Кафедра ЮНЕСКО по НИТ1 3. Лекция: Кодирование и шифрование информации Информатика

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 2 Цель: рассмотреть основные понятия кодирования информации; шифрования информации, защиты информации; антивирусной защиты.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 3 Актуальность В современном обществе успех любого вида деятельности зависит от обладания определенными сведениями (информацией) и от отсутствия их (ее) у конкурентов. Возникновение индустрии обработки информации привело к возникновению индустрии средств ее защиты и к актуализации самой проблемы защиты информации, проблемы информационной безопасности. Одна из наиболее важных задач – задача кодирования сообщений и шифрования информации.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 4 Вопросами защиты и скрытия информации занимается наука кpиптология (криптос – тайный, логос – наука). 1) Кpиптогpафия (криптоc и грофейн – писать). Цель: построение и исследование математических методов пpеобpазования инфоpмации. Кpиптогpафия это тайнопись, система перекодировки сообщения с целью сделать его непонятным для непосвященных лиц и дисциплина, изучающая общие свойства и принципы систем тайнописи. 2) Кpиптоанализ. Цель: исследованием возможности pасшифpовки инфоpмации без ключа.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 5 Основные понятия кодирования и шифрования Код – правило соответствия набора знаков одного множества Х знакам другого множества Y. Если каждому символу Х при кодировании соответствует отдельный знак Y, то это кодирование. Если для каждого символа из Y однозначно отыщется по некоторому правилу его прообраз в X, то это правило называется декодированием. Кодирование – процесс преобразования букв (слов) алфавита Х в буквы (слова) алфавита Y.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 6 При представлении сообщений в ЭВМ все символы кодируются байтами Пример. Если каждый цвет кодировать: двумя битами, то можно закодировать не более 2 2 = 4 цветов, тремя – 2 3 = 8 цветов, восемью битами (байтом) – 256 цветов. Для кодирования всех символов на клавиатуре компьютера достаточно байтов.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 7 Основные понятия кодирования и шифрования Сообщение, которое мы хотим передать адресату, назовем открытым сообщением. Оно, естественно, определено над некоторым алфавитом. Зашифрованное сообщение может быть построено над другим алфавитом. Назовем его закрытым сообщением. Процесс преобразования открытого сообщения в закрытое сообщение и есть шифрование. Если А – открытое сообщение, В – закрытое сообщение (шифр), f – правило шифрования, то f(A) = B.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 8 Шифрование Правила шифрования должны быть выбраны так, чтобы зашифрованное сообщение можно было расшифровать. Однотипные правила (например, все шифры типа шифра Цезаря, по которому каждый символ алфавита кодируется отстоящим от него на k позиций символом) объединяются в классы, и внутри класса определяется некоторый параметр (числовой, символьный табличный и т.д.), позволяющий перебирать (варьировать) все правила. Такой параметр называется шифровальным ключом. Он, как правило, секретный и сообщается лишь тому, кто должен прочесть зашифрованное сообщение (обладателю ключа).

