Расшифрование буквы на цифры от немецкого. Коды и шифры. Что значит быть дешифровальщиком

Методы: объяснительно-иллюстративный, частично-поисковый.

• Создать условия для повышения познавательного интереса к предмету.
• Способствовать развитию аналитико-синтезирующего мышления.
• Способствовать формированию умений и навыков, носящих общенаучный и обще интеллектуальный характер.

Задачи:

образовательные:

• обобщить и систематизировать знания основных понятий: код, кодирование, криптография;
• познакомится с простейшими способами шифрования и их создателями;
• отрабатывать умения читать шифровки и шифровать информацию;

развивающие:

• развивать познавательную деятельность и творческие способности учащихся;
• формировать логическое и абстрактное мышление;
• развивать умение применять полученные знания в нестандартных ситуациях;
• развивать воображение и внимательность;

воспитательные:

• воспитывать коммуникативную культуру;
• развивать познавательный интерес.

Предлагаемая разработка может быть использована для учащихся 7–9 классов. Презентация помогает сделать материал наглядным и доступным.

Общество, в котором живёт человек, на протяжении своего развития имеет дело с информацией. Она накапливается, перерабатывается, хранится, передаётся. (Слайд 2. Презентация)

А все ли и всегда должны знать всё?

Конечно, нет.

Люди всегда стремились скрыть свои секреты. Сегодня вы познакомитесь с историей развития тайнописи, узнаете простейшие способы шифрования. У вас появится возможность расшифровать послания.

Простые приемы шифрования применялись и получили некоторое распространение уже в эпоху древних царств и в античности.

Тайнопись – криптография - является ровесницей письменности. История криптографии насчитывает не одно тысячелетие. Идея создания текстов с тайным смыслом и зашифрованными сообщениями почти так же стара, как и само искусство письма. Этому есть много свидетельств. Глиняная табличка из Угарита (Сирия) – упражнения обучающие искусству расшифровки (1200 год до н.э.). “Вавилонская теодицея” из Ирака – пример акростиха (середина II тысячелетия до н.э.).

Один из первых систематических шифров был разработан древними евреями; этот метод называется темура - “обмен”.

Самый простой из них “Атбаш”, алфавит разделялся посередине так, чтобы первые две буквы, А и Б, совпадали с двумя последними, Т и Ш. Использование шифра темура можно обнаружить в Библии. Это пророчество Иеремии, сделанное в начале VI века до нашей эры, содержит проклятие, всем правителям мира, заканчивая “царем Сесаха” который при дешифровки с шифра “Атбаш” оказывается царём Вавилона.

(Слайд 3) Более хитроумный способ шифрования был изобретён в древней Спарте во времена Ликурга (V век до н.э.) Для зашифровывания текста использовалась Сциталла - жезл цилиндрической формы, на который наматывалась лента из пергамента. Вдоль оси цилиндра построчно записывался текст, лента сматывалась с жезла и передавалась адресату, имеющему Сциталлу такого же диаметра. Этот способ осуществлял перестановку букв сообщения. Ключом шифра служил диаметр Сциталлы. АРИСТОТЕЛЬ придумал метод вскрытия такого шифра. Он изобрёл дешифровальное устройство “Антисциталла”.

(Слайд 4) Задание “Проверь себя”

(Слайд 5) Греческий писатель ПОЛИБИЙ использовал систему сигнализации, которая применялась как метод шифрования. С его помощью можно было передавать абсолютно любую информацию. Он записывал буквы алфавита в квадратную таблицу и заменял их координатами. Устойчивость этого шифра была велика. Основной причиной этого являлась возможность постоянно менять последовательность букв в квадрате.

(Слайд 6) Задание “Проверь себя”

(Слайд 7) Особую роль в сохранении тайны сыграл способ шифрования, предложенный ЮЛИЕМ ЦЕЗАРЕМ и описанный им в “Записках о галльской войне.

(Слайд 8) Задание “Проверь себя”

(Слайд 9) Существует несколько модификаций шифра Цезаря. Один из них алгоритм шифра Гронсфельда (созданный в 1734 году бельгийцем Хосе де Бронкхором, графом де Гронсфельд, военным и дипломатом). Шифрование заключается в том, что величина сдвига не является постоянной, а задается ключом (гаммой).

(Слайд 10) Для того, кто передаёт шифровку, важна её устойчивость к дешифрованию. Эта характеристика шифра называется криптостойкостью. Повысить криптостойкость позволяют шифры много алфавитной или многозначной замены. В таких шифрах каждому символу открытого алфавита ставятся в соответствие не один, а несколько символов шифровки.

(Слайд 11) Научные методы в криптографии впервые появились в арабских странах. Арабского происхождения и само слово шифр (от арабского "цифра"). Арабы первыми стали заменять буквы цифрами с целью защиты исходного текста. О тайнописи и её значении говорится даже в сказках “Тысячи и одной ночи”. Первая книга, специально посвящённая описанию некоторых шифров, появилась в 855 г., она называлась “Книга о большом стремлении человека разгадать загадки древней письменности”.

(Слайд 12) Итальянский математик и философ ДЖЕРОЛАМО КАРДАНО написал книгу "О тонкостях", в которой имеется часть, посвященная криптографии.

Его вклад в науку криптография содержит два предложения:

Первое - использовать открытый текст в качестве ключа.

Второе - он предложил шифр, называемый ныне "Решетка Кардано".

Кроме данных предложений Кардано дает "доказательство" стойкости шифров, основанное на подсчете числа ключей.

Решётка Кардано представляет собой лист из твердого материала, в котором через неправильные интервалы сделаны прямоугольные вырезы высотой для одной строчки и различной длины. Накладывая эту решетку на лист писчей бумаги, можно было записывать в вырезы секретное сообщение. Оставшиеся места заполнялись произвольным текстом, маскирующим секретное сообщение. Этим методом маскировки пользовались многие известные исторические лица, кардинал Ришелье во Франции и русский дипломат А. Грибоедов. На основе такой решетки Кардано построил шифр перестановки.

(Слайд 13) Задание “Проверь себя”

(Слайд 14) Увлекались тайнописью и в России. Используемые шифры - такие же, как в западных странах - значковые, замены, перестановки.

Датой появления криптографической службы в России следует считать 1549 год (царствование Ивана IV), с момента образования "посольского приказа", в котором имелось "цифирное отделение".

Петр I полностью реорганизовал криптографическую службу, создав "Посольскую канцелярию". В это время применяются для шифрования коды, как приложения к "цифирным азбукам". В знаменитом "деле царевича Алексея" в обвинительных материалах фигурировали и "цифирные азбуки".

(Слайд 15) Задание “Проверь себя”

(Слайд 16) Много новых идей в криптографии принес XIX век. ТОМАС ДЖЕФФЕРСОН создал шифровальную систему, занимающую особое место в истории криптографии - "дисковый шифр". Этот шифр реализовывался с помощью специального устройства, которое впоследствии назвали шифратором Джефферсона.

В 1817 г. ДЕСИУС УОДСВОРТ сконструировал шифровальное устройство, которое внесло новый принцип в криптографию. Нововведение состояло в том, что он сделал алфавиты открытого и шифрованного текстов различных длин. Устройство, с помощью которого он это осуществил, представляло собой диск, с двумя подвижными кольцами с алфавитами. Буквы и цифры внешнего кольца были съемными и могли собираться в любом порядке. Эта шифрсистема реализует периодическую многоалфавитную замену.

(Слайд 17) Способов кодирования информации можно привести много.

Капитан французской армии ШАРЛЬ БАРБЬЕ разработал в 1819 году систему кодирования ecriture noctrume – ночное письмо. В системе применялись выпуклые точки и тире, недостаток системы её сложность, так как кодировались не буквы, а звуки.

ЛУИ БРАЙЛЬ усовершенствовал систему, разработал собственный шифр. Основы этой системы используются поныне.

(Слайд 18) СЭМЮЕЛЬ МОРЗЕ разработал в 1838 году систему кодирования символов с помощью точки и тире. Он же является изобретателем телеграфа (1837год) – устройства в котором использовалась эта система. Самое важное в этом изобретении – двоичный код, то есть использованием для кодирования букв только двух символов.

(Слайд 19) Задание “Проверь себя”

(Слайд 20) В конце XIX века криптография начинает приобретать черты точной науки, а не только искусства, ее начинают изучать в военных академиях. В одной из них был разработан свой собственный военно-полевой шифр, получивший название "Линейка Сен-Сира". Она позволила существенно повысить эффективность труда шифровальщика, облегчить алгоритм реализации шифра Виженера. Именно в этой механизации процессов шифрования-дешифрования и заключается вклад авторов линейки в практическую криптографию.

