Что такое шифрование информации
Кодирование и Шифрование
В наш век интернет-технологий, когда мы доверяем все свои данные интернет-сервисам, нужно знать и понимать, как они их хранят и обрабатывают.
Но зачем это вообще нужно знать? Чтобы попросту не попасть в ситуацию, когда ваши личные данные, пароли от аккаунтов или банковских карт окажутся в руках мошенников. Как говорится: «Доверяй, но проверяй»
Важные аспекты в хранении данных, будь то на внешних серверах или домашнем компьютере, – это прежде всего кодирования и шифрование. Но чем они отличаются друг от друга? Давайте разбираться!
Ни для кого не секрет, что компьютер может хранить информацию, но он не может хранить её в привычной для нас форме: мы не сможем просто так написать на флешки реферат, не можем нарисовать на жестком диске картинку так, чтобы её мог распознать компьютер. Для этого информацию нужно преобразовать в язык понятный компьютеру, и именно этот процесс называется кодированием. Когда мы нажимаем на кнопку на клавиатуре мы передаем код символа, который может распознать компьютер, а не сам символ.
Определения и различия
Кодирование – процесс преобразования доступной нам информации в информацию понятную компьютерную.
Шифрование – процесс изменения информации таким образом, чтобы её смогли получить только нужные пользователи.
Шифрование применялось и задолго до создания компьютеров и информатики как таковой. Но зачем? Цели её применения можно было понять из определения, но я опишу их ещё раз более подробно. Главные цели шифрования это:
конфиденциальность – данные скрыты от посторонних
целостность – предотвращение изменения информации
идентифицируемость – возможность определить отправителя данных и невозможность их отправки без отправителя
Оценить стойкость шифра можно с помощью криптографической стойкости.
Криптографическая стойкость – это свойство шифра противостоять криптоанализу, изучению и дешифровки шифра.
Криптостойкость шифра делится на две основные системы: абсолютно стойкие системы и достаточно стойкие системы.
Абсолютно стойкие системы – системы не подверженные криптоанализу. Основные критерии абсолютно стойких систем:
Ключи должны генерироваться для каждого сообщения отдельно
Генерация ключей независима
Длина ключа должна быть не меньше длины сообщения
К сожалению, такие системы не удобны в своём использовании: появляется передача излишней информации, которая требует мощных и сложных устройств. Поэтому на деле применяются достаточно стойкие системы.
Достаточно стойкие системы – системы не могут обеспечить полную защиту данных, но гораздо удобнее абсолютно стойких. Надежность таких систем зависит от возможностей крипто аналитика:
Количества перехваченных сообщений
Времени и вычислительных способностей
А также от вычислительной сложности шифра.
Вычислительная сложность – совокупность времени работы шифрующей функции, объема входных данных и количества используемой памяти. Чем она больше, тем сложнее дешифровать шифр.
История шифрования
Шифрование берет своё начало ещё из древних времен. Примерно 1300 лет до нашей эры был создан один из первых методов шифрования – Атбаш. Принцип шифрования заключается в простой подставке символов по формуле:
, где:
n – количество символов в алфавите
i – порядковый номер символа.
С тех самых пор шифрование активно развивалось вместе с развитием нашей цивилизации
Хоть шифры и менялись, но их принцип нет – для расшифровки сообщения требуется ключ. В случае с Абашем ключом может считать последовательность порядковых номеров исходных символов, но этот ключ ещё надо как-то передать. Методы шифрования, которые используются сейчас, научились-таки передавать ключи по открытым и незащищённым каналам связи. Казалось бы, передача ключей шифрования по обычным каналам — это добровольное жертвование своими данными, но не всё так просто. Разберём это на примере популярного алгоритма шифрования «RSA», разработанного в 1977 году.
Первым делом выбирается два случайный простых числа, которые перемножаются друг на друга – именно это и есть открытый ключ.
К слову: Простые числа — это те числа, которые могут делиться без остатка либо на 1, либо на себя.
Длина таких чисел может быть абсолютно любая. К примеру, возьмем два простых числа 223 и 13. Их произведение 2899 – будет являться открытым ключом, который мы и будем передавать по открытому каналу связи. Далее нам необходимо вычислить функцию «Эйлера» для произведения этих чисел.
Функция Эйлера – количество натуральных чисел, меньших чем само число и, которые будут являть взаимно простыми числами с самим числом.
Возможно, звучит непонятно, но давайте это разберем на небольшом примере:
φ (26) [фи от двадцати шести] = какому-то числу чисел, которое всегда будет меньше 26, а сами числа должны иметь только один общий делитель единицу с 26.
