Что такое криптографическая защита информации: СКЗИ: что это такое и какие виды бывают?

Определение криптографии

Криптография — это искусство обеспечения безопасности информации путем преобразования ее в форму, непонятную непреднамеренным получателям. В криптографии исходное читаемое человеком сообщение, называемое открытым текстом , , преобразуется с помощью алгоритма , или ряда математических операций во что-то, что для неосведомленного наблюдателя могло бы показаться тарабарщиной; эта тарабарщина называется зашифрованный текст .

Криптографические системы требуют определенного метода, чтобы предполагаемый получатель мог использовать зашифрованное сообщение — обычно, хотя и не всегда, путем преобразования зашифрованного текста обратно в открытый текст.  

Криптография, криптология, шифрование

Прежде чем мы перейдем к сути этой статьи, давайте определим пару терминов, связанных с криптографией. Слог , склеп может натолкнуть вас на мысли о гробницах, но он происходит от греческого слова, означающего «скрытый» или «тайный». Криптография буквально означает «секретное письмо». Криптология, между тем означает что-то вроде «знания секретности»; если криптография — это практика написания секретных сообщений, то криптология — это теория, хотя эти два слова часто используются взаимозаменяемо. Шифрование — «создание секрета» — это то, что мы называем процессом превращения открытого текста в зашифрованный. Шифрование — важная часть криптографии, но не охватывает всю науку. Его противоположностью является расшифровка .

Одним из важных аспектов процесса шифрования является то, что он почти всегда включает в себя как алгоритм, так и ключ . Ключ — это просто еще одна часть информации, почти всегда число, указывающая, как алгоритм применяется к открытому тексту для его шифрования. В безопасной криптографической системе, даже если вы знаете метод шифрования сообщения, расшифровать его без этого ключа будет сложно или невозможно. Держите в уме алгоритмы и ключи, потому что они будут важны, когда мы будем двигаться дальше.

История криптографии

Все это очень абстрактно, и хороший способ понять особенности того, о чем мы говорим, — это взглянуть на одну из самых ранних известных форм криптографии. Он известен как шифр Цезаря , , потому что Юлий Цезарь использовал его для своей конфиденциальной переписки; как описал это его биограф Светоний, «если он хотел сказать что-то конфиденциальное, он записал это шифром, то есть изменив таким образом порядок букв алфавита . .. Если кто-нибудь желает расшифровать их и получить их это означает, что он должен заменить А четвертой буквой алфавита, а именно D, и так с остальными».

Описание Светония можно разбить на два рассмотренных нами криптографических элемента: алгоритм и ключ. Алгоритм здесь прост: каждая буква заменяется другой буквой из более позднего алфавита. Ключ в том, сколько много букв позже в алфавите вам нужно пройти, чтобы создать свой зашифрованный текст. В версии шифра, описанной Светонием, это три, но очевидно, что возможны и другие варианты — например, с ключом четыре, А станет Е.

Из этого примера должно быть ясно несколько вещей. Подобное шифрование предлагает довольно простой способ тайно отправить любое сообщение, которое вам нравится. Сравните это с системой кодовых фраз, где, скажем, «Давайте закажем пиццу» означает «Я собираюсь вторгнуться в Галлию». Чтобы перевести такой код, людям на обоих концах коммуникационной цепочки потребуется книга кодовых фраз, и у вас не будет возможности кодировать новые фразы, о которых вы не подумали заранее. С помощью шифра Цезаря вы можете зашифровать любое сообщение, которое только сможете придумать. Сложность заключается в том, что каждый, кто общается, должен заранее знать алгоритм и ключ, хотя безопасно передать и сохранить эту информацию гораздо проще, чем со сложной кодовой книгой.

Шифр ​​Цезаря известен как шифр замены , , потому что каждая буква заменяется другой; тогда другие варианты этого заменят блоки букв или целые слова. На протяжении большей части истории криптография состояла из различных шифров замены, используемых для обеспечения безопасности правительственных и военных коммуникаций. Средневековые арабские математики продвинули вперед науку, особенно искусство расшифровки: как только исследователи осознали, что определенные буквы в данном языке встречаются чаще, чем другие, например, становится легче распознавать закономерности. Но большая часть досовременного шифрования невероятно проста по современным стандартам по той очевидной причине, что до появления компьютеров было трудно выполнять математические преобразования достаточно быстро, чтобы шифрование или дешифрование стоило того.

