Создание приспособления для шифрования Панин Алексей, школа №648

Проектная работа
Создание
приспособления
для шифрования
Панин Алексей, школа №648
6«Г» класс
Оглавление
1. Научный аппарат................................................................................. 3
2. Введение ............................................................................................. 4
3. Основные понятия............................................................................... 5
4. Теоретическая часть проектной работы. ........................................... 6
4.1. Периоды и методы шифрования. ................................................. 6
4.2. Принципы шифрования на примере шифрования текстов. ........ 7
4.2.1. Криптография в Древнем мире. .............................................. 7
4.2.2. Криптография в Средние века. ............................................. 10
4.2.4. Криптография нашего времени. ............................................ 13
5. Макет шифровального устройства. .................................................. 15
6. Заключение. ...................................................................................... 16
7. Список литературы. .......................................................................... 17
Научный аппарат.
1.
Тема: «Создание приспособления для шифрования»
Актуальность выбранной темы: В современном мире
шифрование используется очень широко. Через интернет и другие
средства связи ежедневно пересылается огромное количество
зашифрованной информации. Эта информация необходима для
обеспечения работы различных систем: сотовой и спутниковой связи,
банковских платежей, кабельного телевидения, навигационных систем
(например, ГЛОНАСС), а также систем управления технологическими
процессами (управление транспортом, водопроводом, атомными
станциями и так далее). Шифрование как способ защиты информации
используют органы безопасности, государственные и коммерческие
организации, а также простые граждане.
Мы должны знать, что происходит в современном мире и уметь в нем
ориентироваться. Возможно, с этим будет связана моя будущая
профессия.
Гипотеза: Предположим: можно изменить информацию таким
образом, что она станет непонятной для всех. Но любой, кто имеет
ключ, может её прочитать.
Цель работы: понять цели и принципы шифрования информации,
способы их реализации, а также продемонстрировать это на
конкретных примерах.
Задачи работы:
1.
2.
3.
4.
Изучить основные понятия.
Познакомиться с различными методами шифрования.
Понять принципы шифрования на примере шифрования текстов.
Разработать схему и создать приспособление для шифрования.
Этапы работы:
1.
2.
3.
4.
5.
Сбор информации.
Анализ собранной информации.
Написание теоретической части работы.
Разработка и создание приспособлений для шифрования.
Оформление результатов работы.
2.
Введение
К любой информации, которой обмениваются и хранят люди, могут
получить доступ недоброжелатели или враги. Очень часто такая
информация является ценной. Например, на войне, если информация
о планах наступления будет украдена врагом, много солдат могут
погибнуть, а сражение будет проиграно. Воры, украв информацию о
деньгах, который хранит человек в банке, могут их украсть.
Такие примеры показывают, насколько важно защитить информацию,
сделав ее недоступной для посторонних глаз.
Известное высказывание гласит: «Кто владеет информацией, тот
владеет миром».
В изученной мной литературе есть упоминания о том, что история
шифрования насчитывает около 6 тысяч лет. Имеются свидетельства,
что шифрование возникло вместе с письменностью. Способы тайного
письма были известны уже древним цивилизациям Индии, Египта и
Месопотамии. Свои сообщения шифровали спартанцы, Юлий Цезарь.
Китайцы
использовали
иероглифы,
которые
трудно
было
расшифровать врагам-чужестранцам.
Основные понятия.
3.
o
Криптография — наука о методах преобразования (изменения)
информации за счет шифрования.
o
Открытый (исходный) текст — информация (не обязательно
текстовая), без использования криптографии.
o
Шифрованный (закрытый) текст — информация, полученная
после применения шифрования.
o
Ключ
—
параметр
шифра,
определяющий,
как
будет
преобразован текст.
o
Шифрование — процесс преобразования открытого текста на
основе алгоритма или ключа в шифрованный текст.
o
Расшифровывание — процесс преобразования шифрованного
текста в открытый с помощью ключа.
o
Дешифрование (дешифровка) — процесс извлечения открытого
текста из шифрованного без знания ключа. Такой процесс
называют «взлом» шифра.
