Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Иркутский государственный технический университет

Факультет кибернетики

Кафедра вычислительной техники

Криптология. Методы шифрования информации

Выполнен студент группы ЭВМ 04-3

Ивлиев А.Ю.

Иркутск 2014 г.

Содержание

Введение

1. Криптология в современном мире

2. Криптология

2.1 Основные понятия криптологии

2.2 Требования к криптосистемам

2.3 Симметрические криптосистемы

2.3.1 Метод Цезаря

2.3.2 Системы шифрования Вижинера

2.3.3 Гаммирование

2.4 Криптосистемы с открытым ключом

2.4.1 Система RSA

2.4.2 Алгоритм Эль-Гамаля

3. Практическое применение криптологии

3.1 Цифровая подпись

3.1.1 Общие положения

3.1.2 Алгоритм DSA

3.2 Алгоритм DES

4. Постановка задачи

4.1 Краткая характеристика среды Delphi 7

4.2 Алгоритм решения задачи

4.2.1 Модули программы

4.2.2 Модуль шифровки/дешифровки

4.2.3 Процедура кодирования символа

4.3 Таблица сообщений

Заключение

Список литературы

Введение

Понятие "Безопасность" охватывает широкий круг интересов как отдельных лиц, так и целых государств. В наше мобильное время видное место отводится проблеме информированной безопасности, обеспечению защиты конфиденциальной информации от ознакомления с ней конкурирующих групп

О важности сохранения информации в тайне знали уже в древние времена, когда с появлением письменности появилась и опасность прочтения ее нежелательными лицами.

Существовали три основных способа защиты информации. Один из них предполагал защиту ее чисто силовыми методами: охрана документа - носителя информации - физическими лицами, передача его специальным курьером и т.д. Второй способ получил название "стеганография" (латино-греческое сочетание слов, означающих в совокупности "тайнопись"). Он заключался в сокрытии самого факта наличия информации. В данном случае использовались так называемые симпатические чернила. При соответствующем "проявлении" бумаги текст становится видимым. Один из примеров сокрытия информации приведен в трудах древнегреческого историка Геродота. На голове раба, которая брилась наголо, записывалось нужное сообщение. И когда волосы его достаточно отрастали, раба отправляли к адресату, который снова брил его голову и считывал полученное сообщение.

Третий способ защиты информации заключался в преобразовании смыслового текста в некий набор хаотических знаков (или букв алфавита). Получатель данного донесения имел возможность преобразовать его в то же самое осмысленное сообщение, если обладал ключом к его построению. Этот способ защиты информации называется криптографическим. Криптография - слово греческое и в переводе означает "тайнопись". По утверждению ряда специалистов криптография по возрасту - ровесник египетских пирамид. В документах древних цивилизаций - Индии, Египта, Месопотамии - есть сведения о системах и способах составления шифрованных писем.

Наиболее полные и достоверные сведения о шифрах относятся к Древней Греции.

Основное понятие криптографии - шифр (от арабского "цифра"; арабы первыми стали заменять буквы на цифры с целью защиты исходного текста). Секретный элемент шифра, недоступный посторонним, называется ключом шифра. Как правило, в древние времена использовались так называемые шифры замены и шифры перестановки.

Историческим примером шифра замены является шифр Цезаря (1 век до н.э.), описанный историком Древнего Рима Светонием. Гай Юлий Цезарь использовал в своей переписке шифр собственного изобретения. Применительно к современному русскому языку он состоял в следующем. Выписывался алфавит: А, Б, В, Г, Д,Е,...,; затем под ним выписывался тот же алфавит, но со сдвигом на 3 буквы влево.

Таким образом, можно утверждать, что основы криптологии были заложены еще в древности и, естественно, после многовекового развития нашли широкое применение в современной жизни.

1. Криптология в современном мире

На протяжении всей своей многовековой истории, вплоть до совсем недавнего времени, это искусство криптологии немногим, в основном верхушке общества, не выходя за пределы резиденций глав государств, посольств и - конечно же - разведывательных миссий. И лишь несколько десятилетий назад все изменилось коренным образом - информация приобрела самостоятельную коммерческую ценность и стала широко распространенным, почти обычным товаром. Ее производят, хранят, транспортируют, продают и покупают, а значит - воруют и подделывают - и, следовательно, ее необходимо защищать. Современное общество все в большей степени становится информационно-обусловленным, успех любого вида деятельности все сильней зависит от обладания определенными сведениями и от отсутствия их у конкурентов. И чем сильней проявляется указанный эффект, тем больше потенциальные убытки от злоупотреблений в информационной сфере, и тем больше потребность в защите информации.

Среди всего спектра методов защиты данных от нежелательного доступа особое место занимают криптографические методы. В отличие от других методов, они опираются лишь на свойства самой информации и не используют свойства ее материальных носителей, особенности узлов ее обработки, передачи и хранения. Образно говоря, криптографические методы строят барьер между защищаемой информацией и реальным или потенциальным злоумышленником из самой информации. Конечно, под криптографической защитой в первую очередь подразумевается шифрование данных. Раньше эта операция выполнялось человеком вручную или с использованием различных приспособлений. Поэтому развитие криптологии сдерживалось проблемой реализации шифра.

Почему же проблема использования криптографических методов в информационных системах (ИС) стала в настоящий момент особо актуальна? С одной стороны, расширилось использование компьютерных сетей, в частности глобальной сети Интеpнет, по которым передаются большие объемы информации государственного, военного, коммерческого и частного характера, не допускающего возможность доступа к ней посторонних лиц. С другой стороны, появление новых мощных компьютеров, технологий сетевых и нейронных вычислений сделало возможным дискредитацию криптографических систем еще недавно считавшихся практически не раскрываемыми.

