Защита информации с помощью шифрования

Защита информации с помощью шифрования

Основы шифрования

Шифрование - способ преобразования открытой информации в закрытую и обратно. Применяется для хранения важной информации в ненадёжных источниках или передачи её по незащищённым каналам связи. Согласно ГОСТ 28147-89, шифрование подразделяется на процесс зашифрования и расшифрования. Шифрование выполняется согласно алгоритму шифрования с использованием ключа - небольшой порции информации.

В зависимости от алгоритма преобразования данных, методы шифрования подразделяются на гарантированной или временной криптостойкости.

В зависимости от структуры используемых ключей методы шифрования подразделяются на

-  симметричное шифрование: посторонним лицам может быть известен алгоритм шифрования, но неизвестна небольшая порция секретной информации - ключа, одинакового для отправителя и получателя сообщения;

-  асимметричное шифрование: посторонним лицам может быть известен алгоритм шифрования, и, возможно, открытый ключ, но неизвестен закрытый ключ, известный только получателю.

Рассмотрим пример простых шифров, для того чтобы понять функцию алгоритма и ключа. В шифрах простой замены замена производится только над одним единственным символом. Для наглядной демонстрации шифра простой замены достаточно выписать под заданным алфавитом тот же алфавит, но в другом порядке или, например, со смещением. Записанный таким образом алфавит называют алфавитом замены.

Пример:

Исходный алфавит:

АБВГДЕЖЗИЙКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЪЫЬЭЮЯ

Алфавит замены:

БГАВЗДЖИЕЛЙКМОНПСТРФУЯХШЦЧЮЪЭЫЬЩ

Закодированная фраза: ПСЕАДР КЬГЕРДКЩМ ПКБАОЭЩ. Попробуйте ее расшифровать.

В приведенном примере алгоритм шифрования / дешифрования это поиск по алфавиту замены.

Более сложный шифр замены использовался у русских революционеров начала прошлого века. В качестве ключа использовалась фраза из 10 слов, придуманная .

Пустынной Волги берега

Чернеютъ серыхъ юртъ рядами

Железный финогеша Щебальский.

При шифровании, каждая буква обозначалась словом и местом буквы в слове. П была 11, У была 12, С была 13 или 51 илие слово, 7-ая буква). Буквы часто встречающиеся, как Е или А, обозначались по разному: 32, 34, 42, 72, 86 или 02 для Е и 36, 74, 88, 04 для А.

Примером еще более сложного шифра может служить книжный шифр. Книжный шифр - шифр, в котором ключом является книга или небольшая часть текста. Основным требованием будет, чтобы оба корреспондента не только имели одну и ту же самую книгу, но и тот же самое издание и выпуск. Традиционно книжные шифры работают, заменяя слова в исходном тексте на местоположение этих же слов в книге. Это будет работать до тех пор, пока не встретится слово, которого не будет в книге, тогда сообщение не может быть закодировано. Альтернативный подход, который обходит эту проблему, состоит в том, чтобы заменять отдельные символы, а не слова. Однако, такой способ имеет побочный эффект: зашифрованный текст становится очень большого размера, (обычно используется от 4 до 6 цифр для шифрования каждого символа или слога). Книжные шифры были распространены во время второй мировой войны. В кинофильме «Семнадцать мгновений весны» Штирлиц получает радиограмму из центра зашифрованную по такой методике.

Рассмотренные примеры шифров можно расшифровать, не имея ключа. Шифр простой замены легко вскрывается с помощью частотного анализа, так как не меняет частоты использования символов в сообщении. Вскрытие шифра из примера 2 и книжный шифр возможно, при условии, что доступно для анализа большое количество зашифрованного текста.

Общие методические указания

В ходе выполнения ЛБ необходимо помещать в отчёт скриншоты и описания ко всем проделываемым действиям.

Работа посвящена приобретению навыков практического применения методов криптографической защиты информации.

Шифрование методом перестановки относится к симметричным криптографическим алгоритмам. Простейшее шифрование перестановкой состоит в перестановке символов сообщения по заданным порядковым номерам (ключу). Например, слово «ура» по ключу 3-1-2 зашифруется в «аур». Если длина сообщения превышает длину ключа, то его применяют повторно. На практике применяют более сложные алгоритмы перестановки.

Например, требуется зашифровать открытый текст: «ШИФРОВАНИЕ_ПЕРЕСТАНОВКОЙ». По ключу k1=5-3-1-2-4-6 записываем этот текст в таблицу по строкам (Табл.1). По ключу k2=4-2-3-1 считываем текс по столбцам из таблицы. Получим зашифрованный текст: «ПСНОРЙЕРВАИК_ЕАНФОИЕОТШВ».

