Криптография. Шифр Цезаря и шифр Виженера
Криптография, наука о шифровке и дешифровке информации… На самом деле наука о шифровке посланий существовала задолго до компьютерных времён. Разнообразную тайнопись использовали ещё армии Римской Империи для передачи секретных сообщений. Сейчас наука набрала обороты, и ею пользуются все. Скажем, ваши пароли в Facebook и других социальных сетях хранятся в зашифрованном виде.
Теоретические сведения
Для начала мы изучим один из простейших шифров — шифр Цезаря, названный в честь римского императора. В этом шифре каждая буква текста заменяется на другую, которая находится на фиксированное число букв дальше в алфавите. Это фиксированное число букв называется ключом. Так, ключ 1 переводит букву латиницы C в букву D, а Z — по циклу в A. Если ключ равен 3, то буква C перейдет в F, а Z — в C.
Примеры: используем шифр Цезаря с ключом 5 на слове cat .
c -> h a -> f t -> y Caesar (cat, 5) = hfyКлюч = 7, слово = computer
c->j o->v m->t p->w u->b t->a e->l r->y Caesar(computer,7) = jvtwbaly
Шифр Цезаря прост, но, увы, ненадёжен (это взаимосвязанные вещи!): для английского алфавита — всего 25 вариантов шифровки, перебрать все возможные варианты легко даже без компьютера. Тем не менее, шифр Цезаря часто используют в качестве шага в других шифрах, таких, как шифр Виженера (о нём — в следующем пункте).
«Математизируем» шифр Цезаря. Обозначим незашифрованный текст буквой p, а pi — буква в тексте p, которая находится на позиции с номером i. Назовем секретный ключ буквой k, с — зашифрованный текст, а ci — буква в шифрованном тексте, которая находится на позиции i. Тогда вычислить каждую букву шифра можно по формуле:
ci = (pi + k) % 26Привыкайте к такой формализации, она позволяет программировать алгоритм и выражает смысл шифра точно и сжато.
Если ключ k = 13 а изначальный текст p — «Be sure to drink your Ovaltine!», вот какой шифр мы получим:
Or fher gb qevax lbhe Binygvar!Обратите внимание, O (первая буква в шифрованном тексте) смещена на 13 позиций от буквы B (первая буква в оригинальном тексте). То же самое с буквой r (вторая буква в шифровке) смещена на 13 букв от e (вторая буква в оригинале). Третья буква в шифровке, f, смещена на 13 букв от s (третья в оригинале), тут мы ходим по кругу от z до a.
Шифр Цезаря с ключом 13 имеет специальное название ROT13. Он симметричный: применив его дважды, мы вернемся к изначальному тексту. Конечно, есть еще и ROT26, этот вообще супер-секьюрный, но только если вы нечётко выражаете свои мысли =).
Шифр Виженера
Шифр Виженера несколько безопаснее шифра Цезаря: в качестве ключа в нем используется слово и его сложно взломать вручную с помощью одного только частотного анализа или перебора. Каждая буква ключа генерирует число, и в результате мы получаем несколько ключей для сдвига букв.
Пример:
p = Meet me in the park at eleven am В качестве ключевого слова возьмем k = bacon Длина сообщения p = 25 В то время как длина k = 5 Поэтому его нужно повторять 5 раз.
Если число букв в сообщении не делится на ключ нацело, мы в последнем применении ключа используем только его часть:
Чтобы найти значение для смещения, используем позиции каждой буквы нашего ключа bacon в алфавите (от a до z). Считаем с нуля, как истинные программисты. И каждую букву в оригинальном тексте смещаем на заданное число, как в шифре Цезаря, возвращаясь при надобности после Z в начало алфавита. Таким образом, M сместится на 1, первая e вообще не сместится, а вторая сместится на 2 позиции. Ниже вы видите изначальное сообщение, расписанный ключ и результат его применения.
Шифр Виженера, конечно, понадежнее, но если вы знаете длину ключа, его сломать довольно просто. Как её выявить? Если оригинальный текст достаточно длинный, чтобы некоторые слова встречались в нем несколько раз, то вы увидите некоторые повторения:
Также можно использовать полный перебор, но вариантов немало: 26^n – 1 где n — длина неизвестного ключа. Но обычно это немало. Правда, для компьютера это не проблема.