В истории криптографии XIX в. ярко запечатлелось имя ОГЮСТА КЕРКГОФФСА. В 80-х годах XIX века издал книгу "Военная криптография" объемом всего в 64 страницы, но они обессмертили его имя в истории криптографии. В ней сформулированы 6 конкретных требований к шифрам, два из которых относятся к стойкости шифрования, а остальные - к эксплуатационным качествам. Одно из них ("компрометация системы не должна причинять неудобств корреспондентам") стало называться "правилом Керкгоффса". Все эти требования актуальны и в наши дни.

В XX веке криптография стала электромеханической, затем электронной. Это означает, что основными средствами передачи информации стали электромеханические и электронные устройства.

(Слайд 21) Во второй половине XX века, вслед за развитием элементной базы вычислительной техники, появились электронные шифраторы. Сегодня именно электронные шифраторы составляют подавляющую долю средств шифрования. Они удовлетворяют все возрастающим требованиям по надежности и скорости шифрования.

В семидесятых годах произошло два события, серьезно повлиявших на дальнейшее развитие криптографии. Во-первых, был принят (и опубликован!) 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.

(Слайд 22) Задание “Проверь себя”

(Слайд 23) Роль криптографии будет возрастать в связи с расширением ее областей приложения:

• цифровая подпись,
• аутентификация и подтверждение подлинности и целостности электронных документов,
• безопасность электронного бизнеса,
• защита информации, передаваемой через интернет и др.

Знакомство с криптографией потребуется каждому пользователю электронных средств обмена информацией, поэтому криптография в будущем станет "третьей грамотностью" наравне со "второй грамотностью" - владением компьютером и информационными технологиями.

При шифровании методом подстановки, буквы исходного текста могут заменяться на геометрические фигуры, фигурки людей, животных, любые рисунки, символы, буквы или цифры (группы).

КАЖДАЯ БУКВА КОДИРУЕТСЯ ТОЛЬКО ОДНИМ ЧИСЛОМ

В приложении № 30 показан способ простой подстановки, где для кодирования 33 букв используются 33 числа. Каждая из 33 букв заменяется на одно из чисел: 01, 02, 03, ...,33.

Вариант 1

По этой таблице закодирована шифровка из детской книжки-раскраски. Современная алфавитная позиционная нумерация аналогична числовому соответствию литеры в славянской азбуке. Это простая таблица. Здесь числа, используемые для кодирования, расположены по порядку.

Вариант 2

Здесь числа (двузначные цифровые группы) набраны в лотерейном порядке по принципу случайных чисел.

На случай хищения, утери (компрометации) таблицы, можно усложнить - договориться переставлять местами цифры в каждой группе. Например, А = 05 - в шифровке писать 50.

КАЖДАЯ БУКВА КОДИРУЕТСЯ ДВУМЯ ГРУППАМИ

Общее количество чисел (цифровых групп), используемых для кодирования, в 2 раза больше чем букв.

В таблице № 1 (приложение № 31 )- 49 букв, цифр и знаков + резерв, для кодирования которых используются 100 чисел (групп). Первая и вторая строчки - это двузначные группы, используемые для кодирования. Группы “36” и 63” - резерв. Третья, нижняя, строка - буквы, цифры и знаки препинания. Для кодирования каждой буквы используются то одна, то другая группа (стоящие над буквой), чередуясь попеременно. В этой таблице - группы расположены по порядку номеров. Таблицы такого типа не трудно хранить в памяти.

В таблице № 2 (приложение № 32 ) группы, используемые для кодирования, расположены хаотично. Таблица № 2 состоит из двух таблиц. Левая таблица предназначена для кодирования (кодовая таблица). Правая - для раскодирования (дешифрант). Напротив каждой буквы (в левой таблице) стоят две двузначные группы, которые используются для замены данной буквы чередуясь попеременно. Например, слово “шалаш” будет иметь такой вид: 15 68 06 12 82. Чтобы ввести в заблуждение противника, эту шифрограмму можно записать так: 156 806 128 224 или так: 1568 0612 8276. Для доукомплектования последней группы используем резерв.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ЗАМЕНЫ КАЖДОЙ БУКВЫ НЕСКОЛЬКИХ ГРУПП

В процессе шифрования для замены каждой буквы могут использоваться 3, 4 и более групп. Соответственно общее количество групп, используемых для шифрования, может быть в 3, 4 и n раз больше чем букв в алфавите.

КОДИРОВАНИЕ С УСЛОЖНЕНИЕМ .

В отличие от приложения № 30 все числа, используемые здесь для кодирования букв, взяты из таблицы умножения. Слово «ШАЛАШ» закодированное по кодовой таблице, представленной в приложении № 33, будет иметь такой вид: 10 24 40 24 10.

Усложняя с помощью таблицы умножения, заменяем код буквы на множители: вместо «10» пишем «25» или «52» (2´5 = 5´2 = 10), «24» заменяем на «38», «83», «46» или «64» (3´8 = 8´3 = 4´6 = 6´4 = 24) и т. д. После усложнения шифровка будет выглядеть так: 25 38 85 46 52. Таким образом для кодирования каждой буквы будет использоваться не одно число, а несколько (2-4), что сделает шифр более надежным, т. к. в зашифрованном тексте одни и те же числа (группы) будут повторяться реже.

Даже если Вы потеряете такую таблицу, или ее похитят, подсмотрят, скопируют, злоумышленники не смогут этим воспользоваться (расшифровать) т.к. в криптограмме цифровых групп из кодовой таблицы не будет, а будут группы, состоящие из множителей.

Чтобы не привлекать внимание посторонних, шифрограмма может быть замаскирована под арифметические действия первоклассника и записана так:

Классная работа

2´5 = 10, 3´8 = 24, 8´5 = 40, 4´6 = 24, 5´2 = I0

Сообщение можно передавать короткими частями.

Аналогично вышеизложенному, можно использовать «Четырёхзначные математические таблицы» В.М. Брадиса - точные произведения двузначных чисел. Четырёхзначное число раскладывается на 2 двузначных сомножителя.

ДЛЯ ЗАМЕНЫ КАЖДОЙ БУКВЫ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ РАЗНОЕ КОЛИЧЕСТВО ГРУПП

Рассмотрим систему шифрования в виде таблицы размером 10‰10 (размеры могут быть другими). Пронумеруем строки и столбцы. Десятые строку и столбец обозначим нулём (нумерацию можно начать не с 1, а с 0). Нумерация может быть буквенной. Причём для нумерации строк и столбцов могут использоваться не одни и те же, а разные буквы. Каждая клетка имеет координаты, состоящие из двух цифр или букв - номер строки и номер столбца. Заполним ячейки таблицы буквами алфавита, необходимыми знаками препинания, цифрами. При этом 100 ячеек распределим пропорционально, в зависимости от частоты употребления букв в русском языке. Несколько клеток оставим пустыми. Пустышки при необходимости будем применять вместо пробелов, для обозначения красной строки, для доукомплектования последних групп (в случае перегруппировки) и в качестве резерва.

В простейшем варианте буквы вписываются в таблицу в алфавитном порядке, а цифры в возрастающей последовательности (такое расположение символов не трудно запомнить). Причём, часто встречающиеся буквы повторяются необходимое количество раз: так буква О займёт 8-9 клеток, буква Е займёт 7-8 клеток, буква А повторяется 6-7 раз, букву И запишем 5-6 раз и т.д. Нумерацию строк и столбцов можно сделать в обратном или случайном порядке.

В усложнённом варианте сначала вписывается какой-нибудь заученный текст (например, стихотворение), затем дописываются буквы алфавита, не вошедшие в этот текст. Сначала вписываются какие-либо запомнившиеся цифры (например, 1945 - год окончания второй мировой войны), потом остальные. Таким образом, расположение знаков в таблице будет условно-случайным, что повышает стойкость шифра. Применяются разные правила заполнения таблицы в удобном для запоминания порядке. В нашем примере в таблицу (приложение № 34 ) в начале записана заученная фраза, за ней - запомнившиеся цифры, потом остальные буквы алфавита, далее следуют знаки препинания и оставшиеся цифры, и, наконец, дописаны необходимое количество раз часто встречающиеся буквы. Нумерация строк и столбцов имеет два варианта (цифровой и буквенный).