1 – подходит всегда, идем дальше;
7 – только на 1 – подходит;
Общее количество таких чисел будет равно 12. А найти это число можно по формуле: φ(n*k) = (n-1)(k-1) в нашем случае 26 можно представить как 2 * 13, тогда получим φ(26) = φ(2 * 13) = (2-1)*(13-1) = 1 * 12 = 12
Теперь, когда мы знаем, что такое функция Эйлера и умеем её вычислять найдем её для нашего открытого ключа – φ(2899) = φ(223 * 13) =(223 – 1)*(13-1) = 222 * 12 = 2664
После чего нам нужно найти открытую экспоненту. Не пугайтесь, тут будет гораздо проще чем с функцией «Эйлера».
Открытая экспонента – это любое простое число, которое не делится на функцию Эйлера. Для примера возьмем 13. 13 не делится нацело на число 2664. Вообще открытую экспоненту лучше выбирать по возрастанию простым перебором, а не просто брать случайную. Так для нашего примера разумнее было бы взять число 5, но давайте рассмотрим на примере 13
e – открытая экспонента
mod – остаток отделения
В обоих случаях у нас получится число 205
На этом подготовка отправки сообщения успешно завершается и начинается самое веселое – отправка данных для дешифрования сообщения. На этом шаге мы отправляем открытый ключ и открытую экспоненту человеку, сообщение которого хотим получить. Предположим, что в этот момент наш ключ и экспоненту перехватили 3-е лица, но до нужного нам человека они всё так же дошли
Теперь этому человеку нужно отправить нам сообщение, для простоты предположим, что это какое-то число, например: 92. Для этого ему нужно отправить нам остаток от деления 92 в степени открытой экспоненты на открытый ключ – T ^ e mod n , где
T – шифруемый текст
e – открытая экспонента
mod – остаток от деления
Предположим, что и в этот раз сообщение перехватили, но нам оно всё так же дошло
С – зашифрованный текст
d – закрытая экспонента
mod – остаток от деления
235 ^ 205 mod 2899 = 92.
Вуаля, и мы имеет исходное число. Но, что насчет перехваченных сообщений? У злоумышленника есть сообщение, ключ и экспонента, но как мы помни для дешифровки ему ещё нужна секретная экспонента, она же секретный ключ, но для того, чтобы вычислить её, ему придется разложить исходный ключ 2899 на множители, а сделать это не так уж и просто, особенно когда вместо двух чисел 223 и 13, будут использовать числа длиной несколько десятков символов
Но ничто в мире не идеально, в том числе и этот метод.
Его первый недостаток – это подборка пары чисел для открытого ключа. Нам нужно не просто сгенерировать случайно число, но ещё и проверить на то простое ли оно. На сегодняшний нет методов, которые позволяют делать это сверх быстро.
Второй недостаток – так же связан с генерацией ключа. Как мы с вами помним: «ключи должны генерировать независимо от каких-либо факторов», но именно это правило нарушается, когда мы пытается сгенерировать строго простые числа.
Третий недостаток – подбор и перебор чисел для экспонент.
Четвертый – длина ключей. Чем больше длина, тем медленнее идет процесс декодирования, поэтому разработчики пытаются использовать наименьшие по длиннее ключи и экспоненты. Даже я акцентировал на это внимание, когда говорил, что лучше взять число 5, вместо 13 для открытой экспоненты. Именно из-за этого и происходит большая часть взломов и утечек данных
Но не стоит печалиться, ведь как я и говорил: криптография и шифрование развивается вместе с развитием цивилизации. Поэтому довольно скоро все мы будем шифровать свои данные с помощью Квантового шифрование.
Этот метод основывается на принципе квантовой суперпозиции – элементарная частица может сразу находится в нескольких положениях, иметь разную энергию или разное направление вращения одновременно. По такому принципу и работает передача ключей шифрования по протоколу BB-84.
Есть оптоволокно, по которому передаются единичные фотоны света. Мы, как отправитель может сгенерировать абсолютно любой двоичный ключ, по тому же принципу квантовой супер позиции, ну или использовать обычные генераторы псевдослучайных чисел. Допустим мы хотим передать ключ 101001011. Для этого нам нужно принять за обозначение какое положение фотона соответствует единице, а какое нулю. Представим, что вертикальное положение – это 1, а горизонтальное – 0. Если оставить все так, то от передачи ключей таким образом не будет никакого смысла, ведь тогда злоумышленник всегда сможет измерить фотон, получить его значение, создать и отправить точно такой же обратно человеку, которому мы хоти передать ключ. Поэтому были введены ещё два положение – диагональные. Предоставим вертикальную волну, или же значение 1 и отклоним её на 45 градусов влево. Это будет вторая единица. Вернемся обратно и отклоним на 45 градусов вправо – это будет второй 0.
Вернемся к нашему ключу 101001011. Мы случайным образом выбираем направление – обычное или диагональное. Для удобства присвоим обычному номер 1, а диагональному 2.
Давайте отправим ключ – 1(1), 0(2), 1(1), 0(1), 0(1), 1(2), 0(2), 1(1), 1(2). Теперь человеку, которому мы отправляем ключ, нужно точно так же, совершенно случайно, выбрать случайное направление.