А теперь — математика шифра:
Пусть р – некоторый текст, k — ключевое слово, kj — j-я буква ключа, pi — буква под номером i в оригинальном тексте, ci — буква под номером i в шифровке. Тогда:
ci = (pi + kj) % 26Шифровальщик (Криптограф)
Шифр — фр. chiffre — цифра; от араб. ifr — ноль.
Криптография — тайнопись. от греч. Kryptos — тайный и grapho — пишу) тайнопись. Кстати, недавно центр профориентации ПрофГид разработал точный тест на профориентацию, который сам расскажет, какие профессии вам подходят, даст заключение о вашем типе личности и интеллекте. Профессия подходит тем, кого интересует математика и информатика (см. выбор профессии по интересу к школьным предметам).
Читайте также
Особенности профессии
Для чего шифруют информацию? Для того, чтобы она не досталась противнику. Разумеется, это касается не всей информации, а только действительно важной и секретной. Шифр применяют, когда информацию нужно передать своим, но высока вероятность, что она попадёт в чужие руки. Её обязательно нужно защитить, например, при передаче по рации, по электронной почте. Другой вариант: информация хранится в секретной базе данных, но её всё равно зашифровывают на случай проникновения хакеров. «Ключ» от шифра есть только у посвящённых, допущенных к секрету. Информация может быть и военной, и дипломатической, и касаться государственной разведки. А может принадлежать какой-либо коммерческой структуре.
Как узнать, подходит ли вам профессия «Шифровальщик (Криптограф)»?
С военной информацией работают военные шифровальщики, если она касается международной разведки и контрразведки — это дело сотрудников ФСБ. В коммерческих структурах ею занимаются сотрудники отделов информационной безопасности.
Мечтаешь создать свою игру?
Воплоти мечту в реальность вместе с XYZ School!
Черная пятница в Skillbox: месяц инвестиций в себя!
Получи скидку, курс в подарок и гарантию трудоустройства, чтобы стать востребованным специалистом.
Иногда шифровка довольно проста: с помощью условного знака, слова или фразы можно предупредить о каком-то событии. Все помнят знаменитый провал связного Штирлица на явочной квартире. Тогда профессор Плейшнер не обратил внимания на выставленный в окно горшок с цветком — предупреждение, что явка провалена, и ходить туда не нужно.
Однако настоящая, профессиональная шифровка не ограничивается одним условным знаком. Это система знаков, которой владеют как отправляющая, так и получающая сторона. «Алекс — Юстасу. », — по тому же фильму про Штирлица многие помнят, как может выглядеть шифровка.
Рядовой шифровальщик, как правило, не разрабатывает шифр самостоятельно, но умеет им пользоваться. По существу, он выполняет роль оператора: получает зашифрованный текст и, применяя «ключ», расшифровывает его. Или наоборот, шифрует для дальнейшей передачи. Каждый раз для передачи послания используется новый шифр. Рядовой шифровальщик берёт его из специального шифровального блокнота, который тщательно оберегается от посторонних.
Новогодняя акция! Скидки до 60% и «Тайный Санта»
Всеми любимый «Тайный Санта» здесь: те, кто приобрел у нас курс, получат курс в подарок и смогут подарить мини-курс своему другу.
Скидки 70% и подарки на сумму до 260 000 ₽
Покупаете один курс — получаете два. Год английского от Skyeng +1 профессия в подарок.
Яндекс.Практикум, скидки 20%
Приходите учиться любой профессии со скидкой 20% в честь сами знаете чего!
Разработкой систем шифров, шифрующих программ занимаются криптографы. Для этой работы требуется высокая квалификация. Это же касается и работы криптоаналитика, специалиста по взлому шифров. Имена некоторых криптографов и разработчиков защитных программ широко известны. Среди них — Евгений Касперский, окончивший в своё время технический факультет Высшей краснознамённой школы КГБ (ныне Институт криптографии, связи и информатики Академии ФСБ России).
К минусам профессии шифровальщика можно отнести повышенную секретность. Если шифровальщик допущен серьёзным секретам государственной важности, он не вправе говорить о своей работе никому, даже о том, как именно называется его специальность и в какой структуре он работает. От его умения молчать, а также от его уровня квалификации могут зависеть успехи (или провалы) спецслужб. Если шифровальщик служит в Армии, то ещё несколько лет после службы он не может выезжать за рубеж.
Также весьма секретна информация коммерческая. В коммерческих структурах этот минус оборачивается плюсом: даже у рядовых шифровальщиков отдела информационной безопасности весьма высокие зарплаты.