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 9 Кодирование При кодировании секретного ключа нет, так как кодирование ставит целью лишь более сжатое, компактное представление сообщения.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 10 Шифр Если k – ключ, то можно записать f(k(A)) = B. Для каждого ключа k, преобразование f(k) должно быть обратимым, то есть f(k(B)) = A. Совокупность преобразования f(k) и соответствия множества k называется шифром.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 11 Две группы шифров: шифры перестановки и шифры замены Шифр перестановки изменяет только порядок следования символов исходного сообщения. Это такие шифры, преобразования которых приводят к изменению только следования символов открытого, исходного сообщения. Шифр замены заменяет каждый символ кодируемого сообщения на другой(ие) символ(ы), не изменяя порядок их следования. Это такие шифры, преобразования которых приводят к замене каждого символа открытого сообщения на другие символы, причем порядок следования символов закрытого сообщения совпадает с порядком следования соответствующих символов открытого сообщения.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 12 Надежность Под надежностью понимается способность противостоять взлому шифра. При дешифровке сообщения может быть известно все, кроме ключа, то есть надежность шифра определяется секретностью ключа, а также числом его ключей. Применяется даже открытая криптография, которая использует различные ключи для шифрования, а сам ключ может быть общедоступным, опубликованным. Число ключей при этом может достигать сотни триллионов.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 13 Пример Один из лучших примеров алгоритма шифрования – принятый в 1977 году Национальным бюро стандартов США алгоритм стандарта шифрования данных DES (Data Encrypted Standard). Исследования алгоритма специалистами показали, что пока нет уязвимых мест, на основе которых можно было бы предложить метод криптоанализа, существенно лучший, чем полный перебор ключей. В июле 1991 года введен в действие аналогичный отечественный криптоалгоритм (стандарта ГОСТ ), который превосходит DES по надежности.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 14 Криптогpафическая система Криптогpафическая система – семейство Х пpеобpазований откpытых текстов. Члены этого семейства индексиpуются, обозначаются символом k; паpаметp k является ключом. Множество ключей K – это набоp возможных значений ключа k. Обычно ключ пpедставляет собой последовательный pяд букв алфавита. Открытый текст обычно имеет произвольную длину. Если текст большой и не может быть обработан шифратором (компьютером) целиком, то он разбивается на блоки фиксированной длины, а каждый блок шифруется отдельно, независимо от его положения во входной последовательности. Такие криптосистемы называются системами блочного шифрования.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 15 Кpиптосистемы: Симметpичные с откpытым ключом и системы электронной подписи. В симметpичных кpиптосистемах, как для шифpования, так и для дешифpования, используется один и тот же ключ. В системах с откpытым ключом используются два ключа – откpытый и закpытый, котоpые математически (алгоритмически) связаны дpуг с дpугом. Инфоpмация шифpуется с помощью откpытого ключа, котоpый доступен всем желающим, а pасшифpовывается лишь с помощью закpытого ключа, который известен только получателю сообщения.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 16 Кpиптосистемы: Электpонной (цифpовой) подписью (ЭЦП) называется пpисоединяемое к тексту его кpиптогpафическое пpеобpазование, котоpое позволяет пpи получении текста дpугим пользователем пpовеpить автоpство и подлинность сообщения. К ЭЦП предъявляются два основных требования: легкость проверки подлинности подписи; высокая сложность подделки подписи.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 17 Кpиптосистемы: Системы упpавления ключами – это информационные системы, целью которых является составление и pаспpеделение ключей между пользователями информационной системы.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 18 Кpиптосистемы: Разработка ключевой, парольной информации является типовой задачей администратора безопасности системы. Ключ может быть сгенерирован как массив нужного размера статистически независимых и равновероятно распределенных на двоичном множестве {0, 1} элементов.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 19 Пример. Разработка ключей Для таких целей можно использовать программу, которая вырабатывает ключ по принципу "электронной рулетки". Когда число пользователей, то есть объем необходимой ключевой информации, очень большой, используют чаще аппаратные датчики случайных (псевдослучайных) чисел. Пароли также необходимо менять. Например, известный вирус Морриса пытается войти в систему, последовательно пробуя пароли из своего внутреннего эвристически составленного списка в несколько сотен процедур, имитирующих "сочинение" паролей человеком.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 20 Шифрование В процессе шифрования, чтобы ключ был использован полностью, необходимо многократно выполнять процедуру кодировки с различными элементами. Базовые циклы заключаются в многократном применении разных элементов ключа и отличаются друг от друга только числом повторения и порядком использования ключевых элементов.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 21 Пример В банковских системах первоначальный обмен ключами между клиентом и банком осуществляется на магнитных носителях без передачи ключей через открытые компьютерные сети. Секретный ключ клиента хранится на сервере сертификации банка и закрыт для доступа. Для осуществления всех операций с ЭЦП на компьютер клиента устанавливается программное обеспечение, которое предоставляет банк, а все необходимые данные для клиента – открытый, закрытый ключ, логин, пароль и др. обычно хранятся на отдельной дискете или на специальном устройстве, подключаемом к компьютеру клиента.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 22 Принцип Кирхгоффа Все современные криптосистемы построены по принципу Кирхгоффа: секретность зашифрованных сообщений определяется секретностью ключа. Если даже алгоритм шифрования будет известен криптоаналитику, тот тем не менее не в состоянии будет расшифровать закрытое сообщение, если не располагает соответствующим ключом. Все классические шифры соответствуют этому принципу и спроектированы таким образом, чтобы не было пути вскрыть их более эффективным способом, чем полный перебор по всему ключевому пространству, то есть перебор всех возможных значений ключа. Ясно, что стойкость таких шифров определяется размером используемого в них ключа.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 23 Пример. В российских шифрах часто используется 256- битовый ключ, а объем ключевого пространства составляет Ни на одном реально существующем или возможном в недалеком будущем компьютере нельзя подобрать ключ (полным перебором) за время, меньшее многих сотен лет. Российский криптоалгоритм проектировался с большим запасом надежности, стойкости.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 24 Информационная безопасность Информационная безопасность информационной системы – защищенность информации, обрабатываемой компьютерной системой, от внутренних (внутрисистемных) или внешних угроз, то есть состояние защищенности информационных ресурсов системы, обеспечивающее устойчивое функционирование, целостность и эволюцию системы. К защищаемой информации (информационным ресурсам системы) относятся электронные документы и спецификации, программное обеспечение, структуры и базы данных и др.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 25 Оценка безопасности Оценка безопасности компьютерных систем базируется на различных классах защиты систем: класс систем минимальной защищенности (класс D); класс систем с защитой по усмотрению пользователя (класс C); класс систем с обязательной защитой (класс B); класс систем с гарантированной защитой (класс A). Эти классы имеют и подклассы.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 26 Компьютерный вирус Основными типами средств воздействия на компьютерные сети и системы являются компьютерные вирусы, логические бомбы и мины (закладки, жучки), внедрение в информационный обмен. Пример. Многократно разославшая свой код в 2000 году вирусная программа в Интернете могла при открытии приложения к тексту письма с интригующим заголовком (ILoveYou – ЯТебяЛюблю) рассылать свой код по всем адресам, зафиксированным в адресной книге данного получателя вируса, что приводило к веерному размножению вируса по Интернету, ибо адресная книга каждого пользователя может содержать десятки и сотни адресов.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 27 Компьютерный вирус Специальная программа, которая составлена кем-то со злым умыслом или для демонстрации честолюбивых, в плохом смысле, интересов, способная к воспроизводству своего кода и к переходу от программы к программе (инфицирование). Вирус подобен инфекции, проникающей в кровяные тельца и путешествующей по всему организму человека. Перехватывая управление (прерывания), вирус подключается к работающей программе или к другим программам и затем дает команду компьютеру для записи зараженной версии программы, а затем возвращает управление программе как ни в чем не бывало. Далее или сразу же этот вирус может заработать (перехватив управление от программы).

