Все, что нужно знать о криптографии: алгоритмы

С развитием технологий пользователи по всему миру, а также программисты и разработчики начали сталкиваться с вопросом сохранения конфиденциальности информации. Интернет-технологии и хакерские атаки начали ставить под угрозу соответствующее направление. Так появились различные способы шифрования данных.

В данной статье будет рассказано о том, что это такое, раскрыто понятие криптографии, рассмотрены основные способы, которыми можно защитить те или иные данные. Предложенная информация окажется полезной как опытным программерам, так и начинающим ПК-пользователям.

Понятие криптографии

Криптография также нередко называется криптологией. Это – искусство передачи информации электронного или иного типа так, чтобы без ключа шифрования считать ее было невозможно. Термин произошел от нескольких греческих слов:

• криптос – скрытый;
• графо – писать.

Направление науки по составлению алгоритмов шифрования является одним из древнейших в мире. Но в современных реалиях данное понятие приобрело совершенно новые обороты.

Криптография – комплекс алгоритмов, знаний и средств для защиты конфиденциальности тех или иных сведений от посторонних глаз. А криптоанализом называют некое направление деятельности, которое изучает правила и методы нарушения сохранности сообщения.

История возникновения

Вопросы, связанные с алгоритмами шифрования, начали решаться еще в древнем мире. Работают изобретенные некогда людьми варианты защиты по сей день.

Впервые соответствующая тема всплыла с появлением первой письменности. Раньше встречались следующие виды письма:

• иератическое;
• демотическое.

Первый вариант использовался священнослужителями, второй – всеми остальными. Греки и римляне стали «изобретателями» собственных систем тайного письма. А именно – скорописи. Изначально это и было секретным письмом. «Изобретателем» является некий Тиллиус Тиро.

Но лишь в средневековье различные алгоритмы по так называемому шифрованию сообщений начали использовать в дипломатических целях с завидной регулярностью. Также соответствующие приемы встречались в торговле и военной деятельности. А в 1499 году появилась первая книжка по криптографии.

Современное развитие

Алгоритмы шифрования потихоньку развивались и приобретали новый вид. Современная интерпретация оных возникла примерно в 1990 году. В те времена началось активное развитие информационных технологий.

Разные страны начали придумывать собственные стандарты криптографических протоколов. Примеры:

• Америка – Rijndael;
• Европа – NESSIE;
• Япония – CRYPTREC.

Также все ранее существующие алгоритмы сильно усложнились в плане математических конструкций. Это способствует затруднению криптоанализа. Новые требования, часто не связанные с математикой, привели к тому, что методы шифрования сейчас стали максимально устойчивыми и сложными. Начали появляться направления в криптографии, которые находятся на стыке математики и квантовых вычислений.

Где применяется

Цифровые сервисы должны в обязательном порядке беспокоиться о сохранности пользовательской и архивной информации. В противном случае утечка данных чревата серьезными последствиями. Пример – хакеры смогут использовать полученные электронные материалы от того или иного проекта в своих корыстных целях.

Сегодня практически все важные аспекты жизни и деятельности человека зависят от информационных технологий и гаджетов. Финансовые операции, а также всевозможные платежи и даже работа осуществляются через мобильные технологии. Их трудно назвать безопасными каналами передачи электронных материалов. Поэтому приходится думать, как лучше организовать защиту сведений.

Алгоритмы по шифрованию информации применяются везде:

• телевидение;
• компьютеры;
• интернет технологии;
• программирование;
• радиосвязь;
• прочие коммуникации;
• банковская деятельность.

Везде, где фигурируют информационные технологии и присутствует цифровизация, задействована криптография. Данное научное направление весьма сложное, но перспективное.

Основные виды

Сейчас в мире достаточно методов шифрования информации. Их условно можно классифицировать. Существуют следующие алгоритмы криптографии:

• квантовая;
• симметричная;
• асимметричная;
• хеш-функции;
• примитивы.

Каждый вариант предусматривает собственные нюансы и особенности. О них статья расскажет далее.

Примитивы

Шифрование – сложный процесс, как и процедура расшифровки данных при необходимости. При генерации подобной информации в целях повышения уровня безопасности нередко используются так называемые примитивы. Они помогают уже зашифрованным сведениям получить более надежную и стойкую защиту.

В качестве алгоритмов, предусматривающих примитивы, используют:

• подстановки;
• циклические сдвиги;
• гаммирование;
• перестановки.

