На протяжении всей своей истории человек испытывал потребность в шифровке той или иной информации. Неудивительно, что из этой потребности выросла целая наука - криптография. И если раньше криптография по большей части служила исключительно государственным интересам, то с приходом интернета ее методы стали достоянием частных лиц и широко используются хакерами, борцами за свободу информации и любыми лицами, желающими в той или иной степени зашифровать свои данные в сети.

FURFUR начинает серию статей о криптографии и методах ее использования. Первый материал - вводный: история вопроса и базовые термины.

Формально криптография (с греческого - «тайнопись») определяется как наука, обеспечивающая секретность сообщения. Пионером, написавшим первый научный труд о криптографии, считается Эней Тактик, завершивший свой земной путь задолго до Рождества Христова. Свои данные пытались шифровать еще Индия и Месопотамия, но первые надежные системы защиты были разработаны в Китае. Писцы Древнего Египта часто использовали изощренные способы письма, чтобы привлечь внимание к своим текстам. Чаще всего шифровка информации использовалась в военных целях: широко известен шифр «Скитала», примененный Спартой против Афин в V веке до н. э.

Криптография активно развивалась в Средние века, шифровками пользовались многочисленные дипломаты и купцы. Одним из самых известных шифров Средних веков называют кодекс Copiale - изящно оформленную рукопись с водяными знаками, не расшифрованную до сих пор. Эпоха Возрождения стала золотым веком криптографии: ее изучением занимался Фрэнсис Бэкон, описавший семь методов скрытого текста. Он же предложил двоичный способ шифрования, аналогичный использующемуся в компьютерных программах в наше время. Значительное влияние на развитие криптографии оказало появление телеграфа: сам факт передачи данных перестал быть секретным, что заставило отправителей сосредоточиться на шифровке данных.

Во время Первой мировой войны криптография стала признанным боевым инструментом. Разгаданные сообщения противников вели к ошеломляющим результатам. Перехват телеграммы немецкого посла Артура Циммермана американскими спецслужбами привел к вступлению США в боевые действия на стороне союзников.

Вторая мировая война послужила своеобразным катализатором развития компьютерных систем - через криптографию. Использованные шифровальные машины (немецкая «Энигма», английская «Бомба Тьюринга») ясно показали жизненную важность информационного контроля. В послевоенное время правительства многих стран наложили мораторий на использование криптографии. Ключевые работы публиковались исключительно в виде секретных докладов - таких, как, например книга Клода Шеннона «Теория связи в секретных системах», подходящая к криптографии как к новой математической науке.

Правительственная монополия рухнула только в 1967 году с выходом книги Дэвида Кана «Взломщики кодов». Книга подробно рассматривала всю историю криптографии и криптоанализа. После ее публикации в открытой печати стали появляться и другие работы по криптографии. В это же время сформировался современный подход к науке, четко определились основные требования к зашифрованной информации: конфиденциальность, неотслеживаемость и целостность. Криптография была разделена на две взаимодействующие части: криптосинтез и криптоанализ. То есть криптографы обеспечивают информации защиту, а криптоаналитики, напротив, ищут пути взлома системы.

Wehrmacht Enigma («Энигма»)

Шифровальная машина Третьего рейха. Код, созданный при помощи «Энигмы»,
считается одним из сильнейших из использованных во Второй мировой.

Turing Bombe («Бомба Тьюринга»)

Разработанный под руководством Алана Тьюринга дешифратор. Его использование
позволило союзникам расколоть казавшийся монолитным код «Энигмы».

Cовременные методы использования криптографии

Появление доступного интернета перевело криптографию на новый уровень. Криптографические методы стали широко использоваться частными лицами в электронных коммерческих операциях, телекоммуникациях и многих других средах. Первая получила особенную популярность и привела к появлению новой, не контролируемой государством валюты - биткойна.

Многие энтузиасты быстро смекнули, что банковский перевод - штука, конечно, удобная, однако, для покупки таких приятных в быту вещей, как оружие или «вещества», он не подходит. Не подходит он и при запущенных случаях паранойи, ибо требует от получателя и отправителя обязательной аутентификации.

Аналоговую систему расчета предложил один из «шифропанков», о которых речь пойдет ниже, молодой программист Вэй Дай. Уже в 2009 году Сатоши Накамото (которого многие свято считают целой хакерской группировкой) разработал платежную систему нового типа - BitCoin. Так родилась криптовалюта. Ее транзакции не требуют посредника в виде банка или другой финансовой организации, отследить их невозможно. Сеть полностью децентрализована, биткойны не могут быть заморожены или изъяты, они полностью защищены от государственного контроля. В то же время биткойн может использоваться для оплаты любых товаров - при условии согласия продавца.

Новые электронные деньги производят сами пользователи, предоставляющие вычислительные мощности своих машин для работы всей системы BitCoin. Такой род деятельности называется майнинг (mining - добыча полезных ископаемых). Заниматься майнингом в одиночку не очень выгодно, гораздо проще воспользоваться специальными серверами - пулами. Они объединяют ресурсы нескольких участников в одну сеть, а затем распределяют полученную прибыль.

Крупнейшей площадкой купли-продажи биткойнов является японская Mt. Gox, через которую проводятся 67% транзакций в мире. Заядлые анонимы предпочитают ей российскую BTC-E: регистрация здесь не требует идентификации пользователя. Курс криптовалюты довольно-таки нестабилен и определяется только балансом спроса и предложения в мире. Предостережением новичкам может служить известная история о том, как 10 тысяч единиц, потраченых одним из пользователей на пиццу, превратились через некоторое время в 2,5 миллиона долларов.