Таблица 1

Шифрование методом перестановки по ключам k1 и k2	1	2	3	4
1	И	Е	_	П
2	Е	Р	Е	С
3	О	В	А	Н
4	Т	А	Н	О
5	Ш	И	Ф	Р
6	В	К	О	Й

Дешифрование производится в обратном порядке. Существуют и более сложные алгоритмы шифрования методом перестановки, например, основанные на кубике Рубика, реализованные в известном пакете программ для шифрования «Рубикон».

Шифрование методом замены состоит в замене символов одного алфавита на символы другого алфавита, называемого шифроалфавитом. Последний получают перестановкой букв алфавита в произвольном порядке. Шифроалфавит и является ключом для шифрования и дешифрования. Поскольку ключ необходимо хранить в секрете, целесообразнее использовать не произвольную перестановку, которую трудно запомнить, а парольную фразу из какой-нибудь известной отправителю и получателю книги.

Парольная фраза построчно заполняется в матрицу-ключ размером, например, 6×6. При этом повторяющиеся в парольной фразе символы в матрицу-ключ не заносятся. Если после этого в таблице остались пустые клетки, их заполняют недостающими буквами по, например, алфавитному порядку.

Возьмём в качестве примера парольную фразу: «Зима! Крестьянин, торжествуя, на дровнях обновляет путь» и занесем её в таблицу без повторов букв (Табл. 2).

Таблица 2

Таблица с парольной фразой	1	2	3	4	5	6
1	З	и	м	а	!	К
2	р	е	с	т	ь	я
3	н	,	о	ж	в	у
4	д	х	б	л	п
5
6

Часть букв алфавита осталась не представленной в Табл.2, поэтому заполняем ими оставшиеся пустые поля и получим итоговую матрицу-ключ для шифрования (Табл. 3).

Таблица 3

Матрица-ключ для шифрования методом замены

	1	2	3	4	5	6
1	З	и	м	а	!	К
2	р	е	с	т	ь	я
3	н	,	о	ж	в	у
4	д	х	б	л	п	г
5	ё	й	ф	ц	ч	ш
6	щ	ы	ъ	э	ю

Последнее поле в таблице оставлено под символ «пробел». Далее каждый символ текста, подлежащего шифрованию, заменяется парой чисел: номером строки и номером столбца, на пересечении которых этот символ находится в матрице-ключе. Например, слово «ура» будет иметь зашифрованный вид: 36

Задание №1. Шифрование методом перестановки

Зашифровать свою фамилию имя отчество по ключам k1 и k2, заданным в Табл. 4. Свой вариант выбрать по последним двум цифрам в номере зачётки.

Таблица 4

Варианты контрольных заданий №	Ключ k1	Ключ k2	№	Ключ k1	Ключ k2
01	1-2-3-4-5-6	4-3-2-1	16	6-5-4-3-2-1	4-3-2-1
02	1-2-3-4-6-5	4-3-1-2	17	1-5-4-3-2-6	4-3-1-2
03	1-2-3-6-5-4	4-2-3-1	18	2-5-4-3-6-1	4-2-3-1
04	1-2-6-4-5-3	4-1-2-3	19	3-5-4-6-2-1	4-1-2-3
05	1-6-3-4-5-2	1-3-2-4	20	4-5-6-3-2-1	1-3-2-4
06	6-2-3-4-5-1	1-2-4-3	21	5-6-4-3-2-1	1-2-4-3
07	6-2-5-4-3-1	2-3-2-4	22	6-1-4-3-2-5	2-3-2-4
08	5-2-4-3-1-6	2-4-3-1	23	6-5-1-3-2-4	2-4-3-1
08	5-2-3-4-5-1	2-3-4-1	24	6-5-4-1-2-3	2-3-4-1
10	5-2-4-3-5-1	2-4-1-3	25	2-1-4-3-6-5	2-4-1-3
11	4-2-1-3-5-6	3-4-2-1	26	3-1-4-5-2-6	3-4-2-1
12	4-1-3-2-5-6	3-2-4-1	27	4-1-6-3-2-5	3-2-4-1
13	5-2-6-4-1-3	3-1-4-2	28	5-1-4-3-6-5	3-1-4-2
14	3-2-1-6-5-4	3-1-2-4	29	6-1-4-3-2-5	3-1-2-4
15	3-1-4-2-6-5	1-4-2-3	30	6-5-1-3-2-4	1-4-2-3

Задание №2. Шифрование методом замены

Зашифровать свою фамилию имя отчество по любой, отличной от приведённой в данном пособии, парольной фразе.