Современная прикладная криптография (стр. 3 )

Итог многовекового противостояния разработчика шифра - криптографа и его оппонента – криптоаналитика, дешифровальщика подвел голландец Керкхоффс (Kerckhoffs, 1835-1903), который сформулировал правила этого противостояния. Основное правило Керкхоффса состоит в том, что при разработке и применении шифра надо исходить из того, что весь механизм шифрования, множество правил или алгоритмов, рано или поздно становится известным оппоненту, а стойкость шифра должна определяться только секретностью ключа.

Середина XIX в. Изобретение телеграфа и других технических видов связи дало новый толчок развитию криптологии. Информация передается в виде токовых и бестоковых посылок, т. е. представляется в двоичном виде. Поэтому возникла проблема сжатия информации, которая решалась опять же с помощью кодов, чтобы одно слово или даже целую фразу можно было передать двумя-тремя знаками.

Передача шифрсообщений по таким линиям связи, как телеграф и особенно радио, дала криптоаналитику относительно легкую возможность получать передаваемые шифртексты. Вообще, можно предложить классификацию методов дешифрования по уровню доступной для криптоаналитика информации.

1. Методы дешифрования на основе знания только шифртекстов.

2. Методы дешифрования при известном открытом и соответствующем шифрованном текстах. Такая ситуация вполне реальна, так как иногда приходится шифровать общеизвестные данные, например, дипломатические документы, секретные только до их опубликования. Можно также предполагать наличие в открытом тексте вероятных слов и выражений.

3. Методы дешифрования по выбираемым открытым и соответству­ющим шифртекстам - методы тестирования (chosen plaintext attack).

Такая ситуация возникает, когда криптоаналитик имеет доступ к шифраппарату или шифрующему преобразованию и может получить шифртекст для любого выбранного им открытого текста (например, агентурным путем).

4. Для полноты картины укажем и на методы, появляющиеся на третьем этапе развития криптологии - криптологии с открытым ключом, о котором уже говорилось в связи с работой У. Диффи и М. Хеллмана. Это методы дешифрования по выбранным шифртекстам и соответствующим открытым текстам (chosen cipher text attack).

Такая ситуация возможна, когда криптоаналитик имеет доступ к преобразованию расшифрования (как к черному ящику) и может получать для выбранных шифртекстов соответствующие открытые тексты.

Продолжим исторический экскурс и проиллюстрируем сделанное отступление о методах дешифрования примерами. Так, во времена первой мировой войны, некоторые военачальники, не понимая тонкостей криптографии, требовали от шифровальщиков повторных передач своих донесений или приказов, а иногда из-за низкого уровня связи, эта же информация передавалась еще и в открытом виде. Это приводило к вскрытиям применяемых систем из-за их нестойкости к методам по открытому и соответствующему шифрованному текстам. Вообще, история изобилует примерами превосходства криптоаналитиков над криптографами.

Вместе с тем, имеются примеры и другого рода. В 1917 году инженер американской компании ат&т опубликовал замечательную систему побитового шифрования открытого текста, представленного в коде Бодо, когда каждый бит преобразуется с использованием соответствующего ему бита ключа по следующему алгоритму:

, , , .

Это так называемое сложение по модулю два ("XOR"). Расшифрование осуществляется той же операцией, что очень удобно для реализации. Вернам предлагал использовать ключ только один раз (one - time pad), несмотря на трудности передачи по секретному каналу этого ключа, длина которого равна длине шифруемого открытого текста. Однако это дает, как показал впоследствии К. Шеннон, действительно нераскрываемый шифр. Сам Вернам, хотя и считал, что его шифр нераскрываем, не представил доказательств этого. Казалось бы, что после создания такого шифра, все проблемы для криптографов решены. Но это не так. Как показала дальнейшая практика, использование шифра Вернама требует решения проблем выработки длинных двоичных последовательностей ключей, контроля за их качеством, проблем хранения, уничтожения и транспортировки. На каждом из этапов существования ключей (жизненного цикла) есть угроза их безопасности. Все это делает систему Вернама непрактичной, дорогостоящей, и она применяется в исключительных случаях.