«Главная проблема обычной валюты в том, что она требует доверия. Центральный банк требует доверия к себе и своей валюте, однако сама история фиатных денег полна примеров подрыва доверия. С появлением электронной валюты, основанной на надежной криптографии, нам больше не нужно доверять «честному дяде», деньги наши могут быть надежно сохранены, а использование их становится простым и удобным»

Сатоши Накамото, хакер

Терминология

Основными операторами являются исходное сообщение (открытый текст, plaintext) и его изменение (шифротекст, ciphertext). Дешифровкой (decryption) называется сам процесс трансформации шифротекста в текст открытый. Для начинающего криптографа важно запомнить и несколько других терминов:

АЛИСА, ЕВА И БОБ (ALICE)

Свести описание криптопротокола к математической формуле помогают определенные имена участников игры: Алиса и Боб. Противник в действующей криптосистеме обозначен как Ева (eavesdropper - подслушивающий). В редких случаях имя меняется, однако противник всегда остается женского рода.

АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОННЫХ ПЛАТЕЖЕЙ (OFF-LINE E-CASH SYSTEM)

Благодаря ей покупатель и продавец могут работать напрямую, без участия банка-эмитента. Минус этой системы заключается в дополнительной транзакции, которую совершает продавец, переводящий полученные деньги на свой банковский счет.

АНОНИМНОСТЬ (ANONYMITY)

Это понятие означает, что участники акции могут работать конфиденциально. Анонимность бывает абсолютной и отзываемой (в системах, подразумевающих участие третьего лица, арбитра). Арбитр может при определенных условиях идентифицировать любого игрока.

ПРОТИВНИК (ADVERSARY)

Нарушитель. Он стремится нарушить периметр конфиденциальности протокола. Вообще, использующие криптопротокол участники воспринимают друг друга как потенциальных противников - по умолчанию.

ЧЕСТНЫЙ УЧАСТНИК (HONEST PARTY)

Честный игрок, обладающий необходимой информацией и строго следующий протоколу системы.

ЦЕНТР ДОВЕРИЯ (AUTHORITY (TRUSTED AUTHORITY))

Своеобразный арбитр, который пользуется доверием всех участников системы. Необходим в качестве меры предосторожности, гарантирующей участникам соблюдение оговоренного протокола.

БОЛЬШОЙ БРАТ (BIG BROTHER)

Да, именно он. Действия Большого Брата не контролируются и не отслеживаются другими участниками криптопротокола. Доказать нечестную игру Большого Брата невозможно, даже если все в этом уверены.

Анонимность

Начинающие ревнители конфиденциальности сохраняют инкогнито при помощи специальных сайтов - веб-прокси. Они не требуют отдельного программного обеспечения и не забивают голову пользователя сложной настройкой. Искомый адрес юзер вводит не в браузере, а в адресной строке сайта-анонимайзера. Тот обрабатывает информацию и передает от своего имени. Заодно такой сервер получает чудесную возможность скопировать проходящие через него данные. В большинстве случаев так и происходит: информация лишней не бывает.

Продвинутые анонимы предпочитают использовать средства посерьезнее. Например, Tor (The Onion Router). Этот сервис использует целую цепочку прокси-серверов, контролировать которую практически невозможно из-за ее разветвленности. Система многослойной (на сленге - луковой) маршрутизации обеспечивает пользователям Tor высокий уровень безопасности данных. Кроме того, The Onion Router мешает анализировать проходящий через него трафик.

Шифропанк

Впервые термин прозвучал из уст известной хакерши Джуд Милхон в адрес чрезмерно увлеченных идеей анонимности программистов. Основная идея шифропанка (cypherpunk) - возможность обеспечения анонимности и безопасности в сети самими пользователями. Достигнуть этого можно посредством открытых криптографических систем, которые в большинстве своем разрабатываются активистами шифропанка. Движение имеет неявную политическую окраску, большей части участников близок криптоанархизм и многие либертарные социальные идеи. Известнейший представитель шифропанка - Джулиан Ассанж, на радость всем мировым державам основавший WikiLeaks. У шифропанков есть официальный манифест .

«Новая большая игра - это отнюдь не война за нефтепроводы... Новое всемирное сокровище - это контроль
над гигантскими потоками данных, соединяющими целые континенты и цивилизации, связывающими в единое целое коммуникацию миллиардов людей и организаций»

Джулиан Ассанж

Джулиан Ассанж

На своем портале WikiLeaks публично продемонстрировал всем желающим изнанку многих государственных структур. Коррупция, военные преступления, сверхсекретные тайны - вообще все, до чего дотянулся деятельный либертарианец, стало достоянием общественности. Помимо этого, Ассанж - создатель адской криптосистемы под названием «Отрицаемое шифрование» (Deniable encryption). Это способ компоновки зашифрованной информации, который обеспечивает возможность правдоподобного отрицания ее наличия.

Брэм Коэн

Американский программист, родом из солнечной Калифорнии. На радость всему миру придумал протокол BitTorrent, которым небезуспешно пользуются и по сей день.

Необходимость обеспечить секретность информации возникла с самых древних времен. Во многом роль средства переноса секретной информации в древние времена играл язык жрецов. На этом языке записывали сакральные знания, он был доступен только крайне малому числу людей.

Большинство ученых связывают появление криптографии с появлением письменности. Используемое в древнейших государствах клинопись, рисуночное и иероглифическое письмо было крайне сложно и требовало длительного обучения, круг грамотных лиц был весьма ограничен. Это позволяло использовать для передачи секретной информации ее письменную запись.

Некоторые из сохранившихся глиняных табличек позволяют предположить что древним был известен прием когда исходное письмо, написанное на глиняной табличке и закрепленное обжигом, покрывалось вторым слоем глины на котором писалось сообщение не содержащие секретных сведений. Подобный прием использовал строитель Александрийского маяка Сострат, который по указанию правителя Египта Птолемея Филадельфа установил в стене табличку с его именем, но сделал ее из штукатурки покрашенной под мрамор. Спустя многие годы слой штукатурки рассыпался и открыл подлинное имя автора одно из чудес света выбитое на камне. Другой подобный прием использовался при отправки писем: рабу брили наголо волосы, писали на голове послание а когда волосы отрастали, отправляли к адресату с маловажным сообщением.

