XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
От тайнописи к криптографии
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Оценка современного состояния решаемой проблемы проекта
В современном мире существует огромное количество способов неразглашения информации, некоторые из них сложны для человека, не разбирающегося в данной теме. Наука о неразглашении информации называется криптография, она изучает различные методы шифровки, при изучении этой науки и создаются различные шифры.
Актуальность темы
Иногда возникают такие ситуации, в которых нужно что бы переданная тобой информация оказалась только у твоего адресата, чтобы эту информацию не увидел никто другой, кроме самого адресата. В моём случае, когда на самостоятельной работе, мой одноклассник спросил у меня какой ответ в определённом задании, мне нужно передать ему ответ так, чтобы учитель не понял, то что я диктую ответ.
Обоснование проекта
На данный момент, у меня появилась возможность изучить способы шифрования информации и разработать собственный шифр. Я хочу, чтобы при помощи моего шифра, люди передавали важную для себя информацию и не беспокоились, что она будет раскрыта.
Цель
Создать собственный шифр для передачи информации своему адресату.
Задачи
Изучить литературу и познакомится с понятиями криптография, тайнопись и шифр
Изучить наиболее эффективные способы шифровки информации
Создать собственный шифр
Методы исследования
Методы, применяемые мной в проекте будут следующими:
Анализ литературы – метод, который предполагает изучение литературы и нормативно-правовых актов по теме исследования проектной работы.
Дедукция – метод, позволяющий основываясь лишь на общедоступной информации, используя принцип «от общего к частному», сделать вывод о конкретном предмете или явлении.
Формализация – метод, предполагающий передачи сущности объекта (явления) или его структуры путём использования символов, формул, математических схем.
Что же такое криптография? Криптография - наука о методах обеспечения конфиденциальности (невозможности прочтения информации посторонним), целостности данных (невозможности незаметного изменения информации), аутентификации (проверки подлинности авторства или иных свойств объекта), шифрования (кодировка данных).
История
История криптографии насчитывает около четырёх тысяч лет. В настоящее время выявлено 4 периода развития криптографии.
Первый период (с 3 тысячелетия до нашей эры) - в этот период доминировали моно алфавитные шифры, основной принцип — замена алфавита исходного текста другим алфавитом через замену букв другими буквами или символами.
Второй период (с 9 века на Ближнем Востоке, с 15 века в Европе) – отметился введением в быт полиалфавитных шифров.
Третий период (с начала и до середины 20 века) - характеризуется внедрением электромеханических устройств в работу шифровальщиков. При этом продолжалось использование полиалфавитных шифров.
Четвёртый период (с середины и до семидесятых годов 20 века) – период перехода к математической криптографии, появляются строгие математические определения количества информации, придачи данных, функции шифрования.
Первыми стали использовать криптографию – египтяне. Они использовали систему специальных иероглифов около 4000 лет назад (рисунок 1). Элементы криптографии стали обнаруживать уже в надписях старого и среднего царств, полностью криптографические тексты стали известны с периода 18 династии.
Рисунок 1
Также примеры применения криптографии можно встретить в священны иудейских книгах, где использовался простой метод шифрования под названием Атбаш (рисунок 2).
Рисунок 2
Первой европейской книгой, описывающей использование криптографии, считается труд Роджера Бэкона 13 века «Послание монарха Роджера Бэкона о тайных действиях искусства и природы и ничтожестве магии» описывающий, в числе прочего, применение 7 методов скрытия текста.
Современный период развития криптографии (с конца 1970-х годов по настоящее время) отличается зарождением и развитием нового направления — криптография с открытым ключом. Её появление знаменуется не только новыми техническими возможностями, но и сравнительно широким распространением криптографии для использования частными лицами.
Современная криптография образует отдельное научное направление на стыке математики и информатики — работы в этой области публикуются в научных журналах, организуются регулярные конференции. Практическое применение криптографии стало неотъемлемой частью жизни современного общества — её используют в таких отраслях, как электронная коммерция, электронный документооборот, телекоммуникации и других.
Криптография также применялась в годы Великой Отечественной войны. В армии и флоте СССР использовались шифры с кодами различной длины — от двух символов (фронт) до пяти (стратегические сообщения). Коды менялись часто, хотя иногда и повторялись на другом участке фронта. По ленд-лизу СССР получил несколько M-209, которые использовались как основа для создания своих собственных шифровальных машин, хотя об их использовании неизвестно.