Допустим он выбрал направления: 221111212. Поскольку есть всего 2 плоскости отправки: 1 и 2, они же называются: канонический и диагональный базис, то шанс того, что он выбрал правильные направления 50%.
Если он угадал базис – он получил верное значение, если нет – неверное. Учитывая его направления, он получил: 001000011. Теперь нужно отсеять неправильные значения: можно сделать это обменом базисов по любому, даже не защищенному, каналу связи. После этого у нас обоих останется ключ: 0100011. Теперь с помощью его мы можем передавать и кодировать сообщения по обычному методу шифрования.
Заключение
Причитав и разобрав эту статью, мы с вами узнали, чем отличается кодирование от шифрования, их историю с будущим, узнали каким должен быть идеальный шифр и немного поговорили про крипто анализ. Уже с этими знаниями, которые были предоставлены в этой статье, можно спокойно идти и делать какую-нибудь систему авторизации или пытаться взломать какой-то сайт, главное не перебарщивать.
Назначение и структура алгоритмов шифрования
Шифрование является основным методом защиты; рассмотрим его подробно далее.
Можно представить зашифрование в виде следующей формулы:
В стандарте ГОСТ 28147-89 (стандарт определяет отечественный алгоритм симметричного шифрования) понятие ключ определено следующим образом: «Конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования, обеспечивающее выбор одного преобразования из совокупности всевозможных для данного алгоритма преобразований».
Ключ может принадлежать определенному пользователю или группе пользователей и являться для них уникальным. Зашифрованная с использованием конкретного ключа информация может быть расшифрована только с использованием только этого же ключа или ключа, связанного с ним определенным соотношением.
Аналогичным образом можно представить и расшифрование:
При отсутствии верного ключа k2 получить исходное сообщение M’ = M с помощью правильной функции D невозможно. Под словом «невозможно» в данном случае обычно понимается невозможность вычисления за реальное время при существующих вычислительных ресурсах.
В алгоритмах симметричного шифрования для расшифрования обычно используется тот же самый ключ, что и для зашифрования, или ключ, связанный с ним каким-либо простым соотношением. Последнее встречается существенно реже, особенно в современных алгоритмах шифрования. Такой ключ (общий для зашифрования и расшифрования) обычно называется просто ключом шифрования.
В асимметричном шифровании ключ зашифрования k1 легко вычисляется из ключа k2 таким образом, что обратное вычисление невозможно. Например, соотношение ключей может быть таким:
Такое соотношение ключей используется и в алгоритмах электронной подписи.
Основной характеристикой алгоритма шифрования является криптостойкость, которая определяет его стойкость к раскрытию методами криптоанализа. Обычно эта характеристика определяется интервалом времени, необходимым для раскрытия шифра.
Рассмотрим, как выглядят изнутри алгоритмы блочного симметричного шифрования.Структура алгоритмов шифрования
Существует и более сложная структура сети Фейстеля, пример которой приведен на рис. 3.
В отличие от сети Фейстеля, SP-сети обрабатывают за один раунд целиком шифруемый блок. Обработка данных сводится, в основном, к заменам (когда, например, фрагмент входного значения заменяется другим фрагментом в соответствии с таблицей замен, которая может зависеть от значения ключа Ki) и перестановкам, зависящим от ключа Ki (упрощенная схема показана на рис. 4).
Впрочем, такие операции характерны и для других видов алгоритмов шифрования, поэтому, на мой взгляд, название «подстановочно-перестановочная сеть» является достаточно условным.
Для структуры «квадрат» характерно представление шифруемого блока данных в виде двумерного байтового массива. Криптографические преобразования могут выполняться над отдельными байтами массива, а также над его строками или столбцами.
На рис. 5 приведен пример операции над блоком данных, выполняемой алгоритмом Rijndael.
Алгоритмы с нестандартной структурой, то есть те алгоритмы, которые невозможно причислить ни к одному из перечисленных типов. Ясно, что изобретательность может быть безгранична, поэтому классифицировать все возможные варианты алгоритмов шифрования представляется сложным. В качестве примера алгоритма с нестандартной структурой можно привести уникальный по своей структуре алгоритм FROG, в каждом раунде которого по достаточно сложным правилам выполняется модификация двух байт шифруемых данных (см. рис. 6).
Зачем нужно шифрование?
Даже если вы никогда не задумываетесь над этим,у вас наверняка есть тайны, достойные быть зашифрованными!
За века своего существования человечество придумало множество способов хранения тайны. В Древнем Риме, например, чтобы тайно передать письмо, брили голову рабу, писали на коже сообщение, а потом, дождавшись, когда волосы отрастут, отправляли его к адресату. Конечно, XXI век не позволяет делать дела столь неспешно, да и защита в этом примере обеспечивается только тем, что о письме никто не знает.
