История криптографии

Рисунок 2 – Ассиметричная криптосистема. 

 Асимметричные криптосистемы используют для работы два ключа. Первый, открытый, доступен любому пользователю, с помощью которого зашифровывается сообщение. Второй, секретный, должен быть известен только получателю сообщений. Асимметричная криптография открыла сразу несколько новых прикладных направлений, в частности системы электронной цифровой подписи (ЭЦП) и электронных денег. В 80-90-е годы появились совершенно новые направления криптографии: вероятностное шифрование, квантовая криптография. Суть данного направления рассматривается в разделе «История криптографии». 

3. Криптография и криптоанализ. 

   Дипломатические,  военные и промышленные секреты обычно передаются или хранятся не в исходном виде, а после шифрования. В отличие от тайнописи, которая прячет сам факт наличия сообщения, шифровки передаются открыто, а прячется только смысл. Итак, криптография обеспечивает сокрытие смысла сообщения с помощью шифрования и открытие его расшифровыванием, которые выполняются по специальным криптографическим алгоритмам с помощью ключей у отправителя и получателя. Рассмотрим классическую схему (рис. 3) передачи секретных сообщений криптографическим преобразованием, где указаны этапы и участники этого процесса: 

Рисунок 3 – Схема передачи секретных сообщений 

Из схемы можно  увидеть следующие особенности  и отличия от обычных коммуникационных каналов. Отправителем сообщение шифруется  с помощью ключа, и полученная шифровка передается по обычному открытому каналу связи получателю, в то время как ключ отправляется ему по закрытому каналу, гарантирующему секретность. Имея ключ и шифровку, получатель выполняет расшифровывание и восстанавливает исходное сообщение. В зависимости от целей засекречивания эта схема может несколько видоизменяться. Так, в компьютерной криптографии обычен случай, когда отправитель и получатель одно и то же лицо. Например, можно зашифровать данные, закрыв их от постороннего доступа при хранении, а потом расшифровать, когда это будет необходимо. В этом случае зачастую роль закрытого канала связи играет память. Тем не менее, налицо все элементы этой схемы.

   Криптографические  преобразования призваны для  достижения двух целей по защите информации. Во-первых, они обеспечивают недоступность ее для лиц, не имеющих ключа и, во-вторых, поддерживают с требуемой надежностью обнаружение несанкционированных искажений. По сравнению с другими методами защиты информации классическая криптография гарантирует защиту лишь при условиях, что:

• использован  эффективный криптографический  алгоритм;

• соблюдены  секретность и целостность ключа.

      Шифрование и расшифровывание,  выполняемые криптографами, а  также разработка и вскрытие  шифров криптоаналитиками составляют предмет науки криптологии (от греческих слов криптос — тайный и логос — мысль) . В этой науке преобразование шифровки в открытый текст (сообщение на оригинальном языке, порой называемое «клер») может быть выполнено в зависимости от того, известен ключ или нет. Условно ее можно разделить на криптографию и криптоанализ.

   Криптография  связана с шифрованием и расшифровыванием  конфиденциальных данных в каналах  коммуникаций. Она также применяется  для того, чтобы исключить возможность  искажения информации или подтвердить ее происхождение. Криптоанализ занимается в основном вскрытием шифровок без знания ключа и, порой, примененной системы шифрования. Эта процедура еще называется взломкой шифра. Итак, криптографы стремятся обеспечить секретность, а криптоаналитики ее сломать.

   Совершенствуя  схему шифрования, неизбежно приходится  рассматривать и пути ее взлома, а конструируя устройство засекречивания  данных, необходимо предусмотреть  в нем блок контроля качества.

4. История криптографии. 

  История криптографии насчитывает не одно тысячелетие. Уже в исторических документах древних цивилизаций – Индии, Египте, Китае, Месопотамии – имеются сведенья о системах и способах составления шифрованного письма. Видимо, первые системы шифрования появились одновременно с письменностью в четвёртом тысячелетии до нашей эры.

