Криптография. Сравнительный анализ алгоритмов симметричного шифрования

Криптогра́фия (от др.-греч. κρυπτός — скрытый и γράφω — пишу) — наука о методах обеспечения конфиденциальности (невозможности прочтения информации посторонним) и аутентичности (целостности и подлинности авторства, а также невозможности отказа от авторства) информации.

Изначально криптография изучала методы шифрования информации — обратимого преобразования открытого (исходного) текста на основе секретного алгоритма и/или ключа в шифрованный текст (шифротекст). Традиционная криптография образует раздел симметричных криптосистем, в которых зашифрование и расшифрование проводится с использованием одного и того же секретного ключа. Помимо этого раздела современная криптография включает в себя асимметричные криптосистемы, системы электронной цифровой подписи (ЭЦП), хеш-функции, управление ключами, получение скрытой информации, квантовую криптографию.

Криптография не занимается: защитой от обмана, подкупа или шантажа законных абонентов, кражи ключей и других угроз информации, возникающих в защищенных системах передачи данных.

Известны два вида шифрования - традиционное (оно же симметрическое) и "открытое шифрование" (асимметрическое). При традиционном шифровании законный пользователь с помощью некоторого конечного автомата (шифратора) преобразует последовательность, называемую открытой информацией, в шифрованную информацию. Шифратор зависит от параметра (ключа), известного пользователю. Законные пользователи, которым предназначена информации, осуществляют расшифрование информации также с помощью некоторого конечного автомата.. В рассматриваемом случае каждый законный пользователь изначально обладает как преобразованием, так и преобразованием, в то время как незаконный пользователь не имеет ключа, т. е. не полностью знает преобразования и. В качестве ключа обычно используется начальное состояние автомата либо его функция перехода.

Симметричные алгоритмы шифрования (или криптография с секретными ключами) основаны на том, что отправитель и получатель информации используют один и тот же ключ. Этот ключ должен храниться в тайне и передаваться способом, исключающим его перехват. Рассмотрим общую схему симметричной, или традиционной, криптографии.

Рисунок 2.1 Общая схема симметричного шифрования

В процессе шифрования используется определенный алгоритм шифрования, на вход которому подаются исходное незашифрованное сообщение, называемое также plaintext, и ключ. Выходом алгоритма является зашифрованное сообщение, называемое также ciphertext. Ключ является значением, не зависящим от шифруемого сообщения. Изменение ключа должно приводить к изменению зашифрованного сообщения.

Зашифрованное сообщение передается получателю. Получатель преобразует зашифрованное сообщение в исходное незашифрованное сообщение с помощью алгоритма дешифрования и того же самого ключа, который использовался при шифровании, или ключа, легко получаемого из ключа шифрования.

Незашифрованное сообщение будем обозначать P или M, от слов plaintext и message. Зашифрованное сообщение будем обозначать С, от слова ciphertext.

Безопасность, обеспечиваемая традиционной криптографией, зависит от нескольких факторов.

Во-первых, криптографический алгоритм должен быть достаточно сильным, чтобы передаваемое зашифрованное сообщение невозможно было расшифровать без ключа, используя только различные статистические закономерности зашифрованного сообщения или какие-либо другие способы его анализа.

Во-вторых, безопасность передаваемого сообщения должна зависеть от секретности ключа, но не от секретности алгоритма. Алгоритм должен быть проанализирован специалистами, чтобы исключить наличие слабых мест, при которых плохо скрыта взаимосвязь между незашифрованным и зашифрованным сообщениями. К тому же при выполнении этого условия производители могут создавать дешевые аппаратные чипы и свободно распространяемые программы, реализующие данный алгоритм шифрования.

В-третьих, алгоритм должен быть таким, чтобы нельзя было узнать ключ, даже зная достаточно много пар (зашифрованное сообщение, незашифрованное сообщение), полученных при шифровании с использованием данного ключа.