К счастью, компьютеры, изначально созданные для взлома военных шифров, дают каждому из нас прекрасный способ хранения личных тайн – информацию можно зашифровать. То, что долгое время было доступно только государственным службам, сегодня может применить любой пользователь. И, что более существенно, даже если вы не задумываетесь над этим, у вас наверняка есть тайны, достойные шифрования.
Есть что скрывать
«У меня нет никаких тайн, мне нечего скрывать», – часто можно услышать от пользователей, когда речь заходит о шифровании и других средствах защиты конфиденциальности. Обычно за этой фразой стоит нечто другое – «я считаю, что никто не потрудится лезть в мой телефон или компьютер, чтобы там найти что-то ценное». Но практика показывает, что это не так. Файл, сохраненный на рабочий стол компьютера или телефон, оставленный в гостиной, довольно быстро будет изучен кем-то из домочадцев.
Все ли письма, фотографии и документы вы готовы показывать жене, брату, теще, детям? Возможно, там нет ничего криминального. Но готовы ли вы сообщить номер своей кредитной карты и ее PIN-код детям-подросткам? Отдать брату пароли от почты и социальных сетей? Демонстрировать все семейные фото друзьям, которые пришли в гости и на пятнадцать минут сели за компьютер? Есть ли желание объяснять жене, что Элеонора – это начальник отдела смежников на работе, а встреча с ней завтра – это совещание с участием еще десяти человек?
И уж конечно, совсем грустной будет история, если на компьютер проникнет вредоносное приложение. В последнее время встречаются зловреды, крадущие всю доступную информацию с компьютера: документы, изображения, сохраненные в браузере пароли и формы – все. Известны случаи, когда среди краденых изображений находились фото документов, которые были использованы для разных форм мошенничества. Или случаи, когда пикантные фото использовались для шантажа.
Особо неприятной формой кражи в последние два-три года стала кража смартфона. Теперь это делается не только для перепродажи краденой трубки, более «продвинутые» воры перед сбытом выключают все беспроводные модули и заглядывают в память устройства в надежде найти что-то ценное вроде тех же паролей, номеров кредиток и фото паспорта.
Семь бед – один ответ
Угроз, как мы видим, существует много, и от каждой из них можно придумать свой способ защиты: изолировать компьютер в запертой спальне, поставить PIN-код на включение смартфона и так далее. Но если защитить информацию не путем физической изоляции, а так, чтобы ее мог прочитать только владелец, результат будет более надежным и всеобъемлющим. Абсолютно все перечисленные неурядицы – большие и малые – могли бы не случиться, если бы важная информация, предназначенная не для всех глаз, хранилась бы в зашифрованном виде.
Иногда вы сталкиваетесь с шифрованием, даже если не задумываетесь об этом, – например, заходя в Gmail или на сайт онлайн-банкинга по протоколу HTTPS, вы связываетесь с банком по зашифрованному каналу. Встроено шифрование и в самый популярный сегодня стандарт сотовой связи GSM. Но сегодня мы сосредоточимся на другом – шифровании данных, хранящихся на компьютере или смартфоне.
Что такое шифрование
Шифрование – это преобразование информации, делающее ее нечитаемой для посторонних. При этом доверенные лица могут провести дешифрование и прочитать исходную информацию. Существует множество способов шифрования/дешифрования, но секретность данных основана не на тайном алгоритме, а на том, что ключ шифрования (пароль) известен только доверенным лицам.
Необходимо отличать шифрование от кодирования. Кодирование тоже преобразует информацию, но лишь для удобства хранения и передачи, секретность не является основной задачей. Типичные способы кодирования – азбука Морзе и двоичное кодирование букв для хранения в компьютере.
Ваш цифровой сейф
Самое удобное на сегодня решение по шифрованию файлов на компьютере – это создание «контейнера», который виден в системе как отдельный диск. На этот диск можно сохранять или копировать любую информацию, с ним можно работать из любой программы, он ничем, по сути, не отличается от флешки или раздела винчестера, чем и удобен.
Важное «но» – на самом деле контейнер является отдельным большим файлом на вашем винчестере, доступ к которому организован через специальную программу, например Kaspersky CRYSTAL. Любой файл, сохраняемый на этот особый диск, будет «на лету» зашифрован и записан в общий файл-контейнер.
Файл-хранилище может увидеть любой посторонний, его даже можно украсть (скопировать). Но это не даст злоумышленнику или просто любопытному ровным счетом ничего – внутри файла содержится лишь мешанина символов, и можно потратить многие годы на то, чтобы подобрать пароль, который превращает этот файл в диск с читабельными файлами.
Чтобы зашифрованный контейнер стал эффективной защитой вашей информации, нужно соблюдать несколько простых правил:
Сейф на смартфоне
Ответом на вышеописанную проблему с кражей смартфонов стало включение в современные мобильные ОС функций шифрования. Ключевая информация в смартфоне постоянно хранится в зашифрованном виде и всякий раз расшифровывается, когда владелец вводит пароль или PIN-код разблокировки. Apple не дает пользователю глубоко управлять этой функцией, но значительное количество информации подвергается шифровке при активации защитного PIN-кода на включение смартфона/планшета.