2. Криптология

2.1 Основные понятия криптологии

Криптология разделяется на два направления - криптографию и криптоанализ. Цели этих направлений прямо противоположны. Криптография занимается поиском и исследованием математических методов преобразования информации.

Сфера интересов криптоанализа - исследование возможности расшифровывания информации без знания ключей.

Современная криптография включает в себя четыре крупных раздела:

1. Симметричные криптосистемы.

2. Криптосистемы с открытым ключом.

3. Системы электронной подписи.

4. Управление ключами.

Основные направления использования криптографических методов - передача конфиденциальной информации по каналам связи (например, электронная почта), установление подлинности передаваемых сообщений, хранение информации (документов, баз данных) на носителях в зашифрованном виде.

Криптографические методы защиты информации в автоматизированных системах могут применяться как для защиты информации, обрабатываемой в ЭВМ или хранящейся в различного типа ЗУ, так и для закрытия информации, передаваемой между различными элементами системы по линиям связи. Криптографическое преобразование как метод предупреждения несанкционированного доступа к информации имеет многовековую историю. В настоящее время разработано большое количество различных методов шифрования, созданы теоретические и практические основы их применения. Подавляющие число этих методов может быть успешно использовано и для закрытия информации.

Итак, криптография дает возможность преобразовать информацию таким образом, что ее прочтение (восстановление) возможно только при знании ключа.

В качестве информации, подлежащей шифрованию и дешифрованию, рассматриваются тексты, построенные на некотором алфавите. Под этими терминами понимается следующее.

Алфавит - конечное множество используемых для кодирования информации знаков.

Текст - упорядоченный набор из элементов алфавита.

В качестве примеров алфавитов, используемых в современных ИС можно привести следующие:

- алфавит Z33 - 32 буквы русского алфавита и пробел;

- алфавит Z256 - символы, входящие в стандартные коды ASCII и КОИ-8;

- бинарный алфавит - Z2 = {0,1};

- восьмеричный алфавит или шестнадцатеричный алфавит;

Шифрование - преобразовательный процесс: исходный текст, который носит также название открытого текста, заменяется шифрованным текстом.

Дешифрование - обратный шифрованию процесс. На основе ключа шифрованный текст преобразуется в исходный.

Ключ - информация, необходимая для беспрепятственного шифрования и дешифрования текстов.

Криптографическая система представляет собой семейство T преобразований открытого текста. Члены этого семейства индексируются, или обозначаются символом k; параметр k является ключом. Пространство ключей K - это набор возможных значений ключа. Обычно ключ представляет собой последовательный ряд букв алфавита.

Криптосистемы разделяются на симметричные и с открытым ключом.

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

В системах с открытым ключом используются два ключа - открытый и закрытый, которые математически связаны друг с другом. Информация шифруется с помощью открытого ключа, который доступен всем желающим, а расшифровывается с помощью закрытого ключа, известного только получателю сообщения.

Термины распределение ключей и управление ключами относятся к процессам системы обработки информации, содержанием которых является составление и распределение ключей между пользователями.

Электронной (цифровой) подписью называется присоединяемое к тексту его криптографическое преобразование, которое позволяет при получении текста другим пользователем проверить авторство и подлинность сообщения.

Криптостойкостью называется характеристика шифра, определяющая его стойкость к дешифрованию без знания ключа(т.е. криптоанализу). Имеется несколько показателей криптостойкости, среди которых:

-количество всех возможных ключей;

-среднее время, необходимое для криптоанализа.

Преобразование Tk определяется соответствующим алгоритмом и значением параметра k. Эффективность шифрования с целью защиты информации зависит от сохранения тайны ключа и криптостойкости шифра.

Процесс криптографического закрытия данных может осуществляться как программно, так и аппаратно. Аппаратная реализация отличается существенно большей стоимостью, однако ей присущи и преимущества: высокая производительность, простота, защищенность и т.д. Программная реализация более практична, допускает известную гибкость в использовании.

2.2 Требования к криптосистемам

Для современных криптографических систем защиты информации сформулированы следующие общепринятые требования:

-зашифрованное сообщение должно поддаваться чтению только при наличии ключа; шифр криптология алгоритм информация

-число операций, необходимых для определения использованного ключа шифрования по фрагменту шифрованного сообщения и соответствующего ему открытого текста, должно быть не меньше общего числа возможных ключей;

-число операций, необходимых для расшифровывания информации путем перебора всевозможных ключей должно иметь строгую нижнюю оценку и выходить за пределы возможностей современных компьютеров (с учетом возможности использования сетевых вычислений);

-знание алгоритма шифрования не должно влиять на надежность защиты;

-незначительное изменение ключа должно приводить к существенному изменению вида зашифрованного сообщения даже при использовании одного и того же ключа;

-структурные элементы алгоритма шифрования должны быть неизменными;

-дополнительные биты, вводимые в сообщение в процессе шифрования, должен быть полностью и надежно скрыты в шифрованном тексте;

-длина шифрованного текста должна быть равной длине исходного текста;

-не должно быть простых и легко устанавливаемых зависимостью между ключами, последовательно используемыми в процессе шифрования;

-любой ключ из множества возможных, должен обеспечивать надежную защиту информации;

-алгоритм должен допускать как программную, так и аппаратную реализацию, при этом изменение длины ключа не должно вести к качественному ухудшению алгоритма шифрования.