Таким образом, уже в древнем мире люди использовали два основных приема используемых до сих пор:

скрытия самого факта передачи (наличия) тайного сообщения – стеганография ;

шифрования сообщения – криптография .

Первые шифры

Большинство исследователей связывают появление криптографии с появлением фонетического письма, значительно более простого и доступного большему количеству людей, чем рисуночное и иероглифическое письмо.

Древнейшим зашифрованным сообщением, сохранившимся до наших дней, является история жизни египетского сановника, записанная его писцом на стенах гробницы в городе Менет-Хуфу примерно в 1900 году до нашей эры. Примененная писцом система основывалась на изменении начертания отдельных иероглифов. Фактически она не была тайнописью в полном понимании этого слова. По египетским верованиям, тот, кто читал надписи на гробнице, способствовал загробной жизни человека. Фактически это была головоломка, требующая больше времени, заставляющая задуматься и взывающая желание разгадать скрытый смысл.

Криптография в государствах Азии

Сведения о способах шифрования применявшихся в государствах Азии в нашей литературе встречаются не часто.

В Индии, стране с древней высокоразвитой цивилизацией, люди с незапамятных времен пользовались несколькими разновидностями тайнописи. В древнеиндийском трактате об искусстве управлять государством, написанном примерно в 300 году до н. э., говорится о использовании тайнописи для служебной переписки служб безопасности, дипломатии. Кроме того упоминается о необходимости вскрытия чужих зашифрованных писем с целью получения конфиденциальной информации как частных лиц, так и секретов других государств.

Введение

«Сограждане!» - начал он взволнованным голосом, но так как речь его была секретная, то весьма естественно, что никто ее не слыхал.
М. Салтыков – Щедрин
История человеческой цивилизации стала также историей создания систем безопасной передачи информации. Искусство шифрования и тайной передачи информации было присуще практически всем государствам.
Криптография в прошлом использовалась лишь в военных целях. Однако сейчас, по мере образования информационного общества, криптография становится одним из основных инструментов, обеспечивающих доверие, авторизацию, электронные платежи, корпоративную безопасность и бесчисленное множество других важных вещей.
Криптографические методы могут применяться для решений следующих проблем безопасности:
- конфиденциальности передаваемых, хранимых данных
- аутентификации
- целостности хранимых и передаваемых данных
- обеспечения подлинности документов.
Базовых методов преобразования информации, которыми располагает криптография немного, среди них:
- шифрование (симметричное и несимметричное)
- генерация электронной цифровой подписи
- генерация последовательности псевдослучайных чисел
Проблема защиты информации путем ее преобразования, исключающего ее прочтение посторонним лицом, волновала человеческий ум с давних времен.
История криптографии - ровесница истории человеческого языка. Более того, первоначально письменность сама по себе была своеобразной криптографической системой, так как в древних обществах ею владели только избранные. Священные книги древнего Египта и древней Индии тому примеры.
Историю криптографии условно можно разделить на 4 этапа.
1. Наивная криптография
2. Формальная криптография
3. Научная криптография
4. Компьютерная криптография
Для наивной криптографии (до нач. XVI века) характерно использование любых способов запутывания противника относительно содержания шифруемых текстов.
Этап формальной криптографии (кон. XV века - нач. XX века) связан с появлением формализованных и относительно стойких к ручному криптоанализу шифров. Данный шифр состоит в последовательном «сложении» букв исходного текста с ключом.
К началу 30-х годов окончательно сформировались разделы математики, являющиеся научной основой криптологии: теория вероятностей и математическая статистика, общая алгебра, теория чисел, начали активно развиваться теория алгоритмов, теория информации, кибернетика. Своеобразным вводоразделом стала работа Клода Шеннона «Теория связи в секретных системах», где сформулированы теоретические принципы криптографической защиты информации. Шеннон ввел понятия «рассеивание» и «перемешивание», обосновал возможность создания сколь угодно стойких криптосистем.
Компьютерная криптография (с 70-х годов XX века) обязана своим появлением вычислительным средствам с производительностью, достаточной для реализации криптосистем.

В 70-е годы был разработан американский стандарт шифрования DES, принятый в 1978 году, его автор Хорст Фейстел описал модель блочных шифров, на основе которой были построены другие, более стойкие симметричные криптосистемы.
В середине 70-х годов произошел прорыв в современной криптографии - появление асимметричных криптосистем, которые не требовали передачи секретного ключа между сторонами.
В 80-90-е годы появились совершенно новые направления криптографии: вероятностное шифрование, квантовая криптография и другие. Также в эти годы были разработаны нефейстеловские шифры (SAFER, RC6) , а в 2000 году после открытого международного конкурса был принят новый национальный стандарт шифрования США - AES.

