Тақырып 7. Ақпаратты қорғаудың криптографиялық құралдары.

Криптографияның негізгі ұғымдары. Орын ауыстыру және орынға қою шифрлары. Қазіргі кездегі блоктық шифрлар. Ашық кілтті криптожүйелер. Криптография принциптері. Шифрлар типтері. Құпия кілтті шифрлер. Ашық кілтті шифрлер. Криптожүйелерді сертификациялау және стандарттау.

Бөгде тұлға оқи алмайтындай ақпаратты қайта құру, түрлендіру жолымен қорғау мәселелері адамзатты бұдан бұрында толғандырды. Криптографияның тарихы адамның тілі дамуымен қатар. Бұдан басқа алғашқы жазбаның өзі криптографиялық жүйе болды, ежелгі қоғамда жазуды тек қана таңдаулы тұлғалар білді. Мұның мысалы ежелгі Египеттің әулие кітабы мен Ежелгі Үнді кітаптары.

Жазу жұмысының кең таралуына байланысты дербес ғылым түрінде криптография дами бастады. Алғашқы криптожүйелер біздің эрамыздың басында пайда болды. Цезар хат жазысу барысында жүйелік шифрді пайдаланып, шифрге оның аты берілді.

I және II дүниежүзілік соғыс кезінде криптографиялық жүйе қарқынды дамыды. Соғыстан соңғы жылдардан бастап күні бүгінге дейін ЭЕМ (электронды есептеу машинасы) пайда болуы криптографиялық әдістің жетілуімен жаңа әдіс табуға жол ашты. Автоматтандырылған жүйедегі ақпарат қорғаудың криптографиялық әдісі – ЭЕМ-де өңделетін әр түрлі ЕҚ-да сақталатын жүйеден әр түрлі элементтер арасымен берілетін ақпаратты қорғау болып табылады. Криптографиялық түрлендіру бекітілмеген ақпаратқа қол жеткізуге ескерту әдісінің көп ғасырлық тарихынан тұрады. Қазіргі таңда шифрлеу әдісі көп, оны пайдаланудың теориялық және тәжірибелік негізі дайындалған. Бұл әдістердің көпшілігі ақпараттарды жабуға тиімді пайдаланылуда. Ақпарат тасушыларда ақпараттар (деректер базасы, құжаттар) шифрленген түрде сақталады.

Ақпараттық жүйелерде криптографиялық әдісті пайдалану мәселесі қазіргі таңда не себепті өзекті мәселе болып отыр?

Бір жағынан, компьютерлік желілердің қолданылуы кеңейді, соның ішінде өзге тұлға пайдалануға болмайтын үлкен көлемді әскери, сауда, мемлекеттік, ақпараттардың Интернет желісі арқылы таралуы.

Екінші жағынан, жаңадан қуатты компьютерлердің, жүйелік және нейрондық есептеу технологияларының пайда болуы, бұған дейін ашылмайды деп жүрген криптографиялық жүйелердің дискредитациясына мүмкіндік берді.

Ақпаратты түрлендіру жолымен қорғау мәселесімен криптология (kryptos-құпия, logos-ғылым) айналысады. Криптология екі бағыттан: криптография және криптоанализден тұрады. Бұл екі бағыттың мақсаты қарама-қайшы.

Криптография (cryptographic) – құпияжазу - ақпаратты заңсыз пайдаланушылардан қорғау мақсатымен оны түрлендіру әдастері жайындағы ғылым. Кодталынған хабарларды құрастырумен және оларды кері шифрлаумен шұғылданады. Өзге адамдардан ақпараттың құпиясын сақтап қалу криптографияның нeriзгi мақсаты болып табылады. Ақпаратпен заңсыз таныспақшы болған осындай адамдарды қаскөйлер (қаскүнемдер), жолдан ұстап қалушылар деп атайды.

Криптография ақпаратты түрлендірудің математикалықәдістерініздеумен және зерттеумен шұғылданады. Криптография ақпаратты оқу (бұрынғықалпына келтіру) тек оныңкілтін білген кезде ғана мүмкін болатындай етіп түрлендіреді. Криптографиялықәдістердіқолданудың негізгі бағыттары мыналар: жасырын ақпаратты байланыс арналары (мысалы, электрондык пошта) арқылы тасымалдау, жіберілген хабарлардың шынайылығьш анықтау, ақпаратты -(құжаттарды, дерекқорларды) шифрланған түрде тасуыштарда сақтау.