Подобный вариант развития событий в реальной жизни появился давным-давно. Он может использоваться не только в информационных технологиях. Раньше примитивы преобразовывали и защищали обычный рукописный текст. Сейчас это не самый лучший вариант, если он задействован в качестве самостоятельного элемента.

Важно: так называемый открытый ключ для получения необходимой информации представляет собой некий алгоритм или инструкцию, согласно которому удается прочесть написанное сообщение.

Квантовые технологии

Совершенно новый виток в алгоритмах шифрования. Пока не слишком распространен, так как у человечества нет достаточно мощных квантовых компьютеров. Но такой вариант позволяет в результате получить практически неуязвимую на сегодня систему защиты электронных материалов.

В ходе реализации метода задействованы квантовые объекты. Они не только не позволяют считывать материалы, но и подделывать их. Авторы данной теории – некие ученые Беннет и Брассард. Они предложили пользоваться квантовыми технологиями специально для того, чтобы передавать секретный ключ.

Важно: первые попытки выдвижения квантовой теории для разработки алгоритмов шифрования в 1970 году высказал некий Стефан Вейснер.

Хеширование

На практике принято использовать многочисленные варианты защиты электронных материалов от хищения, копирования и подделки. Существует один такой подход, как хеширование. Имеет название хеш-функций.

В ходе него осуществляется преобразование первоначального информационного массива той или иной «протяженности» в битовую строчку фиксированной длины (256 бит, 128 бит и так далее).

Миру известна далеко не одна хеш-функция, но нас интересуют только ее криптографические вариации. Каждый вариант имеет отличие по:

• стойкости;
• сложности вычисления;
• разрядности.

Криптографически стойкие операции имеют два существенно важных критерия. А именно:

• для сообщения, которое требуется расшифровать/зашифровать, почти невозможно подобрать аналогичный текст с точно таким же хешем;
• пары сообщений в связке «оригинал-аналог» с одним и тем же хешем практически не обнаружимы.

Соответствующие отличия и требования называют стойкостью к коллизиям первого и второго рода. Есть и еще один важный критерий: если аргумент изменяется незначительно, происходит наиболее крупная «корректировка» функции. Так, значение хеша не предоставляет информацию даже об отдельных битах аргументов.

Примеры алгоритмов

Стандарт шифрования информации посредством хешев может быть разным. Сегодня выделяют более 10 вариаций, среди которых встречаются такие алгоритмы как:

• Adler-32;
• N-Hash;
• Tiger (TTH);
• Whirlpool;
• RFC 1071;
• MD2;
• MD5;
• MD4;
• CRC.

Это – лишь малая часть способов представления шифра в виде хеш-функций. Соответствующее направление активно развивается по сей день.

Асимметричные

В мире сегодня криптографических алгоритмов очень много. И среди них, как уже можно было заметить, встречаются совершенно разные вариации. Стандарт шифрования применяется в зависимости от типа используемой информации, а также технологических возможностей «клиента».

Есть метод так называемого асимметричного шифрования. Это система криптографического типа, которая использует открытый ключ. В данном случае для защиты информации задействована некая «расшифровка». Она является открытой. Передается прямо по открытым каналам связи (то есть, никак не скрывается). Используется специально для того, чтобы проверять электронные подписи, а также для зашифровки информации.

Технологии асимметричных алгоритмов для дешифрования и создания электронных подписей предусматривают задействование еще одного ключа. Он называется секретным.

В основе соответствующей идеи лежит принцип односторонних функций f(x). В них, согласно действующим законам математики, не так трудно найди x после получения информации о самой функции. Важно учесть, что дополнительно практически невозможно определить саму f(x), если известно только значение «икса».

Принципы работы

Асимметричные методы и алгоритмы так называемого шифрования работают по следующим принципам:

1. Существуют несколько абонентов: А и Б. Второй намерен отправить сообщение первому в зашифрованной форме.
2. Отправитель шифрует данные открытым ключом.
3. Происходит передача сообщения в зашифрованной форме по открытым связным каналам.
4. Первый клиент получает тот или иной текст.
5. Клиенту А передается секретный ключ-дешифровщик.
6. Сообщение «разгадывается» при помощи дешифрованного блока данных, после чего может быть прочитано без проблем.

Стоит обратить внимание на одну особенность, без которой соответствующий принцип не сработает. Речь идет о том, что при получении текста в зашифрованном виде получателю придется провести аутентификацию личности. Она производится перед отправителем. Это – своеобразная система защиты.

