Актуальність проблеми захисту інформаційних систем

     2.3 Формальна криптографія 

     Другий  період розвитку криптографії має хронологічні рамки – з IX ст. на Близькому Сході/XV ст. в Європі та до початку XX ст. Він ознаменувався застосуванням поліалфавітних шифрів. Винайдена техніка частотного криптоаналізу, поступово давала змогу читати засекречені тексти й, водночас, впливала на ускладнення процесу шифрування. Спершу з’являються омофонічні заміни. Необхідно було ускладнити процес дешифровки, тому метою їх появи стало маскування реальних частот появи символів звичайного тексту завдяки омофонії. В таких шифрах букви вихідного алфавіту відповідають більш ніж одному символу із алфавіту заміни. Таким чином розподіл частоти ставав більш рівномірний. Після того як виникла необхідність розширити алфавіт заміни найбільш простим та практичним рішенням стала його заміна на цифри. Хоча іноді його розширювали за допомогою друкованих, прописних, перевернутих символів. Ось, наприклад, великий шифр Антуана Россіньйоля та його сина Бонавентура використовував 587 різноманітних чисел.

     Шифр  був надзвичайно складним для  свого часу і як наслідок його не могли зламати декілька століть, доки це не зробив командир Птіньє Базарьє 1893 року. Йому спало на думку, що кожне число заміщало склад, а не окремий символ букви. За його припущенням часто повторювана специфічна комбінація 124-22-125-46-345 кодувала вираз «les ennemies», що французькою значить «вороги». Обравши вірне припущення, він зміг розпутати весь шифр. Дещо згодом омофонічні заміни поступилися поліалфавітним шифрам.

     У 1626 році, при облозі міста Реальмон, а пізніше і в 1628 році при облозі Ла-Рошеля, А. Россіньйоль розшифрував перехоплені шифрограми, і тим самим сприяв перемозі над армією гугенотів. Після чого уряд Франції кілька разів залучали його до дешифровки засекречених повідомлень. Після смерті А.Россіньйоля його син, Бонавентур Россіньйоль, а пізніше і внук, Антуан-Бонавентур Россіньйоль, продовжили його справу. У той час уряд Франції залучав до роботи безліч криптографів, які разом утворювали так званий «Чорний кабінет».

       Антуану Россінйьолю належить доктрина, згідно якої стійкість шифру повинна визначатися виглядом зашифрованої інформації. У військовий час стійкість шифру вважалась високою, якщо повідомлення в разі перехоплення не буде, як мінімум, розшифроване противником до моменту виконання армійським підрозділом прихованих в ньому наказів. В той же час для дипломатичної пошти його роль мала на меті захищати інформацію протягом десятків років.

     Вже починаючи з VIII ст. н.е. розвиток криптографії відбувається в основному в арабських країнах. Існує думка, що арабський філолог Халіль аль-Фарахіді першим звернув увагу на можливість використання стандартних фраз відкритого тексту для дешифрування. Тому він зробив припущення, що першими словами в письмі на грецькій мові візантійському імператору будуть «В ім’я Аллаха», що згодом дозволило йому прочитати весь лист. Пізніше він написав «Книгу таємної мови» – «Китаб аль-Муамма». У 855 році виходить «Книга про велике прагнення людини розгадати загадки стародавньої  писемності» арабського вченого, одна з перших книг про криптографію з описами декількох шифрів, у тому числі із застосуванням декількох алфавітів. Також до IX століття відноситься перша відома згадка про частотний криптоаналіз  – в книзі Ал-Кінді «Манускрипт про дешифровку криптографічних повідомлень».

     Першою  європейською книгою, що описує використання криптографії, вважається праця Роджера Бекона XIII століття «Послання ченця Роджера Бекона про таємні дії мистецтва і природи і нікчемність магії», що, окрім всього, описує вживання 7 методів засекречення тексту. У XIV столітті співробітник таємної канцелярії папської курії Чікко Симонеті пише книгу про системи тайнопису, а в XV столітті секретар папи Климентія XII Габріель де Льовінда, родом з міста Парми, закінчує роботу над «Трактатом про шифри». Перша організація, що присвятила себе цілком криптографії, була створена у Венеції (Італія) в 1452 році. Три секретарі цієї організації займалися дешифруванням і створенням шифрів згідно із вказівками уряду. Так 1469 року з'являється шифр пропорційної заміни «Міланський ключ».

     Родоначальником західної криптографії називають вченого  епохи Відродження Леона Баттісти Альберті. Опанувавши методи злому моноалфавітних шифрів, що використалися в Європі, він спробував створити шифр, який був би стійкий до частотного криптоаналізу. Трактат про новий шифр був представлений ним перед папською канцелярію в 1466 році. Альберті запропонував замість єдиного секретного алфавіту, як в моноалфавітних шифрах, використовувати два або більш, користуючись то одним, то іншим  з  них за яким-небудь правилом. Проте флорентійський учений так і не зміг оформити свою працю, однак це зробили за нього його послідовники.