Также для связи высших органов управления страной и фронтами использовалась ВЧ-связь. Она представляла собой технические средства для предотвращения прослушивания телефонных разговоров, которые модулировали высокочастотный сигнал звуковым сигналом от мембраны микрофона. Уже во время Второй мировой войны механизм заменили на более сложный, который разбивал сигнал на отрезки по 100—150 мс и три-четыре частотных полосы, после чего специальный шифратор их перемешивал. На приёмном конце аналогичное устройство производило обратные манипуляции для восстановления речевого сигнала. Криптографической защиты не было, поэтому, используя спектрометр, можно было выделить используемые частоты и границы временных отрезков, после чего медленно, по слогам, восстанавливать сигнал.
Ключевые понятия, необходимые для изучения и понимая данной темы криптография
Криптография – наука о неразглашении информации.
Шифр - система обратимых преобразований, зависящая от некоторого секретного параметра (ключа) и предназначенная для обеспечения секретности передаваемой информации.
Ключ – параметр шифра, определяющий выбор конкретного преобразования данного текста. В современных шифрах алгоритм шифрования известен, и криптографическая стойкость шифра определяется секретностью его ключа.
Шифрование – применение криптографического преобразования открытого текста на основе алгоритма и ключа.
Дешифровка – анализ документа, написанного на неизвестном языке или неизвестной системой письма.
Расшифровка – процесс применения криптографического преобразования шифрованного текста в открытый.
Открытый (исходный) текст — это данные, кстати сказать, не только текстовые, которые передаются без использования криптографии.
Шифрованный (закрытый) текст — это данные, получаемые в результате использования криптосистемы с секретным ключом.
Криптосистема представляет собой семейство обратимых преобразований открытого текста в шифрованный.
Криптоанализ — это наука, целью которой является поиск и исследование методов взлома криптографических алгоритмов, а также процесс взлома.
Существует мнение. Что криптография невероятно сложная наука. По моему мнению криптография не то чего следует бояться, учитывая быстрое развитие вычислительной техники, что в ближайшее время криптография активно развивающейся наукой, так как с 1990-х годов страны начали в открытую формировать свои стандарты криптографических протоколов. Сами же алгоритмы сильно усложнились с точки зрения математических конструкций — чтобы затруднить криптоанализ. Принципы выбора алгоритмов постепенно начали усложняться из-за новых требований, которые часто не связаны с математикой напрямую: например, из-за требований к устойчивости к атакам через сторонние каналы и посредством социальной инженерии.
«Криптография – это искусство и наука шифрования. По крайней мере так она начиналась. Сегодня понятие криптог8рафия значительно расширилось и включает в себя аутентификацию, цифровые подписи и множество других элементарных функций безопасности. Криптография всё ещё остаётся искусством и наукой: чтобы построить хорошую криптографическую систему, необходимо обладать глубокими научными знаниями и приличным багажом той самой «чёрной магии», которую называют опытом.» (книга «Практическая криптография» автор Нильс Фергюсон и Брюс Шнайер, глава 2)
Продуктом моего проекта является шифр, поэтому рассмотрим шифрование, как составляющее криптографии.
Ключевые понятия, относящиеся к шифрованию
Шифр - система обратимых преобразований, зависящая от некоторого секретного параметра (ключа) и предназначенная для обеспечения секретности передаваемой информации.
Символ – неиконический (условный) знак, изображение, не имеющее сходство с изображаемым предметом.
Симметричный алгоритм для шифрования и дешифрования используется один и тот же ключ. Обе стороны должны согласовать ключ алгоритма перед началом связи.
Асимметричный алгоритм использует два разных ключа: открытый ключ и закрытый ключ. Это обеспечивает безопасное шифрование при обмене данными без предварительного создания общего алгоритма.
Методы шифрования
Симметричное шифрование.
Симметричное шифрование использует один и тот же ключ и для зашифровывания, и для расшифровывания.
В симметричных криптосистемах для шифрования и расшифровывания используется один и тот же ключ. Отсюда название — симметричные. Алгоритм и ключ выбирается заранее и известен обеим сторонам. Сохранение ключа в секретности является важной задачей для установления и поддержки защищённого канала связи. В связи с этим, возникает проблема начальной передачи ключа. Симметричные, а конкретнее, алфавитные алгоритмы шифрования были одними из первых алгоритмов. Позднее было изобретено асимметричное шифрование, в котором ключи у собеседников разные.
Ассиметричное шифрование.
В системах с открытым ключом используются два ключа — открытый и закрытый, связанные определённым математическим образом друг с другом. Открытый ключ передаётся по открытому (то есть незащищённому, доступному для наблюдения) каналу и используется для шифрования сообщения. Для расшифровки сообщения используется секретный ключ.
Данная схема решает проблему симметричных схем, связанную с начальной передачей ключа другой стороне. Если в симметричных схемах злоумышленник перехватит ключ, то он сможет как «слушать», так и вносить правки в передаваемую информацию. В асимметричных системах другой стороне передается открытый ключ, который позволяет шифровать, но не расшифровывать информацию. Таким образом решается проблема симметричных систем, связанная с синхронизацией ключей.