История развития криптографии
История криптографии насчитывает не одно тысячелетие. Уже в исторических документах древних цивилизаций – Индии, Египте, Китае, Месопотамии – имеются сведенья о системах и способах составления шифрованного письма. Первые системы шифрования появились одновременно с письменностью в четвёртом тысячелетии до нашей эры.
В древнеиндийских рукописях приводится более шестидесяти способов письма, среди которых есть и такие, которые можно рассматривать как криптографические. Имеется описание системы замены гласных букв согласными, и наоборот.
Развитию криптографии способствовал переход от идеографического письма, основанного на использовании огромного числа иероглифов, к фонетическому письму. Упрощение письма стимулировало развитие криптографии.
В Спарте в 5-6 вв. до н.э. использовалось одно из первых шифровальных приспособлений – Сцитала. Другим шифровальным приспособлением времён Спарты была табличка Энея.
Со времён Ю. Цезаря до 15 века шифровальное дело претерпело много изменений, однако нам мало известно о методах и системах шифрования, применяемых в этот период времени.
В эпоху Возрождения в итальянских городах- государствах активно развивается криптография. Нередко учёные зашифровывали научные гипотезы, чтобы не прослыть еретиками и не подвергнуться преследованиям инквизиции.
Научные методы в криптографии впервые появились в арабских странах. Арабского происхождения и само слово шифр. Первая книга, специально посвящённая описанию некоторых шифров, появилась в 855г., она называлась «Книга о большом стремлении человека разгадать загадки древней письменности».
В 14 веке появилась книга о системах тайнописи, написанная сотрудником тайной канцелярии Папы Римского Чикко Симонетти. В этой книге приводятся шифры замены, в которых гласным буквам соответствуют несколько значковых выражений.
Значительный шаг вперёд криптография сделан, благодаря труду Леона Альберти, который в 1466 году написал труд о шифрах. В этой работе был предложен шифр, основанный на использовании шифровального диска.
Многоалфавитные шифры получили развитие в вышедшей в 1518 г. первой печатной книге по криптографии под названием "Полиграфия". Автором книги был один из самых знаменитых ученых того времени аббат Иоганнес Тритемий. В этой книге впервые в криптографии появляется квадратная таблица.
В 1553 г. Джованни Баттиста Белазо предложил использовать для многоалфавитного шифра буквенный, легко запоминаемый ключ, который он назвал паролем. Паролем могло служить слово или фраза.
В то время в Европе получили широкое распространение шифры, называемые номенклаторами, объединявшие в себе простую замену и код. В простейших номенклаторах код состоял из нескольких десятков слов или фраз с двухбуквенными кодовыми обозначениями. Со временем списки заменяемых слов в номенклаторах увеличились до двух или трех тысяч эквивалентов слогов и слов.
Кстати, несколько слов о русской криптографии. Уже с XIV в. в Новгороде существовала техника тайного письма. Использовались в основном шифры простой замены. Благодаря привлечению Петром I для разработки проектов развития образования и государственного устройства России знаменитого Готфрида Вильгельма Лейбница, который известен и как криптограф, в Петербурге появилась цифирная палата, задачами которой было развитие и использование систем шифрования.
В годы жизни Галилео Галилея существовал обычай закреплять за собой право на первенство в каком-либо открытии своеобразным способом. Напав на открытие, которое нуждается в дальнейшем подтверждении, ученый из опасения, чтобы его не опередили другие, прибегал к помощи анаграммы (перестановке букв); он кратко объявлял о сущности своего открытия в форме анаграммы, истинный смысл которой был известен лишь ему одному. Когда же он окончательно убеждался в правильности первоначальной догадки, он раскрывал секрет анаграммы.
Много новых идей в криптографии принес XIX в. Изобретение в середине XIX в. телеграфа и других технических видов связи дало новый толчок развитию криптографии. Информация передавалась в виде токовых и бестоковых посылок, то есть представлялась в двоичном виде. Поэтому возникла проблема «рационального» представления информации, которая решалась с помощью кодов. Коды позволяли передать длинное слово или целую фразу двумя-тремя знаками. Появилась потребность в высокоскоростных способах шифрования и в корректирующих кодах, необходимых в связи с неизбежными ошибками при передаче сообщений.
В 1817 г. американец Десиус Уодсворт сконструировал шифровальное устройство, которое внесло новый принцип в криптографию.
Еще одним известным криптографом того времени был голландец Керкгоффс. Он в возрасте 47 лет написал книгу "Военная криптография". В ней сформулированы 6 конкретных требований к шифрам, два из которых относятся к стойкости шифрования, а остальные - к эксплуатационным качествам. Одно из них стало называться «правилом Керкгоффса». Суть этого правила состоит в том, что надежность шифра определяется лишь секретностью ключа.
XX в. «прославился» двумя мировыми войнами. Эти войны оставили свой отпечаток на всех процессах, происходивших в человеческом обществе. Они не могли не сказаться и на развитии криптографии.
В период первой мировой войны широко использовались ручные шифры, в первую очередь шифры перестановки с различными усложнениями. Это были вертикальные перестановки, усложненные перекодировкой исходного алфавита, а также двойные вертикальные перестановки.
Первая мировая война явилась поворотным пунктом в истории криптографии: если до войны криптография представляла собой достаточно узкую область, то после войны она стала широким полем деятельности. Причина этого состояла в необычайном росте объема шифрпереписки. Криптоанализ стал важнейшим элементом разведки.
Прогресс этой области криптографии характеризовался и изменениями в самом криптоанализе.
Характер используемых шифров потребовал для их вскрытия скрупулезного анализа переписки, поиска ситуаций, благоприятствующих успешному криптоанализу, знания соответствующей обстановки. В тот период проявились таланты целого ряда ставших впоследствии известными криптографов. В их числе был Г. О. Ярдли, который убедил военное министерство в необходимости создания криптографической службы. Позже он был назначен начальником криптографического отдела (MI-8) разведки военного министерства. При отделе было создано учебное отделение по подготовке криптоаналитиков для американской армии. В 1919 г. отдел был преобразован в "черный кабинет" с совместным финансированием. Одной из главных задач "черного кабинета" было раскрытие японских кодов. В период с 1917 по 1929 г. специалистам "черного кабинета" удалось дешифровать более 45 тысяч криптограмм различных стран.
Значительный успех в криптографии связан с еще одним
американцем - Г. Вернамом. В 1917 г. он, будучи сотрудником телеграфной компании, предложил идею автоматического
шифрования телеграфных сообщений. Речь шла о своеобразном наложении гаммы на знаки алфавита, представленные в
соответствии с телетайпным кодом Бодо пятизначными "импульсными комбинациями". Несмотря на то, что шифр Вернама обладал целым рядом достоинств, он не получил широкого распространения.
В 1921 г. Хеберн основал первую в США компанию по производству шифрмашин, которую через десять лет ждал бесславный конец, связанный с финансовыми трудностями. Самой знаменитой из шифромашин была "Энигма". В 1923 г. "Энигма" выставлялась на конгрессе международного почтового союза.
Среди заметных фигур в криптографии первой половины XX в. выделяется У. Фридман, получивший серьезные теоретические результаты в криптоанализе и ставший известным благодаря своим заслугам по вскрытию военных шифров Японии и Германии.
В 1915 г. У. Фридман был принят на работу к Д. Фабиану в поместье Ривербэнк специалистом по генетике. Вскоре он увлекся криптографией и проявил себя в этом деле.
Через некоторое время У. Фридман уже возглавлял в Ривербэнкских лабораториях два отдела - генетики и шифров.
Наибольший интерес с точки зрения современной криптографии представляют лекции У. Фридмана «Методы раскрытия шифров с длинной связной гаммой» и «Индекс совпадения и его применения в криптографии» эти работы являются серьезным вкладом в теоретическую криптографию. В 1929 г. он стал широко известен как один из ведущих криптографов мира, после его статьи «О кодах и шифрах».
Выдающиеся результаты в применении математических методов в криптографии принадлежат Клоду Шеннону. В 1940 г. он получил степень доктора по математике, в течение года обучался в Принстонском институте усовершенствования, после чего был принят на службу в лабораторию компании «Bell Telephone».
К 1944 г. К. Шеннон завершил разработку теории секретной связи. В 1945 г. им был подготовлен секретный доклад «Математическая теория криптографии», который был рассекречен в 1949 г. и издан.
Разработанные К. Шенноном концепции теоретической и практической секретности позволяют количественно оценивать криптографические качества шифров и пытаться строить идеальные или совершенные шифры. Моделируется также и язык открытых сообщений.
К. Шеннону удалось решить фундаментальные проблемы в теоретической криптографии. Его работы стимулировали бурный рост научных исследований по теории информации и криптографии.
Следующая страница в истории криптографии XX в. посвящена телефонным шифраторам, которые были разработаны в 30-х годах и стали широко использоваться во время второй мировой войны. В России разработка телефонного шифратора велась под руководством В.А.Котельникова.
Ему принадлежит знаменитая теорема дискретизации (или теорема отсчетов), лежащая в основе теории цифровой обработки сигналов.
Согласно, идея телефонного шифратора была запатентована Д. Х. Роджерсом еще в 1881 г., спустя пять лет после изобретения Беллом телефона.
Идея состояла в передаче телефонного сообщения по нескольким цепям поочередными импульсами в некоторой быстро изменяющейся последовательности.
Предлагалось разнести такие линии на значительное расстояние друг от друга с тем, чтобы устранить возможность подключения сразу ко всем одновременно. В более поздних разработках предлагались различные преобразования непосредственно самой речи. Звуки речи преобразуются телефоном в непрерывный электрический сигнал, который с помощью соответствующих устройств изменяется шифратором по законам электричества. К числу возможных изменений относятся: инверсия, смещение, или деление диапазона частот, шумовые маскировки, временные перестановки частей сигнала, а также различные комбинации перечисленных преобразований. Естественно, каждое из указанных преобразований производится под управлением ключа, который имеется у отправителя и получателя.
В США первый телефонный шифратор, под названием A3, был принят в эксплуатацию в 1937 г. Именно он доставил президенту Рузвельту известие о начале второй мировой войны. A3 осуществлял инверсию и перестановку 5 поддиапазонов частот. Из 3840 возможных комбинаций фактически использовались лишь 6, которые менялись 36 раз за каждые 20 секунд.
Слабость используемой криптографии компенсировалась регулярным изменением частот передачи.
В настоящее время аналоговая телефония уступает место цифровой телефонии. Тем самым и многие технические проблемы, связанные с криптографическими преобразованиями аналоговых сигналов, отпадают за ненадобностью.
Во второй половине XX в., вслед за развитием элементной базы вычислительной техники, появились электронные шифраторы, разработка которых потребовала серьезных теоретических исследований во многих областях прикладной и фундаментальной математики, в первую очередь алгебре, теории вероятностей и математической статистике. Сегодня именно электронные шифраторы составляют подавляющую долю средств шифрования. Они удовлетворяют все возрастающим требованиям по надежности и скорости шифрования.

