Цикл статей по криптографии. Введение.
Человек — существо социальное, вот уже много тысячелетий он живет в обществе себе подобных. И вполне естественно, что одной из важнейших его способностей является умение общаться с другими людьми — передавать им сведения о том, что происходит в окружающем их мире, и о фактах своей субъективной реальности. Вторая сигнальная система — речь — по праву считается одним из важнейших отличительных признаков, качественно выделяющих человечество из животного мира. Характер информационного обмена между членами даже самого дикого племени многократно превышает по своей сложности все то, что можно увидеть у животных. Коммуникация в человеческом обществе имеет еще один отличительный признак — она узко избирательна. Мы разговариваем с разными людьми совершенно по-разному, и то, что сообщаем одним, стараемся скрыть от других.
Таким образом, с зарождением человеческой цивилизации возникло умение сообщать информацию одним людям так, чтобы она не становилась известной другим. Пока люди использовали для передачи сообщений исключительно голос и жесты, сделать это обычно не составляло особого труда — нужно было лишь исключить присутствие в непосредственной близости от разговаривающих тех людей, для которых сообщаемые сведения не предназначены. Однако иногда внешние факторы накладывали на поведение собеседников ограничения, не позволявшие им укрыться от посторонних ушей и глаз для проведения конфиденциальной беседы. Для действия в подобных обстоятельствах была создана, а точнее сложилась сама собой, система кодированных речью или жестами сообщений. В различных ситуациях она носила совершенно различный характер — от отдельного тайного знака, говорящего о наступлении определенного события, до развитых секретных языков, позволявших выражать мысли практически любой сложности. Даже в самом простейшем случае это была по своей сути вторая сигнальная система в миниатюре, предназначенная для передачи ограниченного набора сведений и известная как правило лишь небольшой группе посвященных, осколок — большой или маленький — альтернативного языка, и именно она положила начало развившемуся позже искусству тайно передавать сообщения.
Конечно, использование развитого «секретного» языка для защиты передаваемых данных обеспечивает гораздо большую свободу в коммуникации, чем несколько тайных знаков, о которых участники договорились накануне, однако этот путь имеет и гораздо большие издержки. За всеми посвященными уследить трудно, и рано или поздно такой язык станет понятным тем, от кого пытаются скрыть разговор. В этом случае возникнет необходимость его заменить другим, разработать же достаточно мощный язык и обучить ему нужное количество людей весьма затруднительно и накладно, а сделать это оперативно — невозможно. Поэтому подобный подход к проблеме проходит только в особых случаях, когда тому благоприятствуют обстоятельства. Так, он использовался американцами во время второй мировой войны: корабли ВМФ США осуществляли связь на языке малочисленного и компактно проживающего индейского племени. На каждом корабле было несколько индейцев-«шифровальщиков», у противника не было практически никаких шансов раздобыть себе такого «криптографа».
Надо заметить, что тема передачи сообщения посредством тайных знаков активно эксплуатировалась писателями и сценаристами приключенческого жанра. Вспомните фильм «Вариант омега», в котором советский разведчик передавал сигнал о том, что он работает под контролем немецкой контрразведки, ставя или пропуская точку после определенной фразы сообщения. Но немцы этот фокус раскусили и каждый раз аккуратно вырезали кусок магнитной ленты с точкой. Это, однако, им не помогло — доблестный советский разведчик передал свой сигнал выбором цветов во время покупки их у цветочника-связника. Кстати, о цветах — вспомните горшочек с цветком на подоконнике проваленной явочной квартиры, который так легкомысленно проигнорировал… Язык тайной передачи сообщений жестами активно используется и в наши дни представителями некоторых криминальных «специальностей», например, шулеров — во время «работы» пара шулеров ведет весьма оживленную беседу, незаметную ненаметанному глазу непрофессионала.
С возникновением письменности задача обеспечения секретности и подлинности передаваемых сообщений стала особенно актуальной. Действительно, сообщение, переданное словесно или показанное жестами, доступно для постороннего только в тот краткий промежуток времени, пока оно «в пути», а в его авторстве и подлинности у получателя никаких сомнений быть не может, потому что он видит своего собеседника. Иное дело, когда сообщение записано — оно уже живет отдельной жизнью и имеет свой путь, зачастую далеко расходящийся с путем человека, его создавшего. Записанное на бумаге сообщение существует в материальном мире гораздо более длительный промежуток времени, и у людей, желающих ознакомиться с его содержанием против воли отправителя и получателя, появляется гораздо больше шансов сделать это. Поэтому именно после возникновения письменности появилось искусство тайнописи, искусство «тайно писать» — набор методов, предназначенных для секретной передачи записанных сообщений от одного человека другому.