В процессе шифрования буква исходного текста отыскивается в таблице и заменяется на двузначную цифровую группу (координаты), в которой одна цифра является номером строки, а другая - номером столбца.

Зашифруем текст (ЛУЧШЕ БОЛЬШОЙ ДОСТАТОК, ЧЕМ МАЛЕНЬКИЙ НЕДОСТАТОК.) и получим криптограмму (17 45 49 40 10 37 13 88 18 40 24 43 39 95 15 12 29 23 96 11 57 49 21 44 89 68 17 77 19 18 87 16 43 80 78 76 97 05 25 69 08 98 11 50). В полученной криптограмме, не смотря на короткий открытый текст, просматриваются повторяющиеся (одинаковые) двузначные группы. Если шифровку перегруппировать в группы по 3, 4 или 5 символов, повторы одинаковых двузначных групп будут незаметны.

Если применить буквенную нумерацию строк и столбцов, шифрограмма будет иметь другой вид: ЛЖ ОД ОИ ОК ЛК НЖ ЛВ ТЗ ЛЗ ОК МГ ОВ НИ УД ЛД ЛБ МИ МВ УЕ ЛА ПЖ ОИ МА ОГ ТИ РЗ ЛЖ СЖ ЛИ ЛЗ ТЖ ЛЕ ОВ ТК СЗ СЕ УЖ ФД МД РИ ФЗ УЗ ЛА ПК. Для усложнения можно в каждой второй группе шифрограммы символы записывать в обратном порядке - сначала номер столбца, а затем номер строки. Или комбинировать - чередовать цифровые и буквенные группы.

Рассматриваемая таблица отличается от постолбцовой таблицы замены, показанной в приложении № 32 , тем, что кроме случайного соответствия символ-двузначная группа, мы имеем неодинаковое (приблизительно пропорциональное частоте употребления) количество заменяющих групп для разных букв, что уменьшает проявление в шифрограмме закономерностей и характеристик исходного текста.

ШИФРОБЛОКНОТ ИЗГОТОВЛЕНИЕ ШИФРОБЛОКНОТА

Возьмите обыкновенный блокнот (записную книжку) с алфавитом. Допишите в него недостающие буквы: Ё, Й, Ъ, Ы, Ь. Также желательно внести в блокнот после букв знаки препинания: точку, запятую, вопросительный знак. Итого в блокноте 36 букв и знаков. При необходимости можно внести - цифры и другие знаки.

Для шифрования используйте 1000 групп, по три цифры в каждой (трехзначные числа): 000, 001, 002, 003 и так далее до 999.

Для простоты распределите трёхзначные группы поровну. 1000: 36 = 27 и 28 в остатке. Для шифрования каждой буквы и знаков препинания используйте по 27 групп. Остальные 28 оставьте в резерве. Для резерва выделите отдельную страницу.

При составлении блокнота трехзначные группы набираются в лотерейном порядке по принципу случайных чисел. Для этого вырежьте из картона небольшие прямоугольные кусочки - 1000 штук. На каждом напишите номер: 000, 001, 002, 003 и т.д. до 999. Сложите их в коробку, перемешайте. Откройте блокнот на странице с буквой -“А”. Возьмите из коробки любой номерок, например, 323. Запишите это число в блокнот на странице с буквой - “А”. Этот номерок положите в другую, пустую, коробку. Возьмите из коробки второй номерок, например, 162. Запишите это число в блокнот, а номерок положите в другую коробку.

Достаньте из коробки очередной, третий, номерок. Запишите следующее число в блокнот, например, 952. И т.д. пока на странице с буквой “А” ни будет записано 27 групп.

323 162 952 338 566 532 959 379 005 837 832 582 035 818 460 615 907 464 814 931 564 690 305 405

336 259 179 286 177 059 236 790 971 113 504 390 910 331 458 422 856 496 025 370 217 232 794 598 724 345 486

Аналогично набираете и вписываете числа (трёхзначные цифровые группы) для других букв и знаков препинания. Оставшиеся 28 групп запишите в резерв.

Для расшифрования на свободных листах вначале блокнота сделайте специальную таблицу - ДЕШИФРАНТ. Дешифрант состоит из двух колонок. Первая колонка - это №№ по порядку, трехзначные группы: 000, 001 , 002, 003 и т.д. до 999. Вторая колонка - буквы и знаки. Сначала впишите в блокнот первую колонку - порядковые номера. Затем заполните вторую колонку - напротив каждого порядкового номера соответствующую букву или знак.

Для этого откройте блокнот на странице с буквой «А». Первая группа здесь - 323. Против порядкового № 323 дешифранта напишите букву «А». Вторая группа - 162. Против порядкового номера 162 в дешифранте напишите букву “А”, и т.д.

Далее, открываете блокнот на странице с буквой - “Б” и в дешифранте против соответствующих групп (порядковых номеров) проставляете букву «Б». Аналогично заполняете вторую колонку дешифранта остальными буквами и знаками препинания. Против групп, попавших в резерв, - пусто (например, № 260).

Шифроблокнот и дешифрант к нему показаны в приложении № 35 .

ШИФРОВАНИЕ ТЕКСТА

Например, нужно зашифровать слово - “БАБА”. Первая буква в тексте - “Б”. Откройте блокнот на странице с буквой “Б”. Первая группа - 336. Напишите ее под (над) первой буквой “Б” в тексте. Смотрите текст дальше, есть ли в тексте еще буквы “Б”. Вторую букву “Б” шифруйте второй группой - 259 и т.д. Каждую букву шифруйте новой группой, пока все буквы “Б” в тексте ни будут зашифрованы. Такая методика исключает повторное использование групп.

Возвращаемся к началу исходного текста. Вторая буква в тексте - “А”. Откройте блокнот на странице с буквой «А». Первая группа здесь - 323. Напишите её под буквой “А”. Следующую букву “А” шифруйте второй группой - 162. И т. д., до тех пор, когда все буквы «А» в тексте будут зашифрованы.

Аналогично шифруйте остальные буквы текста (в приведённом примере их нет). Получилась шифрограмма: 336 323 259 162. Для замены каждой буквы можно использовать любые из 27 групп, предназначенных для данной буквы, в любом порядке, не допуская повторного использования одной и той же группы.

РАСШИФРОВАНИЕ

Для расшифрования криптограммы найдите в дешифранте порядковый № 336. Напротив него стоит буква

- “Б”. Напишите букву “Б” под первой группой шифрограммы. Вторая группа в шифрограмме - 323. Найдите в дешифранте порядковый № 323. Напротив него стоит буква - “А”. Запишите её под второй группой шифрограммы. И т.д.

Получится :

ПРАВИЛА РАБОТЫ

Работа с конфиденциальной информацией и СРШ-ДРК должна проводиться в отсутствии посторонних. При шифровании запрещается повторное использование одной и той же группы. Если текст большой и блокнот не позволяет зашифровать весь текст без повторного использования групп, разбейте его на части и передавайте по частям, как отдельные шифрограммы.

Уничтожайте испорченные листы и черновики, а также утратившие значение шифрограммы и секретные тексты.

Если понадобится внести в блокнот другие знаки или цифры, используйте часть резерва. Цифры можно разместить отдельно после букв в конце блокнота или вместе с буквами в алфавитном порядке: 1 - один - после буквы “О”, 2 - два - после буквы «Д» и т.д. Резервные группы можно применять как знак раздела (для обозначения пробела или красной строки), для доукомплектования последних групп при перегруппировке шифрограммы и в других случаях.

Конечно, изготавливая шифроблокнот, распределять заменяющие элементы (шифрообозначения) для каждой буквы нужно не поровну, а в количестве пропорциональном частоте употребления букв в русском языке. Но равномерное распределение трёхзначных цифровых групп, показанное на примере данного шифроблокнота, даёт возможность более удобного и качественного манёвра изменения ключа. Даёт возможность применить сдвиг на одну или несколько позиций. Алфавит шифроблокнота нумеруется. Нумерация начинается с ноля, т.е. букве «А» присваивается порядковый номер 0, букве «Б» - порядковый номер 1, букве «В» - 2 и т.д. Такая нумерация помогает хорошо ориентироваться и вычислять нужные для замены группы.