Криптоанализ - ақпаратты кілтсіз кері шифрлау мәселесімен айналысады. Криптожүйеге сәтті жүргізілген криптоаналитикалық зерттеулер негізінде хабардың бастапқы ашық мәтінімен қатар оның кілтін де ашуға мүмкін болады. Криптоаналитиқ шифрланған хабарды, немесе кілтті, немесе екеуін де оқуға мүмкіндік беретін криптожүйенің осал жерлерін ідеумен шұғылданады. Шифрлау алгоритмі, сондай-ақ, алуан түрлі кіттердің, ашық және шифрланған мәтіндердің жиынтығын криптожүйе деп айтады.

Қазіргі криптография- 4 ірі бөлімнен тұрады:

1. Симметриялық криптожүйе

2. Ашық кілтті криптожүйе

3. Электрондық қол жүйесі

4. Кілт арқылы басқару

Криптографиялық әдісті пайдаланудың негізгі мақсаты байланыс арнасымен құпия (мысалы, электронды пошта) ақпарат беру, берілетін құжаттың түпнұсқасын бекіту, ақпарат тасушыларда ақпараттарды (деректер базасын, құжаттарды) шифрленген түрде сақтау. Автоматтандырылған жүйелердегі ақпаратты қорғаудың криптографиялық әдістері – түрлі типті есте сақтау құрылғыларында сақталатын және ЭЕМ-де өңделетін ақпараттарды қорғау үшін де қолданылады. Сонымен, криптография ақпаратты оқу немесе қалпына келтіру кілтті білгенде ғана орындалатындай етіп түрлендіреді. Ақпараттарды шифрлау немесе кері шифрлау ретінде кейбір әліпбиге құрылған мәтін қарастырылады.

Алфавит- ақпаратты кодтауға пайдаланған белгілердің ақырғы жинағы.

Мәтін- алфавиттен алынған әріптердің реттелген жиынтығы.

Қазіргі ақпараттық жүйелерде пайдаланылатын алфавитке мысал түрінде төмендегілерді көрсетейік:

· Z₃₃ алфавиті–орыс алфавитінің 32 әрпі және бос орын;

· Z₂₅₆ алфавиті–ASCII және ААК-8 (КОИ-8) стандарттық кодтарға кіретін символдар;

· Бинарлық алфавит - Z₂={0,1};

· Сегіздік немесе он алтылық алфавит;

Шифрлау (ciphering, encryption) – белгілі-біp адамнан басқалар оқи алмайтындай етіліп ақпаратты математикалық, алгоритмдік (криптографиялық) түрлендіру әдісі. Қабылдаушы жақ бұл ақпаратты дұрыс оқу үшін оны кepi шифрлауы керек. Шифрлау бөлшекті (әрбір кезекті бөлшек тәуелсіз шифрланады) және ағынды (әрбір таңба біp-бipiнен тәуелсіз шифрланады) түрде жүргізілуі мүмкін.

Кері шифрлау - шифрлауға кері процесс. Кілттің негізінде шифрланған мәтін бастапқы қалпына келетіндей түрде түрленеді.

Kiлт (key) – ақпаратты шифрлау және кері шифрлау, сондай-ақ, оған қол қою үшін арналған цифрлық кода. Ол барлық мүмкін варианттардан криптографиялық түрлендіру алгоритмі үшін тек бip варианты таңдауды қамтамасыз етеді. Кілттің ортақ, жеке меншік және құпия деп аталатын түрлері болады.

Криптожүйелер симметриялық және ашық кілтті жүйеге бөлінеді.

Симметриялық криптожүйеде шифрлауға да, кері шифрлауға да бір ғана кілт қолданылады. Ашық кілтті жүйеде бір-бірінен математикалық байланыста болатын екі-ашық және жабық кілт пайдаланылады. Ақпарат барлық адамның қолы жететін ашық кілтпен шифрленеді де, ал оны ашу ақпаратты алушыға ғана белгілі жабық кілтпен ашылады.

Кілттерді бөлу және кілттерді басқару –пайдаланушылар арасындағы кілттерді бөлу және жасаудан тұратын ақпаратты өңдеу жүйесінің жұмысына жатады.

Криптотұрақтылық дегеніміз- кілтсіз кері шифрлеуге тұрақтылығын анықтайтын шифр сипаттамасы. Криптотұрақтылықтың бірнеше көрсеткіші бар, соның ішінде:

· мүмкін болатын кілттер саны,

· криптосараптауға қажетті орташа уақыт.

Т_к -түрлендіруі тиісті алгоритммен және k параметрінің мәнімен анықталады. Ақпаратты қорғау мақсатындағы шифрлеу тиімділігі шифрдің криптотұрақтылығына және кілт құпиялылығының сақталуына байланысты.

Мәліметтерді криптографиялық жабу жұмысы бағдарламалық және аппараттық түрде жүзеге асады. Аппараттық жүзеге асыру құн жоғарылығымен, жоғары өнімділігімен, қарапайымдылығы, қорғалғандығымен ерекшеленеді. Бағдарламалық жүзеге асыру тиімділігімен, пайдалануға өте икемділігімен белгілі.

Ақпаратты қорғаудың қазіргі заманғы криптографиялық жүйесі төмендегідей жалпы талаптардан тұрады:

· шифрленген мәлімет тек кілтпен ғана оқылуы керек;

· шифрленген мәліметтегі үзіндіні шифрлеуге пайдаланған кілтті анықтауға қажетті және сол ашық мәтінге сәйкес операцияның саны мүмкін болатын кілттердің жалпы санынан кем болмауы керек;

· ақпаратты ашу үшін таңдалған барлық кілттердің атқаратын жұмысы қазіргі заманғы компьютердің мүмкіндігінен асып түсуі қажет әрі бағасы төмен болуы керек;

· шифрлеу алгоритмінің мәні қорғау беріктілігіне кепілдігіне әсерін тигізбеу керек;

· аздаған болар-болмас кілт өзгерісі, бір кілтті пайдаланса да шифрленген

мәліметті түбірімен өзгерте алмайтындай болуы қажет;

· шифрлеу алгоритмінің құрылымдық элементтері өзгертілуі керек;

· шифрлеу барысында мәліметке енгізілген қосымша биттер түгелдей және шифрленген мәтінде берік әрі құпия сақталуы керек;

· шифрленген мәтін ұзындығы бастапқы-шығатын мәтін ұзындығына сай болуы керек;

· шифрлеу барысында пайдаланылатын кілттер арасындағы байланыс қарапайым әрі жеңіл бекітілетіндей болуы керек;

· көптеген мүмкін болатын кілттер кез-келген ақпараттың берік қорғалуын қамтамасыз етуі керек;

· алгоритм таратудың бағдарламалық және аппараттық түрлеріне де жол беріп, осы тарату барысында кілттің ұзындығының өзгеруі шифрлеу алгоритмінің сапасын төмен түсіруге жол бермеуі керек.

Симметриялық криптожүйе

Криптографиялық әдістерді топтастыру

Симметриялық криптожүйелерде қолданылатын криптографиялық әдістерді мынадай топтарға бөлуге болады: жай ауыстыру, орын ауыстыру, гаммалау және блоктық шифрлар.

Сур.5. Симметриялық криптожүйелерді түрлендірудің кластары.

Жай ауыстыру шифрында алфавиттің әрбір әрпіне белгілі бір әpiп, цифр, символ немесе олардың қисындасуы сәйкес келеді. Олардың қарапайым және күрделі түрлері бар. Қарапайым ауыстыру шифрларының мысалы: Полибий квадраты, Цезарь шифры, Тритемиус шифры, Кардано торы, Плейфер шифры және т.б. Күрделі ауыстыру шифрларының мысалы ретінде Вижинер квадратын, бірретік шифрлауыш жүйесін, Гронсфельд шифрын, Уитстонның "кос квадрат" шифрын, Вернам әдісін және т.б. келтіруге болады.

Орын ауыстыру шифрында хабардың әріптері қандай да болмасын бip тәсілмен өзара орын ауыстырылады. Мысалы: бағдарғылық және баған-бағандық транспозициялар, шифрлайтын кестелер, сиқырлы квадраттар және т.б.