В древнеиндийских  рукописях приводится более шестидесяти  способов письма, среди которых есть и такие, которые можно рассматривать  как криптографические. Имеется  описание системы замены гласных букв согласными, и наоборот. Один из сохранившихся шифрованных текстов Месопотамии представляют собой табличку, написанную клинописью и содержащую рецепт изготовления глазури для гончарных изделий. В этом тексте использовались редко употребляемые значки, игнорировались некоторые буквы, употреблялись цифры вместо имён. В рукописях Древнего Египта шифровались религиозные тексты и медицинские рецепты. Шифрование использовалось в Библии. Некоторые фрагменты библейских текстов зашифрованы с помощью шифра, который называется Атбаш. В 600 - 500 годы до н. э. древние евреи создали упорядоченную систему криптографии "Атбаш" - в России известна под названием "тарабарская грамота". Некоторые фрагменты Ветхого завета были зашифрованы с помощью этой системы. Суть метода проста: при письме одна буква алфавита заменяется другой, например, вместо буквы "а" всегда пишется буква "я".

Основные принципы разведки и контрразведки, включая  и методы обработки информации, впервые  сформулировал китайский ученый Сунн Цзы в своей книге "Искусство войны" примерно в 500 году до н. э. Малоизвестно, что в известной древнеиндийской книге "Кама Сутра" криптография упоминается как одно из 64 искусств, обязательных к изучению.

Абу Яхмади, составитель  первого словаря арабского языка  в VIII веке научился взламывать византийские секретные депеши, написанные на основе греческого языка. Пересылка берестяных грамот была широко распространена, но имела серьезный изъян, содержимое посланий не было защищено ни от своекорыстных интересов, ни от неуемного любопытства иных людей. Поэтому со временем послания стали свертывать особо, так, чтобы текст оказывался внутри. Когда же и это казалось недостаточным, то письмо запечатывали восковой, а в позднейшее время сургучной личной печатью. Печати всегда были не столько в моде, сколько в повседневном обиходе. Они обычно выполнялись в виде перстней с рельефными изображениями, и Эрмитаж в античном отделе хранит их множество. Печати, придуманы по уверениям некоторых историков китайцами, хотя древние камеи Вавилона, Египта, Греции и Рима ничем от печатей не отличаются. Воск прежде, а сургуч и поныне помогают поддерживать секреты почтовой переписки.

В XV веке итальянский  математик Леон Батиста Альберти создал первую математическую модель криптографии. Он также создал первое механическое устройство для шифрования секретных документов. На основе его изобретения действовали все криптографические устройства, использовавшиеся до появления компьютеров. В частности, в 17 веке известный английский ученый сэр Фрэнсис Бэкон создал подобное устройство, где каждой букве алфавита могло соответствовать пять вариантов шифровки    

  Развитию  криптографии способствовал переход  от идеографического письма, основанного  на использовании огромного числа  иероглифов, к фонетическому письму. В древнем семитском алфавите во втором тысячелетии до нашей эры было уже 30 знаков. Ими обозначались согласные звуки, а также некоторые гласные и слоги. Упрощение письма стимулировало развитие криптографии.

В Древней Греции криптография уже широко использовалась в разных областях деятельности, в особенности в государственной сфере. Плутарх сообщает, что жрецы, например, хранили в форме тайнописи свои прорицания. В Спарте в 5-6 вв. до Н.Э. использовалось одно из первых шифровальных приспособлений – «сцитала». Это был жезл цилиндрической формы, на который наматывалась лента из пергамента. Кроме жезла могли использоваться рукоятки мечей, кинжалов, копий, и т.д. Вдоль оси цилиндра  на пергамент построчно записывался текст, предназначенный для передачи. После записи текста лента сматывалась с жезла и передавалась адресату, который имел точно такую же «сциталу». Ясно, что такой способ шифрования осуществлял перестановку букв сообщения. Ключом шифра служит диаметр «сциталы». Известен также и метод вскрытия такого шифра, приписываемый Аристотелю. Предлагалось заточить на конус длинный брус и, обернув в него ленту, начать сдвигать её по конусу от малого диаметра до самого большого. В том месте, где диаметр конуса совпадал с диаметром «сциталы», буквы текста сочетались в слоги и слова. После этого оставалось лишь изготовить цилиндр нужного диаметра.