2.3 Симметрические криптосистемы

Долгое время традиционной криптографической схемой была схема с симметричным ключом. В этой схеме имеется один ключ, который участвует в шифровании и дешифровании информации. Шифрующая процедура при помощи ключа производит ряд действий над исходными данными, дешифрующая процедура при помощи того же ключа производит обратные действия над кодом. Дешифрование кода без ключа предполагается практически неосуществимым. Если зашифрованная таким образом информация передается по обычному, т.е. незащищенному, каналу связи, один и тот же ключ должен иметься у отправителя и получателя, вследствие чего возникает необходимость в дополнительном защищенном канале для передачи ключа, повышается уязвимость системы и увеличиваются организационные трудности.

Открытый текст обычно имеет произвольную длину если его размер велик, и он не может быть обработан вычислительным устройством шифратора целиком, то он разбивается на блоки фиксированной длины, и каждый блок шифруется в отдельности, не зависимо от его положения во входной последовательности. Такие криптосистемы называются системами блочного шифрования.

На практике обычно используют два общих принципа шифрования: рассеивание и перемешивание. Рассеивание заключается в распространении влияния одного символа открытого текста на много символов шифр текста: это позволяет скрыть статистические свойства открытого текста. Развитием этого принципа является распространение влияния одного символа ключа на много символов шифрограммы, что позволяет исключить восстановление ключа по частям. Перемешивание состоит в использовании таких шифрующих преобразований, которые исключают восстановление взаимосвязи статистических свойств открытого и шифрованного текста. Распространенный способ достижения хорошего рассеивания состоит в использовании составного шифра, который может быть реализован в виде некоторой последовательности простых шифров, каждый из которых вносит небольшой вклад в значительное суммарное рассеивание и перемешивание. В качестве простых шифров чаще всего используют простые подстановки и перестановки.

Все многообразие существующих криптографических методов можно свести к следующим классам преобразований:

Многоалфавитная подстановка - наиболее простой вид преобразований, заключающийся в замене символов исходного текста на другие (того же алфавита) по более или менее сложному правилу. Для обеспечения высокой криптостойкости требуется использование больших ключей.

Перестановки - несложный метод криптографического преобразования. Используется как правило в сочетании с другими методами.

Гаммирование - этот метод заключается в наложении на исходный текст некоторой псевдослучайной последовательности, генерируемой на основе ключа.

Блочные шифры представляют собой последовательность (с возможным повторением и чередованием) основных методов преобразования, применяемую к блоку (части) шифруемого текста. Блочные шифры на практике встречаются чаще, чем "чистые" преобразования того или иного класса в силу их более высокой криптостойкости, а также потому, что этот метод позволяет шифровать тексты практически любой длины, разбивая их на блоки. Российский и американский стандарты шифрования основаны именно на этом классе шифров.

2.3.1 Метод Цезаря

Метод Цезаря является самым простым вариантом шифрования.

Он назван по имени римского императора Гая Юлия Цезаря, который поручал Марку Туллию Цицерону составлять послания с использованием 50-буквенного алфавита, сдвигая его на 3 символа вперед.

Подстановка определяется по таблице замещения, содержащей пары соответствующих букв "исходный текст - шифрованный текст".

Например, вышлите_новые_указания посредством подстановки преобразуется в еюыолхиврсеюивцнгкгрлб.

А>г	Й>м	Т>х	Ы>ю
Б>д	К>н	У>ц	Ь>я
В>е	Л>о	Ф>ч	Э>_
Г>ж	М>п	Х>ш	Ю>а
Д>з	Н>р	Ц>щ	Я>б
Е>и	О>с	Ч>ъ	_>в
Ж>й	П>т	Ш>ы
З>к	Р>у	Щ>ь
И>л	С>ф	Ъ>э

Таблица 1.1: Применение подстановки Цезаря.

При своей несложности система легко уязвима. Если злоумышленник имеет:

1) шифрованный и соответствующий исходный текст или

2) шифрованный текст выбранного злоумышленником исходного текста, то определение ключа и дешифрование исходного текста тривиальны.

Эту систему не представляет труда взломать с помощью современной вычислительной техники, используя простой перебор. Поэтому криптостойкость этого метода не велика.

Более эффективны обобщения подстановки Цезаря - шифр Хилла и шифр Плэйфера. Они основаны на подстановке не отдельных символов, а 2-грамм (шифр Плэйфера) или n-грамм (шифр Хилла). При более высокой криптостойкости они значительно сложнее для реализации и требуют достаточно большого количества ключевой информации.

2.3.2 Системы шифрования Вижинера

Метод Вижинера является следствием подстановки Цезаря. В системе Вижинера задается некая конечная последовательность ключа

k = (k0,k1,...,kn),

которая называется ключом пользователя, она продолжается до бесконечной последовательности, повторяя цепочку. Таким образом, получается рабочий ключ

Например, при ключе пользователя 15 8 2 10 11 4 18 рабочий ключ будет периодической последовательностью:

15 8 2 10 11 4 18 15 8 2 10 11 4 18 15 8 2 10 11 4 18 ...

Таким образом:

При длине пользовательского ключа R

1) исходный текст x делится на R фрагментов

xi = (xi, xi+r, ..., xi+r(n-1)), 0 Ј i < r;

2) i-й фрагмент исходного текста xi шифруется при помощи подстановки Цезаря в зависимости от пользовательского ключа:

(xi, xi+r, ..., xi+r(n-1)) ® (yi, yi+r, ..., yi+r(n-1)),

Очень распространена плохая с точки зрения секретности практика использовать слово или фразу в качестве ключа для того, чтобы k=(k0,k1,...,kк-1) было легко запомнить. В информационных системах для обеспечения безопасности информации это недопустимо. Для получения ключей должны использоваться программные или аппаратные средства случайной генерации ключей.