     Чергове відкриття того часу по праву належить перу німецького абата Йоганна Трітемія, якого багато істориків вважають другим батьком сучасної криптології. У п'ятій книзі серії «Polygraphia», виданої в 1518 році, ним описувався шифр, в якому кожна наступна буква шифрується своїм власним шифром зміщення. Його підхід був вдосконалений Джованом Баттістой Белласо. Італієць запропонував вибирати певне ключове слово і записувати його над кожним словом відкритого тексту. Кожна буква ключового слова використовується для вибору конкретного шифру зрушення з повного набору шифрів для шифрування конкретної букви, в той час як в роботі свого попередника шифри вибираються просто по циклу. Для наступного слова відкритого тексту ключ починав використовуватися знову, так, що однакові слова виявлялися зашифровані однаково. Окрім цього важливим висновком стала можливість шифрувати одразу по дві букви – так звані біграми.

     У 1550 році італійський математик Джероламо Кардано, що перебуває на службі у папи, запропонував нову техніку шифрування – решето Кардано. Цей спосіб поєднував в собі як стеганографію – тайнопис, при якому повідомлення, закодоване таким чином, що не виглядає як повідомлення, тобто остання приховує сам факт існування повідомлення і його криптографічний запс. Отже, очевидно що було навіть складно виявити, що повідомлення містить зашифрований текст, а розшифрувати його, не маючи ключа у той час було практично неможливо. Решітку Кардано вважають першим транспозиційним шифром, або, як ще називають, геометричним шифром, заснованим на розташуванні букв в зашифрованому тексті.

     Найвідомішим  криптографом XVI століття можна назвати Блеза де Віженера. У своєму трактаті 1585 року він описав шифр, подібний до шифру Трітемія, проте змінив систему вибору конкретного шифру заміни для кожної букви. Однією із запропонованої технік  було використання букв іншого відкритого тексту для вибору ключа кожної букви вихідного тексту. Описаний шифр відомий як шифр Віженера і, при довжині випадкового ключа рівній довжині відкритого тексту, є абсолютно стійким шифром, що було математично доведене набагато пізніше у XX столітті в роботах Клода Шенона.  Інша техніка використовувала результат шифрування для вибору наступного ключа – те, що згодом використав Фейстель і компанія IBM при розробці шифру в 1970-х роках.

     У Росії поява першої державної  шифрувальної служби датується 1549 роком – створення «посольського наказу» з «цифровим відділенням». А як мінімум з 1702 року Петра супроводжувала похідна посольська канцелярія під керівництвом першого міністра Ф. А. Головіна, яка з 1710 року придбала статус постійної установи. У ній зосередилася криптографічна робота стосовно листуванням, а також по створенню нових шифрів. Згодом над дешифровкою повідомлень в Росії працювали такі видатні математики як Крістіан Гольдбах, Леонард Ейлер і Франц Епінус. Під час Семилітньої війни Ейлер, знаходячись в Пруссії, хоча і продовжував переписуватися з вищими особами Російської імперії, також займався дешифровкою перехоплених листів російських офіцерів. На початок XVIII століття подібні «чорні кабінети» були по всій Європі: у Відні, в Германії під керівництвом графа Гронсфельда, група Джона Валліса в Англії. Однак в британських колоніях, частіше всього, централізованих організацій з криптоаналізу не було – перехоплення та дешифрування виконувалось звичайними службовцями при можливості. Відомий випадок 1775 року, коли лист головного хірурга армії США Бенджаміна Черча до британців, був дешифрований: в ньому ворогу сповіщалось про перебування армії США біля Бостону. Хоча лист не містив важливої секретної інформації в дійсності, але Черча змусили зупинити переписку такого роду. Бенедикт Арнольд, генерал армії США, відомий у тому числі завдяки використанню «кодової книги», копія якої має бути у кожного відправника і одержувача повідомлень. Шифр полягав у вказівці позиції слова в книзі, у тому числі сторінки, рядку і номера в рядку. Даний метод отримав назву книжкового шифру.

     Родоначальником криптографії в США називають  вчителя і державного діяча Джеймса  Ловеля. Під час війни за незалежність США він дешифрував безліч британських повідомлень, одне з яких заклало основу для остаточної перемоги у війні. В майбутньому Ловель став членом комітету з секретної кореспонденції, четвертим, після Бенджаміна Франкліна, Бенджаміна Гаррісона і Томаса Джонсона. Саме там Джеймс заслужив на своє визнання експерта конгресу з криптографії і став носити звання батька американської криптографії.