Читайте также
Рабочее место
Шифровальщик может работать в IT-службах, отделах информационной безопасности компаний. Военные шифровальщики и шифровальщики системы федеральной безопасности —это связисты. Они находятся на службе в соответствующих структурах Министерства обороны или ФСБ.
Важные качества
Для успешной работы необходимы усидчивость, умение концентрировать внимание, математические способности.
Знания и навыки
Шифровальщик должен уметь применять шифры для расшифровки и расшифровки информации. Для разработки методов шифрования информации требуются серьёзные познания в области математики, программирования.
Обучение на шифровальщика
Специальность шифровальщика можно получить в Армии. Например, во время срочной службы, если повезёт, можно попасть в школу шифровальщиков при военном училище. Шанс повышается, если у вас есть диплом техникума связи.
Можно поступить на учёбу и самостоятельно.
Вузы
• Краснодарское высшее военное училище имени генерала армии С.М.Штеменко (КВВУ им. Штеменко)
Специальность «Комплексная защита объектов информатизации».
Квалификация «Специалист по защите информации».
• Институт криптографии, связи и информатики (ИКСИ) Академии ФСБ России
Для работы в бизнесе необходимо высшее образование в области IT.
Среди лучших гражданских вузов:
• Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана (МГТУ им. Баумана)
Факультет «Информатика и системы управления».
Основные вопросы обучения криптографической системы Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»
Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Шалтабаев Алтай Аканович, Койшыбай Талгат Болатулы, Койшыбай Марат Болатулы
В данной статье изложены и проанализированы основные понятия по дисциплине « Информационная безопасность » в Талдыкорганском политехническом колледже, которая является основой изучения криптографической защиты информации . Данная статья рассматривает понятия блочных шифров, поточных шифров , историю развития криптографии и системы с открытым ключом .
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Шалтабаев Алтай Аканович, Койшыбай Талгат Болатулы, Койшыбай Марат Болатулы
Основы криптографии: подготовка к cissp
Улучшение криптостойкости нейросетевого алгоритма симметричного шифрования за счет использования комитетов нейронных сетей
Криптоанализ шифра простой замены
Проблемы оценки криптозащищённости информационных систем
Многоалфавитный блочный шифр со скрытой нумерацией блоков
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «Основные вопросы обучения криптографической системы»
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ОБУЧЕНИЯ КРИПТОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Шалтабаев Алтай Аканович, Койшыбай Талгат Болатулы, Койшыбай Марат Болатулы, Жетысуский государственный университет, г. Талдыкорган
Аннотация. В данной статье изложены и проанализированы основные понятия по дисциплине «Информационная безопасность» в Талдыкорганском политехническом колледже, которая является основой изучения криптографической защиты информации. Данная статья рассматривает понятия блочных шифров, поточных шифров, историю развития криптографии и системы с открытым ключом.
Ключевые слова: информационная безопасность, криптографическая защита информации, шифр, символ, алфавит, ключ, криптоанализ, система, обучение.
Е 1ЕС ТН К НА УК! 1
Проблемой защиты информации при ее передаче между абонентами люди занимаются на протяжении всей своей истории. В различное время для этого использовались почтовые голуби, специальные курьеры, радиопередачи на секретной частоте. А в наши дни в качестве носителя данных может выступать бумага, компьютерный носитель (БУБ-диск, флэш-карта, магнитный диск, жесткий диск компьютера и т.д.). Для реализации этого способа необходим надежный канал связи, недоступный для перехвата. Криптография в переводе с греческого означает «тайнопись». В настоящее время криптография занимается поиском и исследованием математических методов преобразования информации. Наряду с криптографией развивается и совершенствуется криптоанализ — наука о преодолении криптографической защиты информации. Криптоаналитики исследуют возможности расшифровывания информации без знания ключей. Успешно проведенный криптоанализ позволяет получить ключ шифрования, или открытый текст, или то и другое вместе. Иногда криптографию и
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
криптоанализ объединяют в одну науку — криптологию (kryptos — тайный, logos -наука), занимающуюся вопросами обратимого преобразования информации с целью защиты от несанкционированного доступа, оценкой надежности систем шифрования и анализом стойкости шифров. В настоящее время криптография прочно вошла в нашу жизнь. Перечислим лишь некоторые сферы применения криптографии в современном информатизированном обществе: шифрование данных при передаче по открытым каналам связи (например, при совершении покупки в Интернете сведения о сделке, такие как адрес, телефон, номер кредитной карты, обычно зашифровываются в целях безопасности); обслуживание банковских пластиковых карт; хранение и обработка паролей пользователей в сети; сдача бухгалтерских и иных отчетов через удаленные каналы связи; банковское обслуживание предприятий через локальную или глобальную сеть; безопасное от несанкционированного доступа хранение данных на жестком диске компьютера.