Виды шифров
Шифр транспонирования -в транспозиционном шифре буквы переставляются по заранее определённому правилу. Например, если каждое слово пишется задом наперед,другой пример — менять местами каждые две буквы.
Азбука Морзе -в азбуке Морзе каждая буква алфавита, цифры и наиболее важные знаки препинания имеют свой код, состоящий из череды коротких и длинных сигналов (рисунок 3):
Рисунок 3
Моноалфавитная замена - каждая буква заменяется на одну и только одну букву или символ. Такие шифры очень легко расшифровываются с помощью частотного анализа.
Шифр А1Z26 - Это простая подстановка, где каждая буква заменена её порядковым номером в соответствии с ключом (рисунок 4).
Рисунок 4
Шифр Цезаря - это вид шифра подстановки, в котором каждый символ в открытом тексте заменяется символом, находящимся на некотором постоянном числе позиций левее или правее него в алфавите.
«Шифрование — единственный способ защитить нашу частную жизнь и гарантировать успешное функционирование электронного рынка. Искусство секретной связи, иначе известное как криптография, даст вам замки и ключи информационного века.» (книга «Книга Шифров. Тайная история шифров и их расшифровки» автор Сингх Саймон, глава 1).
Для чего нужны ключи к шифрам? Чтобы правильно расшифровать его. Но как управлять этими ключами?
Цели управления ключами
Сохранение конфиденциальность закрытых ключей и передаваемой информации.
Обеспечение надёжности сгенерированных ключей.
Предотвращение несанкционированного использования закрытых или открытых ключей, например, использование ключа, срок действия которого истек.
Управление ключами в криптосистемах осуществляется в соответствии с политикой безопасности. Политика безопасности устанавливает угрозы, которым должна противостоять система. Система, контролирующая ключи, делится на систему генерации ключей и систему контроля ключей.
Система генерации ключей обеспечивает составление криптоустойчивых ключей. Сам алгоритм генерации должен быть безопасным, так как значительная часть безопасности, предоставляемой шифрованием, заключена в защищённости ключа. Алгоритм генерации обеспечивает создание статистически независимых ключей нужной длины, используя наиболее криптоустойчивый алфавит.
Система контроля ключей служит для наиболее безопасной передачи ключей между собеседниками. Если передавать ключ шифрования по открытому каналу, который могут прослушивать, то злоумышленник легко перехватит ключ, и всё дальнейшее шифрование будет бессмысленным. Методы асимметричного шифрования решают эту проблему, используя разные ключи для зашифровывания и расшифровывания. Однако при таком подходе количество ключей растет с увеличением количества собеседников (каждый вынужден хранить свои закрытый и открытый ключи и открытые ключи всех собеседников). Кроме того, методы асимметричного шифрования не всегда доступны и осуществимы. В таких ситуациях используются разные методы по обеспечению безопасной доставки ключей: одни основаны на использовании для доставки ключей альтернативных каналов, считающихся безопасными, используют два типа ключей: ключи шифрования ключей и ключи шифрования данных. Третьи разбивают передаваемый ключ на составные части и передают их по различным каналам. Также существуют различные комбинации перечисленных выше методов.
Создание собственного шифра
Исследование 1 «Вид шифра»
Под знаком «+» удовлетворяющие меня условия.
Под знаком «-» - не удовлетворяющие меня условия.
Результаты исследования представлены в «таблице № 1».«Таблица №1»
|
Удобство в использовании |
Сложность |
Надёжность |
|
|
Шифр транспонирования |
+ |
- |
- |
|
Азбука Морзе |
- |
- |
+ |
|
Моноалфавитная замена |
+ |
- |
+ |
|
Шифр A1Z26 |
+ |
+ |
+,- |
|
Шифр Цезаря |
- |
- |
- |
Таким образом, полностью удовлетворяет моим условия шифр A1Z26.
Шифр прост и удобен в использовании, адекватен по сложности, в надёжности шифр не самый лучший, но так как другие шифры либо сложны в использовании, либо обладают слишком большой сложность, то шифр A1Z26 самый оптимальный вариант.
Я считаю, что у шифра не должен быть слишком большой ключ, использование шифра должно быть понятно людям, не интересующимися данной темой, шифр должен быть достаточно надёжен.
Сам шифр был выбран, теперь нужно определиться какой метод шифрования будет присутствовать в моём шифре.
Исследование 2 «Метод шифрования»
Под знаком «+» удовлетворяющие меня условия.
Под знаком «-» - не удовлетворяющие меня условия.