4.
Теоретическая часть проектной работы.
4.1. Периоды и методы шифрования.
Первый период (приблизительно с 3-го тысячелетия до н. э.)
характеризуется
использованием
моноалфавитных
шифров.
Основной принцип — замена букв алфавита исходного текста другими
буквами или символами, заранее определенными (одной букве
соответствует один символ).
Второй период (с 9 века на Ближнем Востоке и с 15 века в Европе
— до начала 20 века) ознаменовался введением в обиход
полиалфавитных шифров. В полиалфавитных подстановках для
замены одного символа исходного текста последовательно
используются различные символы из некоторого набора, заранее
определенного.
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 до 70-х годов 20 века)- это период
перехода к математической криптографии. Появляются строгие
математические определения информации, передачи данных,
функций шифрования. В основу шифрования легли сложные
математические формулы. Обязательным этапом создания шифра
считается изучение его уязвимости к «взлому».
Современный период развития криптографии (с конца 1970-х
годов по настоящее время). Современная криптография основана на
стыке двух наук – математики и информатики. В основе шифров лежат
алгоритмы, ключи в виде специальных программ для компьютеров, а
также используют программно – аппаратные устройства.
4.2. Принципы шифрования на примере шифрования текстов.
4.2.1. Криптография в Древнем мире.
Атбаш
Атбаш — простой шифр подстановки (возник в Израиле). Правило
шифрования состоит в замене буквы алфавита с определенным
номером другой буквой, смещенной в алфавите на несколько позиций.
Количество символов, на которые будет смещена буква в алфавите,
является ключом шифра.
Пример для русского алфавита выглядит так:
Исходный текст: абвгдеёжзийклмнопрстуфхцчшщъыьэюя
Зашифрованный текст: яюэьыъщшчцхфутсрпонмлкйизжёедгвба
Ключ (смещение): 33-n+1 , где n – порядковый номер буквы в
алфавите
Скитала
Скитала также является одним из древнейших
известных криптографических устройств.
Скитала в переводе с греческого означает жезл.
Он известен также как шифр Древней Спарты.
Устройство это представляет собой прибор,
Скитала
используемый
для
осуществления
перестановочного шифрования, состоит из цилиндра и узкой полоски
пергамента, обматывавшейся вокруг него по спирали, на которой
писалось сообщение. Античные греки и спартанцы использовали этот
шифр для связи во время военных действий.
Шифруемый текст писался на пергаментной ленте по длине палочки,
после того как длина палочки оказывалась исчерпанной, она
поворачивалась и текст писался далее, пока либо не заканчивался
текст, либо не исписывалась вся пергаментная лента. В последнем
случае использовался очередной кусок пергаментной ленты.
Дешифровка выполнялась с использованием палочки такого же
диаметра.
Таким образом, длина блока текста определялась длиной пергамента,
который можно было намотать на скиталу (т.е. длиной и диаметром
палочки), а само шифрование заключалось в перестановке символов
исходного текста в соответствии с длиной окружности палочки.
Например, используя палочку, по длине окружности которой
помещается 4 символа, а длина палочки позволяет записать 6
символов, исходный текст: «это шифр древней спарты» превратится
в шифрограмму: «эфвптрнао ер дйтшр ыиес». Схематически это
можно изобразить так:
_________________________________________
| |
|
|
|
|
|
| | Э | Т | О | Ш | И |
|__| Ф | Р | Д | Р | Е |__
| В | Н | Е | Й | С | |
| П | А | Р | Т | Ы | |
|
|
|
|
|
| |
_________________________________________
Таким образом, после разматывания ленты, шифротекст будет
«ЭФВПТРНАОДЕРШРЙТИЕСЫ».
Для расшифровки адресат использовал палочку такого же диаметра,
на которую он наматывал бумагу, чтобы прочитать сообщение.
