7. Кодирование и шифрование информации

Способами защиты информации является кодирование сообщений и шифрование информации.

Вопросами защиты и скрытия информации занимается наука кpиптология (криптос – тайный, логос – наука). Кpиптология имеет два основных направления – кpиптогpафию и кpиптоанализ. Цели этих направлений противоположны. Кpиптогpафия занимается построением и исследованием математических методов пpеобpазования информации, а кpиптоанализ – исследованием возможности pасшифpовки информации без ключа. Термин "криптография" происходит от двух греческих слов: криптоc и грофейн – писать. Таким образом, это тайнопись, система перекодировки сообщения с целью сделать его непонятным для непосвященных лиц и дисциплина, изучающая общие свойства и принципы систем тайнописи.

Введем некоторые основные понятия кодирования и шифрования.

Код – правило соответствия набора знаков одного множества Х знакам другого множества Y.

Кодирование – процесс преобразования букв (слов) алфавита Х в буквы (слова) алфавита Y. Если каждому символу Х при кодировании соответствует отдельный знак Y, то это кодирование. Если для каждого символа из Y однозначно отыщется по некоторому правилу его прообраз в X, то это правило называется декодированием.

При представлении сообщений в ЭВМ все символы кодируются байтами.

Пример. Если каждый цвет кодировать двумя битами, то можно закодировать не более 2² = 4 цветов, тремя – 2³ = 8 цветов, восемью битами (байтом) – 256 цветов.

Сообщение, которое мы хотим передать адресату, назовем открытым сообщением. Оно, естественно, определено над некоторым алфавитом.

Зашифрованное сообщение может быть построено над другим алфавитом. Назовем его закрытым сообщением. Процесс преобразования открытого сообщения в закрытое сообщение и есть шифрование.

Если А – открытое сообщение, В – закрытое сообщение (шифр) , f – правило шифрования, то f(A) = B.

Правила шифрования должны быть выбраны так, чтобы зашифрованное сообщение можно было расшифровать. Однотипные правила (например, все шифры типа шифра Цезаря, по которому каждый символ алфавита кодируется отстоящим от него на k позиций символом) объединяются в классы, и внутри класса определяется некоторый параметр (числовой, символьный табличный и т.д.), позволяющий перебирать все правила. Такой параметр называется шифровальным ключом. Он, как правило, секретный и сообщается лишь тому, кто должен прочесть зашифрованное сообщение (обладателю ключа).

При кодировании нет такого секретного ключа, так как кодирование ставит целью лишь более сжатое, компактное представление сообщения.

Если k – ключ, то можно записать f(k(A)) = B. Для каждого ключа k, преобразование f(k) должно быть обратимым, то есть f(k(B)) = A. Совокупность преобразования f(k) и соответствия множества k называется шифром.

Имеются две большие группы шифров: шифры перестановки и шифры замены.

Шифр перестановки изменяет только порядок следования символов исходного сообщения.

Шифр замены заменяет каждый символ кодируемого сообщения на другой(ие) символ(ы), не изменяя порядок их следования.

Под надежностью понимается способность противостоять взлому шифра. При дешифровке сообщения может быть известно все, кроме ключа, то есть надежность шифра определяется секретностью ключа, а также числом его ключей. Применяется даже открытая криптография, которая использует различные ключи для шифрования, а сам ключ может быть общедоступным, опубликованным. Число ключей при этом может достигать сотни триллионов.

Пример. Один из лучших примеров алгоритма шифрования – принятый в 1977 году Национальным бюро стандартов США алгоритм стандарта шифрования данных DES (Data Encrypted Standard). Исследования алгоритма специалистами показали, что пока нет уязвимых мест, на основе которых можно было бы предложить метод криптоанализа, существенно лучший, чем полный перебор ключей. В июле 1991 года введен в действие аналогичный отечественный криптоалгоритм (стандарта ГОСТ 28147-89), который превосходит DES по надежности.

Криптогpафическая система – семейство Х пpеобpазований открытых текстов. Члены этого семейства индексируются, обозначаются символом k; паpаметp k является ключом. Множество ключей K – это набор возможных значений ключа k. Обычно ключ представляет собой последовательный ряд букв алфавита.

Открытый текст обычно имеет произвольную длину. Если текст большой и не может быть обработан шифратором (компьютером) целиком, то он разбивается на блоки фиксированной длины, а каждый блок шифруется отдельно, независимо от его положения во входной последовательности. Такие криптосистемы называются системами блочного шифрования.

Криптосистемы разделяются на симметричные с открытым ключом и системы электронной подписи.

В симметричных криптосистемах, как для шифрования, так и для дешифрования, используется один и тот же ключ.

В системах с открытым ключом используются два ключа – открытый и закрытый, которые математически (алгоритмически) связаны друг с другом. Информация шифруется с помощью открытого ключа, который доступен всем желающим, а pасшифpовывается лишь с помощью закрытого ключа, который известен только получателю сообщения.

Электронной (цифровой) подписью (ЭЦП) называется присоединяемое к тексту его криптографическое преобразование, которое позволяет при получении текста другим пользователем проверить авторство и подлинность сообщения. К ЭЦП предъявляются два основных требования: легкость проверки подлинности подписи и высокая сложность подделки подписи.

Криптография изучает, кроме криптосистем (симметричных, с открытым ключом, электронной подписи), еще и системы управления ключами.

Системы управления ключами – это информационные системы, целью которых является составление и распределение ключей между пользователями информационной системы.

Разработка ключевой, парольной информации является типовой задачей администратора безопасности системы. Ключ может быть сгенерирован как массив нужного размера статистически независимых и равновероятно распределенных на двоичном множестве {0, 1} элементов.

Пароли должен генерировать и раздавать пользователям системный администратор по безопасности, исходя из основного принципа: обеспечения равной вероятности появления каждого из символов алфавита в пароле.

В процессе шифрования, чтобы ключ был использован полностью, необходимо многократно выполнять процедуру кодировки с различными элементами. Базовые циклы заключаются в многократном применении разных элементов ключа и отличаются друг от друга только числом повторения и порядком использования ключевых элементов.

Все современные криптосистемы построены по принципу Кирхгоффа: секретность зашифрованных сообщений определяется секретностью ключа.

Это означает, что если даже алгоритм шифрования будет известен криптоаналитику, тот, тем не менее, не в состоянии будет расшифровать закрытое сообщение, если не располагает соответствующим ключом. Все классические шифры соответствуют этому принципу и спроектированы таким образом, чтобы не было пути вскрыть их более эффективным способом, чем полный перебор по всему ключевому пространству, то есть перебор всех возможных значений ключа. Ясно, что стойкость таких шифров определяется размером используемого в них ключа.

Контрольный тест №7: