Перестановка «Магический квадрат»

Лекция 3 Тема: «Симметричные системы шифрования»

Общая схема симметричной криптосистемы. Шифры перестановки, простой и сложной замены. Шифрование методом гаммирования. Шифрование с помощью датчика псевдослучайных величин. Американский DES. Российский ГОСТ 28147-69 Поточные и блочные шифры.

Общая схема симметричной криптосистемы

Симметри́чные криптосисте́мы (также симметричное шифрование, симметричные шифры) — способ шифрования, в котором для шифрования и расшифровывания применяется один и тот же криптографический ключ. До изобретения схемы асимметричного шифрования единственным существовавшим способом являлось симметричное шифрование. Ключ алгоритма должен сохраняться в секрете обеими сторонами. Алгоритм шифрования выбирается сторонами до начала обмена сообщениями.

Алгоритмы шифрования и дешифрования данных широко применяются в компьютерной технике в системах сокрытия конфиденциальной и коммерческой информации от злонамеренного использования сторонними лицами. Главным принципом в них является условие, что передатчик и приемник заранее знают алгоритм шифрования, а также ключ к сообщению, без которых информация представляет собой всего лишь набор символов, не имеющих смысла.

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

§ Простая перестановка

§ Одиночная перестановка по ключу

§ Двойная перестановка

§ Перестановка "Магический квадрат"

Перестановочные шифры.Простая перестановка

Простая перестановка без ключа — один из самых простых методов шифрования. Сообщение записывается в таблицу по столбцам. После того, как открытый текст записан колонками, для образования шифровки он считывается по строкам. Для использования этого шифра отправителю и получателю нужно договориться об общем ключе в виде размера таблицы. Объединение букв в группы не входит в ключ шифра и используется лишь для удобства записи несмыслового текста.

Простой столбцевой перестановочный шифр

В данном виде шифра текст пишется на горизонтально разграфленном листе бумаги фиксированной ширины, а шифротекст считывается по вертикали. Дешифрирование заключается в записи шифротекста вертикально на листе разграфленной бумаги фиксированной ширины и затем считывании открытого текста горизонтально. Открытый текст: ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В О Л О Г О
Д С К И Й
Г О С У Д А
Р С Т В Е Н
Н Ы Й П Е
Д А Г О Г И
Ч Е С К И Й
У Н И В Е
Р С И Т Е Т

Зашифрованный текст: ВДГРНДЧ РОСОСЫАЕУСЛКСТЙГСНИОИУВ ОКИТГЙДЕПГИВЕО АНЕИЙЕТ

Одиночная перестановка по ключу ==

Более практический метод шифрования, называемый одиночной перестановкой по ключу очень похож на предыдущий. Он отличается лишь тем, что колонки таблицы переставляются по ключевому слову, фразе или набору чисел длиной в строку таблицы. Перестановочный шифр с ключевым словом

Буквы открытого текста записываются в клетки прямоугольной таблицы по ее строчкам. Буквы ключевого слова пишутся над столбцами и указывают порядок этих столбцов (по возрастанию номеров букв в алфавите). Чтобы получить зашифрованный текст, надо выписывать буквы по столбцам с учетом их нумерации:

Открытый текст: Прикладная математика Ключ: Шифр

Ш и ф р

4 1 3 2

П р и к л а д н а я м а т е м а т и к а

Криптограмма: Раяеикнаааидммкплатт

Ключевое слово(последовательность столбцов) известно адресату, который легко сможет расшифровать сообщение.

Так как символы криптотекста те же, что и в открытом тексте, то частотный анализ покажет, что каждая буква встречается приблизительно с той же частотой, что и обычно. Это дает криптоаналитику информацию о том, что это перестановочный шифр. Применение к криптотексту второго перестановочного фильтра значительно повысит безопасность. Существуют и еще более сложные перестановочные шифры, но с применением компьютера можно раскрыть почти все из них.

Хотя многие современные алгоритмы используют перестановку, с этим связана проблема использования большого объема памяти, а также иногда требуется работа с сообщениями определенного размера. Поэтому чаще используют подстановочные шифры.

Двойная перестановка

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.