На самом деле, развитие компьютеров и достижения в области криптографии шли рука об руку. Чарльз Бэббидж, чья идея разностной машины предвосхитила появление современных компьютеров, также интересовался криптографией. Во время Второй мировой войны немцы использовали электромеханическую машину «Энигма» для шифрования сообщений, и, как известно, Алан Тьюринг возглавлял группу в Великобритании, которая разработала аналогичную машину для взлома кода, заложив при этом некоторые основы для первых современных компьютеров. . С появлением компьютеров криптография значительно усложнилась, но еще несколько десятилетий оставалась прерогативой шпионов и генералов.

Принципы криптографии

Прежде чем мы перейдем к современной криптографии, давайте остановимся и обсудим два важных принципа, лежащих в ее основе. Первый из них известен как принцип Керкхоффса, названный в честь голландского криптографа XIX века Огюста Керкхоффса. Помните, как мы уже говорили, любая криптографическая система включает в себя как алгоритм, так и ключ. Керкхоффс считал, что «криптографическая система должна быть безопасной, даже если все о системе, кроме ключа, является общеизвестным».

Это были дни, когда криптография почти полностью применялась в военных целях. Идея здесь в том, что, хотя было бы неплохо держать вашу криптографическую систему в секрете, ваш оппонент почти наверняка в конце концов догадается об этом. Клод Шеннон, криптограф времен Второй мировой войны, впоследствии ставший пионером теории информации, сформулировал это более кратко: «Враг знает систему». К чему приходят Керкхоффс и Шеннон, так это к тому, что вы хотите разработать алгоритм, который не нужно, чтобы было секретом, чтобы успешно скрыть информацию.

Тем не менее, в современном мире публичный характер криптографических алгоритмов рассматривается как нечто хорошее само по себе, а не как неизбежное зло. Стандартные криптографические алгоритмы были широко изучены и подвергнуты стресс-тестам, и попытки придумать свои собственные частные алгоритмы обречены на провал, как это обычно бывает с безопасностью через неизвестность.

Что вам нужно держать в секрете, так это ваш криптографический ключ. Мы скоро перейдем к математике того, как это работает, а пока коснемся другого криптографического принципа, который делает возможным эту математику: зависимость от односторонних функций, математических операций, которые очень трудно обратить вспять. Классический пример односторонней функции — умножение двух очень больших простых чисел. Хотя это вычисление просто сделать, если бы у вас был только конечный результат, было бы очень сложно, почти невозможно, вычислить исходные два простых числа. Вопрос о том, действительно ли какая-либо функция может быть однонаправленной, обсуждается математиками, но многие из них необратимы на практике на пределе наших текущих вычислительных мощностей, поэтому мы оставим этот вопрос в стороне и будем двигаться дальше.

Криптография в сетевой безопасности

Создание первых компьютерных сетей заставило граждан задуматься о важности криптографии. Компьютеры разговаривали друг с другом по открытой сети, а не только через прямые соединения друг с другом; такого рода сети преобразовывали во многих отношениях, но также упрощали отслеживание данных, перемещающихся по сети. А поскольку финансовые услуги были одним из первых вариантов использования компьютерной связи, необходимо было найти способ сохранить информацию в секрете.

В конце 1960-х IBM проложила путь к методу шифрования, известному как «Люцифер», который в конечном итоге был кодифицирован Национальным бюро стандартов США как первый стандарт шифрования данных (DES). По мере того, как важность Интернета росла, требовалось все больше и больше шифрования, и сегодня значительная часть данных, передаваемых по всему миру, шифруется с использованием различных методов, которые мы обсудим более подробно чуть позже.

Для чего используется криптография?