Так, например, при сдвиге на три позиции (ключ равен 3) для замены буквы «А» используются группы, предназначенные для буквы «Г» - к порядковому номеру буквы «А» (0) прибавляем значение ключа (3) и получаем порядковый номер буквы «Г» (3). Буква исходного текста «Б» в процессе шифрования заменяется на трёхзначные цифровые группы, предназначенные для буквы «Д» - порядковый номер буквы «Б» (1) складываем со значением ключа (3) и получаем порядковый номер абзаца, соответствующего букве «Д» (4), и т.д.

Можно разбить алфавит попарно и для замены буквы «А» использовать группы, предназначенные для буквы «Б». Для замены буквы «Б» применять группы, предназначенные для буквы «А», и так далее.

Ключ менять по специальному секретному графику (расписанию смены ключа).

Тема: "Криптография. Шифры, их виды и свойства"

Введение

1. История криптографии

2. Шифры, их виды и свойства

Заключение

Список литературы

То, что информация имеет ценность, люди осознали очень давно - недаром переписка сильных мира сего издавна была объектом пристального внимания их недругов и друзей. Тогда-то и возникла задача защиты этой переписки от чрезмерно любопытных глаз. Древние пытались использовать для решения этой задачи самые разнообразные методы, и одним из них была тайнопись - умение составлять сообщения таким образом, чтобы его смысл был недоступен никому кроме посвященных в тайну. Есть свидетельства тому, что искусство тайнописи зародилось еще в доантичные времена. На протяжении всей своей многовековой истории, вплоть до совсем недавнего времени, это искусство служило немногим, в основном верхушке общества, не выходя за пределы резиденций глав государств, посольств и - конечно же - разведывательных миссий. И лишь несколько десятилетий назад все изменилось коренным образом - информация приобрела самостоятельную коммерческую ценность и стала широко распространенным, почти обычным товаром. Ее производят, хранят, транспортируют, продают и покупают, а значит - воруют и подделывают - и, следовательно, ее необходимо защищать. Современное общество все в большей степени становится информационно обусловленным, успех любого вида деятельности все сильней зависит от обладания определенными сведениями и от отсутствия их у конкурентов. И чем сильней проявляется указанный эффект, тем больше потенциальные убытки от злоупотреблений в информационной сфере, и тем больше потребность в защите информации.

Широкое применение компьютерных технологий и постоянное увеличение объема информационных потоков вызывает постоянный рост интереса к криптографии. В последнее время увеличивается роль программных средств защиты информации, не требующих крупных финансовых затрат в сравнении с аппаратными криптосистемами. Современные методы шифрования гарантируют практически абсолютную защиту данных.

Целью данной работы является знакомство с криптографией; шифрами, их видами и свойствами.

Ознакомиться с криптографией

Рассмотреть шифры, их виды и свойства

Перед тем как приступить к собственно истории криптографии необходимо прокомментировать ряд определений, так как без этого все нижесказанное будет "слегка" затруднительным для понимания:

Под конфиденциальностью понимают невозможность получения информации из преобразованного массива без знания дополнительной информации (ключа).

Аутентичность информации состоит в подлинности авторства и целостности.

Криптоанализ объединяет математические методы нарушения конфиденциальности и аутентичности информации без знания ключей.

Алфавит - конечное множество используемых для кодирования информации знаков.

Текст - упорядоченный набор из элементов алфавита. В качестве примеров алфавитов можно привести следующие:

алфавит Z 33 - 32 буквы русского алфавита (исключая "ё") и пробел;

алфавит Z 256 - символы, входящие в стандартные коды ASCII и КОИ-8;

двоичный алфавит - Z 2 = {0, 1};

восьмеричный или шестнадцатеричный алфавит

Под шифром понимается совокупность обратимых преобразований множества открытых данных на множество зашифрованных данных, заданных алгоритмом криптографического преобразования. В шифре всегда различают два элемента: алгоритм и ключ. Алгоритм позволяет использовать сравнительно короткий ключ для шифрования сколь угодно большого текста.

Криптографическая система, или шифр представляет собой семейство Т обратимых преобразований открытого текста в шифрованный. Членам этого семейства можно взаимно однозначно сопоставить число k, называемое ключом. Преобразование Тk определяется соответствующим алгоритмом и значением ключа k.

Ключ - конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования данных, обеспечивающее выбор одного варианта из совокупности всевозможных для данного алгоритма. Секретность ключа должна обеспечивать невозможность восстановления исходного текста по шифрованному.

Пространство ключей K - это набор возможных значений ключа.

Обычно ключ представляет собой последовательный ряд букв алфавита. Следует отличать понятия "ключ" и "пароль". Пароль также является секретной последовательностью букв алфавита, однако используется не для шифрования (как ключ), а для аутентификации субъектов.

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

Зашифрованием данных называется процесс преобразования открытых данных в зашифрованные с помощью шифра, а расшифрованием данных - процесс преобразования закрытых данных в открытые с помощью шифра.

Дешифрованием называется процесс преобразования закрытых данных в открытые при неизвестном ключе и, возможно, неизвестном алгоритме, т.е. методами криптоанализа.

Шифрованием называется процесс зашифрования или расшифрования данных. Также термин шифрование используется как синоним зашифрования. Однако неверно в качестве синонима шифрования использовать термин "кодирование" (а вместо "шифра" - "код"), так как под кодированием обычно понимают представление информации в виде знаков (букв алфавита).

Криптостойкостью называется характеристика шифра, определяющая его стойкость к дешифрованию. Обычно эта характеристика определяется периодом времени, необходимым для дешифрования.

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.

В истории криптографии условно можно выделить четыре этапа: наивный, формальный, научный, компьютерный.

1. Для наивной криптографии (до начала XVI в) характерно использование любых, обычно примитивных, способов запутывания противника относительно содержания шифруемых текстов. На начальном этапе для защиты информации использовались методы кодирования и стеганографии, которые родственны, но не тождественны 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.

2. 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" 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" 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 процесс шифрования стали роторные криптосистемы.

Одной из первых подобных систем стала изобретенная в 1790 г. Томасом Джефферсоном 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.

3. 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", 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.

4. 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. Один из его авторов, Хорст Фейстель 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, RC6 и др.), а в 2000 г. после открытого международного конкурса был принят новый национальный стандарт шифрования США - AES.

Таким образом, мы узнали следующее:

Криптология - это наука о преобразовании информации для обеспечения ее секретности, состоящая из двух ветвей: криптографии и криптоанализа.

Криптоанализ - наука (и практика ее применения) о методах и способах вскрытия шифров.

Криптография - наука о способах преобразования (шифрования) информации с целью ее защиты от незаконных пользователей. Исторически первой задачей криптографии была защита передаваемых текстовых сообщений от несанкционированного ознакомления с их содержанием, известного только отправителю и получателю, все методы шифрования являются лишь развитием этой философской идеи. С усложнением информационных взаимодействий в человеческом обществе возникли и продолжают возникать новые задачи по их защите, некоторые из них были решены в рамках криптографии, что потребовало развития новых подходов и методов.

В криптографии криптографические системы (или шифры) классифицируются следующим образом:

симметричные криптосистемы

асимметричные криптосистемы

2.1 Симметричные криптографические системы

Под симметричными криптографическими системами понимаются такие криптосистемы, в которых для шифрования и расшифрования используется один и тот же ключ, хранящийся в секрете. Все многообразие симметричных криптосистем основывается на следующих базовых классах:

I. Моно - и многоалфавитные подстановки.

Моноалфавитные подстановки - это наиболее простой вид преобразований, заключающийся в замене символов исходного текста на другие (того же алфавита) по более или менее сложному правилу. В случае моноалфавитных подстановок каждый символ исходного текста преобразуется в символ шифрованного текста по одному и тому же закону. При многоалфавитной подстановке закон преобразования меняется от символа к символу. Один и тот же шифр может рассматриваться и как моно - и как многоалфавитный в зависимости от определяемого алфавита.

Например, самой простой разновидностью является прямая (простая) замена, когда буквы шифруемого сообщения заменяются другими буквами того же самого или некоторого другого алфавита. Таблица замены может иметь следующий вид:

Используя эту таблицу, зашифруем слово победа. Получим следующее: btpzrs

II. Перестановки - также несложный метод криптографического преобразования, заключающийся в перестановке местами символов исходного текста по некоторому правилу. Шифры перестановок в настоящее время не используются в чистом виде, так как их криптостойкость недостаточна, но они входят в качестве элемента в очень многие современные криптосистемы.