Блоктық, шифрлар шифрланатын мәтінің бөлігіне қолданылатын түрлендірудің негізгі әдістерінің тізбегі больш табылады. Бұл шифрлар олардың жоғары криптоберіктілігінің арқасында практика жүзінде жиі пайдаланылады. Мысалы, Ресейлік ГОСТ және америкалық DES шифрлау стандарттары осы блоктық шифрлар негізінде құрылған.

Гаммалау арқылы шифрлау - шифрланатын мәтіннің символдары шифр гаммасы деп аталатын кейбір кездейсоқ тізбек символдарымен қосылады. ЭЕВМ көмегімен шексіз шифр гаммасын жасауға болатындықтан, автоматтандырылған жүйелерде ақпаратты шифрлайтын негізгі әдістердің бipeyi больш табалды.

Ауыстыру шифрлары

Шифрланатын мәтіннің символдарын ауыстырумен шифрлаған кезде ауыстырудың алдын ала қойылған ережесіне сәйкес сол немесе басқа алфавиттің символдарымен ауыстырылады.

Қарапайым ауыстыру шифрындабастапқы мәтінің әрбір символы мәтінің соңына дейін сол алфавиттің бірдей символдарымен ауыстырылады (бір алфавиттік ауыстыру шифрлары деп аталады).

2.1.3.Полибий квадраты

Полибий квадраты қарапайым ауыстырудың алғашқы шифрларының біpі болып есептеледі. 5x5 квадраттың әрбір орнына кездейсоқ түрде алынған бip әрin жазылады (1-сурет). Грек алфавитінің әріптерімен толтырғанда бip орын бос қалған, ал латын алфавитінің әріптерімен толтырғанда бip орынға екі әріп (i және j) жазылған.

1) грек алфавиті 2) латын алфавиті

Сур.6. Полибий квадраты

Полибий квадраты көмегімен шифрлау кезінде ашық мәтіннің кезекті әрпінің орнына сол бағанда одан төмен орналасқан әpin шифрмәтінге жазылады. Егер ашық мәтіннің әрпі кестенің төменгі қатарында болса, онда шифрмәтін үшін осы бағанның ең жоғарғы әрпі алынады. Мысалы,ψauros сөзі үшін cjdmtx шифрмәтін шығады. Егер әpбip әріпті екі санмен (катардың және бағанның нөмipi аркылы) белгілесек, онда бастапқы мәтін мынадай 41 44 13 21 25 24 сандар тізбегімен шифрланады.

2.1.4.Цезарь шифрлау жүйесі

Цезарь шифрын (біралфавиттік ауыстыру) қолданған кезде бастапқы мәтіннің әpбip әpпi сол алфавиттің одан К=3 әpiпке тең ығысу аралығында орналасқан әріппен ауыстырылады. Ю.Цезарь (Цезарь Гай Юлий (біздің эрамызға дейінгі 100-44 ж.ж., рим императоры) галлармен соғыс кезінде Римдегі өзінің жолдастарымен хат алысқанда осы цифрды пайдаланған) шифрында (1-кесте) хабардағы латын әліпбиінің бipiншi әрпі (А) төртінші (D), екінші (В) - бесінші (Е), осылайша, ең соңғысы (Z) - үшінші (С) әріппен ауыстырылған.

1-кесте - Біралфавиттік ауыстырулар (К=3, m=26)

Мысалы TOMORROWEXAMINATION(Ертең емтихан) деген хабарды
осы әдіспен шифрланғанан кейін ол мынандай түрде жазылады: WRPRUURZHADPLQDWLRQ.

2.1.5.Кілттік cөзi бар Цезарь жүйесі

Бұл жүйенің ерекшелігі - ауыстыру алфавитіндегі символдардың ығысқан және өзгертілген peтi үшін кілттік сөз қолданылуы. Кілттік сөз ретінде К санын, 0≤К<25 және сөз немесе қысқа сөздер тіркестігі таңдап алынады. Кілттік сөздің әpіптері әр түрлі болғаны жақсы.

Мәселен, кілт ретінде MACROS сөзі және К=5 таңдалсын. Кілттік сөз алфавит әріптерінің астына таңдалған К санына сәйкес келетін әріптен басталып жазылады:

Ауыстыру алфавитінің қалған әріптері алфавиттік ретпен кілттік сөзден кейін (қалғандары алдынғы жағынан) жазылады:

Сөйтіп, хабардың әрбір әpпi үшін ауыстыру әрпі анықталды. Енді CONTROLLERS мәтіні былайша шифрланады: WFEKIFBBZIJ.