Прогресс в развитии вычислительной техники сделал возможными программные реализации криптографических алгоритмов, которые все увереннее вытесняют во многих сферах традиционные аппаратные средства.
В семидесятых годах произошло два события, серьезно повлиявших на дальнейшее развитие криптографии. Во-первых, был принят первый стандарт шифрования данных (DES), "легализовавший" принцип Керкгоффса в криптографии. Во-вторых, после работы американских математиков У. Диффи и М. Хеллмана родилась «новая криптография»- криптография с открытым ключом. Криптография стала широко востребоваться не только в военной, дипломатической, государственной сферах, но также в коммерческой, банковской и других сферах.
Вслед за идеей Диффи и Хеллмана появилась шифрсистема RSA с открытым ключом. Такая система была предложена в 1978 г. Райвестом, Шамиром и Адлеманом. Наряду с идеей открытого шифрования Диффи и Хеллман предложили идею открытого распределения ключей, позволяющую избавиться от защищенного канала связи при рассылке криптографических ключей.

Заключение
Появление в середине двадцатого столетия первых электронно-вычислительных машин кардинально изменило ситуацию в области шифрования. С проникновением компьютеров в различные сферы жизни возникла принципиально новая отрасль - информационная индустрия.
Проблема обеспечения необходимого уровня защиты информации оказалась весьма сложной, требующей для своего решения не просто осуществления некоторой совокупности научных, научно-технических и организационных мероприятий и применения специфических средств и методов, а создания целостной системы организационных мероприятий и применения специфических средств и методов по защите информации.
Объем циркулирующей в обществе информации стабильно возрастает. На пороге нового тысячелетия человечес
и т.д.................

В ходе эволюции человек учился защищаться от холода, голода, диких зверей и капризов погоды. На каком-то из этапов своего развития он понял важность своевременного получения достоверной и правильно отобранной информации. И, наконец, осознал необходимость информацию эту защищать.