Данные о первых способах тайнописи весьма обрывочны. Предполагается, что она была известна в древнем Египте и Вавилоне. До нашего времени дошли указания на то, что искусство секретного письма использовалось в древней Греции. Первые действительно достоверные сведения с описанием метода шифрования относятся к периоду смены старой и новой эры и описывают шифр Цезаря — способ, которым Юлий Цезарь прятал свои записи от излишне любопытных глаз. С высоты достижений современной криптографии шифр Цезаря предельно примитивен: в нем каждая буква сообщения заменялась на следующую за ней по алфавиту. Однако для того времени, когда умение читать и писать было редким исключением, его криптостойкости вполне хватало. Использование шифра решало проблему секретности передаваемого сообщения, а проблема его подлинности решалась практически сама собой:
- во-первых, для человека, не знавшего шифр, было невозможно внести осмысленные изменения в зашифрованные сообщения, носившие исключительно текстовый характер, а изменения, внесенные наобум приводили к тому, что после расшифрования получался бессмысленный набор букв;
- во-вторых, практически до совсем еще недавних по историческим меркам времен отправляемые сообщения записывались от руки, а каждый человек имеет свой индивидуальный, присущий только ему почерк, который очень трудно воспроизвести другому человеку; запомнить почерк даже нескольких десятков наиболее важных своих корреспондентов, — а больше ни у кого и не было, — не составляет особого труда.
Человечество изобрело большое число способов секретного письма, многие из них были известны еще в древности. В некоторых способах тайного письма используются физические особенности носителей информации. Так симпатические чернила исчезают вскоре после написания ими текста или невидимы с самого начала. Но их можно снова сделать видимыми, обработав документ специальным химическим реактивом или осветив лучами определенной части спектра, обычно — ультрафиолетом. Стеганография предполагает, что передаваемый текст «растворяется» в сообщении большего размера с совершенно «посторонним» смыслом. Но если взять и извлечь из него некоторые символы по определенному закону, например — каждый второй, или третий, и т.д., получим вполне конкретное тайное сообщение. Шифрование является преобразованием сообщения по определенным правилам, что делает его бессмысленным набором знаков для непосвященного в тайну шифра человека.
Классифицировать способы засекречивания передаваемых сообщений можно по-разному, однако определяющих факторов всего два:
- используются ли для засекречивания свойства материальных носителей и материальной среды передачи информации или оно осуществляется независимо от них;
- прячется ли секретное сообщение или оно просто делается недоступным для всех, кроме получателя.
Как отмечено выше, большое число способов засекретить сообщение связано с воздействием на его носитель как на материальный объект. Это очень интересная тема, однако она является предметом изучения физики и химии, и никакого отношения к теории информации не имеет. Для массового практического применения гораздо больший интерес представляют методы защиты данных, которые опираются исключительно на свойства самих данных и никак не связаны с особенностями их физического представления. Образно говоря, при использовании методов данного типа барьер между собственно сообщением и злоумышленником, желающим его прочитать или исказить, возводится исключительно из самой информации. Речь в дальнейшем пойдет только о таких способах защиты.
В зависимости от ответа на второй из приведенных выше вопросов получаются различные классы способов засекречивания данных — стеганография и шифрование. Если рассматривать информацию отдельно от ее материального представления, то где же ее тогда можно спрятать? Ответ однозначен: только в еще большем массиве информации — как иголку в стоге сена. В этом и заключается принцип действия стеганографии. Например, мы отправляем нашему корреспонденту по электронной почте файл с растровой черно-белой картинкой, в котором наименее значащий бит в коде яркости каждой точки изображения будет элементом нашего тайного сообщения. Получатель письма извлечет все такие биты и составит из них «истинное» сообщение. Картинка, присутствующая здесь только для отвода глаз, так и останется для непосвященных простой картинкой. Стеганография бывает полезна, когда необходимо не просто передать секретное сообщение, а секретно передать секретное сообщение, то есть скрыть сам факт передачи секретного сообщения. Такой способ ведения тайной коммуникации, однако, имеет ряд недостатков:
- во-первых, трудно обосновать его стойкость — вдруг злоумышленникам станет известен способ «подмешивания» секретных данных к «болванке» — массиву открытых данных;
- во-вторых, при его использовании объем передаваемых или хранимых данных резко увеличивается, что отрицательно сказывается на производительности систем их обработки;
Другой подход — не скрывать факт передачи сообщения, но сделать его недоступным посторонним. Для этого сообщение должно быть записано так, чтобы с его содержимым не мог ознакомиться никто за исключением самих корреспондентов — в этом и заключается суть шифрования. И криптография возникла именно как практическая дисциплина, изучающая и разрабатывающая способы шифрования сообщений.