Самая простая перестановка - написать исходный текст наоборот и одновременно разбить шифрограмму на пятерки букв. Например, из фразы

ПУСТЬ БУДЕТ ТАК, КАК МЫ ХОТЕЛИ

получится такой шифротекст:

ИЛЕТО ХЫМКА ККАТТ ЕДУБЪ ТСУП

В последней пятерке не хватает одной буквы. Значит, прежде чем шифровать исходное выражение, следует его дополнить незначащей буквой (например, О) до числа, кратного пяти, тогда шифрограмма, несмотря на столь незначительные изменения, будет выглядеть по-другому:

ОИЛЕТ ОХЫМК АККАТ ТЕДУБ ЬТСУП

III. Блочные шифры - семейство обратимых преобразований блоков (частей фиксированной длины) исходного текста. Фактически блочный шифр - это система подстановки на алфавите блоков. Она может быть моно - или многоалфавитной в зависимости от режима блочного шифра. Иначе говоря, при блочном шифровании информация разбивается на блоки фиксированной длины и шифруется поблочно. Блочные шифры бывают двух основных видов: шифры перестановки (transposition, permutation, P-блоки) и шифры замены (подстановки, substitution, S-блоки) . В настоящее время блочные шифры наиболее распространены на практике.

Американский стандарт криптографического закрытия данных DES (Data Encryption Standard), принятый в 1978 г., является типичным представителем семейства блочных шифров и одним из наиболее распространенных криптографических стандартов на шифрование данных, применяемых в США. Этот шифр допускает эффективную аппаратную и программную реализацию, причем возможно достижение скоростей шифрования до нескольких мегабайт в секунду. Первоначально метод, лежащий в основе данного стандарта, был разработан фирмой IBM для своих целей. Он был проверен Агентством Национальной Безопасности США, которое не обнаружило в нем статистических или математических изъянов.

DES имеет блоки по 64 бит и основан на 16-кратной перестановке данных, также для шифрования использует ключ в 56 бит. Существует несколько режимов DES: Electronic Code Book (ECB) и Cipher Block Chaining (CBC).56 бит - это 8 семибитовых символов, т.е. пароль не может быть больше чем восемь букв. Если вдобавок использовать только буквы и цифры, то количество возможных вариантов будет существенно меньше максимально возможных 2 56 . Однако, данный алгоритм, являясь первым опытом стандарта шифрования, имеет ряд недостатков. За время, прошедшее после создания DES, компьютерная техника развилась настолько быстро, что оказалось возможным осуществлять исчерпывающий перебор ключей и тем самым раскрывать шифр. В 1998 г. была построена машина, способная восстановить ключ за среднее время в трое суток. Таким образом, DES, при его использовании стандартным образом, уже стал далеко не оптимальным выбором для удовлетворения требованиям скрытности данных. Позднее стали появляться модификации DESa, одной из которой является Triple Des ("тройной DES" - так как трижды шифрует информацию обычным DESом). Он свободен от основного недостатка прежнего варианта - короткого ключа: он здесь в два раза длиннее. Но зато, как оказалось, Triple DES унаследовал другие слабые стороны своего предшественника: отсутствие возможности для параллельных вычислений при шифровании и низкую скорость.

IV. Гаммирование - преобразование исходного текста, при котором символы исходного текста складываются с символами псевдослучайной последовательности (гамме), вырабатываемой по некоторому правилу. В качестве гаммы может быть использована любая последовательность случайных символов. Процедуру наложения гаммы на исходный текст можно осуществить двумя способами. При первом способе символы исходного текста и гаммы заменяются цифровыми эквивалентами, которые затем складываются по модулю k, где k - число символов в алфавите. При втором методе символы исходного текста и гаммы представляются в виде двоичного кода, затем соответствующие разряды складываются по модулю 2. Вместо сложения по модулю 2 при гаммировании можно использовать и другие логические операции.

Таким образом, симметричными криптографическими системами являются криптосистемы, в которых для шифрования и расшифрования используется один и тот же ключ. Достаточно эффективным средством повышения стойкости шифрования является комбинированное использование нескольких различных способов шифрования. Основным недостатком симметричного шифрования является то, что секретный ключ должен быть известен и отправителю, и получателю.

2.2 Асимметричные криптографические системы

Еще одним обширным классом криптографических систем являются так называемые асимметричные или двухключевые системы. Эти системы характеризуются тем, что для шифрования и для расшифрования используются разные ключи, связанные между собой некоторой зависимостью. Применение таких шифров стало возможным благодаря К. Шеннону, предложившему строить шифр таким способом, чтобы его раскрытие было эквивалентно решению математической задачи, требующей выполнения объемов вычислений, превосходящих возможности современных ЭВМ (например, операции с большими простыми числами и их произведениями). Один из ключей (например, ключ шифрования) может быть сделан общедоступным, и в этом случае проблема получения общего секретного ключа для связи отпадает. Если сделать общедоступным ключ расшифрования, то на базе полученной системы можно построить систему аутентификации передаваемых сообщений. Поскольку в большинстве случаев один ключ из пары делается общедоступным, такие системы получили также название криптосистем с открытым ключом. Первый ключ не является секретным и может быть опубликован для использования всеми пользователями системы, которые зашифровывают данные. Расшифрование данных с помощью известного ключа невозможно. Для расшифрования данных получатель зашифрованной информации использует второй ключ, который является секретным. Разумеется, ключ расшифрования не может быть определен из ключа зашифрования.

Центральным понятием в асимметричных криптографических системах является понятие односторонней функции.

Под односторонней функцией понимается эффективно вычислимая функция, для обращения которой (т.е. для поиска хотя бы одного значения аргумента по заданному значению функции) не существует эффективных алгоритмов.

Функцией-ловушкой называется односторонняя функция, для которой обратную функцию вычислить просто, если имеется некоторая дополнительная информация, и сложно, если такая информация отсутствует.

Все шифры этого класса основаны на так называемых функциях-ловушках. Примером такой функции может служить операция умножения. Вычислить произведение двух целых чисел очень просто, однако эффективных алгоритмов для выполнения обратной операции (разложения числа на целые сомножители) - не существует. Обратное преобразование возможно лишь, если известна, какая-то дополнительная информация.

В криптографии очень часто используются и так называемые хэш-функции. Хэш-функции - это односторонние функции, которые предназначены для контроля целостности данных. При передаче информации на стороне отправителя она хешируется, хэш передается получателю вместе с сообщением, и получатель вычисляет хэш этой информации повторно. Если оба хэша совпали, то это означает, что информация была передана без искажений. Тема хэш-функций достаточно обширна и интересна. И область ее применения гораздо больше чем просто криптография.

В настоящее время наиболее развитым методом криптографической защиты информации с известным ключом является RSA, названный так по начальным буквам фамилий его изобретателей (Rivest, Shamir и Adleman) и представляющий собой криптосистему, стойкость которой основана на сложности решения задачи разложения числа на простые сомножители. Простыми называются такие числа, которые не имеют делителей, кроме самих себя и единицы. А взаимно простыми называются числа, не имеющие общих делителей, кроме 1.

Для примера выберем два очень больших простых числа (большие исходные числа нужны для построения больших криптостойких ключей). Определим параметр n как результат перемножения р и q. Выберем большое случайное число и назовем его d, причем оно должно быть взаимно простым с результатом умножения (р - 1) * (q - 1). Найдем такое число e, для которого верно соотношение:

(e*d) mod ((р - 1) * (q - 1)) = 1

(mod - остаток от деления, т.е. если e, умноженное на d, поделить на ((р - 1) * (q - 1)), то в остатке получим 1).

Открытым ключом является пара чисел e и n, а закрытым - d и n. При шифровании исходный текст рассматривается как числовой ряд, и над каждым его числом мы совершаем операцию:

C (i) = (M (i) e) mod n

В результате получается последовательность C (i), которая и составит криптотекст.д.екодирование информации происходит по формуле

M (i) = (C (i) d) mod n

Как видите, расшифровка предполагает знание секретного ключа.

Попробуем на маленьких числах. Установим р=3, q=7. Тогда n=р*q=21. Выбираем d как 5. Из формулы (e*5) mod 12=1 вычисляем e=17. Открытый ключ 17, 21, секретный - 5, 21.

Зашифруем последовательность "2345":

C (2) = 2 17 mod 21 =11

C (3) = 3 17 mod 21= 12

C (4) = 4 17 mod 21= 16

C (5) = 5 17 mod 21= 17

Криптотекст - 11 12 16 17.