Пример. Преобразование текста с помощью подстановки Вижинера (r=4)

Исходный текст (ИТ 1):

НЕ_СЛЕДУЕТ_ВЫБИРАТЬ_НЕСЛУЧАЙНЫЙ_КЛЮЧ

Ключ: КЛЮЧ

Разобьем исходный текст на блоки по 4 символа:

НЕ_С ЛЕДУ ЕТ_В ЫБИР АТЬ_ НЕСЛ УЧАЙ НЫЙ_ КЛЮЧ

и наложим на них ключ (используя таблицу Вижинера):

H+К=Ч, Е+Л=Р и т.д.

Получаем зашифрованный (ЗТ 1) текст:

ЧРЭЗ ХРБЙ ПЭЭЩ ДМЕЖ КЭЩЦ ЧРОБ ЭБЮ_ ЧЕЖЦ ФЦЫН

Криптостойкость метода резко убывает с уменьшением длины ключа.

Тем не менее, такая система как шифр Вижинера допускает несложную аппаратную или программную реализацию и при достаточно большой длине ключа может быть использован в современных ИС.

2.3.3Гаммирование

Гаммирование является также широко применяемым криптографическим преобразованием. На самом деле граница между гаммированием и использованием бесконечных ключей и шифров Вижинера, о которых речь шла выше, весьма условная.

Принцип шифрования гаммированием заключается в генерации гаммы шифра с помощью датчика псевдослучайных чисел и наложении полученной гаммы на открытые данные обратимым образом.

Процесс дешифрования данных сводится к повторной генерации гаммы шифра при известном ключе и наложении такой гаммы на зашифрованные данные.

Полученный зашифрованный текст является достаточно трудным для раскрытия в том случае, если гамма шифра не содержит повторяющихся битовых последовательностей. По сути дела гамма шифра должна изменяться случайным образом для каждого шифруемого слова. Фактически же, если период гаммы превышает длину всего зашифрованного текста и неизвестна никакая часть исходного текста, то шифр можно раскрыть только прямым перебором (пробой на ключ). Криптостойкость в этом случае определяется размером ключа.

Метод гаммирования становится бессильным, если злоумышленнику становится известен фрагмент исходного текста и соответствующая ему шифрограмма. Простым вычитанием по модулю получается отрезок ПСП и по нему восстанавливается вся последовательность. Злоумышленники может сделать это на основе догадок о содержании исходного текста. Так, если большинство посылаемых сообщений начинается со слов "СОВ.СЕКРЕТНО", то криптоанализ всего текста значительно облегчается. Это следует учитывать при создании реальных систем информационной безопасности.

2.4 Криптосистемы с открытым ключом

В 1976 г. У. Диффи и М. Хеллманом был предложен новый тип криптографической системы - система с открытым ключом [public keycryptosystem]. В схеме с открытым ключом имеется два ключа, открытый [public] и секретный [private, secret], выбранные таким образом, что их последовательное применение к массиву данных оставляет этот массив без изменений. Шифрующая процедура использует открытый ключ, дешифрующая - секретный. Дешифрование кода без знания секретного ключа практически неосуществимо; в частности, практически неразрешима задача вычисления секретного ключа по известному открытому ключу. Основное преимущество криптографии с открытым ключом - упрощенный механизм обмена ключами. При осуществлении коммуникации по каналу связи передается только открытый ключ, что делает возможным использование для этой цели обычного канала и устраняет потребность в специальном защищенном канале для передачи ключа.

С появлением систем с открытым ключом понятие о защите информации, а вместе с ним функции криптографии значительно расширились. Если раньше основной задачей криптографических систем считалось надежное шифрование информации, в настоящее время область применения криптографии включает также цифровую подпись(аутентификацию), лицензирование, нотаризацию (свидетельствование), распределенное управление, схемы голосования, электронные деньги и многое другое. Наиболее распространенные функции криптографических систем с открытым ключом - шифрование и цифровая подпись, причем роль цифровой подписи в последнее время возросла по сравнению с традиционным шифрованием: некоторые из систем с открытым ключом поддерживают цифровую подпись, но не поддерживают шифрование.

Цифровая подпись используется для аутентификации текстов, передаваемых по телекоммуникационным каналам. Она аналогична обычной рукописной подписи и обладает ее основными свойствами: удостоверяет, что подписанный текст исходит именно от лица, поставившего подпись, и не дает самому этому лицу возможности отказаться от обязательств, связанных с подписанным текстом. Цифровая подпись представляет собой небольшое количество дополнительной информации, передаваемой вместе с подписываемым текстом. В отличие от шифрования, при формировании подписи используется секретный ключ, а при проверке - открытый.