Kілттік сөздің барлық әріптері әр түрлі болуы тиісті деген талаптың міндетті емес екенін ескеру керек. Кілттік сөзді (немесе сөздер тіркестігін) жай бірдей әріптерді қайталамай ғана жазу керек. Мысалы, кілттік сөйлем ДЕРЕКТЕР АЛМАСУ және К=3 ауыстырудың келесі кестесі туындайды:

Алынған кесте көмегімен БАҒДАРЛАУ ТІЛІ мәтіні былайша шифрланады: ДЮКЕЮҚВЮЩ ҢЬВЬ.

Трисемустың шифрлайтын кестесі

Осындай ауыстыру шифрын алу үшінәдетте алфавиттің әpiптepi мен кілттік сөз (немесе сөздер тіркестігі) жазбасына арналған кесте қолданылған. Кестеге алдымен кілттік сөз жазылып, қайталанатын әpіптері алынып тасталады. Содан кейін бұл кесте алфавиттің кілтке кірмей қалған әріптермен реттелген түрде толықтырылады.

Қазақ алфавиті үшін шифрлайтын кестенің өлшемі 6x7 болады. Кілт ретінде АЛГОРИТМ сөзін алайық. Осындай кілтпен шифрлайтын кесте 3-суретте көрсетілген.

Бастапқы мәтінАҚПАРАТТЫ ҚОРҒАУ.

Шифрмәтін МҰҺМҒМЕЕАТҰВҒҚМЧ

Сур.7. АЛГОРИТМ кілттік сөзімен шифрлайтын кесте

Шифрлау кезінде Полибий квадратындағы сияқты осы кестеден ашық мәтіннің кезекті әріпін тауып одан төменгі бағанда орналасқан әріпті шифр мәтінге жазады. Егер бастапқы мәтіннің әріп кестесінің төменгі қатарында болса,онда шифр мәтін үшін сол бағанадағы ең жоғарғы әріп алынады

Мұндай кестелік шифрларды шифрлау бір әріп бойынша орындалатындықтан олар монограммды шифрлар деп аталады. Трисемус шифрлайтын кестелерд екі әріптері бойынша шифрлауға болатынын байқаған. Мұндай шифрлар биграммды деп аталады.

Плейфердің биграммды шифры

Плейфер жүйесінің шифрлау және шифрды ашу процедуралдарында Трисемустың шифрлайтын кестесі қолданылады.

Шифрлау процедурасы келесі қадамдардан тұрады:

1) Бастапқы хабардың ашық мәтіні әріптер жұбына (биграммаларға) бөлінеді. Мәтінде әріптердің саны жұп болу керек және құрамында екі бірдей әріп болмауы керек. Егер бұл талаптар орындалмаса, онда мәтін мәні жоқ орфографиялық кестелердің көмегімен түрлендіріледі.

2) Ашық мәтіннің биграммалар тізбегін (шифрлайтын кестенің көмегімен) келесі ережелер бойынша түрлендіріледі:

- Егер ашық мәтіннің биграммасының екі әріпі де бір қатарға немесе бағанға (3-суреттің кестесіндегі М және П әріптері сияқты) түспесе, онда берілген әріптердің жұбымен анықталатын тікбұрыштың бұрышындағы әріптер ізделінеді. Біздің мысалда бұл МПӘӨ әріптері. МП әріптер жұбы ӘӨ жұбына бейнеленеді. Шифрмәтіндегі биграммаларды әріптердің тізбегі ашық мәтіннің биграммасындағы әріптер тізбегінің қатынасы бойынша айнадай орналасу керек.

- Егер ашық мәтіннің биграммасының екі әріптері де кестенің бір бағанында орналасса, онда шифр мәтіннің әріптері болып оның астында жатқан әріптер есептелінеді. Мысалы, КО биграммасы шифр мәтінінің УВ биграммасымен ауыстырылады. Егер ашық мәтіннің әрпі төменгі қатарда орналасса, онда шифр мәтін үшін осы бағанның жоғарғы қатарындағы сәйкес келетін әріп алынады.