В Android в настройках безопасности имеется опция полной шифровки содержимого телефона, которая делает все данные на устройстве недоступными без ввода пароля. Для максимальной надежности в обоих случаях рекомендованы свежие версии мобильных ОС – iOS с 6.1 и Android с 4.1.
«Облачная» защита
Среди прочих видов информации в наибольшей степени требуют шифрованного хранения ваши пароли – ведь к каждому сайту и сервису они должны быть разными, оставаясь надежными, длинными и стойкими. Именно поэтому все качественные «хранители паролей» постоянно держат базу данных в зашифрованном виде. Это позволяет без особых опасений передавать ее по Интернету, синхронизируя между разными компьютерами и мобильными устройствами. Подобные сервисы помогают держать все свои пароли под рукой, не снижая уровень защищенности.
Шифрование
Шифрова́ние — преобразование информации в целях сокрытия от неавторизованных лиц, с предоставлением, в это же время, авторизованным пользователям доступа к ней. Главным образом, шифрование служит задаче соблюдения конфиденциальности передаваемой информации. Важной особенностью любого алгоритма шифрования является использование ключа, который утверждает выбор конкретного преобразования из совокупности возможных для данного алгоритма. [1] [2]
Пользователи являются авторизованными, если они обладают определенным аутентичным ключом. Вся сложность и, собственно, задача шифрования состоит в том, как именно реализован этот процесс. [1]
В целом, шифрование состоит из двух составляющих — зашифрование и расшифрование.
С помощью шифрования обеспечиваются три состояния безопасности информации: [1]
Для того чтобы прочитать зашифрованную информацию, принимающей стороне необходимы ключ и дешифратор(устройство реализующее алгоритм расшифровывания). Идея шифрования состоит в том, что злоумышленник, перехватив зашифрованные данные и не имея к ним ключа, не может ни прочитать, ни изменить передаваемую информацию. Кроме того, в современных криптосистемах(с открытым ключом) для шифрования, расшифрования данных могут использоваться разные ключи. Однако, с развитием криптоанализа, появились методики позволяющие дешифровать закрытый текст не имея ключа, они основаны на математическом анализе перехваченных данных. [1] [3]
Содержание
Цели шифрования
Шифрование применяется для хранения важной информации в ненадёжных источниках и передачи её по незащищенным каналам связи. Такая передача данных представляет из себя два взаимно обратных процесса:
Шифрование изначально использовалось только для передачи конфиденциальной информации. Однако, впоследствии, шифровать информацию начали с целью ее хранения в ненадежных источниках. Шифрование информации с целью ее хранения применяется и сейчас, это позволяет избежать необходимости в физически защищенном хранилище. [4] [5]
Шифром называется пара алгоритмов, реализующих каждое из указанных преобразований. Эти алгоритмы применяются над данными с использованием ключа. Ключи для шифрования и для расшифровывания могут отличаться, а могут быть одинаковыми. Секретность второго(расшифровывающего) из них делает данные недоступными для несанкционированного ознакомления, а секретность первого(шифрующего) делает невозможным навязывание ложных данных. В первых методах шифрования использовались одинаковые ключи, однако в 1976 году были открыты алгоритмы с применением разных ключей. Сохранение этих ключей в секретности и правильное их разделение между адресатами является очень важной задачей с точки зрения сохранения конфиденциальности передаваемой информации. Эта задача исследуется в теории управления ключами(в некоторых источниках она упоминается как разделение секрета). [3]
В настоящий момент существует огромное количество методов шифрования. Главным образом эти методы делятся, в зависимости от структуры используемых ключей, на симметричные методы и асимметричные методы. Кроме того методы шифрования могут обладать различной криптостойкостью и по разному обрабатывать входные данные — блочные шифры и поточные шифры. Всеми этими методами их созданием и анализом занимается наука криптография. [6]
Зашифрование и расшифрование
Как было сказано, шифрование состоит из двух взаимно обратных процессов: зашифрование и расшифрование. Оба этих процесса на абстрактном уровне представимы математическими функциями, к которым предъявляются определенные требования. Математически, данные, используемые в шифровании, представимы в виде множеств над которыми построены данные функции. Иными словами, пусть существуют два множества, представляющее данные — 
, и 
; и каждая из двух функций(шифрующая и расшифровывающая) является отображением одного из этих множеств в другое. [6] [7]
Шифрующая функция: 
Расшифровывающая функция: 
Элементы этих множеств — 
и 
