История криптографии с древних времен до 19 века

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОМСКАЯ АКАДЕМИЯ

 

Кафедра управления и информационных технологий

в деятельности органов внутренних дел

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

 

по дисциплине «Основы информационной безопасности

       в органах внутренних дел»

 

на тему «История криптографии с древних времен до 19 века»

 

 

Выполнил:	курсант группы ПСП-111 рядовой полиции Кумпан В.Ю. зачетная книжка № 23454
Проверил:	ст. преподаватель  кафедрыУиИТ подполковник полиции  Сидоров Н. Е.

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1.     Введение……………..…………………………………………………………………………3 
 
2.     Периоды развития и этапы криптографии………………………………………………..6 
 
3.     Криптография в древние времена……………. ………...................................................……9 
 
4.     Криптография от средних веков до 19 века……………………….…..……………….....12 
 
5.     Криптография Первой мировой войны…………….………...…………………………..18 
 
6.     Заключение………….………………….……………………………………………………..19 
 
7.      Список использованной литературы…………...………..………………………………...21 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ  

 
            Проблема защиты информации путем ее преобразования, исключающего ее прочтение посторонним лицом, волновала человеческий ум с давних времен. История криптографии - ровесница истории человеческого языка. Более того, первоначально письменность сама по себе была своеобразной криптографической системой, так как в древних обществах ею владели только избранные. Священные книги древнего Египта, древней Индии тому примеры. Тайна сопровождает всю историю человечества. Она была, есть и будет. Haчиная с личной тайны, она переходит в тайны семьи, клана, рода и так далее. С образованием государств высшей формой тайны становится тайна государственная. Появляются различные виды тайны: политическая, военная, дипломатическая, экономическая, peмecлeнная, коммepческая, медицинская, криминальная, религиозно-мистическая и так далее.

Если есть тайна, то необходимы и способы ее защиты. И они, естественно, сразу же появились и стали  активно развиваться. Одновременно развивались и способы проникновения  в «чужую» тайну, методы преодоления  защитных мер. Следует особо подчеркнуть, что с возникновением специальных  разведывательных служб государств деятельность в области обеспечения  информационной безопасности государственных  структур стала активно опираться  на разведывательные органы, порой  в немалой степени диктуя им «линию поведения». Подкуп, шантаж, кража, внедрение  агента и так далее прочно вошли  в арсенал средств «информационной  войны» государств.

Исторический процесс  развития средств и методов защиты тайных посланий выработал три основных способа такой защиты.

Первый способ защиты информации - это физическая защита от противника материального носителя информации (пергамент, бумага, магнитная лента, физические каналы передачи: проводная линия связи, радиоканал, вибро-акустический канал и так далее). Одновременно появляются приемы и способы, затрудняющие перехват сообщений. Главную роль здесь играет выбор канала связи, труднодоступного для перехвата (ласточки, голуби, курьеры, кабельные линии связи и так далее).

Второй способ защиты информации - это стеганография (стеганография в переводе с латинско-греческого - тайнопись). Используется для определения метода защиты, основанного на попытке сокрытия от противника самого факта наличия интересующей его информации.

Третий способ защиты информации - наиболее надежный и распространённый в наши дни - криптография, (в переводе с греческого это слово также означает «тайнопись»). В этом случае в перехваченном сообщении противник видит хаотичный набор знаков, так что смысл сообщения ему остается неясным.

Основное понятие в  криптографии – это шифр. Шифр –  это совокупность заранее оговоренных  способов преобразования исходного  секретного сообщения с целью  его защиты; эти исходные сообщения  обычно называются открытым текстом. Выбор  конкретного преобразования открытого  текста определяется наиболее секретной  частью криптографической защиты –  так называемым ключом шифра.

История человеческой цивилизации  стала также историей создания систем безопасной передачи информации. Искусство шифрования и тайной передачи информации было присуще практически всем государствам. Криптография в прошлом использовалась, прежде всего, в военных целях. Однако сейчас, по мере образования информационного общества, криптография становится одним из основных инструментов, обеспечивающих конфиденциальность, доверие, авторизацию, корпоративную безопасность и бесчисленное множество других важных вещей. Практическое применение криптографии стало неотъемлемой частью жизни современного общества — её используют в таких отраслях как электронная коммерция, электронный документооборот (включая цифровые подписи), телекоммуникации и других. Очень быстро после распространения компьютеров в деловой сфере практическая криптография сделала в своем развитии огромный скачок, причем сразу по нескольким направлениям:

       ·        во-первых, были разработаны стойкие блочные шифры с секретным ключом, предназначенные для решения классической задачи - обеспечения секретности и целостности передаваемых или хранимых данных, они до сих пор остаются "рабочей лошадкой" криптографии, наиболее часто используемыми средствами криптографической защиты; 
      ·        во-вторых, были созданы методы решения новых, нетрадиционных задач сферы защиты информации, наиболее известными из которых являются задача подписи цифрового документа и открытого распределения ключей.