Перестановка «Магический квадрат»

Магическими квадратами называются квадратные таблицы со вписанными в их клетки последовательными натуральными числами от 1, которые дают в сумме по каждому столбцу, каждой строке и каждой диагонали одно и то же число. Подобные квадраты широко применялись для вписывания шифруемого текста по приведенной в них нумерации. Если потом выписать содержимое таблицы по строкам, то получалась шифровка перестановкой букв. На первый взгляд кажется, будто магических квадратов очень мало. Тем не менее, их число очень быстро возрастает с увеличением размера квадрата. Так, существует лишь один магический квадрат размером 3 х 3, если не принимать во внимание его повороты. Магических квадратов 4 х 4 насчитывается уже 880, а число магических квадратов размером 5 х 5 около 250000. Поэтому магические квадраты больших размеров могли быть хорошей основой для надежной системы шифрования того времени, потому что ручной перебор всех вариантов ключа для этого шифра был немыслим.

В квадрат размером 4 на 4 вписывались числа от 1 до 16. Его магия состояла в том, что сумма чисел по строкам, столбцам и полным диагоналям равнялась одному и тому же числу — 34. Впервые эти квадраты появились в Китае, где им и была приписана некоторая «магическая сила».

Шифрование по магическому квадрату производилось следующим образом. Например, требуется зашифровать фразу: «ПриезжаюCегодня.». Буквы этой фразы вписываются последовательно в квадрат согласно записанным в них числам: позиция буквы в предложении соответствует порядковому числу. В пустые клетки ставится точка.

16.	3 и	2 р	13 д
5 з	10 е	11 г	8 ю
9 С	6 ж	7 а	12 о
4 е	15 я	14 н	1 П

После этого шифрованный текст записывается в строку (считывание производится слева направо, построчно):

.ирдзегюСжаоеянП

При расшифровывании текст вписывается в квадрат, и открытый текст читается в последовательности чисел «магического квадрата» Программа должна генерировать «магические квадраты» и по ключу выбирать необходимый. Размер квадрата больше чем 3х3.

Матрица ключей Использование одного ключа для всех абонентов криптографической сети недопустимо по соображениям безопасности. В случае компроматации (утери хищения ключа) под угрозой будут находиться документооборот всех абонентов В этом случае может быть использована для всех элементов матрицы ключей и соблюдается равенство К_iy=K_yi

N

K11	K12	K13	K14	....	K1n	Набор ключей для 1 абонента
K21	K22	K	K		K2n	Набор ключей для 2 абонента
K31	K	K	K		K
....	.....	....			....
Kn1	K	K	K		K	Набор ключей для N абонента

Русский Буква Частота о 0.1090 е 0.0872 а 0.0751 и 0.0751 н 0.0642 т 0.0642 с 0.0545 р 0.0484 в 0.0460 Всего 0.6235

Английский Буква Частота e 0.1251 t 0.0925 a 0.0804 o 0.0760 i 0.0726 n 0.0709 s 0.0654 r 0.0612 h 0.0549 Всего 0.6990

Шифры сложной замены

Шифры сложной замены называют многоалфавитными, так как для шифрования каждого символа исходного сообщения применяют свой шифр простой замены. Многоалфавитная подстановка последовательно и циклически меняет используемые алфавиты.

При r-алфавитной подстановке символ x₀ исходного сообщения заменяется символом y₀ из алфавита В₀, символ x₁-символом y₁ из алфавита B₁, и так далее, символ x_r-1 заменяется символом y_r-1 из алфавита B_r-1, символ x_r заменяется символом y_r снова из алфавита В_о, и т.д.

Общая схема многоалфавитной подстановки для случая г = 4 показана на рис. 9.

Входной символ:	X0	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9
Алфавит подстановки:	В0	B1	B2	В3	В0	B1	B2	В3	В0	B1

Рис. 9. Схема г-алфавитной подстановки для случая г = 4

Эффект использования многоалфавитной подстановки заключается в том, что обеспечивается маскировка естественной статистики исходного языка, так как конкретный символ из исходного алфавита А может быть преобразован в несколько различных символов шифровальных алфавитов В_j. Степень обеспечиваемой защиты теоретически пропорциональна длине периода г в последовательности используемых алфавитов В_j.

Многоалфавитные шифры замены предложил и ввел в практику криптографии Леон Батист Альберти, который также был известным архитектором и теоретиком искусства. Его книга "Трактат о шифре", написанная в 1566 г., представляла собой первый в Европе научный труд по криптологии. Кроме шифра многоалфавитной замены, Альберти также подробно описал устройства из вращающихся колес для его реализации. Криптологи всего мира почитают Л.Альберти основоположником криптологии.

Шифрование методом гаммирования

Под гаммированием понимают наложение на открытые данные по определенному закону гаммы шифра [13].

Гамма шифра – псевдослучайная последовательность, вырабатываемая по определенному алгоритму, используемая для зашифровки открытых данных и дешифровки шифротекста.