являются аргументами соответствующих функций. Так же, в эти функции уже включено понятие ключа. То есть тот необходимый ключ для шифрования или расшифрования является частью функции. Это позволяет рассматривать процессы шифрования абстрактно, вне зависимости от структуры используемых ключей. Хотя, в общем случае, для каждой из этих функций аргументами являются данные и вводимый ключ. [2]
Если для шифрования и расшифрования используется один и тот же ключ 
, то такой алгоритм относят к симметричным. Если же из ключа шифрования алгоритмически сложно получить ключ расшифрования, то алгоритм относят к асимметричным, то есть к алгоритмам с открытым ключом. [8]
Криптостойкость шифра
Криптографическая стойкость — способность криптографического шифра противостоять криптоанализу. То есть анализу направленному на изучение шифра, с целью его дешифрования. С целью изучения криптоустойчивости различных алгоритмов была создана специальная теория, изучающая типы шифров и их ключи, а также их стойкость. Основателем этой теории является Клод Шеннон. Криптостойкость шифра является его важнейшей характеристикой, которая отражает насколько успешно алгоритм решает задачу шифрования. [9]
Любая система шифрования, кроме абсолютно криптостойких, может быть взломана простым перебором всех возможных в данном случае ключей. Но перебирать придется до тех пор, пока не отыщется тот единственный ключ, который и поможет расшифровать шифротекст. Выбор этого единственного ключа основан на способности отличить правильно расшифрованое сообщение. Зачастую, эта особенность является камнем преткновения при подборе ключа, так как, перебирая вручную, криптоаналитику, зачастую, достаточно просто отличить правильно расшифрованный текст, однако ручной перебор очень медленен. Если же, программа выполняет перебор, то это происходит быстрее, однако, ей сложно выделить правильный текст. Невозможность взлома полным перебором абсолютно криптостойкого шифра, так же, основана на способности отличить в расшифрованном сообщении именно то, которое было зашифровано в криптограмме. Перебирая все возможные ключи и применяя их к абсолютно стойкой системе, криптоаналитик получит множество всех возможных сообщений, которые можно было зашифровать(в нем могут содержаться и осмысленные сообщения). Кроме того, процесс полного перебора длительный и трудоемкий. О сложностях метода прямого перебора можно судить исходя из приведенной ниже таблицы. [10]
| Стоимость | Длина ключа (бит) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 40 | 56 | 64 | 80 | 112 | 128 | |
| $100 K |  секунды |  часов |  год |  лет |  лет |  лет |
| $1 M |  секунды |  часа |  дней |  лет |  лет |  лет |
| $10 M |  секунды |  минута |  дня | лет |  лет |  лет |
| $100 М | миллисекунды | минуты |  часов |  лет |  лет |  лет |
| $1 Г | миллисекунды |  секунд | час |  лет |  лет |  лет |
| $10 Г | миллисекунды | секунда |  минуты |  дней |  лет | лет |
| $100 Г | микросекунды |  секунды |  секунд |  дня |  лет | лет |
| $1 Т | микросекунды | секунды |  секунды |  дня |  лет | лет |
| $10 Т | микросекунды | миллисекунда |  секунды |  часов |  лет. | лет |
Другой метод дешифровки основывается на анализе перехваченных сообщений. Этот метод имеет большое значение, так как перехват сообщений доступен злоумышленнику, если он обладает специальным оборудованием, а в отличие от достаточно мощного и дорогостоящего оборудования для решения задачи полного перебора, оборудование для перехвата сообщений более доступно. Например, перехват ван Эйка для ЭЛТ монитора осуществим с помощью обычной телевизионной антенны. Кроме того, существуют программы для перехвата сетевого трафика(снифферы), которые доступны и в бесплатных версиях. [12] [13] [14]
При анализе передаваемых сообщений криптоустойчивость шифра оценивается из возможности получения дополнительной информации об исходном сообщении из перехваченного. Возможность получения этой информации является крайне важной характеристикой шифра, ведь эта информация, в конечном итоге, может позволить злоумышленнику дешифровать сообщение. В соответствии с этим, шифры делятся на абсолютно стойкие и достаточно стойкие. [10] [12]
Клод Шеннон впервые оценил количество подобной информации в зашифрованных сообщениях следующим образом [10]
Пусть возможна отправка любого из сообщений 
. То есть любого подмножества множества . Эти сообщения могут быть отправлены с вероятностями 
соответственно. Тогда мерой неопределенности сообщения может служить величина информационной энтропии:
Пусть отправлено сообщение 
, тогда его шифротекст 
. После перехвата зашифрованного эта величина становится условной неопределенностью — условием здесь является перехваченное шифрованное сообщение . Необходимая условная энтропия задается следующей формулой:
Через 
здесб обозначена вероятность того, что исходное сообщение есть 
при условии, что результат его зашифрования есть .
