Простейшие методы шифрования с закрытым ключом

Цель лекции: познакомить студента с простейшими методами симметричного шифрования и конкретными шифрами, известными человечеству уже не одно столетие.

Общая схема симметричного шифрования

Классическая, или одноключевая криптография опирается на использование симметричных алгоритмов шифрования, в которых шифрование и расшифрование отличаются только порядком выполнения и направлением некоторых шагов. Эти алгоритмы используют один и тот же секретный элемент (ключ), и второе действие (расшифрование) является простым обращением первого (шифрования). Поэтому обычно каждый из участников обмена может как зашифровать, так и расшифровать сообщение. Схематичная структура такой системы представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Общая структура секретной системы, использующей симметричное шифрование

На передающей стороне имеются источник сообщений и источник ключей. Источник ключей выбирает конкретный ключ К среди всех возможных ключей данной системы. Этот ключ К передается некоторым способом принимающей стороне, причем предполагается, что его нельзя перехватить, например, ключ передается специальным курьером (поэтому симметричное шифрование называется также шифрованием с закрытым ключом). Источник сообщений формирует некоторое сообщение М, которое затем шифруется с использованием выбранного ключа. В результате процедуры шифрования получается зашифрованное сообщение Е (называемое также криптограммой). Далее криптограмма Е передается по каналу связи. Так как канал связи является открытым, незащищенным, например, радиоканал или компьютерная сеть, то передаваемое сообщение может быть перехвачено противником. На принимающей стороне криптограмму Е с помощью ключа расшифровывают и получают исходное сообщение М.

Если М – сообщение, К – ключ, а Е – зашифрованное сообщение, то можно записать

E=f(M,K)

то есть зашифрованное сообщение Е является некоторой функцией от исходного сообщения М и ключа К. Используемый в криптографической системе метод или алгоритм шифрования и определяет функцию f в приведенной выше формуле.

По причине большой избыточности естественных языков непосредственно в зашифрованное сообщение чрезвычайно трудно внести осмысленное изменение, поэтому классическая криптография обеспечивает также защиту от навязывания ложных данных. Если же естественной избыточности оказывается недостаточно для надежной защиты сообщения от модификации, избыточность может быть искусственно увеличена путем добавления к сообщению специальной контрольной комбинации, называемой имитовставкой.

Известны разные методы шифрования с закрытым ключом рис. 2.2. На практике часто используются алгоритмы перестановки, подстановки, а также комбинированные методы.

Рис. 2.2. Методы шифрования с закрытым ключом

В методах перестановки символы исходного текста меняются местами друг с другом по определенному правилу. В методах замены (или подстановки) символы открытого текста заменяются некоторыми эквивалентами шифрованного текста. С целью повышения надежности шифрования, текст, зашифрованный с помощью одного метода, может быть еще раз зашифрован с помощью другого метода. В этом случае получается комбинированный или композиционный шифр. Применяемые на практике в настоящее время блочные или поточные симметричные шифры также относятся к комбинированным, так как в них используется несколько операций для зашифрования сообщения.

Основное отличие современной криптографии от криптографии "докомпьютерной" заключается в том, что раньше криптографические алгоритмы оперировали символами естественных языков, например, буквами английского или русского алфавитов. Эти буквы переставлялись или заменялись другими по определенному правилу. В современных криптографических алгоритмах используются операции над двоичными знаками, то есть над нулями и единицами. В настоящее время основными операциями при шифровании также являются перестановка или подстановка, причем для повышения надежности шифрования эти операции применяются вместе (комбинируются) и помногу раз циклически повторяются.

Принципы построения современных блочных шифров сформулированы в "Принципы построения блочных шифров с закрытым ключом" , "Алгоритмы шифрования DES и AES" , "Алгоритм криптографического преобразования данных ГОСТ 28147-89" , а в этой лекции рассматриваются шифры подстановки и перестановки, применяемые человеком с древнейших времен. Мы должны познакомиться с этими шифрами, так как процедуры подстановки и перестановки используются в качестве составных операций и в современных блочных шифрах.