Преимущество шифра скитала состоит в простоте и отсутствии
ошибок. Однако такой шифр может быть легко взломан. Например,
метод взлома скиталы был предложен ещё Аристотелем. Метод
состоит в том, что не зная точного диаметра палочки, можно
использовать конус, имеющий переменный диаметр и перемещать
бумагу с сообщением по его длине до тех пор, пока текст не начнёт
читаться — таким образом, дешифруется («взламывается») диаметр
скиталы.
Диск Энея, линейка Энея, книжный шифр
Диск Энея представлял собой диск диаметром 10—15
см с отверстиями по числу букв алфавита. Для записи
сообщения нитка протягивалась через отверстия в
диске, соответствующим буквам сообщения. При
чтении получатель вытягивал нитку, и получал буквы,
правда, в обратном порядке. Хотя недоброжелатель мог Диск Энея
прочитать сообщение, если перехватит диск, Эней
предусмотрел способ быстрого уничтожения сообщения — для этого
было достаточно выдернуть нить, закреплённую на катушке в центре
диска.
Первым действительно криптографическим инструментом можно
назвать линейку Энея, реализующей шифр замены. Вместо диска
использовалась линейка с отверстиями по числу букв алфавита,
катушкой и прорезью. Для шифрования нить протягивалась через
прорезь и отверстие, после чего на нити завязывался очередной
узел. Для дешифрования необходимо было иметь саму нить и линейку
с аналогичным расположением отверстий. Таким образом, даже зная
алгоритм шифрования, но не имея ключа (линейки), прочитать
сообщение было невозможно.
В своих трудах Эней описывает ещё одну технику тайнописи, позже
названную «книжный шифр». Он предложил делать малозаметные
дырки рядом с буквами в книге или другом документе. Много позже,
аналогичный шифр использовали немецкие шпионы в Первой
мировой войне.
4.2.2. Криптография в Средние века.
В Средние века криптографией начинают пользоваться дипломаты,
купцы и даже простые граждане. Постепенно шифры усложняются.
В средних веках развитие криптографии происходит в основном в
арабских странах. Арабский ученый Халиль аль-Фарахиди первым
обратил внимание на возможность использования стандартных фраз
открытого текста для дешифрования.
Он предположил, что первыми словами в письме на греческом языке
византийскому императору будут «Во имя Аллаха». Это позволило
ему прочитать оставшуюся часть сообщения. Позже он написал книгу
с описанием данного метода дешифрования («Книга тайного языка»).
Арабы впервые ввели в словарь такие понятия как алгоритм и
шифр.
Первая организация, посвятившая себя целиком криптографии, была
создана в Венеции (Италия) в 1452 году. Три секретаря этой
организации занимались взломом и созданием шифров по заданиям
правительства.
Статуя Альберти
во дворе галереи
Уффици
Отцом
западной
криптографии
называют
учёного эпохи Возрождения Леона Баттисты
Альберти.
Изучив
методы
взлома
использовавшихся в Европе шифров, он попытался
создать шифр, который был бы устойчив к
дешифрованию. Также Альберти предложил
устройство из двух скреплённых в центре дисков,
каждый из которых имел алфавит, написанный по
краю, и мог поворачиваться относительного
другого диска.
Наиболее
известным
шифровальным
устройством,
которое
было
создано
по
схеме,
предложенной
Леоном
Батистой
Альберти
является шифровальное
колесо Болтона. Это
устройство производило
простую замену одной
буквы другой.
Шифровальное колесо Болтона
В 1550 году итальянский математик Джероламо
Кардано, предложил новый способ шифрования,
получивший название «решётка Кардано». Пример
такого способа можно увидеть в фильме про Шерлока
Холмса и Доктора Ватсона (титры в начале и конце
фильма). Смысл заключается в том, что на
произвольный
текст
накладывается
решетка
(трафарет) с прорезями (окошечками) для нужных Джероламо Кардано
букв. Особенность данного способа в том, что очень трудно понять,
что сообщение содержит зашифрованный текст.
Фрэнсис Бэкон предложил двоичный способ кодирования латинского
алфавита, по принципу, который сейчас используется в
компьютерах. Используя этот принцип, отправитель мог «спрятать» в
тексте одного длинного сообщения короткое секретное. Данный
способ получил название «шифр Бэкона».