Мы уже обсуждали некоторые конкретные области применения криптографии, от хранения военных секретов до безопасной передачи финансовых данных через Интернет. Однако в более широком плане, как объясняет консультант по кибербезопасности Гэри Кесслер, мы используем криптографию для достижения некоторых общих целей в области кибербезопасности. Используя криптографические методы, специалисты по безопасности могут:

• Хранить содержимое данных в тайне
• Аутентифицировать личность отправителя и получателя сообщения
• Обеспечить целостность данных, показывая, что они не были изменены
• Продемонстрировать, что предполагаемый отправитель действительно отправил это сообщение, принцип, известный как неотказуемость

Некоторые из этих принципов вы можете узнать по вариациям триады ЦРУ. Первое из этих применений очевидно: вы можете сохранить данные в секрете, зашифровав их. Остальные требуют небольшого пояснения, которое мы рассмотрим, когда будем описывать различные типы криптографии.

Какие существуют виды криптографии?

Существует множество используемых криптографических алгоритмов, но в целом их можно разделить на три категории: симметричная криптография , асимметричная криптография, хеш-функции и . У каждого своя роль в криптографическом ландшафте.

Симметричная криптография. Шифр ​​Цезаря, о котором мы говорили выше, является прекрасным примером симметричной криптографии. В примере, который мы использовали, если бы Цезарь и один из его центурионов обменивались зашифрованными сообщениями, обе стороны должны были бы знать ключ — в данном случае, сколько букв вперед или назад в алфавите вам нужно переместить, чтобы преобразовать открытый текст в шифротекст или наоборот. Вот что делает его симметричным. Но ключ должен оставаться секретом между ними двумя, поэтому его иногда также называют 9.0030 криптография с секретным ключом . Вы не могли отправить ключ вместе с сообщением, например, потому что, если бы оба попали в руки врага, сообщение было бы легко для них расшифровать, что свело бы на нет всю цель его шифрования в первую очередь. Цезарю и его центуриону, по-видимому, придется обсудить ключ, когда они увидятся лично, хотя очевидно, что это далеко не идеально, когда войны ведутся на больших расстояниях.

Симметричная криптография широко используется для обеспечения конфиденциальности данных. Это может быть очень полезно, например, для сохранения конфиденциальности локального жесткого диска; поскольку один и тот же пользователь обычно шифрует и расшифровывает защищенные данные, совместное использование секретного ключа не является проблемой. Симметричная криптография также может использоваться для обеспечения конфиденциальности сообщений, передаваемых через Интернет; однако, чтобы это произошло, вам необходимо развернуть нашу следующую форму криптографии в тандеме с ней.

Асимметричная криптография. Цезарь, возможно, имел возможность посовещаться со своими центурионами лично, но вы не хотите идти в свой банк и разговаривать с кассиром только для того, чтобы узнать, что такое закрытый ключ для шифрования вашего электронного общения с банком — это помешает Цель интернет-банкинга. В общем, для безопасного функционирования Интернету нужен способ, с помощью которого взаимодействующие стороны могут установить безопасный канал связи, в то же время общаясь друг с другом только через небезопасную по своей сути сеть. Как это работает через асимметричная криптография, , которую иногда называют криптографией с открытым ключом .

В асимметричной криптографии у каждого участника есть два ключа. Один является общедоступным и отправляется всем, с кем сторона хочет общаться. Это ключ, используемый для шифрования сообщений. Но другой ключ является закрытым, никому не передается, и необходимо расшифровать эти сообщения. Чтобы использовать метафору: представьте, что открытый ключ открывает слот в почтовом ящике, достаточно широкий, чтобы опустить письмо. Вы даете этот ключ любому, кто, по вашему мнению, может отправить вам письмо, чтобы они могли открыть слот и доставить конверт. . Закрытый ключ — это то, что вы используете, чтобы открыть почтовый ящик, чтобы вы могли получать письма.

Математика того, как вы можете использовать один ключ для шифрования сообщения, а другой — для его расшифровки, — вот где в игру вступает идея односторонних функций, которую мы обсуждали выше: два ключа должны быть связаны друг с другом математически так, чтобы они легко получить открытый ключ из закрытого ключа, но не наоборот.