В условиях соперничества (военного, научного или коммерческого - не важно) знания существуют в двух формах - «у меня и у моего врага». И для того чтобы победить или хотя бы выжить, первую форму желательно довести до максимума, а вторую - до минимума. Защищая свою информацию, мы стремимся сохранить в тайне имеющийся у нас запас знаний, а рассекречивая чужую - увеличить этот запас за счет конкурентов.

История защиты информации начинается, по всей вероятности, где-то в то время, когда люди начали учиться общаться при помощи переписки. Естественно, им потребовались способы обеспечить ее секретность. Точных дат и достоверных данных о тайнописи в древности никто не приводит.

Известно, например, что в Древней Греции голову раба брили, писали на его голове, ждали, когда волосы вновь вырастут, после чего отправляли с поручением к адресату. Что и говорить, время было такое - расстояния большие, скорости малые, плюс-минус два месяца роли не играли.

Знатокам поэзии хорошо известен такой довольно широко используемый в то время прием тайнописи, как акростих, в котором скрываемое сообщение образуют начальные буквы стихотворных строк.

Для создания скрытого сообщения можно применять специальные технические средства (передать в конкретную точку пространства по радиоканалу остронаправленным лучом, предельно сжать информацию и передать в мгновенном импульсе, написать бесцветными чернилами, проявляющимися лишь после некоторого физического или химического воздействия). Кто из нас не читал, как в царских застенках революционеры писали письма молоком …

Все вышеперечисленные и подобные им способы защиты информации относят к стеганографическим или симпатическим, при которых сама информация остается неизменной, ее стараются сделать невидимой и тем самым скрыть факт ее передачи.

Стеганогра́фия (от греч. στεγανός - скрытый + γράφω - пишу; буквально «тайнопись» ) - это наука о скрытой передаче информации путём сохранения в тайне самого факта передачи.

Симпати́ческие (невидимые) черни́ла - это чернила, записи которыми являются изначально невидимыми и становятся видимыми только при определенных условиях (нагрев, освещение, химический проявитель и т. д.)

Методы эти развивались и усложнялись вместе с ходом технического прогресса. Вершиной развития этих методов можно считать, вероятно, технологию создания сверхминиатюрных фотографий - так называемых микроточек, - которая появилась после Второй мировой войны. Такая микроточка размером с точку печатного текста могла содержать сотни документов, и найти ее в книге, журнале или газете было ненамного проще, чем иголку в стоге сена. Современная микросхемотехника сверхбольшой интеграции позволяет записать текст так мелко, что без электронного микроскопа прочесть его будет невозможно. Широкое распространение компьютеров позволяет применять другие способы сокрытия информации. Например, «нестандартное» форматирование дисков, запись на технические дорожки, замешивание информации в большие объемы данных и т. д.

Однако явным недостатком симпатических методов является то, что скрытность созданных с их помощью сообщений обеспечивается лишь на данном этапе развития техники. Любой способ создания симпатического текста будет вскоре разрушен. А что за секретность без гарантии стойкости?

Интересно, что в глубокой древности тайнопись считалась одним из 64-х искусств, которым следует владеть как мужчинам, так и женщинам. Сведения о способах шифрованного письма можно обнаружить уже в документах древних цивилизаций Индии, Египта, Месопотамии. Среди самых простых - иероглифическое письмо, написание знаков не по порядку, а вразброс по некоторому правилу.

Первое исторически достоверное применение технических средств шифровки приписывается древним грекам и датируется примерно V–VI веками до нашей эры. Таким техническим средством был специальный брусок, называемый «скитала»(сцитала). Его оборачивали узкой полоской бумаги и писали сообщение вдоль бруска. Затем полоску снимали и отправляли адресату. Предполагалось, что прочесть сообщение, не зная толщины бруска - которая служила здесь ключом шифрования - было невозможно.

Кроме того, Эней в работе «Об обороне укрепленных мест» описывает так называемый «книжный шифр» и способ перестановки букв в тексте по специальной таблице.

Известна также система шифрования под названием «квадрат Полибия», в которой каждая буква заменяется парой чисел - ее координатами в квадрате 5x5, куда предварительно в заранее заданном порядке вписаны буквы алфавита.

Уже тогда шифрованная переписка использовалась не только полководцами, но и церковью, и учеными. Жрецы шифровали тексты прорицателей, а ученые - свои открытия. Например, у Эдуарда Шюре в книге «Великие посвященные» встречается фраза о том, что «с великим трудом и большой ценой добыл Платон один из манускриптов Пифагора, который никогда не записывал свое учение иначе, как тайными знаками и под различными символами».

Классический пример с шифром Цезаря описан во всех учебниках по криптографии: не доверяя гонцам, Юлий Цезарь шифровал свои депеши, используя способ, который впоследствии получит название шифра прямой замены . В своих письмах он заменял каждую A на D, каждую B на E, и т. д. И его послание мог дешифровать только тот, кто знал правило «смещения на 3».

Словом, к началу нашей эры люди знали о криптографии довольно много и использовали ее достаточно широко. Последующие 19 веков были потрачены на изобретение более или менее хитроумных способов шифрования, надежность которых во многом была призрачной и зависела, главным образом, от того, насколько им доверяли те, кто ими пользовался.

Довольно мало сведений о применяемых шифрах можно найти до эпохи Возрождения. Известен ряд значковых шифров, при котором буквы открытого текста заменяются специальными знаками (помните «танцующих человечков» Конана Дойля?). Таким является шифр Карла Великого, применявшийся в IX веке нашей эры.

Период расцвета арабских государств (VIII век н. э.) - поистине эпоха великих открытий в области криптографии. Не зря ведь слово «шифр», как и слово «цифра», имеет арабские корни. В появившейся в 855 году арабской «Книге о стремлении человека разгадать загадки древней письменности» описываются различные системы защиты информации, в том числе и несколько классических шифралфавитов. Один такой шифралфавит, называвшийся «дауди» (по имени израильского царя Давида), использовался для шифрования трактатов по черной магии. Он был составлен из видоизмененных букв древнееврейского алфавита.

