста и полученного на предыдущем шаге блока шифрованного текста. Таким образом, все блоки исходного текста оказывается связанными (текст=>зашифрованный текст=>XOR=>текст=>зашифрованный текст)
3. CFB – обратная связь по шифро-тексту. Алгоритм преобразуется в поточный шифр, то есть каждый символ можно зашифровать и сразу передавать получателю
4. OFB – обратная связь по выходу. В регистр сдвига подается порция зашифрованного текста. Для каждого сеанса шифрования используется новое начальное состояние регистра.

Считается, что четырех режимов достаточно, чтобы использовать DES в практически любой области, для которой этот алгоритм подходит

Аппаратная реализация алгоритма на отдельной микросхеме позволяет достичь высокой скорости шифрования при незначительных габаритах устройства.

AES-федеральный стандарт шифрования США, используемый в настоящее время.

AES – улучшенный стандарт шифрования.

Требования:

1. Шифр должен быть блочным
2. Шифр должен иметь длину блока, равную 128 битам
3. Шифр должен поддерживать ключи длиной 128, 192, 256 бит

Алгоритм является нетрадиционным блочным шифром, поскольку не использует сеть Фейштеля для криптопреобразований.

Алгоритм представляет каждый блок кодируемых данных в виде двумерного массива байтов размером 4х4, 4х6 или 4х8 в зависимости от установленной длины блока.

Алгоритм состоит из определенного количества раундов (от 10 до 14 – это зависит от размера блока и длины ключа).

ГОСТ 28147089 – стандарт РФ на шифрование и имитозащиту данных.

Алгоритм предназначен для аппаратной и программной реализации, удовлетворяет необходимым криптографическим требования и не накладывает ограничений на степень секретности защищаемой информации.

Алгоритм реализует шифрование 64-битовых блоков данных с помощью 256-битового ключа, состоящего из восьми 32-битовых подключей.

На каждом i-м раунде используется K­ i -й подключ.

Алгоритмы шифрования ГОСТ 28147-89 обладают достоинствами других алгоритмов для симметричных систем и превосходят их своими возможностями.

На каждом i-м раунде алгоритма ГОСТ выполняется следующие операции:

L i =R i -1 , R i =L i -1 (плюсвкружочке)f(R i -1 , K i)

После выполнения этих 32 операций реализация алгоритма шифрования будет завершена.

Достоинством ГОСТ является наличие защиты от навязывания ложных данных (режим имитовставки), а также одинаковый цикл шифрования во всех 4 режимах (алгоритмах) ГОСТ.

Высокая криптостойкость обеспечивается за счет большой длины ключа (256 бит) и 32 раундов преобразования.

Стандарт включает режимы (алгоритмы):

1. Режим простой замены
2. Режим гаммирования
3. Режим гаммирования с обратной связью
4. Режим выработки имитовставки

Асимметричные алгоритмы шифрования.

В асимметричных алгоритмах шифрования (или криптографии с открытым ключом) для зашифрованной информации используют один ключ (открытый), а для расшифровывания – другой (секретный)

Эти ключи различны и не могут быть получены один из другого.

Схема обмена информацией:

1. Получатель вычисляет открытый и секретный ключи секретный ключ хранит в тайне, открытый же делает доступным (сообщает отправителю, группе пользователей сети, публикует)
2. Отправитель, используя открытый ключ получателя, зашифровывает сообщение, которое пересылается получателю
3. Получатель получает сообщение и расшифровывает его, используя свой секретный ключ

Использование асимметричного метода шифрования

Применение таких шифров стало возможным благодаря К. Шеннону, предложившему строить шифр таким способом, чтобы его раскрытие было эквивалентно решению математической задачи, требующей выполнения объемов вычислений, превосходящих возможности современных ЭВМ (например, операции с большими простыми числами и их произведениями; нахождение значения произведения P=x*y)

Криптосистема шифрования данных RSA.

В настоящее время наиболее развитым методом криптографической защиты информации с известным ключом является RSA, названный так по начальным буквам фамилий её изобретателей (Rivest, Shamir, Adleman)

Чтобы использовать алгоритмы RSA, надо сначала сгенерировать открытый и секретный ключи, выполнив следующие шаги:

1. Выбрать два очень больших простых числа p и q и определить n как результат умножения p на q (n=p*q)
2. Выбрать большое случайное число d. Это число должно быть взаимно простым с m результатом умножения (p-1)(q-1)
3. Определить такое число e, для которого является истинным следующее соотношения (e*d)mod(m)=1 или e=(1mod(m))/d
4. Открытым ключом будут числа e,n, а секретным ключом – числа d,n

Красным выделено создание ключа.

Асимметрические криптосистемы на базе эллиптических кривых.

На базе эллиптических кривых Е можно реализовать не только криптоалгоритмы асимметричного шифрования, но и выработки общего секретного ключа для симметричного шифрования.

Криптосистемы на базе эллиптических кривых позволяют использовать существенно меньшие размеры ключей по сравнению с другими криптоалгоритмами при сохранении одинакового уровня криптостойкости.