Проверим расшифровкой:

M (2) = 11 5 mod 21= 2

M (3) = 12 5 mod 21= 3

M (4) = 16 5 mod 21= 4

M (5) = 17 5 mod 21= 5

Как видим, результат совпал.

Криптосистема RSA широко применяется в Интернете. Когда пользователь подсоединяется к защищенному серверу, то здесь применяется шифрование открытым ключом с использованием идей алгоритма RSA. Криптостойкость RSA основывается на том предположении, что исключительно трудно, если вообще реально, определить закрытый ключ из открытого. Для этого требовалось решить задачу о существовании делителей огромного целого числа. До сих пор ее аналитическими методами никто не решил, и алгоритм RSA можно взломать лишь путем полного перебора.

Таким образом, асимметричные криптографические системы - это системы, в которых для шифрования и для расшифрования используются разные ключи. Один из ключей даже может быть сделан общедоступным. При этом расшифрование данных с помощью известного ключа невозможно.

Криптография - наука о математических 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 ключа в шифрованный текст. Традиционная криптография образует раздел симметричных криптосистем, в которых зашифрование и расшифрование проводится с использованием одного и того же секретного ключа. Помимо этого раздела современная криптография включает в себя асимметричные криптосистемы, системы электронной цифровой подписи (ЭЦП), хеш-функции, управление ключами, получение скрытой информации, квантовую криптографию.

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.

1. Златопольский Д.М. Простейшие методы шифрования текста. /Д.М. Златопольский - М.: Чистые пруды, 2007

2. Молдовян А. Криптография. /А. Молдовян, Н.А. Молдовян, Б.Я. Советов - СПб: Лань, 2001

3. Яковлев А.В., Безбогов А.А., Родин В.В., Шамкин В.Н. Криптографическая защита информации. /Учебное пособие - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006

4. http://ru. wikipedia.org

5. http://cryptoblog.ru

6. http://Stfw.ru

7. http://www.contrterror. tsure.ru

Молдовян А. Криптография./А. Молдовян, Н. А. Молдовян, Б. Я. Советов – СПб: Лань, 2001

Действий в сфере информационных технологий. Таким образом, можно считать актуальным и значительным старших классов изучение элективного курса «Компьютерная и информационная безопасность» в образовательной области «Информатика». Курс ориентирован на подготовку подрастающего поколения к жизни и деятельности в совершенно новых условиях информационного общества, в котором вопросы обеспечения...

Необходимость в шифровании переписки возникла еще в древнем мире, и появились шифры простой замены. Зашифрованные послания определяли судьбу множества битв и влияли на ход истории. Со временем люди изобретали все более совершенные способы шифрования.

Код и шифр - это, к слову, разные понятия. Первое означает замену каждого слова в сообщении кодовым словом. Второе же заключается в шифровании по определенному алгоритму каждого символа информации.

После того как кодированием информации занялась математика и была разработана теория криптографии, ученые обнаружили множество полезных свойств этой прикладной науки. Например, алгоритмы декодирования помогли разгадать мертвые языки, такие как древнеегипетский или латынь.

Стеганография

Стеганография старше кодирования и шифрования. Это искусство появилось очень давно. Оно буквально означает «скрытое письмо» или «тайнопись». Хоть стеганография не совсем соответствует определениям кода или шифра, но она предназначена для сокрытия информации от чужих глаз.

Стеганография является простейшим шифром. Типичными ее примерами являются проглоченные записки, покрытые ваксой, или сообщение на бритой голове, которое скрывается под выросшими волосами. Ярчайшим примером стеганографии является способ, описанный во множестве английских (и не только) детективных книг, когда сообщения передаются через газету, где малозаметным образом помечены буквы.

Главным минусом стеганографии является то, что внимательный посторонний человек может ее заметить. Поэтому, чтобы секретное послание не было легко читаемым, совместно со стеганографией используются методы шифрования и кодирования.

ROT1 и шифр Цезаря

Название этого шифра ROTate 1 letter forward, и он известен многим школьникам. Он представляет собой шифр простой замены. Его суть заключается в том, что каждая буква шифруется путем смещения по алфавиту на 1 букву вперед. А -> Б, Б -> В, ..., Я -> А. Например, зашифруем фразу «наша Настя громко плачет» и получим «общб Обтуа дспнлп рмбшеу».

Шифр ROT1 может быть обобщен на произвольное число смещений, тогда он называется ROTN, где N - это число, на которое следует смещать шифрование букв. В таком виде шифр известен с глубокой древности и носит название «шифр Цезаря».

Шифр Цезаря очень простой и быстрый, но он является шифром простой одинарной перестановки и поэтому легко взламывается. Имея подобный недостаток, он подходит только для детских шалостей.

Транспозиционные или перестановочные шифры

Данные виды шифра простой перестановки более серьезны и активно применялись не так давно. В Гражданскую войну в США и в Первую мировую его использовали для передачи сообщений. Его алгоритм заключается в перестановке букв местами - записать сообщение в обратном порядке или попарно переставить буквы. Например, зашифруем фразу «азбука Морзе - тоже шифр» -> «акубза езроМ - ежот рфиш».

С хорошим алгоритмом, который определял произвольные перестановки для каждого символа или их группы, шифр становился устойчивым к простому взлому. Но! Только в свое время. Так как шифр легко взламывается простым перебором или словарным соответствием, сегодня с его расшифровкой справится любой смартфон. Поэтому с появлением компьютеров этот шифр также перешел в разряд детских.

Азбука Морзе

Азбука является средством обмена информации и ее основная задача - сделать сообщения более простыми и понятными для передачи. Хотя это противоречит тому, для чего предназначено шифрование. Тем не менее она работает подобно простейшим шифрам. В системе Морзе каждая буква, цифра и знак препинания имеют свой код, составленный из группы тире и точек. При передаче сообщения с помощью телеграфа тире и точки означают длинные и короткие сигналы.

Телеграф и азбука был тем, кто первый запатентовал «свое» изобретение в 1840 году, хотя до него и в России, и в Англии были изобретены подобные аппараты. Но кого это теперь интересует... Телеграф и азбука Морзе оказали очень большое влияние на мир, позволив почти мгновенно передавать сообщения на континентальные расстояния.

Моноалфавитная замена

Описанные выше ROTN и азбука Морзе являются представителями шрифтов моноалфавитной замены. Приставка «моно» означает, что при шифровании каждая буква изначального сообщения заменяется другой буквой или кодом из единственного алфавита шифрования.

Дешифрование шифров простой замены не составляет труда, и в этом их главный недостаток. Разгадываются они простым перебором или частотным анализом. Например, известно, что самые используемые буквы русского языка - это «о», «а», «и». Таким образом, можно предположить, что в зашифрованном тексте буквы, которые встречаются чаще всего, означают либо «о», либо «а», либо «и». Исходя из таких соображений, послание можно расшифровать даже без перебора компьютером.

Известно, что Мария I, королева Шотландии с 1561 по 1567 г., использовала очень сложный шифр моноалфавитной замены с несколькими комбинациями. И все же ее враги смогли расшифровать послания, и информации хватило, чтобы приговорить королеву к смерти.

Шифр Гронсфельда, или полиалфавитная замена

Простые шифры криптографией признаны бесполезными. Поэтому множество из них было доработано. Шифр Гронсфельда — это модификация шифра Цезаря. Данный способ является значительно более стойким к взлому и заключается в том, что каждый символ кодируемой информации шифруется при помощи одного из разных алфавитов, которые циклически повторяются. Можно сказать, что это многомерное применение простейшего шифра замены. Фактически шифр Гронсфельда очень похож на рассмотренный ниже.

Алгоритм шифрования ADFGX

Это самый известный шифр Первой мировой войны, используемый немцами. Свое имя шифр получил потому, что алгоритм шифрования приводил все шифрограммы к чередованию этих букв. Выбор самих же букв был определен их удобством при передаче по телеграфным линиям. Каждая буква в шифре представляется двумя. Рассмотрим более интересную версию квадрата ADFGX, которая включает цифры и называется ADFGVX.

Алгоритм составления квадрата ADFGX следующий:

1. Берем случайные n букв для обозначения столбцов и строк.
2. Строим матрицу N x N.
3. Вписываем в матрицу алфавит, цифры, знаки, случайным образом разбросанные по ячейкам.