Если получатель не смог провести аутентификацию или является не истинным лицом, которому адресован текст, расшифровка не произведется. А у недоброжелателя не получится заметить открытый ключ, предусматриваемый отправителем, на собственный.

Асимметричные шрифты – наглядные примеры

Лучший алгоритм для шифрования информации асимметричным способом подобрать трудно. Здесь, как и в случае с хешами, довольно много вариантов. Вот наиболее распространенные из них:

• RSA;
• DSA;
• Deffie-Hellman;
• ГОСИТ Р 34.10-2001;
• Luc;
• Rabin;
• ECC;
• McEliece.

Применяются все эти варианты на практике весьма часто. Но есть и еще один подход к защите информации от недоброжелателей и хакеров. Он встречается в реальной жизни чаще остальных.

Алгоритм симметричного шифрования

Речь идет о симметричном шифровании. В этом случае происходит использование одного и того же ключа как для зашифровки, так и для расшифровки. Требования, применяемые к этому раскладу, следующие:

• полное отсутствие какой-либо линейности;
• утрата всех имеющихся статистических закономерностей в объекте, который необходимо защитить.

Подобные системы разделяются на несколько типов – блочного и поточного представления. Первые предусматривают дробление исходной информации на блоки, состоящих из данных. После этого осуществляется дальнейшее преобразование посредством ключей.

Поточные системы обрабатываются следующим образом: определяется выходная гамма (последовательность), накладываемая на текст сообщения. Защита проводится путем отправки потока по мере генерации гаммы.

Особенности и преимущества

Симметричный алгоритм для шифрования имеет собственные недостатки и преимущества. Отличается данный вариант высокой защитой. Для применения задействуются разнообразные сложные и многоступенчатые комбинации перестановок и подставок первоначальных сведений. Подходов для реализации поставленной задачи бывает довольно много. Каждый в обязательном порядке соответствует ключу прохода.

Если бы программист представил себе принцип обработки подобным методом, операция проводилась бы так:

1. Сначала выполняется первое требование, которое предъявляется к шифру. Вследствие происходит избавление от всех статистических данных.
2. Осуществляется перемешивание битов сообщения по заданным канонам.
3. Алгоритм приобретает нелинейность. Больше «стандартно» расшифровать его не получится.
4. Проводится замена той или иной части сообщения заданной величины на стандартные значения (простое число) посредством обращения к первоначальному (исходному) массиву.

У такого подхода к алгоритмам расшифровки и шифрования есть ряд преимуществ:

• длина ключа уменьшена;
• высокая скорость обеспечения защиты;
• простая реализация (из-за размера ключа и не только);
• высокая степень изученности.

Недостатки у подобной системы тоже имеются. К ним относят сложность обмена ключами. Это связано с тем, что в процессе реализации поставленной задачи может произойти нарушение секретности. Также в большой сети ключами довольно трудно управлять.

Наглядные примеры

К симметричным шифрам относят:

• 3DES;
• SEED — Корея;
• Camellia – Япония;
• CAST – от разработчиков Carlisle Adams;
• IDEA;
• XTEA – самый лучший алгоритм, который проще освоить;
• DES – старый американский стандарт;
• AES.

Как и в прошлых случаях, это всего лишь примеры. Сегодня на практике довольно часто встречается такой алгоритм для шифрования информации, как AES. Он является новым американским.

Rijndael

Подход типа Rijndael – это симметричный метод защиты сведений. Относится к блочным. В нем можно корректировать параметры блоков, а также секретных ключей от 128 до 256 бит. Но важно учесть — разность достигает 32 бита.

В процессе реализации задействует линейно-подстановочные принципы. Раунд здесь может быть 10, 12 или 14. Он напрямую зависит от длины ключа.

Особенности AES

AES – это своеобразный подход к решению поставленной задачи, опирающийся на алгоритм Rijndael. Предыдущее решение с ключом 128 бит. Блок данных здесь составит 16 байт. Предусматривает различные функции.

К ним относят:

• keyExpansion – само расширение ключа;
• subBytes  — замена «стейт»;
• addRoundKey – раундовые ключи;
• shiftRows – смещение строк посредством циклов;
• mixColumns – перемешивание столбцов;
• invMixColumns – обратное от предыдущего действия;
• invShiftRows – обратный вариант от shiftRows;
• invSubBytes – обратная замена «стейт».

Шифрование информации через алгоритм так называемого шифрования AES осуществляется в несколько шагов. Каждый предусматривает собственные нюансы.