Результаты исследования представлены в «таблице № 2».«Таблица № 2»
|
Удобство ключа |
Практичность |
|
|
Симметричное шифрование |
+ |
+ |
|
Ассиметричное шифрование |
+ |
- |
Таким образом, метод используемый в моём шифре будет симметричен. Этот метод не требует больших ключей.
Ассиметричный метод не практичен, так как ключ есть только у того, кто посылает шифр.
Метод и вид выбраны, теперь проработаем лучшую идею.
Проработка лучшей идеи
Буквы алфавита в моём шифре зашифрованы при помощи двух координат (Х;Y), первая всегда пишется координата Х, вторая всегда Y.
Координата Х представлена по вертикали, координата Y по горизонтали.
Ключ к моему шифру выглядит так:
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
1 |
А |
Б |
В |
Г |
Д |
Е |
Ё |
Ж |
|
2 |
З |
Т |
Й |
К |
Л |
М |
Н |
О |
|
3 |
П |
Р |
С |
Т |
У |
Ф |
Х |
Ц |
|
4 |
Ч |
Ш |
Щ |
Ъ |
Ы |
Ь |
Э |
Ю |
|
5 |
Я |
НАПРИМЕР, слово «школа» будет зашифровано так: 42 24 28 25 11
Рекомендации к созданию собственного шифра
Подумайте и создайте ключ к своему шифру, подумайте какими цифрами вы будете заменять буквы или какими знаками вы будете заменять слова.
Создайте и зашифруйте ваше сообщение, учтите, что символ или цифра означают только одну букву или одно слово.
Попробуйте самостоятельно расшифровать своё сообщение при помощи ключа.
Если у вас получилось, то самое сообщение, которое вы зашифровали, шифр создан.
Испытание и самооценкаТаблица № 3»
|
Какие сложности возникли при работе над проектом? |
Сложность заключалась в выборе шифра, полностью удовлетворяющего моим требованиям. |
|
Что было легко? |
Искать информация в литературе теме. |
|
Результат полностью удовлетворяет мои требования? |
Да. |
|
Чему я научилась? |
Обрабатывать большое количество информации и оформлять проектную работу. |
Вывод: шифр разработан и может применяться моими одноклассниками, если они захотят разработать свой шифр, результатом я довольна.
Заключение
Данная работа дала мне возможность познакомиться и углубиться в науку криптография, создать собственный шифр. Криптография древняя наука о конфиденциальности, она разнообразна и интересна. Шифры бывают разных видов, разные методы используются при шифровании.
В проделанной работе были решены следующие задачи:
Я изучила литературу и познакомилась с понятиями криптография, шифрование и шифр.
Я выделила наиболее эффективные способы шифровки информации.
Я создала собственный шифр.
В результате выполнения мною работы были рассмотрены разные виды шифров. Я разработала свой собственный шифр, который можно использовать в повседневной жизни.
Список литературы
Книга «Книга Шифров. Тайная история шифров и их расшифровки» автор Сингх Саймон
Книга «Практическая криптография» автор Нильс Фергюсон и Брюс Шнайер
«Трактат о шифрах» автор Габриэль де Лавинд
https://bookscafe.net/read/singh_saymon-kniga_shifrov_taynaya_istoriya_shifrov_i_ih_rasshifrovki-252753.htm
https://ru.wikipedia.org/wiki/Шифрование
http://kryptography.narod.ru/drevny_mir.html#:~:text=Криптография%20в%20Древнем%20мире.%20Имеются,них%20можно%20отнести%20к%20криптографическим
https://ru.wikipedia.org/wiki/История_криптографии
https://ru.wikipedia.org/wiki/Криптография
https://tproger.ru/translations/10-codes-and-ciphers/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Симметричные_криптосистемы
https://ru.wikipedia.org/wiki/Криптосистема_с_открытым_ключом
https://ru.wikipedia.org/wiki/Ключ_(криптография)
https://www.litmir.me/br/?b=228667&p=1
https://www.rulit.me/data/programs/resources/pdf/Vvedenie-v-kriptografiyu_RuLit_Me_661516.pdf
https://rostec.ru/news/kriptografiya-istoriya-shifrovalnogo-dela/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Шифр_Цезаря
https://ru.wikipedia.org/wiki/Азбука_Морзе
https://calcsbox.com/post/azbuka-morze.html
https://ru.wikihow.com/создать-секретный-код-или-шифр
https://tproger.ru/translations/10-codes-and-ciphers/
https://infojournal.ru/wp-content/uploads/2020/03/mir_info-1-2020.pdf
https://ru.wikipedia.org/wiki/Атбаш
https://proglib.io/p/methods-of-encryption
https://trashbox.ru/link/what-is-encryption