7. Стандарти симетричного шифрування даних

Характерной особенностью симметричной криптосистемы является применение одного и того же секретного ключа как при шифровании, так и при расшифровке сообщений.

Шифрование перестановкой заключается в том, что символы шифруемого текста переставляются по определённому правилу в пределах некоторого блока этого текста. При достаточной длине блока, в пределах которого осуществляется перестановка, и сложном неповторяющемся порядке перестановки можно достигнуть приемлемой для простых практических приложений стойкости шифра.

Пример. Шифрующие таблицы, магические квадраты.

Шифрование заменой (подстановкой) заключается в том, что символы шифруемого текста заменяются символами того же или другого алфавита в соответствии с заранее обусловлено схемой замены.

Пример. Система шифрования Цезаря.

При шифровании исходного текста каждая буква заменялась на другую букву того же алфавита по следующему правилу. Заменяющая буква определялась путём смещения по алфавиту от исходной буквы на К букв. При достижении конца алфавита выполнялся циклический переход к его началу. Цезарь использовал шифр замены при смещении К=3.

Пример. Аффинная система подстановок Цезаря.

В данном преобразовании буква, соответствующая числу t, заменяется на букву, соответствующую числовому значению (at+b) mod m. Преобразование является взаимно однозначным только в том случае, если наибольший общий делитель чисел a и m, обозначаемый как НОД(a,m), равен единице, т.е. a и m должны быть взаимно простыми числами. (m=26, a=3, b=5)

Пример. Система Цезаря с ключевым словом.

Особенностью этой системы является использование ключевого слова для смещения и изменения порядка символов в алфавите подстановки.

Выберем некоторое число k, 0<=k<=25, и слово или короткую фразу в качестве ключевого слова. Желательно, чтобы все буквы ключевого слова были различными. Пусть выбраны слово DIPLOMAT в качестве ключевого слова и число к=5. Ключевое слово записывается под буквами алфавита, начина с буквы, числовой код которой совпадает с выбранным числом к:

0 1 2 3 4 5 10 15 20 25

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

D I P L O M A T

Оставшиеся буквы алфавита подстановки записываются после ключевого слова в алфавитном порядке:

0 1 2 3 4 5 10 15 20 25

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

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

Шифры сложной замены. Шифры сложной замены называют многоалфавитным, так как для шифрования каждого символа исходного сообщения применяют свой шифр простой замены. Многоалфавитная подстановка последовательно и циклически меняет используемые алфавиты.

Эффект использования многоалфавитной подстановки заключается в том, что обеспечивается маскировка естественной статистики исходного языка, так как конкретный символ из исходного алфавита А может быть преобразован в несколько различных символов шифровальных алфавитов В_j. Степень обеспечиваемой защиты теоретически пропорциональна длине периода r в последовательности используемых алфавитов В_j.

Пример. Система шифрования Вижинера. (кодировочные таблицы Вижинера).

Шифрование гаммированием заключается в том, что символы шифруемого теста складываются с символами некоторой случайной последовательности, именуемой гаммой шифра. Стойкость шифрования определяется в основном длиной (периодом) неповторяющейся части гаммы шифра. Поскольку с помощью ЭВМ можно генерировать практически бесконечную гамму шифра, то данный способ является одним из основных для шифрования информации в автоматизированных системах.

Пример. Гаммирование случайной двоичной последовательностью.

М-разрядная случайная двоичная последовательность — ключ шифра, известный отправителю и получателю сообщения.

Процесс шифрования заключается в генерации гаммы шифра и наложение полученной гаммы на исходный открытый текст обратимым образом, например с использованием операции сложения по модулю 2.

Процесс расшифровки сводится к повторной генерации гаммы шифра и наложению этой гаммы на зашифрованное сообщение.

К.Шенноном доказано, что, если ключ является фрагментом истинно случайной двоичной последовательности с равномерно распределённым законом распределения, причём длина ключа равна длине исходного сообщения и используется этот ключ только 1 раз, после чего уничтожается, такой шифр является абсолютно стойким, его невозможно раскрыть, даже если крипоаналитик располагает неограниченным запасом времени и неограниченным набором вычислительных ресурсов. Действительно, противнику известно только зашифрованное сообщение, при этом все различные ключевые последовательности возможны и равновероятны, а значит, возможны и любые сообщения, т.е. криптоалгоритм не даёт никакой информации об открытом тексте.

Шифрование аналитическим преобразованием заключается в том, что шифруемый текст преобразуется по некоторому аналитическому правилу (формуле). Например, можно использовать правило умножения вектора на матрицу, причём умножаемая матрица является ключом шифрования (поэтому ее размер и содержание должны храниться в секрете), а символами умножаемого вектора последовательно служат символы шифруемого текста. Другим примером может служить использование так называемых однонаправленных функций для построения криптосистем с открытым ключом.