В криптографии существуют основные термины, которые используются при изучении криптографических методов защиты информации.
Шифр — совокупность заранее оговоренных способов преобразования • исходного секретного сообщения с целью его защиты. Исходные сообщения обычно называют открытыми текстами. В иностранной литературе для открытого текста используют термин plaintext.
Символ — это любой знак, в том числе буква, цифра или знак препинания.
Алфавит — конечное множество используемых для кодирования информации символов. Например, русский алфавит содержит 33 буквы от А до Я. Однако этих тридцати трех знаков обычно бывает недостаточно для записи сообщений, поэтому их дополняют символом пробела, точкой, запятой и другими знаками. Алфавит арабских цифр — это символы 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Этот алфавит содержит 10 знаков и с его помощью можно записать любое натуральное число. Любое сообщение может быть записано также с помощью двоичного алфавита , то есть с использованием только нулей и единиц. Сообщение, полученное после преобразования с использованием любого шифра, называется шифрованным сообщением (закрытым текстом, криптограммой). В иностранной литературе для закрытого текста используют термин ciphertext. Преобразование открытого текста в криптограмму называется шифрованием. Обратное действие называется расшифрованием. В англоязычной литературе терминам шифрование/ расшифрование» соответствуют термины «ciphering/deciphering».
Ключ — информация, необходимая для шифрования и расшифрования сообщений.
Информация в процессе хранения, передачи и преобразования подвергается воздействию различных атак. Атаки осуществляются противниками
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
(оппонентами, перехватчиками, врагами и т.д.). Атаки могут быть пассивными и активными. Пассивной называется атака, при которой противник не имеет возможности изменять передаваемые сообщения. При пассивной атаке возможно лишь прослушивание передаваемых сообщений, их дешифрование и анализ трафика. При активной атаке противник имеет возможность модифицировать передаваемые сообщения и даже добавлять свои сообщения.
Криптоанализ любого шифра невозможен без учета особенностей текстов сообщений, подлежащих шифрованию.
Наиболее простыми характеристиками текстов, используемыми в криптоанализе, являются такие характеристики, как повторяемость букв, пар букв (биграмм) и вообще п-грамм, сочетаемость букв друг с другом, чередование гласных и согласных и некоторые другие. Такие характеристики изучаются на основе наблюдений текстов достаточно большой длины.
В современной криптографии большое внимание уделяется не только созданию и исследованию шифров, но и разработке криптографических протоколов. Любой протокол имеет следующие свойства:
— при выполнении протокола важен порядок действий; каждое действие • должно выполняться в свою очередь и только по окончании предыдущего;
— протокол должен быть непротиворечивым;
— протокол должен быть полным, то есть для каждой возможной ситуации должно быть предусмотрено соответствующее действие.
Шифрование не гарантирует полной безопасности абонентам системы связи. Известны случаи, когда применяемые на практике криптографические протоколы содержали изъяны, допускающие мошенничество участвующих сторон или вскрытие со стороны активного взломщика. Конечно, криптографические протоколы не должны допускать таких возможностей нарушителям. Именно поэтому в настоящее время криптографические протоколы являются предметом тщательного анализа со стороны специалистов.
Из вышеизложенного следует понять, что обучение и освоение криптографической системы в современном развитом научно-техническом прогрессе жизни остро необходимо. И потому, я считаю, что необходимо развивать методику обучения, расскрывать студентам все грани криптографической системы, вплоть до создания электронной схемы и.т.д. Одним словом обучение, изучение и освоение криптографической системы -веление времени.
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
1. Бабаш А.В., Шанкин Г.П. История криптографии. Часть I. — М.: Гелиос АРВ, 2002. — 240 с.
2. Соболева Т.А. История шифровального дела в России. — М.: ОЛМА-ПРЕСС Образование, 2002. — 512.
3. Жельников В. Криптография от папируса до компьютера. — М.: АВБ, 1996. — 335 с.
4. Анин, Б.Ю. Радиоэлектронный шпионаж. — М.: Центрполиграф, 2000. — 491, [2] с.
Симметричное шифрование
Симметричное шифрование — это способ шифрования данных, при котором один и тот же ключ используется и для кодирования, и для восстановления информации. До 1970-х годов, когда появились первые асимметричные шифры, оно было единственным криптографическим методом.
