Общие принципы построения симметричных криптосистем

Криптосистемой с секретными ключами называют систему, соответствующую схеме, показанной на Рис. 6.

Рис. 6. Криптосистема с секретными ключами

Впервые эта схема была приведена в статье К.Шеннона 1949г. и до настоящего времени является актуальной для систем с секретными ключами. Здесь важно понимать, что X, Y и Z - случайные величины. Вполне понятно, что статистические свойства открытого текста X определяются источником сообщений; однако статистические свойства секретного ключа Z находятся под контролем криптографа.

Важная часть такой системы - "защищенный канал", по которому секретный ключ, порожденный в источнике ключа и защищенный от криптоаналитика, передается предполагаемому получателю. Для того чтобы подчеркнуть факт использования одного и того же ключа в шифраторе источника и дешифраторе получателя сообщений, криптосистемы с секретными ключами называют также одноключевыми, или симметричными, системами, а также системами классического шифрования. k знаков ключа - это символы некоторого конечного алфавита. Источник сообщений порождает открытый текст. Шифратор образует криптограмму как функцию X и Z. Криптограмма Y является функцией одного лишь открытого текста X, конкретный вид которой определяется секретным ключом Z. Дешифратор способен также выполнить обратное преобразование. Криптоаналитик противника видит только криптограмму Y и образует оценку открытого текста X и/или оценку секретного ключа Z.

Все многообразие существующих симметричных криптографических методов можно свести к следующим классам преобразований:

1. Моно- и многоалфавитные подстановки (замены). Наиболее простой вид преобразований, заключающийся в замене символов исходного текста на другие (обычно того же алфавита) по более или менее сложному правилу. Для обеспечения высокой кpиптостойкости требуется использование больших ключей.

2. Перестановки. Символы исходного текста переставляются по некоторому правилу. Используется, как правило, в сочетании с другими методами.

3. Гаммиpование. Этот метод заключается в наложении на исходный текст некоторой псевдослучайной последовательности, генерируемой на основе ключа.

4. Блочные шифры. Криптосистемы с секретным ключом подразделяются на два вида: блочные (block) и поточные (stream). Поточные криптосистемы работают с сообщением как с единым потоком, блочные криптосистемы представляют собой блочные (групповые) шифропреобразования. Блочная криптосистема разбивает открытый текст на последовательные блоки и зашифровывает каждый блок с помощью одного и того же обратимого преобразования, выбранного с помощью ключа. Любое из них можно рассматривать как последовательность операций, проводимых с элементами ключа и открытого текста, а так же производными от них величинами. Произвол в выборе элементов алгоритма шифрования достаточно велик, однако "элементарные" операции должны обладать хорошим криптографическими свойствами и допускать удобную техническую или программную реализацию. Обычно используются операции:

- побитового сложения по модулю 2 двоичных векторов (XOR)

- сложение или умножение целых чисел по некоторому модулю

- перестановка битов двоичных векторов;

- табличная замена элементов двоичных векторов.

Практическая стойкость алгоритмов шифрования зависит и от особенностей соединения операций в последовательности. Блочные шифры на практике встречаются чаще, чем "чистые" преобразования того или иного класса в силу их более высокой кpиптостойкости. Наиболее надежные и распространенные алгоритмы приведены в следующей таблице:

Таблица 1
Алгоритмы симметричного шифрования

Далее будут рассмотрены классические шифры, на базе которых и построены практически все современные криптосистемы, и более подробно – стандарты шифрования DES и ГОСТ №28147-89.