Из-за особенностей алгоритмов, лежащих в основе систем с открытым ключом, их быстродействие при обработке единичного блока информации обычно в десятки раз меньше, чем быстродействие систем с симметричным ключом на блоке той же длины. Для повышения эффективности систем с открытым ключом часто применяются смешанные методы, реализующие криптографические алгоритмы обоих типов. При шифровании информации выбирается случайный симметричный ключ, вызывается алгоритм с симметричным ключом для шифрования исходного текста. а затем алгоритм с открытым ключом для шифрования симметричного ключа. По коммуникационному каналу передается текст, зашифрованный симметричным ключом, и симметричный ключ, зашифрованный открытым ключом. Для расшифровки действия производятся в обратном порядке: сначала при помощи секретного ключа получателя расшифровывается симметричный ключ, а затем при помощи симметричного ключа -полученный по каналу зашифрованный текст. Для формирования электронной подписи по подписываемому тексту вычисляется его однонаправленная хэш-функция (дайджест) [one-way hash function, digest], представляющая собой один короткий блок информации, характеризующий весь текст в целом; задача восстановления текста по его хэш-функции или подбора другого текста, имеющего ту же хэш-функцию, практически неразрешима. При непосредственном формировании подписи, вместо шифрования секретным ключом каждого блока текста секретный ключ применяется только к хэш-функции; по каналу передается сам текст и сформированная подпись хэш-функции. Для проверки подписи снова вычисляется хэш-функция от полученного по каналу текста, после чего при помощи открытого ключа проверяется, что подпись соответствует именно данному значению хэш-функции. Алгоритмы вычисления однонаправленных хэш-функций, как правило, логически тесно связаны с алгоритмами шифрования с симметричным ключом.

Описанные гибридные методы шифрования и цифровой подписи сочетают в себе эффективность алгоритмов с симметричным ключом и свойство независимости от дополнительных секретных каналов для передачи ключей, присущее алгоритмам с открытым ключом. Криптографическая стойкость конкретного гибридного метода определяется стойкостью слабейшего звена в цепи, состоящей из алгоритмов с симметричным и с открытым ключом, выбранных для его реализации.

2.4.1 Система RSA

Самым распространенным алгоритмом ассиметричного шифрования является алгоритм RSA. Он был предложен тремя исседователями-математиками Рональдом Ривестом (R. Rivest), Ади Шамиром (A. Shamir) и Леонардом Адльманом (L. Adleman) в 1977-78 годах. Разработчикам данного алгоритма удалось эффективно воплотить идею односторонних функций с секретом. Стойкость RSA базируется на сложности факторизации больших целых чисел.

Современное состояние алгоритмов факторизации (разложения на множители) позволяет решать эту задачу для чисел длиной до 430 бит; исходя из этого, ключ длиной в 512 бит считается надежным для защиты данных на срок до 10 лет, а в 1024 бита - безусловно надежным. Несмотря на то, что отсутствует математически доказанное сведение задачи раскрытия RSA к задаче разложения на множители, система выдержала испытание практикой и является признанным стандартом de-facto в промышленной криптографии, а также официальным стандартом ряда международных организаций. С другой стороны, свободное распространение программного обеспечения, основанного на RSA, ограничено тем, что алгоритм RSA защищен в США рядом патентов. RSA можно применять как для шифрования/расшифровывания, так и для генерации/проверки электронно-цифровой подписи.

Генерация ключа.

Первым этапом любого асимметричного алгоритма является создание пары ключей: открытого и закрытого и распространение открытого ключа "по всему миру". Для алгоритма RSA этап создания ключей состоит из следующих операций:

Выбираются два простых (!) числа p и q

Вычисляется их произведение n(=p*q)

Выбирается произвольное число e (e<n), такое, что НОД(e,(p-1)(q-1))=1, то есть e должно быть взаимно простым с числом (p-1)(q-1).

Методом Евклида решается в целых числах (!) уравнение

e*d+(p-1)(q-1)*y=1

Здесь неизвестными являются переменные d и y - метод Евклида как раз и находит множество пар (d,y), каждая из которых является решением уравнения в целых числах. Два числа (e,n) - публикуются как открытый ключ.

Число d хранится в строжайшем секрете - это и есть закрытый ключ, который позволит читать все послания, зашифрованные с помощью пары чисел (e,n).

Шифрование - расшифровывание.

Отправитель разбивает свое сообщение на блоки, равные k=[log2(n)] бит, где квадратные скобки обозначают взятие целой части от дробного числа.

Подобный блок, как Вы знаете, может быть интерпретирован как число из диапазона (0;2k-1). Для каждого такого числа (mi) вычисляется выражение ci=((mi)e)mod n. Блоки ci и есть зашифрованное сообщение, и их можно спокойно передавать по открытому каналу, поскольку операция возведения в степень по модулю простого числа, является необратимой математической задачей. Обратная ей задача носит название "логарифмирование в конечном поле" и является на несколько порядков более сложной задачей. То есть даже если злоумышленник знает числа e и n, то по ci прочесть исходные сообщения mi он не может никак, кроме как полным перебором mi.

А вот на приемной стороне процесс дешифрования все же возможен, и поможет нам в этом хранимое в секрете число d. Достаточно давно была доказана теорема Эйлера, частный случай которой утвержает, что если число n представимо в виде двух простых чисел p и q, то для любого x имеет место равенство (x(p-1)(q-1))mod n = 1. Для дешифрования RSA-сообщений воспользуемся этой формулой.

Возведем обе ее части в степень (-y) : (x(-y)(p-1)(q-1))mod n = 1(-y) = 1.

Теперь умножим обе ее части на x: (x(-y)(p-1)(q-1)+1)mod n = 1*x = x.

А теперь вспомним как создавались открытый и закрытый ключи. с помощью алгоритма Евклида подбиралось такое d, что e*d+(p-1)(q-1)*y=1, то есть e*d=(-y)(p-1)(q-1)+1. А следовательно в последнем выражении предыдущего абзаца можем заменить показатель степени на число (e*d). Получаем (xe*d)mod n = x. То есть для того чтобы прочесть сообщение ci=((mi)e)mod n достаточно возвести его в степень d по модулю m:

((ci)d)mod n = ((mi)e*d)mod n = mi.