Принцип зашифровки

Шифрование осуществляется в несколько этапов:

1.            Формирование «стейт». Предположим, что уже есть секретное сообщение, для того или иного адресата. Оно представлено числами в диапазоне от 0 до 255. Здесь происходит деление на n-блоков информации по 16 байт. Каждый «пакет информации» называется «стейт». Если текст не кратен 16 байтам, он дополняется до соответствующих значений.

2.            KeyExpansion. Ключи в AES побайтно равны state. Происходит расширение ключа, которое отвечает за генерацию нынешних массивов ключей для циклов раундов шифрования. В виде сопоставления операции XOR задействован фиксированный массив Rcon. Здесь keyExpansion через XOR с фиксированными ключевыми массивами осуществляет возврат массивов оных. Их количество – 11 штук. Только один не относится к раунду алгоритма.

3.            AddRoundKey. Это – первый этап шифрования. Применяется к state при помощи правил суммирования. Происходит XOR со state, с каждым его байтов. Далее «стейт» переходит к следующей ступени – к системе раундов алгоритмов.

4.            Раунды. Всего их 10 штук. Получается своеобразные таблицы замен из 10 шагов. Первые 9 выполняют subBytes, shiftRows, mixColumns, addRoundKey. Последний отвечает за обработку «саба», «шифта» и «эдда».

5.            SubBytes. Происходит трансформация «стейта» через замену собственных байтов на иные. Для этого используется их подставление в готовые фиксированные таблицы S-box.

6.            ShiftRows. Производится циклическое смещение трех последних строк влево. Принцип указан на картинке.

7.            MixColumns. Самый сложный вычислительный процесс. Здесь осуществляется умножение на постоянную функцию f(x) = {03}x^3 + {01}x^2 + {01}x + {02}. Так получается произведение по указанным ранее правилам конкретных столбцов из State на функции a(x). Если исключить правило умножения алгоритма так называемого шифрования, подобный прием будет аналогичен матричному умножению.

В случае с дешифрованием ситуация будет примерно такой же. Процедура полностью осуществляется за несколько подходов (шагов).

О дешифровании

Сначала система при чтении сообщения путем алгоритмов шифрования типа AES использует KeyExpansion. Далее производятся раунды алгоритмов. Они предусматривают 10 ступеней, называемых шагами криптопреобразования.

Первые девять штук отвечают за цикличное выполнение 4-х функций в порядке, обратном методу первоначально защиты (шифровки). А именно:

• addRoundKey;
• invMixColumns;
• invShiftRows;
• invSubBytes.

Последний, 10 раунд – это три операции: «ЭддРаундКей», «ИнвШифт», «ИнвСабБайтс». Далее производится обработка addRoundKey. Этап предусматривает обратное суммирование по правилам алгоритмов используемого шифрования самого себя. Полностью исключается массив Rcon.

Следующий шаг – обработка invMixColumns. Это – мультипликативная обработка операции умножения по правилам умножения алгоритма на постоянную функцию a^(-1) от x конкретного столбца «стейт».

Теперь система будет производить обратную трансформацию shiftRows. То есть, проведет цикличное смещение «информации» вправо. Завершающий этап – это инверсия. Производится относительно «СабБайтс». Предусматривает обратную замену байта state, которая заведомо представлена в hex согласно соответствию фиксированной таблички:

На данном этапе пользователь сможет прочесть необходимую ему информацию. Звучит трудно, но программисты и хакеры для реализации поставленной задачи никогда не действуют «вручную». Они используют IT-технологии и всевозможные шифровальщики и дешифраторы.

Криптография и IT

В цифровых технологиях криптография – это основной инструмент обеспечения конфиденциальности информации. Помогает противодействовать незаконному (несанкционированному) копированию и распространению информации по интернету (включая даркнет). В основном применяется для защиты интеллектуальной собственности.

Среднестатистические юзеры могут столкнуться с соответствующими методами не только при работе в Сети, но и во время установки/запуска игр. Там тоже задействованы рассмотренные варианты защиты в той или иной форме.

Внимание: хакерский взлом и появление «пиратских» копий программного обеспечения ставит под вопрос сохранность информации пользователей, а также ее целостность и конфиденциальность.

Заключение

Криптография – полезная и перспективная наука, тесно связанная с программированием. Сейчас на нее нельзя отучиться на «вышке». Ни один ВУЗ не предлагает изучение encryption и других вариантов обеспечения безопасности в полной мере.

Если пользователь захотел стать экспертом в данном области, он должен разбираться в программировании, IT, информатике, алгоритмах. Можно пройти спецкурсы по выбранному направлению.