Это позволяет ввести такую характеристику шифрующей функции(алгоритма)
, как количество информации об исходном тексте, которое злоумышленник может извлечь из перехваченного шифротекста. Необходиая характеристика является разностью между обычной и условной информационной неопределенностью:
Эта величина всегда неотрицательна. Главным является то, насколько она положительна. Показателем здесь является то, насколько уменьшится неопределенность при получении соответствующего шифротекста, и не станет ли она таковой, что перехватив некоторое количество шифротекстов станет возможным расшифровка исходного сообщения. [15]
Абсолютно стойкие системы
Оценка криптоустойчивости шифра, проведенная Шенноном определяет фундаментальное требование к шифрующей функции . Для наиболее криптоустойчивого шифра, неопределенности(условная и безусловная), при перехвате сообщений, должны быть равны для сколь угодно большого числа перехваченных шифротекстов.
Таким образом злоумышленник не сможет извлечь никакой полезной информации об открытом тексте из перехваченного шифротекста. Шифр обладающий таким свойством называется абсолютно стойким. [10]
Для соблюдения равенства энтропий Шеннон вывел требования к абсолютно стойким системам шифрования, касающиеся используемых ключей и их структуры.
Стойкость таких систем не зависит от того, какими возможностями обладает криптоаналитик. Однако практическое применение абсолютно стойких криптосистем ограничено соображениями стоимости таких систем и их удобства. Идеальные секретные системы обладают следующими недостатками:
Достаточно стойкие системы
В связи с трудностью примения абсолютно стойких систем повсеместно, более распространенными являются, так называемые, достаточно стойкие системы. Эти системы не обеспечивают равенство энтроппий и, как следствие, вместре с зашифрованным сообщением передают некоторую информацию об открытом тексте.
H(M|c_k) \Rightarrow I > 0″ border=»0″ />
Их криптостойкость зависит от того, какими вычислительными возможностями обладает криптоаналитик. Иными словами, шифротекст взламывается, если криптоаналитик обладает достаточными ресурсами, такими как время и количество перехваченных сообщений. Практическая стойкость таких систем основана на их вычислительной сложности и оценивается исключительно на определенный момент времени с двух позиций: [17]
Добиться высокого уровня практической стойкости алгоритма можно двумя подходами: [18]
Методы шифрования
Существующие методы шифрования можно разделить на две большие группы: [6]
Также шифры могут отличаться структурой шифруемой информации. Они могут либо шифровать сразу весь текст, либо шифровать его по мере поступления. Таким образом существуют: [6]
Блочный шифр можно превратить в поточный, разбивая входные данные на отдельные блоки и шифруя их по отдельности. Однако, блочные шифры являются более криптоустойчивыми по сравнению с поточными. Кроме того, блочные шифры работают зачастую быстрее и легко реализуемы посредством программного обеспечения. Поточные, же, шифры зачастую реализуются в аппаратном виде(в виде некой шифрующей аппаратуры), так как представление данных и их обработка в поточных шифрах очень близка к обработке данных и их передаче в аппаратуре. Там данные представляются именно потоком, чаще всего. [6] [19]
Эти методы решают определенные задачи и обладают как достоинствами, так и недостатками. Конкретный выбор применяемого метода зависит от целей, с которыми информация подвергается шифрованию.
Симметричное шифрование
В симметричных криптосистемах для шифрования и расшифрования используется один и тот же ключ. Отсюда название — симметричные. Алгоритм и ключ выбирается заранее и известен обеим сторонам. Сохранение ключа в секретности является важной задачей для установления и поддержки защищенного канала связи. В связи этим, возникает проблема начальной передачи ключа(синхронизации ключей). Кроме того существуют методы криптоатак, позволяющие так или иначе дешифровать информацию не имея ключа или же с помощью его перехвата на этапе согласования. В целом эти моменты являются проблемой криптостойкости конкретного алгоритма шифрования и являются аргументом при выборе конкретного алгоритма.
Симметричные, а конкретнее, алфавитные алгоритмы шифрования были одними из первых алгоритмов. [20] Позднее было изобретено асимметричное шифрование, в котором ключи у собеседников разные. [21]
Недостатками симметричного шифрования является проблема передачи ключа собеседнику и невозможность установить подлинность или авторство текста. Поэтому, например, в основе технологии цифровой подписи лежат асимметричные схемы.
Асимметричное шифрование (с открытым ключом)
В системах с открытым ключом используются два ключа — открытый и закрытый, связанные определенным математическим образом друг с другом. Открытый ключ передаётся по открытому (то есть незащищённому, доступному для наблюдения) каналу и используется для шифрования сообщения и для проверки ЭЦП. Для расшифровки сообщения и для генерации ЭЦП используется секретный ключ. [22]
Данная схема решает проблему симметричных схем, связанную с начальной передачей ключа другой стороне. Если в симметричных схемах злоумышленник перехватит ключ, то он сможет как «слушать», так и вносить правки в передаваемую информацию. В асимметричных системах другой стороне передается открытый ключ, который позволяет шифровать, но не расшифровывать информацию. Таким образом решается проблема симметричных систем, связанная с синхронизацией ключей. [21]
Первыми исследователями, которые изобрели и раскрыли понятие шифрования с открытым кодом, были Уитфилд Диффи и Мартин Хеллман из Стэнфордского университета, и Ральф Меркле из Калифорнийского университета в Беркли. В 1976 году их работа «Новые направления в современной криптографии» открыла новую область в криптографии, теперь известную как криптография с открытым ключом.
