Криптографические методы защиты компьютерной информации

Со времени появления письменности стала развиваться такая отрасль научных знаний как палеография - историко-филологическая дисциплина, изучающая памятники древней письменности с целью установления места и времени их создания. В основе знаний палеографии лежит также изуче­ние сокращений письма и тайнописи, принципов их расшифровки. В свою очередь, видовым направлением научных знаний палеографии развилось и сформировалось такое научно-прикладное направление, как криптология, которое состоит из сочетания двух понятий: крипто - тай­ный, скрытый и логика - раздел научных познаний о спосо­бах доказательств и опровержений. Однако в ряде научных публикаций и практических рекомендаций авторы отошли от родовой сущности понятия "криптология" (доказательства и опровержения скрытой семантики), а трактуют это понятие только в прикладном аспекте, т.е. определяют ее как науку о создании и анализе систем безопасной связи. Более полно науч­ное направление "криптология" целесообразно трактовать как науку о кодопреобразованиях семантических высказываний.

В свою очередь, научное направление криптология подразделяется на два функционально зависимых структурно логико-математических и технических направления: криптография и криптоанализ.

Криптография - наука о методах защиты информации на основе ее преобразования с по­мощью различных шифров и сохранением достоверности семантического содержания. Криптография представляет собой отрасль науки палеогра­фии, изучающей графику систем тайнописи. Исходя из современных пози­ций теории передачи информации и теории кодирования, криптография определяется как отрасль научных знаний о методах обеспечения секрет­ности и достоверности данных при передаче по каналам связи и хранении в устройствах оперативной и долговременной памяти.

Криптоанализ - наука о методах раскрытия и модификации данных. Это научное на­правление преследует две цели. Первая - исследование закриптографированной информации с целью восстановления семантического содержания исходного документа, вторая - на основе изучения и распознавания методов криптографирования производить фальсификацию исходных докумен­тов с целью передачи ложной информации.

Особое значение криптоаналитическое направление научных иссле­дований приобрело в последнее время для оперативно-розыскной и след­ственной деятельности органов внутренних дел и службы налоговой поли­ции. Эта особенность заключается в том, что при расследовании преступ­лений в экономической сфере деятельности, проверке документации госу­дарственных и частнопредпринимательских организаций приходится сталкиваться с ее ведением на магнитных и оптических накопителях в пер­сональных компьютерах. Нередки случаи, когда несанкционированный доступ к определенным файлам, а то и ко всей базе данных защищен про­граммно-аппаратными и криптографическими методами. Свободное про­изводство криптографических систем защиты информации, их бескон­трольное внедрение создает значительные сложности для правоохрани­тельных органов при расследовании противоправной деятельности. Это объясняется прежде всего тем, что в случае изъятия магнитных носителей информации и наложения ареста на компьютерную технику возникают значительные сложности по дешифрованию содержащейся на них инфор­мации и составляющей для криминальных коммерческих структур опреде­ленную степень конфиденциальности. Вследствие чего применение криптоаналитических методов в оперативно-розыскной и следственной дея­тельности на современном этапе развития и внедрения новых информаци­онных технологий становится актуальной необходимостью.

Со времен возникновения государственных структур в истории че­ловечества возникла и получила свое дальнейшее развитие потребность в обеспечении стойкости отдельных сообщений, передаваемых почтовыми отправлениями и хранящихся в виде информационных массивов. Как сами документальные источники, передаваемые с использованием различных видов связи, так и информационные массивы, находящиеся в хранилищах, представлялись в виде документов тайнописи.

Первые шифротексты носили некоторый коммерческий характер. В дальнейшем стали шифровать­ся тексты медицинского характера, купли-продажи скота и недвижимости.

Активное проведение военных действий явилось мощным стимули­рующим воздействием на разработку методов шифрования при передаче секретных сообщений. Так, в 56 году до н.э. во времена войны с галлами римский диктатор К. Цезарь при подчинении Риму заальпийской Галлии использовал в системе передачи секретных сообщений шифр замены. Идея шифра замены используется и в современных методах шифрования, так как является частным случаем отображения множества символов исходно­го текста на множестве символов зашифрованного текста.

Шифрование, применявшееся К. Цезарем, осуществлялось следую­щим образом. Под символами греческого алфавита приписывался тот же алфавит, но сдвинутый по циклу на "n" позиций (в частности, К. Цезарь в письменности, которая дошла до наших времен, осуществлял сдвиг на три позиции). При шифровании исходного текста буквы открытого текста из верхней строки записи заменялись на буквы нижнего алфавита. В этом случае, ключом шифрования и дешифрования является число сдвигов нижней строки алфавита по отношению к верхней.

С изобретением немецким ученым Иоганном Гутенбергом в середи­не 15 в. книгопечатания (в Майнице он напечатал 42-строчную Библию - первое полнообъемное печатное издание в Европе, признанное шедевром ранней печати), с развитием межгосударственных отношений роль тайной переписки резко возросла и стала предметом исследования видных уче­ных. Так, монах бенедиктинец Иоганн Тритимий (1462...1516 г г.), живший в Германии, написал один из первых учебников по криптографии, им впервые была предложена идея современной стелсографии. Созданный им шифр многозначной замены предполагал не одну замену буквы открытого текста, а несколько, причем буквы исходного тек­ста заменялись буквами шифра таким образом, чтобы получался семанти­чески связанный текст, тем самым маскировался сам факт передачи сек­ретных сообщений. Впервые был предложен комплексный метод крипто­графической защиты. По понятиям сегодняшней интерпретации, - это со­вокупность стенографических методов совместно с элементами крипто­графии. Этот метод нашел отражение в современных шифрах многознач­ной замены, в частности в некоторых видах архиваторов.