Для перечисленных выше реализаций используются эллиптические кривые над полями Галуа GF(p) конечным числом p элементов двух видов:

1. Эллиптическая кривая над конечным полем типа E(GF(p)), где р – некоторое простое число
2. Эллиптическая кривая над конечным полем типа E(GF(2m)), где p=2m

Пример: Алгоритм асимметричного шифрования на базе эллиптических кривых ECES (Elliptic Curve Encryption Scheme)

Алгоритм Эль-Гамаля.

Система Эль-Гамаля – это криптосистема с открытым ключом, основанная на проблеме вычисления логарифма. Данный алгоритм используется как для шифрования, так и для цифровой подписи.

Множество параметров системы включает простое число p и целое g, степени которого по модулю p порождают большое число элементов Z p

Методы замены.

Шифр замены замещает одни символы другими, но сохраняет порядок их следования в сообщении.

4 типа замены (подстановки):

1. Моноалфавитная. Формула = Y i =k 1 X i +k 2 (modN), где Y i – i-символ алфавита, k 1 , k 2 – константы, Х i – i-символ открытого текста, N - длина используемого алфавита.

Пример. Замена – открытый текст, Ключ – Ключ

1. Гомофоническая замена – замена одному символу открытого текста ставит в соответствие несколько символов шифртекста. Этот метод применяется для искажения статистических свойств шифротектста. Используется подстановка таблицей. Значения используются поочередно из столбца.

1. Полиалфавитная замена – использование нескольких алфавитов. Смена алфавита идет на каждом шаге шифрования. Используется ступеньчатая замена букв по таблице.
2. Полиграммная замена – формируется из одного алфавита с помощью специальных правил. Шифр располагается в матрице, а открытый текст разбивается на пары символов XiXi+1

Шифры перестановки.

Отличие шифра перестановки – изменяется только порядок следования символов сходного текста, но не изменяют их самих.

Пример. Текст «Грузите апельсины бочками Братья Карамазовы»

Шифротекст «Птр_аезгуионл_бысеьит_крабмчаизрямаакь_а__в____оы»

Широкое распространение получила разновидность маршрутной перестановки - вертикальная перестановка. В этом шифре также используется прямоугольная таблица, в которую сообщение записывается по строкам слева направо. Выписывается шифрограмма по вертикалям, при этом столбцы выбираются в порядке, определяемом ключом.

ОТКРЫТЫЙ ТЕКСТ: пример маршрутной перестановки

КЛЮЧ: (3, 1, 4, 2, 5)

КРИПТОГРАММА: рмупткмрнрнпррйсвиатеаиешоео

Заполнять последнюю строку таблицы «нерабочими» буквами нецелесообразно, так как криптоаналитик, получивший данную криптограмму, получает сведения о длине числового ключа .

Шифр вертикальной перестановки. Является разновидностью предыдущего шифра. К особенностям шифра можно отнести следующие:

Количество столбцов в таблице фиксируется и определяется длиной ключа;

Маршрут вписывания - строго слева-направо сверху-вниз;

Шифрограмма выписывается по столбцам в соответствии с их нумерацией (ключом).

Рис.5.5. Пример использования шифра вертикальной перестановки

В качестве ключа можно использовать слово или фразу. Тогда порядок выписывания столбцов соответствует алфавитному порядку букв в ключе. Например, если ключевым словом будет «ДЯДИНА», то присутствующая в нем буква А получает номер 1, Д – 2 и т.д. Если какая-то буква входит в слово несколько раз, то ее появления нумеруются последовательно слева направо. В примере первая буква Д получает номер 2, вторая Д – 3.

При шифровании сообщения «АБРАМОВ ИЛЬЯ СЕРГЕЕВИЧ» результат будет «ОЯЕ_АВ_ЕРИЕИАЛРЧМЬГ_Б_СВ».

(см. также )

Большое влияние на развитие криптографии оказали появившиеся в середине XX века работы американского математика Клода Шеннона. В этих работах были заложены основы теории информации, а также был разработан математический аппарат для исследований во многих областях науки, связанных с информацией. Более того, принято считать, что теория информации как наука родилась в 1948 году после публикации работы К. Шеннона "Математическая теория связи".

В своей работе "Теория связи в секретных системах" Клод Шеннон обобщил накопленный до него опыт разработки шифров. Оказалось, что даже в очень сложных шифрах в качестве типичных компонентов можно выделить такие простые шифры как шифры замены, шифры перестановки или их сочетания .

В качестве первичного признака, по которому проводится классификация шифров, используется тип преобразования, осуществляемого с открытым текстом при шифровании. Если фрагменты открытого текста (отдельные буквы или группы букв) заменяются некоторыми их эквивалентами в шифртексте, то соответствующий шифр относится к классу шифров замены . Если буквы открытого текста при шифровании лишь меняются местами друг с другом, то мы имеем дело с шифром перестановки . С целью повышения надежности шифрования шифрованный текст, полученный применением некоторого шифра, может быть еще раз зашифрован с помощью другого шифра.

Рис. 6.1.

Всевозможные такие композиции различных шифров приводят к третьему классу шифров, которые обычно называют композиционными шифрами . Заметим, что композиционный шифр может не входить ни в класс шифров замены, ни в класс шифров перестановки ( рис. 6.1).