Если необходимо наладить канал связи в обе стороны, то первые две операции необходимо проделать на обеих сторонах, таким образом, каждый будет знать свои закрытый, открытый ключи и открытый ключ собеседника. Закрытый ключ каждой стороны не передается по незащищенному каналу, тем самым оставаясь в секретности.
Управление ключами
Как было сказано ранее, при шифровании очень важно правильно содержать и распространять ключи между собеседниками, так как это является наиболее уязвимым местом любой криптосистемы. Если вы с собеседником обмениваетесь информацией посредством идеальной шифрующей системы, то всегда существует возможность найти дефект не в используемой системе, а в людях ее использующих. Можно выкрасть ключи у доверенного лица или подкупить его и зачастую это оказывается гораздо дешевле чем взламывать шифр. Поэтому процесс, содержанием которого является составление и распределение ключей между пользователями, играет важнейшую роль в криптографии как основа для обеспечения конфиденциальности обмена информацией. [23]
Цели управления ключами
Управление ключами в криптосистемах осуществляется в соответствии с политикой безопасности. Политика безопасности диктует угрозы, которым должна противостоять система. Система контролирующая ключи делится на систему генерации ключей и систему контроля ключей.
Система генерации ключей обеспечивает составление криптоустойчивых ключей. Сам алгоритм генерации должен быть безопасным, так как значительная часть безопасности, предоставляемой шифрованием, заключена в защищенности ключа. Если выбор ключей доверить пользователям, то они с большей вероятностью выбирают ключи типа «Barney» нежели «*9(hH/A», просто потому что «Barney» проще запомнить. А такого рода ключи очень быстро подбираются методом вскрытия со словарем, и тут даже самый безопасный алгоритм не поможет. Кроме того, алгоритм генерации обеспечивает создание статистически независимых ключей нужной длины, используя наиболее криптоустойчивый алфавит. [26]
Система контроля ключей служит для наиболее безопасной передачи ключей между собеседниками. Если передавать ключ шифрования по открытому каналу, который могут прослушивать, то злоумышленник легко перехватит ключ и все дальнейшее шифрование будет бессмысленным. Методы асимметричного шифрования решают эту проблему, используя разные ключи для зашифрования и расшифрования. Однако при таком подходе количество ключей растет с увеличением количества собеседников(каждый вынужден хранить свои закрытый и открытый ключи и открытые ключи всех собеседников). Кроме того, методы асимметричного шифрования не всегда доступны и осуществимы. В таких ситуациях используются разные методы по обеспечению безопасной доставки ключей, одни основаны на использовании для доставки ключей альтернативных каналов, считающихся безопасными. Другие, в согласии со стандартом X9.17, используют два типа ключей — ключи шифрования ключей и ключи шифрования данных. Третьи, разбивают передаваемый ключ на составные части и передают их по различным каналам. Так же, существуют различные комбинации перечисленных выше методов. [27]
Кроме того, система управления ключами, при возникновении большого количества используемых ключей, выступает в роли центрального сервера ключей, хранящего и распределяющего их. В том числе, она занимается своевременной заменой скомпрометированных ключей. В некоторых системах, в целях быстрой коммуникации, могут использоваться сеансовые ключи. Сеансовый ключ — ключ шифрования, который используется только для одного сеанса связи. При обрыве сеанса или его завершении сеансовый ключ уничтожается. Также используемые ключи, обычно, имеют срок действия, то есть срок, в течение которого они являются аутентичными для использования. После истечения данного срока, ключ изымается системой управления и, если необходимо, генерируется новый. [23]
Правовые нормы
Развитие шифрования и его методов привело к их широчайшей распространенности. Сейчас, для конечного пользователя не составляет труда зашифровать раздел на жестком диске или переписку и установить защищенное соединение в интернет. В связи с тем, что шифрование и другие информационные технологии проникают в наш быт, растет число компьютерных преступлений. Зашифрованная информация, так или иначе, представляет собой объект защиты, который, в свою очередь, должен подвергаться правовому регулированию. Кроме того, подобные правовые нормы необходимы из-за того, что существует некоторое противоречие между стремлением правительств иметь доступ к информации(с целью обеспечения безопасности и для предотвращения преступлений), и стремлением граждан обеспечить высокий уровень охраны для своей действительно секретной информации. Для разрешения этой проблемы, прибегают к разным способам, это и возможный запрет на использование высокоэффективных методов шифрования, и требование передачи компетентным органам шифровальных ключей. Различия в правилах и ограничениях по шифрованию компьютерной информации могут создать определенные трудности в деловых международных контактах в плане обеспечения конфиденциальности их общения. В связи с этим, в любом государстве, поведение в отношении передачи и шифрования информации регулируется различными правовыми нормами. [28]