Составим аналогичный квадрат для русского языка. Например, создадим квадрат АБВГД:

Данная матрица выглядит странно, так как ряд ячеек содержит по две буквы. Это допустимо, смысл послания при этом не теряется. Его легко можно восстановить. Зашифруем фразу «Компактный шифр» при помощи данной таблицы:

Таким образом, итоговое зашифрованное послание выглядит так: «бвгвгбгдагбвдбабдгвдваадббга». Разумеется, немцы проводили подобную строку еще через несколько шифров. И в итоге получалось очень устойчивое к взлому шифрованное послание.

Шифр Виженера

Данный шифр на порядок более устойчив к взлому, чем моноалфавитные, хотя представляет собой шифр простой замены текста. Однако благодаря устойчивому алгоритму долгое время считался невозможным для взлома. Первые его упоминания относятся к 16-му веку. Виженер (французский дипломат) ошибочно считается его изобретателем. Чтобы лучше разобраться, о чем идет речь, рассмотрим таблицу Виженера (квадрат Виженера, tabula recta) для русского языка.

Приступим к шифрованию фразы «Касперович смеется». Но, чтобы шифрование удалось, нужно ключевое слово — пусть им будет «пароль». Теперь начнем шифрование. Для этого запишем ключ столько раз, чтобы количество букв из него соответствовало количеству букв в шифруемой фразе, путем повтора ключа или обрезания:

Теперь по как по координатной плоскости, ищем ячейку, которая является пересечением пар букв, и получаем: К + П = Ъ, А + А = Б, С + Р = В и т. д.

Получаем, что "касперович смеется" = "ъбвюснюгщж эйхжгал".

Взломать шифр Виженера так сложно, потому что для работы частотного анализа необходимо знать длину ключевого слова. Поэтому взлом заключается в том, чтобы наугад бросать длину ключевого слова и пытаться взломать засекреченное послание.

Следует также упомянуть, что помимо абсолютно случайного ключа может быть использована совершенно разная таблица Виженера. В данном случае квадрат Виженера состоит из построчно записанного русского алфавита со смещением на единицу. Что отсылает нас к шифру ROT1. И точно так же, как и в шифре Цезаря, смещение может быть любым. Более того, порядок букв не должен быть алфавитным. В данном случае сама таблица может быть ключом, не зная которую невозможно будет прочесть сообщение, даже зная ключ.

Коды

Настоящие коды состоят из соответствий для каждого слова отдельного кода. Для работы с ними необходимы так называемые кодовые книги. Фактически это тот же словарь, только содержащий переводы слов в коды. Типичным и упрощенным примером кодов является таблица ASCII — международный шифр простых знаков.

Главным преимуществом кодов является то, что расшифровать их очень сложно. почти не работает при их взломе. Слабость же кодов — это, собственно, сами книги. Во-первых, их подготовка — сложный и дорогостоящий процесс. Во-вторых, для врагов они превращаются в желанный объект и перехват даже части книги вынуждает менять все коды полностью.

В 20-м веке многие государства для передачи секретных данных использовали коды, меняя кодовую книгу по прошествии определенного периода. И они же активно охотились за книгами соседей и противников.

"Энигма"

Всем известно, что "Энигма" — это главная шифровальная машина нацистов во время II мировой войны. Строение "Энигмы" включает комбинацию электрических и механических схем. То, каким получится шифр, зависит от начальной конфигурации "Энигмы". В то же время "Энигма" автоматически меняет свою конфигурацию во время работы, шифруя одно сообщение несколькими способами на всем его протяжении.

В противовес самым простым шифрам "Энигма" давала триллионы возможных комбинаций, что делало взлом зашифрованной информации почти невозможным. В свою очередь, у нацистов на каждый день была заготовлена определенная комбинация, которую они использовали в конкретный день для передачи сообщений. Поэтому даже если "Энигма" попадала в руки противника, она никак не способствовала расшифровке сообщений без введения нужной конфигурации каждый день.

Взломать "Энигму" активно пытались в течение всей военной кампании Гитлера. В Англии в 1936 г. для этого построили один из первых вычислительных аппаратов (машина Тьюринга), ставший прообразом компьютеров в будущем. Его задачей было моделирование работы нескольких десятков "Энигм" одновременно и прогон через них перехваченных сообщений нацистов. Но даже машине Тьюринга лишь иногда удавалось взламывать сообщение.

Шифрование методом публичного ключа

Самый популярный из который используется повсеместно в технике и компьютерных системах. Его суть заключается, как правило, в наличии двух ключей, один из которых передается публично, а второй является секретным (приватным). Открытый ключ используется для шифровки сообщения, а секретный — для дешифровки.

В роли открытого ключа чаще всего выступает очень большое число, у которого существует только два делителя, не считая единицы и самого числа. Вместе эти два делителя образуют секретный ключ.

Рассмотрим простой пример. Пусть публичным ключом будет 905. Его делителями являются числа 1, 5, 181 и 905. Тогда секретным ключом будет, например, число 5*181. Вы скажете слишком просто? А что если в роли публичного числа будет число с 60 знаками? Математически сложно вычислить делители большого числа.

В качестве более живого примера представьте, что вы снимаете деньги в банкомате. При считывании карточки личные данные зашифровываются определенным открытым ключом, а на стороне банка происходит расшифровка информации секретным ключом. И этот открытый ключ можно менять для каждой операции. А способов быстро найти делители ключа при его перехвате — нет.

Стойкость шрифта

Криптографическая стойкость алгоритма шифрования — это способность противостоять взлому. Данный параметр является самым важным для любого шифрования. Очевидно, что шифр простой замены, расшифровку которого осилит любое электронное устройство, является одним из самых нестойких.

На сегодняшний день не существует единых стандартов, по которым можно было бы оценить стойкость шифра. Это трудоемкий и долгий процесс. Однако есть ряд комиссий, которые изготовили стандарты в этой области. Например, минимальные требования к алгоритму шифрования Advanced Encryption Standart или AES, разработанные в NIST США.

Для справки: самым стойким шифром к взлому признан шифр Вернама. При этом его плюсом является то, что по своему алгоритму он является простейшим шифром.

Обычные шифры из детективных романов часто устроены так: каждая буква сообщения заменяется каким-нибудь определённым значком или другой буквой. Подобные шифры очень ненадёжны, и вот почему. Буквы в текстах на русском языке (да и на любом языке вообще) встречаются неравномерно. Например, буква «О» в русских текстах встречается чаще всех других букв, а буква «Ъ» - реже всего. У каждой буквы есть своя примерная частота появления в тексте (смотри таблицу на поле справа).

Сочетания букв тоже встречаются неравномерно (например, «ьь» вообще не встречается). Конечно, все эти частоты зависят от конкретного текста - скажем, в биологической статье о жужелицах буква «ж» явно будет встречаться чаще, чем обычно. Но приведённая таблица вполне годится как ориентир.

Так вот, описанный способ шифровки не изменяет частот - просто теперь с аналогичной частотой будет появляться не сама буква, а заменяющий её значок. Высчитав частоту появления каждого значка в шифровке и сравнив полученные данные с таблицей частот, мы можем сделать предположения, какой букве какой значок соответствует. Далее пробуем заменять значки один за одним на буквы, проверяя свои догадки, корректируя их и делая новые, и постепенно расшифровываем текст. Если он не слишком короткий, мы с большой вероятностью его полностью расшифруем (хотя это может оказаться не совсем простым делом). Кстати, намного чаще любой буквы встречается пробел, разделяющий слова. Поэтому если пробел используется в шифровке и тоже заменён на какой-то значок, мы разгадаем его в первую очередь.

Совершенный шифр

Опишем теперь шифр, который принципиально не поддается расшифровке без знания ключа. Сопоставим каждой букве русского алфавита свою последовательность из 0 и 1 длины 5 (пятизначный двоичный код), например: А - 00000, Б - 00001, В - 00010 и так далее (или в каком-то другом порядке). Если буквы Е и Ё кодировать одинаково, то последовательностей как раз хватит (их 32, а в алфавите 33 буквы).

Заменим в тексте каждую букву на её двоичный код, получим последовательность из 0 и 1 (двоичный текст). Это пока ещё не шифровка - мы бы легко разгадали, какая буква на какую последовательность заменена (тем же методом, что и в случае замены букв на значки).

Чтобы зашифровать полученный двоичный текст, нам потребуется ещё ключ - случайная последовательность из 0 и 1 такой же длины. Этот ключ должен быть и у отправителя шифрованного сообщения, и у адресата.