Классическим примером таких алгоритмов являются симметричные криптографические алгоритмы, перечисленные ниже:

- Простая подстановка

- Одиночная перестановка по ключу

- Гаммирование

Простая перестановка

При шифровании простой перестановкой ключевое слово с неповторяющимися символами или цифровой ключ. Число колонок в таблице задаётся количеством символов в ключе, а число строк может быть фиксировано или может задаваться длиной сообщения. Шифруемый текст записывается последовательными строками под символами ключа. Для заполнения пустых клеток (если объём текста меньше ёмкости таблицы) можно использовать любые символы. Затем текст выписывается колонками в той последовательности, в которой располагаются в алфавите буквы ключа или в порядке следования цифр, если ключ цифровой. В качестве примера рассмотрим шифрование сообщения: «БУДЬТЕ ОСТОРОЖНЫ С ПРЕДСТАВИТЕЛЕМ ФИРМЫ «СПЕКТР». Применим цифровой ключ - 5 1 8 3 7 4 6 2. Выписывая текст по колонкам, получаем абракадабру: УОРТМССВИТЬОДЛСЕНТМЕБТПИРРОЫАФКТЖСЕПДРЕЕЫ.

Расшифрование выполняется в следующем порядке. Подсчитываем число знаков в зашифрованном тексте и делим на число знаков ключа (41: 8=5 и 1 знак в остатке). Под знаками ключа в соответствующей последовательности записываем вертикально (колонками) символы зашифрованного текста в определенном выше количестве. В каждой колонке по 5 символов, а в одной (первой слева) - 6 символов (5+1 буква в остатке). По строкам таблицы (горизонтально) читаем исходный текст. Выше, в «Истории тайнописи», упоминается шифр называемый в некоторых книгах по криптографии «Сцитала» (наматывание ленты на жезл). Это не что иное, как перестановка по таблице с простым ключом - 1 2 3 4 …

Подстановка

Каждая из 33 букв русского алфавита заменяется на другую букву того же алфавита (моноалфавитная подстановка). Такой шифр (одноалфавитная замена) имеет низкую (временную) стойкость, т. к. зашифрованный (закрытый) текст имеет те же статистические характеристики, что и исходный (открытый) - каждая буква имеет свою частоту появления. Поэтому использовать этот метод целесообразно для шифрования только короткого текста.

Для дополнительной скрытности можно повторно шифровать сообщение, которое уже было зашифровано. Этот способ известен под названием двойная перестановка. Для этого размер второй таблицы подбирают так, чтобы длины ее строк и столбцов были другие, чем в первой таблице. Лучше всего, если они будут взаимно простыми. Кроме того, в первой таблице можно переставлять столбцы, а во второй строки. Наконец, можно заполнять таблицу зигзагом, змейкой, по спирали или каким-то другим способом. Такие способы заполнения таблицы если и не усиливают стойкость шифра, то делают процесс шифрования гораздо более занимательным.

Гаммирование

Метод гаммирования состоит в том, что символы шифруемого текста последовательно складываются с символами некоторой специальной последовательности, называемой гаммой.

В потоковых криптосистемах на основе ключа вырабатывается гамма, которая затем накладывается на текст сообщения. Наложение осуществляется посредством сложения по модулю 2 (операции XOR).

Зашифрование производится следующим образом:

c_i = m_i Ä k_i для i=1,2,3...(1.1)

где c_i - знак шифротекста;

m_i - знак открытого текста;

k_i - знак ключевой последовательности;

Ä - сложение по модулю 2.

Поскольку повторное применение операции XOR восстанавливает первоначальное значение, расшифрование производится повторным наложением гаммы:

m_i = c_i Ä k_i для i=1,2,3...(1.2)

Преобразование текста осуществляется потоком по мере выработки гаммы. Поэтому поточные шифры подходят для шифрования непрерывных потоков данных - голоса, видео и т.д.

Принцип шифрования гаммированием заключается в генерации бесконечного ключа (гаммы шифра) с помощью датчика псевдослучайных чисел (ПСЧ) и наложении полученной гаммы на исходные данные обратимым образом. Процесс расшифрования данных сводится к повторной генерации гаммы шифра при известном ключе и наложении такой гаммы на зашифрованные данные.

Если период гаммы превышает длину всего зашифрованного текста и неизвестна никакая часть исходного текста, то зашифрованный текст можно раскрыть только путем прямого перебора.