     Значний поштовх криптографії надало винайдення телеграфу. При цьому сама передача даних перестала бути секретною, і повідомлення, в теорії, міг  перехопити хто завгодно. Інтерес  до криптографії зріс у тому числі  і серед простого населення, внаслідок  чого багато хто спробував створити індивідуальні системи шифрування. Перевага телеграфу була очевидною  і на полі бою, де командувач повинен  був віддавати негайні накази по всій лінії фронту або хоч би на всьому полі битви, а також отримувати інформацію з місць подій. Це послужило  поштовхом до розвитку польових шифрів. Спочатку армія США використовувала  шифр Віженера з коротким ключем, проте, в 1863 році він був замінений. Під час Громадянської війни в США (1861—1865) шифри були не дуже складними. Тоді як Союзні сили мали централізовані правила шифрування, командування Конфедерації залишало ці питання на розсуд польових командирів. В результаті на місцях використовувалися настільки прості схеми, що інколи противник розшифровував повідомлення швидше, ніж той, для кого воно призначалося.

     Другий  період розвитку криптографії ознаменований  виходом декількох важливих літературних видань на шляху до математичної криптографії, які потім відіграли неабияку роль у її розвитку. У 1824 році виходить книга Жана-Франсуа Шампольйона «Précis du système hiérogl. d. anciens Egyptiens ou recherches sur les élèments de cette écriture» («Короткий нарис ієрогліфічної системи древніх єгиптян або дослідження елементів цього листа»), що містила дешифровку єгипетських ієрогліфів, які приховували свої таємниці більше трьох тисяч років. У 1863 році Фрідріх Касіскі опублікував метод, згодом названий його ім'ям, що дозволяв швидко і ефективно розкривати практично будь-які шифри того часу. Метод складався з двох частин – визначення періоду шифру і дешифровка тексту з використанням частотного криптоаналізу. У 1883 році Огюст Керкгоффс опублікував працю під назвою «Військова криптографія» Він описав шість вимог, яким повинна задовольняти захищена система:

1. Шифр має бути якщо не математично, то фізично не розкривним;
2. Зашифрований текст має передаватись по телеграфу;
3. При оцінці надійності шифрування необхідно вважати, що противник знає все про систему шифрування, окрім застосовуваних ключів;
4. Секретність шифрів має спирати на секретність ключа, а не алгоритму.

     Нарешті, останнім словом в донауковій криптографії, що забезпечило ще більшу вимогу до криптостійкості, а також дозволило автоматизувати (механізувати) процес шифрування, стали роторні криптосистеми.

     Однією  з перших подібних систем стала винайдена  в 1790 році Томасом Джефферсоном, майбутнім  президентом США, механічна машина. Поліалфавітна підстановка за допомогою роторної машини реалізується варіацією взаємозалежного положення роторів, кожен із яких «закладену» в нього підстановку.

     Практичне розповсюдження роторні машини отримали тільки на початку 20 ст. однією  з  перших практично застосовуваних машин, стала німецька Enigma, розроблена в 1917 році Едвардом Хаберном та вдосконалена Артуром Кірхом. Роторні машини активно використовувались під час другої світової війни. Окрім німецької машини Enigma використовувались також пристрої Sigaba(США), Typex (Великобританія), Red,Orange&Purple (Японія). Роторні системи – вершина формальної криптографії, так як відносно простим чином реалізовували дуже стійкі шифри. Успішні криптоатаки  на роторні системи стали можливими тільки з появою ЕОМ на початку 40-х років. 

     2.4 Наукова криптографія 

     Третій  період розвитку криптографії зароджується на початку XX ст. і формально триває до його середини. Однією з головних його характеристик являється введення електромеханічних пристроїв в роботу шифрувальників. З 1900-х рр. уряди країн знову направляють великі сили на вдосконалення методик шифрування та криптоаналізу, що дає свої плоди під час Першої світової війни. До її початку Росія, поряд з Францією, була лідером в області криптоаналізу на державному рівні. Англія, США, Німеччина і менш впливові держави – вони ж взагалі не мали державної дешифрувальної служби. Але потреба в криптографія, і, особливо, криптоаналізі виявляється настільки гострою, що ця наука стає одним з інструментів ведення війни. Відомі факти дешифровки російських повідомлень австрійцями, росіянами ж був розшифрований німецький шифр (завдяки знайденій водолазами копії кодової книги), після чого результати були передані союзникам. Для перехоплення радіоповідомлень були побудовані спеціальні станції для прослухування, в результаті роботи яких, наприклад, російський флот отримав дані про склад і дії противника. Можливо, найбільш відомим результатом роботи криптоаналітиків періоду Першої світової війни є успішна дешифровка телеграми Циммермана, що підштовхнула США до вступу до війни на стороні Антанти. В історії кожної країни-учасниці військових дій присутні важливі події. Так в Англії в жовтні 1914 р. з’являється «Кімната 40», якою керував голова тодішнього адміралтейства  У. Черчіль. За період свого існування даний підрозділ зміг розшифрувати близько 15000 німецьких повідомлень по радіо та телеграфу. 1919 року вона підлягає розформування, а її функції передані відділу розвідки британської армії MI1b, для формування Урядової школи кодування та шифрування GC&CS. Згодом вона стала незалежною від військової розвідки службою радіоелектронної розвідки, в 1946 році перейменована в Центр урядового зв'язку.