В начале XX в. были созданы механические шифрмашины, вырабатывающие шифр с помощью набора колес, которые, находясь на одной оси, дискретно перемещались одно относительно другого, создавая на каждом такте уникальное сочетание из всех возможных сочетаний угловых положений. Первые такие машины были сконструированы на основе принципов, заложенных в кассовые аппараты, арифмометры, торговые автоматы и т. п. Все эти машины реализовывали шифр замены. Такой же принцип сохранился в электрических машинах, получивших название дисковых (роторных). Колеса этих машин (диски) изготавливались из электроизолирующего материала и имели вид узкого цилиндра, в оба основания которого были запрессованы латунные контакты, соответствующие буквам алфавита.

При шифровании на один из контактов первого диска подается напряжение, которое последовательно передается на связанный контакт последнего диска, соответствующий некоторой букве шифртекста. Если бы все диски были неподвижными, то эта система представляла бы собой простую замену, эквивалентную замене, реализуемой одним диском. При большом количестве дисков (5-10) и правильно выбранном законе псевдослучайного движения дисков система обеспечивала весьма высокую стойкость.

На примере дисковой машины можно показать типы ключей. Долговременным ключом системы, меняющимся весьма редко, является комплект подвижных дисков. Обычно количество таких дисков в наборе превышает количество дисков, устанавливаемых в машину для шифрования. Суточным ключом является выбор дисков, устанавливаемых в машину на текущий день из всего комплекта дисков, и порядок установки их в машину. И, наконец, для зашифрования каждого отдельного сообщения применялся разовый ключ, которым в данном случае является начальное угловое положение колес.

Принцип работы дисков был почти одновременно открыт четырьмя изобретателями из разных стран. Это американец Эдвард Хеберн (1918 г.), голландец Хуго Кох (1919), швед Арвид Дамм (1919), немец Артур Шербиус (1927). Последний сконструировал известную немецкую дисковую машину "Энигма" ("Загадка"). Из четырех изобретателей только А. Дамму удалось добиться коммерческого успеха. Его фирма - "Криптография", под управлением Бориса Хагелина, выпустила весьма компактную и простую в работе шифрмашину. известную под названием "Хагелин". Шифрмашины этой фирмы и их модификации были изготовлены в огромном количестве. Так, только США в период второй мировой войны заказали несколько тысяч таких машин под наименованием "Конвертер М-209". Далее после войны Б. Хагелин перенес штабквартиру фирмы в Швейцарию, где она успешно функционирует до сих пор в г Цуг, правда под другим названием - "Сrypto ag".

История криптологии исключительно интересна. Она насыщена многочисленными фактами противоборства криптографов и криптоаналитиков (дешифровальщиков). Причем, чем дальше от наших дней рассматриваемый отрезок времени, тем больше этих фактов опубликовано и известно. Такова деликатная природа этой науки. Для более детального ознакомления с историей криптологии можно порекомендовать книги Д. Кана [3] , Г Фролова [75], или [].

В настоящее время вместо понятия шифра часто используется понятие криптографической системы с секретным ключом (secret key cryptosystem), [24], которая задается следующими пятью компонентами:

пространством открытых текстов, м;

пространством шифрованных текстов, с,

пространством ключей, к;

множеством преобразований зашифрования {е, } ;

е : м с, где;

множеством преобразований расшифрования {, };

D: с м, где

Преобразования и для всех и любого открытого текста должны удовлетворять следующему условию:

Согласно основному правилу Керкхоффса, множества

преобразований {} и {} могут быть известны не только криптографу, но и криптоаналитику. Секретность же сообщения обеспечивается сокрытием того, какое именно преобразование из известного множества преобразований использовалось для зашифрования. Заметим также, что знание ключа K дает возможность легко указать соответствующие ему преобразования и , однако обратное не всегда верно.