Принцип работы симметричных алгоритмов
В целом симметричным считается любой шифр, использующий один и тот же секретный ключ для шифрования и расшифровки.
Например, если алгоритм предполагает замену букв числами, то и у отправителя сообщения, и у его получателя должна быть одна и та же таблица соответствия букв и чисел: первый с ее помощью шифрует сообщения, а второй — расшифровывает.
Однако такие простейшие шифры легко взломать — например, зная частотность разных букв в языке, можно соотносить самые часто встречающиеся буквы с самыми многочисленными числами или символами в коде, пока не удастся получить осмысленные слова. С использованием компьютерных технологий такая задача стала занимать настолько мало времени, что использование подобных алгоритмов утратило всякий смысл.
Поэтому современные симметричные алгоритмы считаются надежными, если отвечают следующим требованиям:
- Выходные данные не должны содержать статистических паттернов исходных данных (как в примере выше: наиболее частотные символы осмысленного текста не должны соответствовать наиболее частотным символам шифра).
- Шифр должен быть нелинейным (то есть в шифрованных данных не должно быть закономерностей, которые можно отследить, имея на руках несколько открытых текстов и шифров к ним).
Большинство актуальных симметричных шифров для достижения результатов, соответствующих этим требованиям, используют комбинацию операций подстановки (замена фрагментов исходного сообщения, например букв, на другие данные, например цифры, по определенному правилу или с помощью таблицы соответствий) и перестановки (перемешивание частей исходного сообщения по определенному правилу), поочередно повторяя их. Один круг шифрования, состоящий из этих операций, называется раундом.
Виды алгоритмов симметричного шифрования
В зависимости от принципа работы алгоритмы симметричного шифрования делятся на два типа:
Блочные алгоритмы шифруют данные блоками фиксированной длины (64, 128 или другое количество бит в зависимости от алгоритма). Если все сообщение или его финальная часть меньше размера блока, система дополняет его предусмотренными алгоритмом символами, которые так и называются дополнением.
К актуальным блочным алгоритмам относятся:
Потоковое шифрование данных предполагает обработку каждого бита информации с использованием гаммирования, то есть изменения этого бита с помощью соответствующего ему бита псевдослучайной секретной последовательности чисел, которая формируется на основе ключа и имеет ту же длину, что и шифруемое сообщение. Как правило, биты исходных данных сравниваются с битами секретной последовательности с помощью логической операции XOR (исключающее ИЛИ, на выходе дающее 0, если значения битов совпадают, и 1, если они различаются).
Потоковое шифрование в настоящее время используют следующие алгоритмы:
Достоинства и недостатки симметричного шифрования
Симметричные алгоритмы требуют меньше ресурсов и демонстрируют большую скорость шифрования, чем асимметричные алгоритмы. Большинство симметричных шифров предположительно устойчиво к атакам с помощью квантовых компьютеров, которые в теории представляют угрозу для асимметричных алгоритмов.
Слабое место симметричного шифрования — обмен ключом. Поскольку для работы алгоритма ключ должен быть и у отправителя, и у получателя сообщения, его необходимо передать; однако при передаче по незащищенным каналам его могут перехватить и использовать посторонние. На практике во многих системах эта проблема решается шифрованием ключа с помощью асимметричного алгоритма.
Область применения симметричного шифрования
Симметричное шифрование используется для обмена данными во многих современных сервисах, часто в сочетании с асимметричным шифрованием. Например, мессенджеры защищают с помощью таких шифров переписку (при этом ключ для симметричного шифрования обычно доставляется в асимметрично зашифрованном виде), а сервисы для видеосвязи — потоки аудио и видео. В защищенном транспортном протоколе TLS симметричное шифрование используется для обеспечения конфиденциальности передаваемых данных.
Симметричные алгоритмы не могут применяться для формирования цифровых подписей и сертификатов, потому что секретный ключ при использовании этого метода должен быть известен всем, кто работает с шифром, что противоречит самой идее электронной подписи (возможности проверки ее подлинности без обращения к владельцу).
Публикации на схожие темы
- Passkeys для аккаунта Google: что, где, как и зачем
- Правильное хранение паролей — основа безопасности
- Как выглядит будущее без паролей?
- StripedFly: двуликий и незаметный
- Как поймать «Триангуляцию»
- ToddyCat: не поддавайтесь панике и проверяйте логи