           Исторически первой задачей криптографии была защита передаваемых текстовых сообщений от несанкционированного ознакомления с их содержанием, что нашло отражение в самом названии этой дисциплины, эта защита базируется на использовании "секретного языка", 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 принципиально новых подходов и методов. 

           Целью этой контрольной работы является углубленный  анализ истории криптографии с древних времен до девятнадцатого века. Были поставлены следующие задачи: выяснить способы периодизации развития криптографии, проанализировать ее методы в разных периодах истории человечества. Также задачей контрольной работы являлась описания самых значимых шифров и их влияние на развитие криптографии. 

В историко-математической литературе данная тема достаточно хорошо проработана, так как изучение истории  криптографии необходимо для черпания идей и для ее развития в настоящем. С другой стороны, сама информация всегда обладала некоторой конфиденциальностью, и поэтому не всегда и сразу  была доступна интересующему читателю. 

Материалом для написания  контрольной работы послужила, в первую очередь, книга А.П. Алферова, А.Ю. Зубова А.С. Кузьмина и  А.В. Черемушкина  «Основы криптографии», в которой дан подробный исторический очерк раннего развития криптографии.  Для описания криптографии в нынешнем мире использовалась книга Баричева С.Г., Гончарова В.В. и  Серова Р.Е. «Основы современной криптографии». Статья Жельникова В., «Криптография от папируса до компьютера» послужила источником интересных примеров и  неординарного описания проблемы, а также другая литература на тему истории криптографии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПЕРИОДЫ РАЗВИТИЯ И ЭТАПЫ КРИПТОГРАФИИ

 

 

История криптографии насчитывает  около 4 тысяч лет. В качестве основного  критерия периодизации криптографии возможно использовать технологические характеристики используемых методов шифрования.

Историю криптографии условно  можно также разделить на 4 этапа.  
1.   Наивная криптография. 

2.   Формальная  криптография

3.   Научная криптография

4.   Компьютерная криптография

Для наивной криптографии (до нач. XVI века) 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 5x5). Каждая буква исходного текста заменяется на букву, стоящую в квадрате снизу  от нее. Этап формальной криптографии (кон. XV века - нач. XX века) 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 века 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 века 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 веке 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 обеспечили еще более высокую криптостойкость, а также позволило автоматизировать (в смысле механизировать) процесс шифрования стали роторные криптосистемы. Одной из первых подобных систем стала изобретенная в 1790 году Томасом Джефферсоном, будущим президентом США 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 века.

 

 

Рис. 1  Роторная машина Томаса Джефферсона

 

 

 

 

 

Одной из первых практически  используемых машин, стала немецкая Enigma, разработанная в 1917 году Эдвардом Хеберном и усовершенствованная Артуром Кирхом. Роторные машины активно использовались во время второй мировой войны.

 

 

Рис. 2  Знаменитая Enigma

 

 

Помимо немецкой машины Enigma использовались также устройства Sigaba (США), Турех (Великобритания), Red, Orange и Purple2 (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 годов. 

 

 

 

 

 

 

 

 

КРИПТОГРАФИЯ В ДРЕВНИЕ ВРЕМЕНА

 

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. Правило  зашифрования состояло в замене  -й буквы алфавита (n-i+1), где n – число букв в алфавите. Происхождение слова атбаш объясняется принципом замены букв. Это слово составлено из букв Алеф, Тае, Бет и Шин, то есть первой и последней, второй и предпоследней букв древнесемитского алфавита.

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.

 

 

Рис. 3  Сцитала - шифровальное приспособление

 

Греческий писатель Полибий  использ систему 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:

 

	1	2	3	4	5
1	A	B	C	D	E
2	F	G	H	I,J	K
3	L	M	N	O	P
4	Q	R	S	T	U
5	V	W	X	Y	Z

 

Рис. 4  Квадрат Полибия

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.) Чтобы разобрать и прочитать  письма, 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.