Вернемся к истории. Чем оживленнее велась переписка в обществе, тем большая ощущалась потребность в средствах ее засекречивания. Соответственно, возникали все более совершенные и хитроумные шифры. Сначала при заинтересованных лицах появились шифровальщики, потом группы из нескольких шифровальщиков, а затем и целые шифровальные отделы. Когда объемы подлежащей закрытию информации стали критическими, в помощь людям были созданы механические устройства для шифрования. Надо сказать, что основными потребителями криптографических услуг были дипломатические и шпионские миссии, тайные канцелярии правителей и штабы войсковых соединений. Для этого этапа развития криптографии характерно следующее:
- защите подвергались исключительно текстовые сообщения, написанные на естественных языках — других типов дискретно представленных данных просто не существовало;
- шифрование сначала осуществлялось вручную, позднее были изобретены сравнительно несложные механические приспособления, поэтому использовавшиеся тогда шифры были достаточно простыми и несложными;
- криптография и криптоанализ были скорее искусством, чем наукой, научный подход к построению шифров и их раскрытию отсутствовал;
- криптография использовалась в очень узких сферах — только для обслуживания высших правящих слоев и военной верхушки государств;
- основной задачей криптографии была защита передаваемых сообщений от несанкционированного ознакомления с ними, поскольку шифровались исключительно текстовые сообщения, никаких дополнительных методов защиты от навязывания ложных данных не применялось — вероятность получить нечто осмысленное после расшифрования искаженного зашифрованного текста была ничтожно мала в силу огромной избыточности, характерной для естественных языков.
Появление в середине нашего столетия первых электронно-вычислительных машин кардинально изменило ситуацию. С проникновением компьютеров в различные сферы жизни возникла принципиально новая отрасль хозяйства — информационная индустрия. Объем циркулирующей в обществе информации с тех пор стабильно возрастает по экспоненциальному закону — он примерно удваивается каждые пять лет. Фактически, на пороге нового тысячелетия человечество создало информационную цивилизацию, в которой от успешной работы средств обработки информации зависит само благополучие и даже выживание человечества в его нынешнем качестве. Произошедшие за этот период изменения можно охарактеризовать следующим образом:
- объемы обрабатываемой информации возросли за полвека на несколько порядков;
- сложилось такое положение вещей, что доступ к определенным данным позволяет контролировать значительные материальные и финансовые ценности; информация приобрела стоимость, которую во многих случаях даже можно подсчитать;
- характер обрабатываемых данных стал чрезвычайно многообразным и более не сводится к исключительно текстовым данным;
- информация полностью «обезличилась», т.е. особенности ее материального представления потеряли свое значение — сравните письмо прошлого века и современное послание по электронной почте;
- характер информационных взаимодействий чрезвычайно усложнился, и наряду с классической задачей защиты передаваемых текстовых сообщений от несанкционированного прочтения и искажения возникли новые задачи сферы защиты информации, ранее стоявшие и решавшиеся в рамках используемых «бумажных» технологий — например, подпись под электронным документом и вручение электронного документа «под расписку» — речь о подобных «новых» задачах криптографии еще впереди;
- субъектами информационных процессов теперь являются не только люди, но и созданные ими автоматические системы, действующие по заложенной в них программе;
- вычислительные «способности» современных компьютеров подняли на совершенно новый уровень как возможности по реализации шифров, ранее немыслимых из-за своей высокой сложности, так и возможности аналитиков по их взлому.
Перечисленные выше изменения привели к тому, что 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.
Как видим, термин «криптография» далеко ушел от своего первоначального значения — «тайнопись», «тайное письмо». Сегодня эта дисциплина объединяет методы защиты информационных взаимодействий совершенно различного характера, опирающиеся на преобразование данных по секретным алгоритмам, включая алгоритмы, использующие секретные параметры. Термин «информационное взаимодействие» или «процесс информационного взаимодействия» здесь обозначает такой процесс взаимодействия двух и более субъектов, основным содержанием которого является передача и/или обработка информации. По большому счету, криптографической может считаться любая функция преобразования данных, секретная сама по себе или зависящая от секретного параметра S:
T‘ = f(T), или
T‘ = f(T,S).