На самом деле операции возведения в степень больших чисел достаточно трудоемки для современных процессоров, даже если они производятся по оптимизированным по времени алгоритмам. Поэтому обычно весь текст сообщения кодируется обычным блочным шифром (намного более быстрым), но с использованием ключа сеанса, а вот сам ключ сеанса шифруется как раз асимметричным алгоритмом с помощью открытого ключа получателя и помещается в начало файла.

2.4.2 Алгоритм Эль-Гамаля

Общие сведения

В 1985 году Т. Эль-Гамаль (США) предложил следующую схему на основе возведения в степень по модулю большого простого числа P.

Задается большое простое число P и целое число A, 1 < A < P. Сообщения представляются целыми числами M из интервала 1 < M < P.

Шифрование сообщений

Протокол передачи сообщения M выглядит следующим образом.

абоненты знают числа A и P;

абоненты генерируют независимо друг от друга случайные числа:

Ka, Kb удовлетворяющих условию: 1 < K < P получатель вычисляет и передаёт отправителю число B, определяемое последовательностью:

В = A Kb mоd(P)

отправитель шифрует сообщение M и отправляет полученную последовательность получателю

C = M * B Ka mоd(P)

получатель расшифровывает полученное сообщение

D = (A Ka) -Kb mоd(P)

M = C * D mоd(P)

В этой системе открытого шифрования та же степень защиты, что для алгоритма RSA с модулем N из 200 знаков, достигается уже при модуле P из 150 знаков. Это позволяет в 5-7 раз увеличить скорость обработки информации. Однако, в таком варианте открытого шифрования нет подтверждения подлинности сообщений.

Подтверждение подлинности отправителя

Для того, чтобы обеспечить при открытом шифровании по модулю простого числа P также и процедуру подтверждения подлинности отправителя Т. Эль Гамаль предложил следующий протокол передачи подписанного сообщения M: абоненты знают числа A и P; отправитель генерирует случайное число и хранит его в секрете: Ka удовлетворяющее условию: 1 < Ka < P вычисляет и передаёт получателю число B, определяемое последовательностью:

В = A Ka mоd(P)

Для сообщения M (1 < M < P):

выбирает случайное число L (1 < L < P), удовлетворяющее условию

(L, P - 1) = 1

вычисляет число

R = A L mоd(P)

решает относительно S

M = Ka * R + L * S mоd(P)

передаёт подписанное сообщение

[ M, R, S ]

получатель проверяет правильность подписи

A M = (B R) * (R S) mоd(P)

В этой системе секретным ключом для подписывания сообщений является число X, а открытым ключом для проверки достоверности подписи число B. Процедура проверки подписи служит также и для проверки правильности расшифровывания, если сообщения шифруются.

3. Практическое применение криптологии

3.1 Цифровая подпись

3.1.1 Общие положения

При ведении деловой переписки, при заключении контрактов подпись ответственного лица является непременным атрибутом документа, преследующим несколько целей:

- Гарантирование истинности письма путем сличения подписи с имеющимся образцом;

- Гарантирование авторства документа (с юридической точки зрения)

Выполнение данных требований основывается на следующих свойствах подписи:

- подпись аутентична, то есть с ее помощью получателю документа можно доказать, что она принадлежит подписывающему;

- подпись неподделываема; то есть служит доказательством, что только тот человек, чей автограф стоит на документе, мог подписать данный документ, и никто иной.

- Подпись непереносима, то есть является частью документа и поэтому перенести ее на другой документ невозможно.

- Документ с подписью является неизменяемым.

- Подпись неоспорима.

- Любое лицо, владеющее образцом подписи может удостоверится, что документ подписан владельцем подписи.

- Развитие современных средств безбумажного документооборота, средств электронных платежей немыслимо без развития средств доказательства подлинности и целостности документа. Таким средством является электронно-цифровая подпись (ЭЦП), которая сохранила основные свойства обычной подписи.

Существует несколько методов построения ЭЦП, а именно:

- шифрование электронного документа (ЭД) на основе симметричных алгоритмов. Данная схема предусматривает наличие в системе третьего лица - арбитра, пользующегося доверием обеих сторон. Авторизацией документа в данной схеме является сам факт шифрования ЭД секретным ключом и передача его арбитру.

- Использование ассиметричных алгоритмов шифрования. Фактом подписания документа является шифрование его на секретном ключе отправителя.

- Развитием предыдущей идеи стала наиболее распространенная схема ЭЦП - шифрование окончательного результата обработки ЭД хеш-функцией при помощи ассиметричного алгоритма.

Кроме перечисленных, существуют и другие методы построения схем ЭЦП

- групповая подпись, неоспариваемая подпись, доверенная подпись и др. Появление этих разновидностей обусловлено разнообразием задач, решаемых с помощью электронных технологий передачи и обработки электронных документов.

3.1.2 Алгоритм DSA

В 1991 г. в США был опубликован проект федерального стандарта цифровой подписи - DSS (Digital Signature Standard, [DSS91], описывающий систему цифровой подписи DSA (Digital Signature Algorithm). Одним из основных критериев при создании проекта была его патентная чистота.

Предлагаемый алгоритм DSA, имеет, как и RSA, теоретико-числовой характер, и основан на криптографической системе Эль-Гамаля в варианте Шнорра. Его надежность основана на практической неразрешимости определенного частного случая задачи вычисления дискретного логарифма. Современные методы решения этой задачи имеют приблизительно ту же эффективность, что и методы решения задачи факторизации; в связи с этим предлагается использовать ключи длиной от 512 до 1024 бит с теми же характеристиками надежности, что и в системе RSA. Длина подписи в системе DSA меньше, чем в RSA, и составляет 320 бит.