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 28 Антивирусные программы По мере появления новых компьютерных вирусов разработчики антивирусных программ пишут вакцину против нее – так называемую антивирусную программу, которая, анализируя файлы, может распознать в них скрытый код вируса и либо удалить этот код (вылечить), либо удалить зараженный файл. Базы антивирусных программ обновляются часто.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 29 Пример. Одну из самых популярных антивирусных программ AIDSTEST автор (Д. Лозинский) обновляет иногда дважды в неделю. Известная антивирусная программа AVP лаборатории Касперского содержит в своей базе данные о нескольких десятках тысяч вирусах, вылечиваемых программой.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 30 Вирусы бывают следующих основных видов: загрузочные – заражающие стартовые секторы дисков, где находится самая важная информация о структуре и файлах диска (служебные области диска, так называемые boot–сектора); аппаратно-вредные – приводящие к нарушению работы, а то и вовсе к разрушению аппаратуры, например, к резонансному воздействию на винчестер, к "пробою" точки на экране дисплея; программные – заражающие исполняемые файлы (например, exe- файлы с непосредственно запускаемыми программами); полиморфные – которые претерпевают изменения (мутации) от заражения к заражению, от носителя к носителю; стелс-вирусы – маскирующиеся, незаметные (не определяющие себя ни размером, ни прямым действием); макровирусы – заражающие документы и шаблоны текстовых редакторов, используемые при их создании; многоцелевые вирусы.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 31 Вирусы могут проникать в сеть, например: с внешних носителей информации (из копируемых файлов, с дискет); через электронную почту (из присоединенных к письму файлов); через Интернет (из загружаемых файлов). Существуют различные методы и пакеты программ для борьбы с вирусами (антивирусные пакеты).

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 32 При выборе антивирусных средств необходимо придерживаться следующих простых принципов: если используются в системе различные платформы, операционные среды, то антивирусный пакет должен поддерживать все эти платформы; антивирусный пакет должен быть простым и понятным, дружественным в использовании, позволяющим выбирать опции однозначно и определенно на каждом шаге работы, иметь развитую систему понятных и информативных подсказок; антивирусный пакет должен обнаруживать – скажем, с помощью различных эвристических процедур – новые неизвестные вирусы и иметь пополняемую и обновляемую регулярно базу данных о вирусах; антивирусный пакет должен быть лицензионным, от надежного известного поставщика и производителя, который регулярно обновляет базу данных, а сам поставщик должен иметь свой антивирусный центр – сервер, откуда получить необходимую срочную помощь, информацию.

Кафедра ЮНЕСКО по НИТ 33 Пример. Исследования свидетельствуют, что, если половина компьютеров в мире будет иметь постоянную, эффективную антивирусную защиту, то компьютерные вирусы лишатся возможности размножаться.