- Егер ашық мәтіннің биграммасының екі әріпі де кестенің бір қатарында орналасса, онда шифр мәтінінің әріптері болып олардың оң жағында жатқан әріптер есептелінеді.

Мысал ретінде КОМПЬЮТЕРЛЕР мәтінін шифрлайық. Бұл мәтіннің биграммаларға бөлуі мынаны береді: КО МП ЬЮ ТЕ РЛ ЕР. Осы биграммалар тізбегі шифрлайтын кестенің (3-сурет) көмегімен мынадай тізбекке түрлендіріледі: УВ ӘЯ ЭЯ ЕЦ ИГ ҒТ.

Шифрды ашу кезінде аталған әрекеттер керісінше орындалады.

Стандартты алфавитті қолданған кезде жай ауыстыру шифрларының олқылықтары айқын-ақ: алфавит әріптерінің қайталану жиіліктерінің кестесі (жадуалы) бір немесе бірнеше символды анықтауға мүмкіндік береді, ал бұл болса кейде хабарды толығымен кері шифрлауға жеткілікті болады. Сондықтан кері шифрлауды қиындату үшін әр түрлі тәсілдер қолданылады. Мәселен:

– шифрлаудың көпәріптік жүйесі-бір символға екі және одан көп символдардың бір немесе бірнеше қисындасуы:

– бірнеше алфавитті пайдалану - әрбір символдың орнына оның өзімен немесе жіберіліп жатқан хабардағы оның орнымен қандай да болмасын бір тәсілмен байланысқан кілтке тәуелді басқа бір алфавит қолданылады.

Күрделі ауыстырулардың шифрларын көп алфавитті деп атайды. r-алфавитті ауыстыру кезінде негізгі хабардың х_о символы В_о алфавитіндегі у_о символымен х₁ символы В₁ алфавитіндегі у₁символымен ауыстырылады, ал х_r-1символы в_r-1 алфавитіндегі у_r-1 символымен және х_r символы В алфавитіндегі у_r символымен ауыстырылады. r=4 болған жағдайда көп алфавитті ауыстырудың жалпы сұлбасы 8-суретте келтірілгендей болады.

Сур.8. Көпалфавитті ауыстырудың жалпы сұлбасы (r=4)

Гронсфельд шифры

Гронсфельд шифры деп аталатын бұл күрделі ауыстыру шифры Цезарь шифрының өзгертілген бір түрі болып табылады. Ол үшін негізгі хабар әріптерінің астына сандар түріндегі кілттің цифрлары жазылады. Егер кілт хабардан қысқа (аз) болса, онда кілттің цифрлары қайталана береді. Мысалы, кілт ретінде 3514 санын қолдана отырып ОПТИКАЛЫҚ ҚОРҒАУ хабары үшін келесі шифрмәтін алынады

2.1.10.Вижинер шифрлау жүйесі

Вижинер ((1523-1596), Римдегі француз елшісі, өзінің шифр жүйесін ойлап тапқан. Виженердің шифры 400 жыл бойы кері шифрланбайтын деп саналған, сондықтан әскери шифр ретінде кеңінен қолданылған).

Вижинер жүйесі Цезарь шифрлау жүйесіне ұқсайды. Шифрлау кестесі Вижинер кестесі деп аталады. Вижинер кестесі n² элементтен тұратын квадраттық матрица болып табылады. Бұл жерде n – қолданылатын алфавит символдарының саны. Бірінші қатарда алфавиттің барлық әріптері жазылады. Әрбір келесі қатарда бір әріпке ығыстырылады. Осындай әрекетті аяғына дейін қайталаудың нәтижесінде қатар саны бағанның (алфавит әріптерінің) санына тең квадрат кесте құрылады. 6-суретте қазақ тіліне арналған Вижинер кестесі көрсетілген. Кестенің екі кірісі бар: негізгі ашық мәтіннің әрпін анықтайтын жоғарғы қатардың символдары және кілттің сол жақтағы шеткі бағаны.

Шифрлау (және кері шифрлау) үшін Вижинер кестесін қолдануға болады. Шифрлауды орындау үшін әріптерден тұратын кілт таңдап алынады. Шифрлау былайша жүргізіледі. Толық кестеден бірінші қатар және бірінші әріптері кілттің әріптеріне сәйкес келетін қатарлар іріктеліп алынады.