С момента опубликования проект получил много критических отзывов, многие из которых были учтены при его доработке. Одним из главных аргументов против DSA является то, что, в отличие от общей задачи вычисления дискретного логарифма, ее частный случай, использованный в данной схеме, мало изучен и, возможно, имеет существенно меньшую сложность вскрытия. Кроме того, стандарт не специфицирует способ получения псевдослучайных чисел, используемых при формировании цифровой подписи, и не указывает на то, что этот элемент алгоритма является одним из самых критичных по криптографической стойкости.

Функции DSA ограничены только цифровой подписью, система принципиально не предназначена для шифрования данных. По быстродействию система DSA сравнима с RSA при формировании подписи, но существенно (в 10-40 раз) уступает ей при проверке подписи.

Генерация ЭЦП

При генерации ЭЦП используются параметры трех групп:

-общие параметры

-секретный ключ

-открытый ключ

Общие параметры необходимы для функционирования системы в целом. Секретный ключ используется для формирования ЭЦП, а открытый - для проверки ЭЦП. Общими параметрами системы являются простые целые числа p,q,g, удовлетворяющие следующим условиям:

p: 2^511<p<2^512

q: простой делитель числа (p-1), который удовлетворяет условию

2^159<q<2^160

g: так называемый генератор, удовлетворяющий

равенству g=h^((p-1)/q)mod p >1.

Параметры p,q,g публикуются для всех участников обмена ЭД с ЭЦП.

Секретный ключ x случайно выбирается из диапазона [1,q] и держится в секрете.

Открытый ключ вычисляется:

y=g^x mod p.

Также при описании данной схемы будут использоваться следующие обозначения и дополнительные параметры: m - входное сообщение пользователя для схемы с ЭЦП; k - случайное число, удовлетворяющее условию 0<k<q, хранящееся в секрете и меняющееся от одной подписи к другой; H - хэш-функция, h - хэш-код сообщения.

Процесс генерации ЭЦП состоит из нескольких этапов:

1. Вычисляется хэш-код сообщения m h=H(m)

2. Из диапазона [1,q] случайным образом выбирается значение k и вычисляется

r= (g^k mod p) mod q

3. Вычисляется

S= (k^-1(h+xr)) mod q,

где k^-1 удовлетворяет условию

(k^-1*k) mod q =1

Значения r,s являются ЭЦП сообщения m и передаются вместе с ним по каналам связи.

Проверка ЭЦП

Пусть принято сообщение m1 и его подпись s1,r1.

Проверка ЭЦП происходит следующим образом:

- проверяется выполнение условий 0<r1<q, 0<s1<q, и если хотя бы одно из них нарушено, подпись отвергается.

- Вычисляются значения:

w= s1^-1 mod q

u1 = (H(m1)w) mod q

u2 = ((r1/w) mod q

v = ((g^u1y^u2) mod p) mod q

- проверяется равенство v = r1

Если последнее равенство выполняется, то подпись принимается. В данном стандарте специфицируется также процедура генерации основных параметров системы и проводится доказательство того, что если v=r1, то m1=m, r1=r, s1=s.

3.2 Алгоритм DES

Принятие стандарта шифрования DES явилось мощным толчком к широкому применению шифрования в коммерческих системах. Введение этого стандарта - отличный пример унификации и стандартизации средств защиты.

Примером системного подхода к созданию единой крупномасштабной системы защиты информации является директива Министерства финансов США 1984 года, согласно которой все общественные и частные организации, ведущие дела с правительством США, обязаны внедрить процедуру шифрования DES; крупнейшие банки Citibank,Chase Manhattan Bank, Manufaktures Hannover Trust, Bank of America, Security Pacific Bank также внедрили эту систему.

Министерство энергетики США располагает более чем 30 действующими сетями, в которых используется алгоритм DES, Министерство юстиции устанавливает 20000 радиоустройств, располагающих средствами защиты на базе DES.

Стандартизация в последнее время приобретает международный характер, подтверждение тому - международный стандарт 1987 года ISO 8372, разработанный на основе криптоалгоритма DES.

В качестве стандартной аппаратуры шифрования можно назвать устройство Cidex-НХ, базирующееся на алгоритме DES; скорость шифрования - от 56 Кбит/с до 7 Мбит/с. Серийно выпускается автономный шифровальный блок DES 2000, в нем также используется процедура шифрования DES; скорость шифрования - от 38,4 Кбит/с до 110 Кбит/с. В различных секторах коммерческой деятельности используется процессор шифрования/дешифрования данных FACOM 2151А на основе алгоритма DES; скорость - от 2,4 Кбит/с до 19,2 Кбит/с.

С распространением персональных компьютеров наиболее эффективными для них стали программные средства защиты. Так, разработан пакет программ для шифрования/дешифрования информации СТА (Computer Intelligence Access), реализующий алгоритм DES. Этот же алгоритм использован в пакете SecretDisk (C F Systems) для исключения несанкционированного доступа к дискам.

Таким образом, алгоритм DES представляет собой основной механизм, применявшийся частными и государственными учреждениями США для защиты информации.

В то же время Агентство национальной безопасности, выступающее как эксперт по криптографическим алгоритмам, разрабатывает новые алгоритмы шифрования данных для массового использования.

В 1987 году Национальное бюро стандартов после обсуждения подтвердило действие DES; его пересмотр намечалось провести не позднее января 1992 года, и на сегодняшний день действие DES ограничивается исключительно коммерческими системами.