Греческий писатель Полибий использовал систему  визуальной сигнализации, которая была широко принята как метод шифрования. Он записывал буквы алфавита в  квадратную таблицу и заменял их координатами: парами чисел (i,j), где i – номер строки, j – номер столбца. Применительно к латинскому алфавиту квадрат Полибия  имеет следующий вид, таблица 1: 

Таблица 1. 

Пары (i,j) передавались с помощью факелов. Например, для  передачи буквы «О», нужно было взять 3 факела в правую руку и 4 – в левую.

Подобные шифровальные приспособления, с небольшими изменениями  просуществовали до эпохи военных  походов Юлия Цезаря. Положение меняется в эпоху расцвета Рима, который первоначально представлял собой лишь небольшую гражданскую общину, со временем он разросся, подчинив себе Италию, а затем всё Средиземноморье. Чтобы управлять наместниками в многочисленных провинциях, шифрованная связь для римских органов власти стала жизненно необходимой. Особую роль в сохранении тайны сыграл способ шифрования, предложенный Юлием Цезарем и изложенным им в «Записках о галльской войне» (1 век до Н.Э.) Вот что пишет о нём Гай Светоний «…существуют и его письма к Цицерону и письма к близким о домашних делах: в них, если нужно было сообщить что-то негласно, он пользовался тайнописью, то есть менял буквы так, чтобы из них не складывалось ни одного слова. Чтобы разобрать и прочитать их, нужно читать всякий раз четвёртую букву вместо первой, например, D вместо А и так далее». Таким образом, Цезарь заменял буквы в соответствии с подстановкой, нижняя строка которой представляет собой алфавит открытого текста, сдвинутый циклически на 3 буквы влево.

Со времён Цезаря до 15 века шифровальное дело претерпело много изменений, однако нам мало что известно о методах и системах шифрования, применяемых в этот период времени. В мрачные годы средневековья практика шифрования сохранялась в строжайшей тайне. Так, в годы крестовых походов, шифровальщики, служившие у Папы Римского, после года работы подлежали физическому уничтожению.

В эпоху Возрождения  в итальянских городах-государствах параллельно с расцветом культуры и науки активно развивается  криптография. Нередко учёные зашифровывали научные гипотезы, чтобы не прослыть еретиками и не подвергнуться преследованиям инквизиции.

 О тайнописи  и её значении говорится даже  в сказках «Тысячи и одной  ночи». Первая книга, специально  посвящённая описанию некоторых  шифров, появилась в 855г., она называлась «Книга о большом стремлении человека разгадать загадки древней письменности». В 1412г. издаётся 14-томная энциклопедия, содержащая систематический обзор всех важнейших областей человеческого знания, - «Шауба аль-Аща». Её автор Шехаб аль-Кашканди. В этой энциклопедии есть раздел о криптографии, под заголовком «Относительно сокрытия в буквах тайных сообщений», в котором приводятся 7 способов шифрования. Там же даётся перечень букв в порядке частоты их употребления в арабском языке на основе изучения текста Корана, а также приводятся примеры раскрытия шифров методом частотного анализа встречаемости букв.

В 14 веке появилась  книга о системах тайнописи, написанная сотрудником тайной канцелярии Папы Римского Чикко Симонетти. В этой книге приводятся шифры замены, в которых гласным буквам соответствуют несколько значковых выражений. Такие шифры позже стали называть шифрами многозначной замены или омофонами. Они получили развитие  в 15 веке. Так, в книге «Трактат о шифрах» Габриеля де Лавинды – секретаря папы Климентия 12 – приводится описание шифра пропорциональной замены, в котором каждой букве ставится в соответствие несколько эквивалентов, число которых пропорционально частоте встречаемости буквы в открытом тексте. В 1469 году был предложен подобный шифр, получивший название «Миланский ключ». Появление омофонов свидетельствовало о том, что к этому времени уже хорошо осознавали слабости шифров простой замены. Такая модификация шифра разрушила статистику букв открытого сообщения, что явилось заметным шагом в развитии криптографии.

Ещё один значительный шаг вперёд криптография сделала  благодаря труду Леона Альберти. Известный философ, живописец, архитектор, в 1466 году написал труд о шифрах. В этой работе был предложен шифр, основанный на использовании шифровального диска. Сам Альберти называл его шифром, «достойным королей».