Следующие сведения о криптографии также относятся к арабскому миру. В 1412 году на свет появляется произведение Шехаба Калкашанди - 14-томная «Энциклопедия всех наук», содержащая и сведения о методах засекречивания переписки. Раздел под общим заголовком «Относительно сокрытия в буквах тайных сообщений» состоял из двух частей: одна касалась символических действий, намеков и иносказаний, во второй описывались симпатические чернила и криптология.

Здесь не только впервые подробно рассказывалось о шифрах перестановок и шифрах замены, но и упоминался шифр, использующий несколько замен букв открытого текста. Но не этим известна книга. Все остальное затмевается первым в истории описанием криптоанализа на основе частоты появления знаков в исходном и шифрованном текстах. Автор даже приводит список букв арабского алфавита с указанием частоты их встречаемости в текстах Корана. Уже тогда частотный анализ сообщения позволял достаточно просто раскрывать шифры простой подстановки.

Криптоло́гия - наука, занимающаяся методами шифрования и дешифрования. Криптология состоит из двух частей - криптографии и криптоанализа.

Криптогра́фия - 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).

КРИПТОГРАФИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ

В течение многих лет криптография служила исключительно военным целям. Сегодня обычные пользователи получают возможность обращаться к средствам, позволяющим им обезопасить себя от несанкционированного доступа к конфиденциальной информации, применяя методы компьютерной криптографии.

В настоящем учебном пособии последовательно рассматриваются, классифицируются и анализируются основные алгоритмы шифрования, их эффективность, надежность и особенности реализации.

Вначале рассмотрены криптографические системы, приведена краткая история криптографии, введены основные понятия и определения, указаны требования к криптографическим системам, представлены сведения о криптоанализе и рассмотрена классификация методов криптографического закрытия информации.

Далее описана наиболее распространенная в настоящее время симметричная криптосистема. Приведены элементы теории, а также методы и алгоритмы шифрования. Для алгоритмов блочного шифрования представлены способы генерирования блочного ключа и режимы применения блочных шифров. Для потоковых шифров приведены методы и алгоритмы шифрования. Рассмотрены также комбинированные методы симметричного шифрования. Асимметричные алгоритмы шифрования, получающие все более широкое распространение, представлены краткими теоретическими сведениями об асимметричном шифровании, обсуждением некоторых распространенных криптосистем с асимметричным шифрованием, примерами применения асимметричных алгоритмов шифрования.

Обсуждены вопросы, относящиеся к электронной цифровой подписи, как к эффективному средству криптозащиты. Рассмотрена постановка задачи верификации сообщений с помощью электронной цифровой подписи, приведены алгоритмы электронной цифровой подписи, основанные как на симметричных, так и на асимметричных криптосистемах, представлены алгоритмы формирования функций хэширования, удовлетворяющих условиям использования в процессе аутентификации сообщений.

Представлена методика управления криптографическими ключами. Рассмотрены обычная система управления ключами, управление ключами, основанное на системах с открытым ключом, протокол обмена секретным ключом, использование сертификатов, протоколы аутентификации и анонимное распределение ключей.

В конце каждой главы приведены контрольные вопросы.

1. КРИПТОГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

1.1. История криптографии

С распространением письменности в человеческом обществе появилась потребность в обмене письмами и сообщениями, что вызвало необходимость сокрытия содержимого письменных сообщений от посторонних.

Методы сокрытия содержимого письменных сообщений можно разделить на три группы. К первой группе относятся методы маскировки или стеганографии , которые осуществляют сокрытие самого факта наличия сообщения; вторую группу составляют различные методы тайнописи или криптографии (от греческих слов ktyptos – тайный и grapho – пишу); методы третьей группы ориентированы на создание специальных технических устройств, засекречивания информации.

История криптографии – ровесница истории человеческого языка. Более того, первоначально письменность сама по себе была своеобразной криптографической системой, так как в древних обществах ею владели только избранные.

Развитию тайнописи способствовали войны. Письменные приказы и донесения обязательно шифровались, чтобы пленение курьеров не позволило противнику получить важную информацию. Например, римский император Цезарь пользовался в своей военной и личной переписке шифром, сущность которого состояла в замене каждой буквы латинского языка на следующую букву алфавита. Тогда знаменитая фраза: "VENI , VIDI , VICI " ("Пришел, увидел, победил"), которой Цезарь, известил одного из своих друзей в Риме о быстро одержанной им победе, в зашифрованном виде будет иметь следующий вид: "XFOJ , XJEJ , XJDJ ".

Практически одновременно с криптографией стал развиваться и криптоанализ – наука о раскрытии шифров (ключей) по шифртексту. В истории криптографии условно можно выделить четыре этапа: наивный, формальный, научный; компьютерный.

Для наивной криптографии (до начала XVI в.) характерно использование любых, обычно криптографии.

Большинство из используемых шифров сводились к перестановке или

моноалфавитной подстановке. Одним из первых зафиксированных примеров является шифр Цезаря, состоящий в замене каждой буквы исходного текста на другую, отстоящую от нее в алфавите на определенное число позиций.

Другой шифр, полибианский квадрат, авторство которого приписывается греческому писателю Полибию, является общей моноалфавитной подстановкой, которая проводится с помощью случайно заполненной алфавитом квадратной таблицей (для греческого алфавита размер составляет 5 × 5). Каждая буква исходного текста заменяется на букву, стоящую в квадрате снизу от нее.

Этап формальной криптографии (конец XV – начало XX вв.) связан с появлением формализованных и относительно стойких к ручному криптоанализу шифров. В европейских странах это произошло в эпоху Возрождения, когда развитие науки и торговли вызвало спрос на надежные способы защиты информации. Важная роль на этом этапе принадлежит Леону Батисте Альберти, итальянскому архитектору, который одним из первых предложил многоалфавитную подстановку.

Данный шифр, получивший имя дипломата XVI в. Блеза Вижинера, состоял в последовательном "сложении" букв исходного текста с ключом (процедуру можно облегчить с помощью специальной таблицы). Его работа "Трактат о шифре" (1466 г.) считается первой научной работой по криптологии.