6.3 Шифры перестановки

Шифр перестановки, как видно из названия, осуществляет преобразование перестановки букв в открытом тексте. Типичным примером шифра перестановки является шифр "Сцитала". Обычно открытый текст разбивается на отрезки равной длины и каждый отрезок шифруется независимо. Пусть, например, длина отрезков равна и - взаимнооднозначное отображение множества в себя. Тогда шифр перестановки действует так: отрезок открытого текста преобразуется в отрезок шифрованного текста.

Классическим примером такого шифра является система, использующая карточку с отверстиями - решетку , которая при наложении на лист бумаги оставляет открытыми лишь некоторые его части. При зашифровке буквы сообщения вписываются в эти отверстия. При расшифровке сообщение вписывается в диаграмму нужных размеров, затем накладывается решетка, после чего на виду оказываются только буквы открытого текста.

Также возможны и другие варианты шифра перестановки, например, шифры столбцовой и двойной перестановки.

6.3.1 Шифр столбцовой перестановки

При расшифровывании буквы шифртекста записываются по столбцам в соответствии с последовательностью чисел ключа, после чего исходный текст считывается по строкам. Для удобства запоминания ключа применяют перестановку столбцов таблицы по ключевому слову или фразе, всем символам которых ставятся в соответствие номера, определяемые порядком соответствующих букв в алфавите.

При решении заданий на криптоанализ шифров перестановки необходимо восстановить начальный порядок следования букв текста. Для этого используется анализ совместимости символов, в чем может помочь таблица сочетаемости (см. ).

При анализе сочетаемости букв друг с другом следует иметь в виду зависимость появления букв в открытом тексте от значительного числа предшествующих букв. Для анализа этих закономерностей используют понятие условной вероятности.

Систематически вопрос о зависимости букв алфавита в открытом тексте от предыдущих букв исследовался известным русским математиком А.А. Марковым (1856-1922). Он доказал, что появления букв в открытом тексте нельзя считать независимыми друг от друга. В связи с этим А.А. Марковым отмечена еще одна устойчивая закономерность открытых текстов, связанная с чередованием гласных и согласных букв. Им были подсчитаны частоты встречаемости биграмм вида гласная-гласная (г, г ), гласная-согласная (г, с ), согласная-гласная (с, г ), согласная-согласная (с, с ) в русском тексте длиной в знаков. Результаты подсчета отражены в следующей таблице:

Пример 6.2 Открытый текст, сохраняя пробелы между словами, записали в таблицу. Начало было в первой строке, текст записывали слева направо, переходя со строки на следующую, шифрование заключалось в перестановке столбцов. Найдите открытый текст.

Шифрованный текст:

Решение. Присвоим столбцам номера в порядке их следования. Наша задача - найти такой порядок столбцов, при котором текст будет осмысленным.

Составим таблицу:

Клетка (, ) в этой таблице означает, что столбец с номером следует за столбцом с номером . Знаком "Х" отметим невозможные случаи.

Сочетания столбцов 1, 2 и 5, 2 невозможны, так как гласная не может находиться перед мягким знаком. Невозможны и следования столбцов 2, 1 и 2, 5. Теперь из третьей строки следует, что 1, 5 и 5, 1 невозможны, так как УУ - нехарактерная для русского языка биграмма. Далее, два пробела подряд не могут быть в тексте, значит, ставим "Х" в клетках 3, 4 и 4, 3. Снова обратимся к третьей строке. Если бы столбец 2 следовал за столбцом 4, то слово начиналось бы с мягкого знака. Ставим "Х" в клетке 4, 2. Из первой строки: невозможна комбинация 4, 5, невозможна и 3, 5. Итог наших рассуждений представлен в таблице:

Итак, после столбца 6 обязательно следует столбец 5. Но тогда поставим "Х" в клетке 6, 2 и получим: столбец 2 следует за столбцом 3. Далее, мы вычеркнули 5, 1 и 2, 1, следовательно, надо проверить варианты: ...6532... и...65432... . Но (4, 3) вычеркнуто ранее. Итак, остались варианты расположения столбцов:

• 1, 6, 5, 3, 2, 4
• 6, 5, 3, 2, 4, 1
• 4, 1, 6, 5, 3, 2
• 1, 4, 6, 5, 3, 2

Запишем 6, 5, 3, 2 столбцы подряд:

Попытка поставить столбец 1 перед столбцом 6 приведет к биграмме МП в последней строке и сочетанию ДТЫ в первой. Остались варианты: 653241, 146532.

Ответ: 653241 - ключ, открытый текст: ты\_в\_дороге\_будь\_упрямым (строка из популярной в 1970-е годы песни).

Приведем еще один пример криптоанализа шифра столбцовой перестановки.

Пример 6.3 Расшифровать: СВПООЗЛУЙЬСТЬ\_ЕДПСОКОКАЙЗО

Решение. Текст содержит 25 символов, что позволяет записать его в квадратную матрицу 5х5. Известно, что шифрование производилось по столбцам, следовательно, расшифровывание следует проводить, меняя порядок столбцов.