Для зашифровки просто складываем две последовательности нулей и единиц - двоичный текст сообщения и ключ: первую цифру с первой, вторую со второй, и так далее. Но складываем по особым правилам:

0 + 0 = 0, 1 + 0 = 1, 0 + 1 = 1, 1 + 1 = 0

(в математике это называется сложением по модулю 2).

Полученная последовательность и будет зашифрованным сообщением. Чтобы расшифровать её, надо просто... снова прибавить к ней ключ! Тогда мы как бы прибавим к исходной последовательности ключ два раза. А по нашим правилам, прибавляя две одинаковые цифры мы ничего не меняем, то есть мы вернёмся к исходному двоичному тексту. Схематически процесс шифрования и дешифрования можно описать так:

текст + ключ = шифровка;

шифровка + ключ = текст + ключ + ключ = текст.

Ясно, что расшифровать сообщение, не зная ключа, невозможно. Нам как бы дана сумма двух чисел, и нельзя восстановить одно из слагаемых, ничего не зная про другое. Имея на руках лишь шифровку, мы знаем только, что исходный текст может быть абсолютно любым текстом соответствующей длины. Ведь по любому такому тексту можно изготовить ключ, который приведёт ровно к той же самой шифровке!

Недостаток описанного способа в том, что каждый текст требует нового ключа такой же длины - если повторять ключи, появляется возможность расшифровки. Например, мы могли бы попробовать вместо длинного ключа использовать ключ всего из пяти символов, скажем 11010. Разбиваем двоичный текст на пятёрки цифр и прибавляем к каждой пятёрке 11010. Фактически, мы просто заменяем каждую пятёрку цифр на какую-то другую фиксированную пятёрку. В этом случае расшифровать исходный текст так же легко, как если бы мы просто заменили его двоичным кодом, не прибавляя никакого ключа. Использовать длинные ключи, но всё же существенно более короткие, чем текст, тоже опасно - есть метод определения длины ключа, а после того как длина ключа установлена, можно применить частотный анализ.

Поэтому надо заготовить ключ огромной длины заранее и лишь указывать, например, в начале шифровки, какое место ключа используется. При этом очень важно, чтобы ключ был случайной последовательностью из 0 и 1. Например, последовательности 11111111111111111 и 010101010101010 не случайные. Кстати, придумать случайную последовательность не так-то просто. Трудно даже (но возможно) дать чёткое определение, какие последовательности могут считаться случайными.

Немного истории и литературы

Подобный шифр использовал Макс Кристиансен-Клаузен, шифровальщик выдающегося советского разведчика Рихарда Зорге. Наиболее часто употребляемые буквы английского алфавита s, i, o, e, r, a, t, n заменялись цифрами от 0 до 7, а остальные буквы - числами от 80 до 99 (чтобы не возникало путаницы, когда числа записывались подряд). Ключом служили старые выпуски «Статистического ежегодника Германского рейха» с множеством числовых данных. Ключ записывали под текстом и прибавляли, причём если сумма двух цифр превышала 10, то записывалась только её последняя цифра. Например, вместо 7 + 5 писали 2, отбрасывая десяток (в математике это называется сложением по модулю 10). Восстанавливали исходное сообщение, «вычитая» ключ из шифровки. Когда выходило отрицательное число, как, скажем, при вычитании 5 из 2, было ясно, что надо вычитать из числа на 10 больше, то есть из 12 - вот и получали 7.

Японские тайные службы перехватили много радиограмм Зорге, но ни одной не сумели расшифровать. Более полный рассказ об этом читайте в замечательной книге Юлиуса Мадера «Репортаж о докторе Зорге».

А герой приключенческих романов Юлиана Семёнова «Семнадцать мгновений весны» и «Приказано выжить» разведчик Штирлиц, больше известный нам по знамениту кинофильму, использовал в качестве ключа художественную книгу Монтеня. При этом осмысленный текст сообщения«складывался» с осмысленным же (и значит, не случайным!) текстом ключа. Когда германским контрразведчикам стало известно предполагаемое содержание одной из шифровок, в частности - некоторые слова, которые там могли встречаться, - они попробовали их подставить в разные места шифровки и посмотреть, какой получается ключ. Попав в нужное место, они открывали кусочек ключа, в котором угадывались части осмысленных слов. Восстанавливая эти слова, они раскрывали и новый кусочек шифровки, и так постепенно расшифровали её.

Шифры с открытым ключом

Начиная с 1977 года, стали появляться новые шифры, основанные на глубоких математических идеях, высказанных американскими математиками Диффи и Хеллманом за два года до этого. Представьте себе, что два бизнесмена хотят переписываться друг с другом, надёжно шифруя сообщения, но забыли договориться о ключе. Они находятся в разных странах, всё их общение может прослушиваться конкурентами. Как тут быть? Оказывается, выходы есть. Опишем один из них, но без подробностей, только сам принцип.

Придуман способ шифровки, для которого надо знать лишь произведение pq двух каких-то простых чисел p и q , а сами числа p и q знать не нужно. А вот для расшифровки сообщения обязательно иметь в распоряжении и число p , и число q . «Ну и что тут такого?», - спросите вы. А вот что. Дело в том, что эти простые числа можно взять очень большими. И тут мы сталкиваемся с таким явлением: современные компьютерные мощности огромны, но всё же ограничены. Скажем, компьютер может за разумное время разложить на простые множители 200-значное число, но раскладывание 300-значных чисел ему уже не под силу (любому из известных алгоритмов потребуются многие годы). Всегда есть какая-то подобная граница. А выяснить про число, простое оно или нет, компьютеры могут очень быстро для гораздо более длинных чисел. Так вот, первый из компаньонов может с помощью компьютера найти какие-нибудь два, скажем, 400-значных простых числа p и q , перемножить их и открыто переслать результат второму (а сами числа p и q хранить в тайне). Получив произведение pq , тот зашифрует своё сообщение и отправит обратно первому. И первый его легко расшифрует - он-то знает оба числа p и q . А вот всяким там подслушивателям для расшифровки придётся сначала разложить на множители произведение pq , в котором 800 знаков - а с этим не справится ни один современный компьютер! Этот метод шифровки называется RSA, по первым буквам фамилий его создателей - Ривеста, Шамира и Адлемана.

Конечно, с развитием компьютерных технологий появляется возможность расшифровывать старые сообщения. Первая шифровка авторов RSA, опубликованная ими в 1977 году как вызов всем дешифровальщикам мира, продержалась 17 лет. Также есть опасность, что будет найден новый, быстрый алгоритм разложения чисел на простые множители. Но есть математическая гипотеза, что все такие алгоритмы работают принципиально не быстрее, чем уже известные.

А у вас получится?

Перед вами текст, который получен из хорошо известного заменой каждой буквы на какую-то другую. Расшифруйте его.

Атокг ацынг цлекытуы цлауенг ьи Чолсв, и уими Чолси уманлоти ки эекпв нипеме вматыфюеме, цаткзме утоь чтиьиме, жна ни ацынг ьималчити, андоти атокы д уналакв е, мокыы омв ки чатадо тхс, боцквти: – Пиё д уимам сото в Укоркаё палатодз, ка ак дцатко садаток е свмион, жна твжбо омв кечсо е щзнг ко марон. Цлежекаё ро дуомв аупатпе ьолпити, жна уесын в коча д уолсйо е д чтиьв. Еш киса вситенг, екижо ак кепачси ко щвсон жотадопам, е Укоркиы палатоди уашликен кис кем удаф дтиунг. – Ка ко цамаробг те нз Чолсо пип-кещвсг вкежнаренг янв дтиунг? – Уетгкоо, жом аки оунг, ы ко мачв ох усотинг. Ко десебг лиьдо, пип дотепи ох уети? Ко десебг, жна оё утврин е тфсе е реданкзо? Досг аки щауиы ащабти цатудони! Ко в киу ьикеминг оё уетв! Уети - д ох метам, кодеккам сонупам уолсожпо. Оуте аки уими ко умарон цлакепквнг д жолначе Укоркаё палатодз е еьдтожг еь уолсйи Пиы аупатпе, на мз е цасидка оё ко цамаром! Д сдвш метыш ануфси кижекионуы уис Укоркаё палатодз. Анкоуе нвси содажпв, уцвуне в щатгбача пвуни, цаплзнача плиукзме ычасиме, е, ко мобпиы, даьдлиюиёуы ащлинка! У янеме утадиме эекпи цасуисети Чолсв ки уцекв атокы, е нан щлауетуы щоринг уа дуош кач.