Одной из первых печатных работ, в которой обобщены и сформулированы известные на тот момент алгоритмы шифрования, является труд "Полиграфия" (1508 г.) немецкого аббата Иоганна Трисемуса. Ему принадлежат два небольших, но важных открытия: способ заполнения полибианского квадрата (первые позиции заполняются с помощью легко запоминаемого ключевого слова, остальные – оставшимися буквами алфавита) и шифрование пар букв (биграмм).

Простым, но стойким способом многоалфавитной замены (подстановки биграмм) является шифр Плейфера, который был открыт в начале XIX в. Чарльзом Уитстоном. Уитстону принадлежит и важное усовершенствование – шифрование "двойным квадратом". Шифры Плейфера и Уитстона использовались вплоть до первой мировой войны, так как с трудом поддавались ручному криптоанализу.

В XIX в. голландец Керкхофф сформулировал главное требование к

криптографическим системам, которое остается актуальным и поныне: секретность шифров должна быть основана на секретности ключа, но не

алгоритма .

Наконец, последним словом в донаучной криптографии, которое обеспечило еще более высокую криптостойкость, а также позволило автоматизировать (в смысле механизировать) процесс шифрования стали роторные криптосистемы.

Одной из первых подобных систем стала изобретенная в 1790 г. Томасом Джефферсоном, будущим президентом США, механическая машина. Многоалфавитная подстановка с помощью роторной машины реализуется вариацией взаимного положения вращающихся роторов, каждый из которых осуществляет "прошитую" в нем подстановку.

Практическое распространение роторные машины получили только в начале XX в. Одной из первых практически используемых машин, стала немецкая Enigma , разработанная в 1917 г. Эдвардом Хеберном и усовершенствованная Артуром Кирхом.

Роторные машины активно использовались во время второй мировой войны. Помимо немецкой машины Enigma использовались также устройства Sigaba (США), Турех (Великобритания), Red , Orange и Purple (Япония). Роторные системы – вершина формальной криптографии, так как относительно просто реализовывали очень стойкие шифры. Успешные криптоатаки на роторные системы стали возможны только с появлением ЭВМ в начале 40-х гг.

Главная отличительная черта научной криптографии (1930 – 60-е гг.)

– появление криптосистем со строгим математическим обоснованием

криптостойкости.

К началу 30-х гг. окончательно сформировались разделы математики, являющиеся научной основой криптологии: теория вероятностей и математическая статистика, общая алгебра, теория чисел, начали активно развиваться теория алгоритмов, теория информации, кибернетика.

Своеобразным водоразделом стала работа Клода Шеннона "Теория связи в секретных системах" (1949), которая подвела научную базу под криптографию и криптоанализ. С этого времени стали говорить о КРИПТОЛОГИИ (от греческого kryptos – тайный и logos – сообщение) – науке о преобразовании информации для обеспечения ее секретности. Этап развития криптографии и криптоанализа до 1949 г. стали называть донаучной криптологией.

Шеннон ввел понятия "рассеивание" и "перемешивание", обосновал возможность создания сколь угодно стойких криптосистем.

В 1960-х гг. ведущие криптографические школы подошли к созданию

блочных шифров, еще более стойких по сравнению с роторными криптосистемами, однако допускающих практическую реализацию только в виде цифровых электронных устройств.

Компьютерная криптография (с 1970-х гг.) обязана своим появлением вычислительным средствам с производительностью, достаточной для реализации криптосистем, обеспечивающих при большой скорости шифрования на несколько порядков более высокую криптостойкость, чем "ручные" и "механические" шифры.

Первым классом криптосистем, практическое применение которых стало возможно с появлением мощных и компактных вычислительных средств, стали блочные шифры. В 70-е гг. был разработан американский стандарт шифрования DES (принят в 1978 г.). Один из его авторов, Хорст Фейстель (сотрудник IBM ), описал модель блочных шифров, на основе которой были построены другие, более стойкие симметричные криптосистемы, в том числе отечественный стандарт шифрования ГОСТ 28147–89.

С появлением DES обогатился и криптоанализ, для атак на американский алгоритм был создано несколько новых видов криптоанализа (линейный, дифференциальный и т.д.), практическая реализация которых опять же была возможна только с появлением мощных вычислительных систем. В середине 70-х гг. ХХ столетия произошел настоящий прорыв в современной криптографии – появление асимметричных криптосистем, которые не требовали передачи секретного ключа между сторонами. Здесь отправной точкой принято считать работу, опубликованную Уитфилдом Диффи и Мартином Хеллманом в 1976 г. под названием "Новые направления в современной криптографии". В ней впервые сформулированы принципы обмена шифрованной информацией без обмена секретным ключом.

Независимо к идее асимметричных криптосистем подошел Ральф Меркли. Несколькими годами позже Рон Ривест, Ади Шамир и Леонард Адлеман открыли систему RSA , первую практическую асимметричную криптосистему, стойкость которой была основана на проблеме факторизации больших простых чисел. Асимметричная криптография открыла сразу несколько новых прикладных направлений, в частности системы электронной цифровой подписи (ЭЦП) и электронных денег.

В 1980–90-е гг. появились совершенно новые направления криптографии: вероятностное шифрование, квантовая криптография и другие. Осознание их практической ценности еще впереди. Актуальной остается и задача совершенствования симметричных криптосистем. В этот же период были разработаны нефейстелевские шифры (SAFER , RC 6 и др.), а в 2000 г. после открытого международного конкурса был принят новый национальный стандарт шифрования США – AES.

Криптография является одним из наиболее мощных средств обеспечения конфиденциальности и контроля целостности информации. Во многих отношениях она занимает центральное место среди программно-технических регуляторов безопасности. Например, для портативных компьютеров, физически защитить которые крайне трудно, только криптография позволяет гарантировать конфиденциальность информации даже в случае кражи.

Подробнее об увлекательной истории криптографии можно прочитать литературе .