4. Постановка задачи

Разработать программу, шифрующую и дешифрующую введенный пользователем текст. Обеспечить ввод и вывод информации с помощью файлов. Обеспечить достаточную криптоустойчивость шифра.

4.1 Краткая характеристика среды Delphi 7

Среда программирования Delphi 7 позволяет реализовать поставленную задачу со всеми необходимыми требованиями. В среде используется язык Object Pascal. Delphi 7 является объектно-ориентированной средой, что упрощает создание единообразного интерфейса и ввод-вывод информации из файла.

4.2 Алгоритм решения задачи

Программа представляет собой шифровщик и дешифровщик одновременно.

Используется метод симметрического кодирования, то есть кодирование и декодирование осуществляется с помощью одного ключа. Для обеспечения криптоустойчивости необходим длинный ключ. Пользователь вводит 30-символьный код. Блоками по 10 цифр. Из них генерируется код следующим образом:

Берутся первые цифры из 1-го, 2-го,3-го блоков, и в зависимости от 3-го блока над ними производятся операции сложения или умножения. Затем берется следующая цифра 3-го блока, после полного завершения цикла по 3-му блоку берется следующая цифра из второго блока и т.д. Гаммирование завершается после прохождения по циклу последней цифры 1-го блока. Результатом является код состоящий из 1000 независимых, неповторяющихся и незакономерных цифр. Шифр возможно вскрыть только полным перебором, что обеспечивает достаточную криптоустойчивость.

4.2.1 Модули программы

Программа имеет несколько стандартных основных модулей: вызов справки, сохранение в файл, открытие файла, генерация произвольного ключа, проверка пароля, которые не будут упоминаться в дальнейшем.

Опишем лишь модули отвечающие непосредственно за шифрование.

4.2.2 Модуль шифровки/дешифровки

s1:=memo1.Text;

k:=length(s);

k1:=length(s1);

k3:=length(s3);

k5:=length(s5);

m:=1;

m3:=1; m5:=1;

for i:=1 to k1 do

begin

q:=false;

i5:=strtoint(s[m]);

i2:=strtoint(s3[m3]);

i3:=strtoint(s5[m5]);

i1:=kod(i5,i2,i3);

if i1=0 then i1:=10;

case s1[i] of

'a'..'z':begin c1:=perevod(s1[i],i1,96,122); q:=true; end;

'A'..'Z':begin c1:=perevod(s1[i],i1,64,90); q:=true; end;

'А'..'Я':begin c1:=perevod(s1[i],i1,191,223); q:=true; end;

'а'..'я':begin c1:=perevod(s1[i],i1,223,255); q:=true; end;

end;

if q=true then

begin

{if ord(s1[i])+i1>255 then }

s2:=s2+c1;

{ else

s2:=s2+chr(ord(s1[i])+i1);}

end

else s2:=s2+s1[i];

q1:=false;

if m5=k5 then begin m5:=1; q1:=true; end

else inc(m5);

q2:=false;

if (q1=true) then

begin

inc(m3);

end;

if m3>=k3 then begin m3:=1; q2:=true end;

if (q2=true) then m:=m+1;

if m>=k then m:=1;

end;

{delete(s2,k1-1,2)}

memo2.Text:=s2;

4.2.3 Процедура кодирования символа

begin

if abs(i1)>y-x+1 then

repeat

i1:=i1 mod (y-x+1);

until i1<(y-x+1);

if ord(c)+i1>y then

perevod:=chr(x+(ord(c)+i1-y))

else

perevod:=chr(ord(c)+i1)

end;

4.3 Таблица сообщений

В ходе работы пользователь может получить сообщение:

"Пароль не подтвержден"- следует убедиться в правильности пароля в дублирующих и основных полях.

Заключение

Итак, итогом работы является симметрическая криптосистема, работающая на методе гаммирования. Обоснованный выбор той или иной системы защиты должен опираться на какие-то критерии эффективности. К сожалению, до сих пор не разработаны подходящие методики оценки эффективности криптографических систем.

Наиболее простой критерий такой эффективности - вероятность раскрытия ключа или мощность множества ключей (М). По сути это то же самое, что и кpиптостойкость. Для ее численной оценки можно использовать также и сложность раскрытия шифра путем перебора всех ключей. Однако, этот критерий не учитывает других важных требований к криптосистемам:

· невозможность раскрытия или осмысленной модификации информации на основе анализа ее структуры,

· совершенство используемых протоколов защиты,

· минимальный объем используемой ключевой информации,

· минимальная сложность реализации (в количестве машинных операций), ее стоимость,

· высокая оперативность.

В любом случае выбранный комплекс кpиптогpафических методов должен сочетать как удобство, гибкость и оперативность использования, так и надежную защиту от злоумышленников циркулирующей в ИС информации. Поэтому на настоящий момент наиболее оптимальны смешанные криптосиситемы, в которых текст кодируется симметрически, а ключ кодируется ассиметрически и помещается вместе с кодированным текстом.

Список литературы

1. Петров А.А

Компьютерная безопасность. Криптографические методы защиты. ДМК

Москва, 2000 г.

2. "Методы и средства защиты информации" (курс лекций)

Авторские права: Беляев А.В.

(http://www.citforum.ru/internet/infsecure/index.shtml)

3. Криптография

(http://www.citforum.ru/internet/securities/crypto.shtml)

4. Бобровский С. Delphi 7. Учебный курс. Из-во Питер, 2004г.

Размещено на Allbest.ru