Теперь перейдем к характеристикам задач, решаемых криптографическими методами в наши дни. Информационные взаимодействия между различными субъектами могут носить различный, порой весьма запутанный характер, соответственно существуют различные угрозы их нормальному осуществлению. Для того, чтобы поставить задачу защиты информации, необходимо подробно ответить на вопросы трех следующих групп:
1. Что именно мы намереваемся защищать?
Эта группа вопросов относится к информационному процессу, нормальное течение которого мы намерены обеспечить:
- кто является участником информационного процесса;
- каковы задачи участников информационного процесса;
- каким именно образом участники процесса выполняют стоящие перед ними задачи;
2. От чего мы собираемся защищать нашу систему?
Эта группа вопросов охватывает возможные отклонения от нормального течения процесса информационного взаимодействия:
- каков критерий «нормального» прохождения процесса информационного взаимодействия;
- какие возможны отклонения от «нормы»;
3. От кого мы собираемся защищать нашу систему?
Эта группа вопросов относится к тем субъектам, которые предпринимают те или иные действия для того, чтобы отклонить процесс от нормы:
- кто может выступать в качестве злоумышленника, то есть предпринимать усилия для отклонения процесса информационного взаимодействия от нормального течения;
- каких целей добиваются злоумышленники;
- какими ресурсами могут воспользоваться злоумышленники для достижения своих целей;
- какие действия могут предпринять злоумышленники для достижения своих целей.
Развернутый ответ на первый вопрос является моделью информационного процесса. Подробный ответ на второй вопрос должен включать критерий «нормальности» процесса и список возможных отклонений от этой «нормальности», называемых в криптографии угрозами, — ситуаций, которые мы бы хотели сделать невозможными. Субъект, препятствующий нормальному протеканию процесса информационного взаимодействия, в криптографической традиции называется «злоумышленником», в качестве него может выступать в том числе и законный участник информационного обмена, желающий добиться преимуществ для себя. Развернутый ответ на третий вопрос называется в криптографии моделью злоумышленника. Злоумышленник — это не конкретное лицо, а некая персонифицированная сумма целей и возможностей, для которой справедлив принцип Паули из физики элементарных частиц: два субъекта, имеющие идентичные цели и возможности по их достижению, в криптографии рассматриваются как один и тот же злоумышленник.
Ответив на все перечисленные выше вопросы, вы получите постановку задачи защиты своего информационного процесса. Вот пример — задача защиты программного обеспечения (п/о) от незаконного копирования:
1. Субъекты этого процесса — поставщик п/о и пользователь, в рамках процесса они выполняют следующие действия:
- поставщик передает пользователю дистрибутивный носитель п/о;
- пользователь инсталлирует п/о на своем компьютере, получая при этом рабочую копию п/о;
- пользователь использует рабочую копию п/о, запуская на выполнение программы, входящие в ее состав;
- пользователь может уничтожить рабочую копию п/о на одном компьютере и инсталлировать ее на другом.
2. Нормальным течением информационного процесса является ситуация, при которой рабочая копия п/о установлена и используется только на одном компьютере. Отклонением является инсталляция и использование рабочих копий п/о более чем на одном компьютере.
3. Использовать более одной копии программного обеспечения могут попытаться сделать следующие субъекты:
- законный владелец п/о, располагающий дистрибутивным комплектом, может установить еще одну рабочую копию п/о, при этом он может использовать как уже инсталлированную рабочую копию п/о, так и дистрибутивный комплект;
- человек, имеющий доступ к компьютеру с инсталлированным п/о, может попытаться скопировать его на другой компьютер и использовать там.
Очевидно, что оба злоумышленника имеют разные возможности по достижению своих целей, и задача защиты в первом случае (злоумышленник — владелец п/о) намного тяжелее, чем во втором (у злоумышленника нет дистрибутива п/о).
Разные задачи из сферы защиты информации отличаются друг от друга именно различными ответами на приведенные выше вопросы. Только после детального и исчерпывающего ответа на все вопросы задача защиты информационного процесса может считаться поставленной и вы можете приступить к проектированию защиты.
Подведем итоги:
- криптография — это набор методов защиты информационных взаимодействий от отклонений от их нормального, штатного протекания, вызванных злоумышленными действиями различных субъектов, методов, базирующихся на секретных алгоритмах преобразования информации, включая алгоритмы, не являющиеся собственно секретными, но использующие секретные параметры;
- 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.
На этом вступительный выпуск завершается. Следующий, первый выпуск, будет содержать краткий обзор задач по защите информационных взаимодействий, стоящих перед криптографией в наши дни и решаемых в ее рамках.
Источник: iNFUSED BYTES OnLine
Андрей Винокуров, 19/Окт/98