В это же время итальянский ученый, архитектор Леон Батиста Альберти, работая в Ватикане, написал книгу о шифрах, где описал шифр за­мены с использованием двух концентрических кругов: на один (внешний) наносился алфавит открытого текста, на второй (внутренний) - алфавит шифротекста. Его устройство - два концентрических круга - является од­ним из первых механических устройств шифрования, использующего ме­тод замены букв исходного текста. В этом случае ключом шифрования яв­ляется угол, определяющий положение одного круга относительно друго­го. В отличие от шифра замены К. Цезаря при использовании этого уст­ройства возможно динамическое изменение множества замещающих эле­ментов шифротекста непосредственно в процессе кодирования. Этот метод предполагает возможность появления в шифротексте отдельных элементов (букв) с одинаковой частотой (равномерное). Такое решение автором было принято на основе возможности распознавания исходного сообщения по неравномерности появления отдельных букв в словах естественного языка и, следовательно, на уменьшение вероятности несанкционированного рас­познавания.

Итальянский математик, фи­лософ и врач, изобретатель кар­данного механизма (1506-1576 гг.) Джераламо Кардано предложил систе­му шифрования, которая послужила основой для построения во времена второй мировой войны наиболее стойких военно-морских шифров. Этот метод шифрования был назван его именем и известен под названием "Ре­шетка Кардано". Он представляет собой лист картона с прорезями, прону­мерованными в произвольном порядке. Шифротекст составлялся путем за­полнения промежутков между буквами исходного текста буквами или цифрами естественного алфавита в произвольном или выборочном поряд­ке. Ключом шифротекста являлся порядок нумерования отверстий "Решет­ки Кардано". Предполагалась возможность заполнения промежутков меж­ду буквами исходного текста таким образом, чтобы получался псевдосмы­словой текст. Такой подход позволял маскировать сам факт передачи скрытого сообщения (элемент стелсографии).

Ко множеству шифров замены относят разработки XVI в. итальян­ского математика Джовани Батиста Порты и французского дипломата Блеза де Вижинера.

Метод шифрования, предло­женный Альберти, широко использо­вался в системах шифрования конца XIX в. Например, известно шифро­вальное колесо Болтона, с помощью которого производилась простая за­мена одной буквы другой, а также шифровальное устройство М-94, которое находилось на воору­жении американской армии с 1924 г. по 1943 г.

Дальнейшей модификацией изделия М-94 явилось более совершен­ная шифровальная машина М-209. Шифровальная машина Конвертер-М-209 была разработана шведским криптографом Б. Хагелином в 1934 г. по заданию французских спецслужб. Эта шифровальная машина была выпущена серией (более 140 тыс.) и находилась на вооружении аме­риканской армии во время второй мировой войны. Она представляла собой портативное устройство с набором специальных роторов для зашифровки и расшифровки секретных сообщений. Шифруемое с помощью М-209 со­общение распечатывалось на бумажной ленте в виде пятизначных групп, а затем передавалось по каналам связи и расшифровывалось на приемной стороне с помощью такой же машины.

Достаточно мощное развитие такой механизм шифрования полу­чил в фашистской Германии во второй мировой войне при созда­нии шифровальной машины Энигма. Это устройство представляло собой электромеха­ническую машину шифрования и дешифрования текстовой инфор­мации, причем каждая буква со­общения зашифровывалась само­стоятельно при помощи целого на­бора механических роторов. Рас­крыть применявшийся в ней шифр удалось только лишь в 1943 г. бла­годаря электронно-вычислитель­ной технике. По мнению истори­ков, этот факт явился одним из решающих в победе над нациста­ми во второй мировой войне

На основании вышеизложенного и исходя из сведений научно-технической литературы, в истории развития криптологии выделены три периода:

первый период - донаучная криптология, период разработок, осуще­ствляемых "искусными умельцами" и учеными различных фундаменталь­ных и прикладных направлений, начиная от архитектуры и заканчивая фундаментальной математикой;

второй период, начало которого условно определено с 1949 г., когда впервые появилась работа американского инженера и математика, одного из создателей теории информации, Клоуд Элвуда Шеннона "Теория связи в секретных системах". Именно с этого периода криптология сформирова­лась как отрасль науки прикладной математики;

третий период имеет свое начало с появлением работ У. Диффи и М. Хелмана "Новые направления в криптографии" (1976), "Защищенность и имитостойкость: введение в криптографию" (1979), которые показали возможности организации секретной связи без предварительной передачи секретного ключа (ключа дешифрования).

Дальнейшее развитие наука криптография как научно-прикладное направление современного развития многих научных и технических школ, особенно на этапе развития современных информационных технологий, получила в системах цифровой обработки информации. Это положение относится к организации обмена как в компьютерных системах, так и в системах передачи аналоговой информации цифровыми методами (аудио и видеотехника, системы телеизмерений и т. д.).