В России датой учреждения первой государственной шифровальной
службы можно считать 1549 год — образование «посольского
приказа» с «циферным отделением». А с 1702 года Петра I
сопровождала
походная
посольская
канцелярия.
В
нём
сосредоточилась криптографическая работа с перепиской между
Петром, его приближёнными и различными получателями; а также по
созданию новых шифров.
Значительный толчок криптографии дало изобретение телеграфа.
Сама передача данных перестала быть секретной, и сообщение,
мог перехватить кто угодно. Интерес к криптографии возрос, в том
числе и среди простого населения; в результате многие попытались
создать индивидуальные системы шифрования. Преимущество
телеграфа было явным и на поле боя, где командующий должен был
отдавать немедленные приказания по всей линии фронта или хотя бы
на всём поле сражения, а также получать информацию с мест
событий. Это послужило толчком к развитию полевых шифров.
В 1883 году ученый Огюст Керкгоффс опубликовал труд под
названием «Военная криптография». В нём он описал шесть
требований,
которым
должна
удовлетворять
система
шифрования.
1. шифр должен быть физически невскрываемым;
2. система не должна требовать секретности, на случай, если она
попадёт в руки врага;
3. ключ должен быть простым, храниться в памяти без записи на
бумаге, а также легко изменяемым по желанию
корреспондентов;
4. зашифрованный текст должен без проблем передаваться по
телеграфу;
5. аппарат для шифрования должен быть легко переносимым,
работа с ним не должна требовать помощи нескольких лиц;
6. аппарат для шифрования должен быть относительно прост в
использовании, не требовать значительных умственных усилий
или соблюдения большого количества правил.
4.2.4.
Криптография нашего времени.
Криптография Первой мировой войны
До Первой мировой войны Россия, наряду с Францией, являлась
лидером в области дешифрования информации. Англия, США,
Германия — вообще не имели государственной дешифровальной
службы.
В начале 1920-х годов практически одновременно в разных странах
появляются
электромеханические
шифрующие
машины,
использующие
принципы
криптографического
диска
и
автоматизирующие процесс шифрования.
Во время Первой мировой войны криптография становится одним
из инструментов ведения войны. Известны факты расшифровки
русских сообщений австрийцами. Русскими был расшифрован
немецкий шифр, после чего результаты были переданы союзникам.
Для перехвата радиосообщений были построены специальные
подслушивающие станции, в результате работы которых русский
флот был осведомлён о составе и действиях противника.
Криптография Второй мировой войны
Перед началом Второй мировой войны
ведущие
мировые
державы
имели
электромеханические шифрующие устройства,
результат
работы
которых
считался
невскрываемым.
Одной
из
наиболее
известных шифровальных машин Второй
мировой войны считается «Энигма», которая
использовалась войсками Германии.
Если сравнивать «Энигму» с современными Трёхроторная военная
средствами шифрования, то ее шифр был не немецкая шифровальная
машина «Энигма»
очень надёжным. Но во время войны только
большое
количество
перехваченных
сообщений и донесения разведки позволило «вскрыть» шифр этой
машины.
Современная криптография
С появлением счетно-вычислительных машин, а потом и более
современных электронно-вычислительных машин (ЭВМ) изменился
подход к построению шифровальных устройств. В настоящее время
вся современная криптография основывается на использовании
программно – аппаратных устройств, которые строятся на основе
ЭВМ.
В современном мире криптографические модули (аппаратные или
программные) сопровождают жизнь человека. Они находятся
практически во всех устройствах, таких как:
 Аппаратура
связи
(например,
в
сотовом
телефоне
криптографические модули обеспечивают невозможность
прослушивания разговора);
 Банковские карты (обеспечивают невозможность получения
доступа к чужому банковскому счету и кражи денег);
 Интернет, включая интернет игры (обеспечивают контроль
доступа к содержимому ресурсов только для разрешенных
пользователей);
 И многие другие.
Наиболее часто с криптографией сталкиваются пользователи
компьютеров. Для шифрования своей информации они применяют
специальные криптографические программы. Криптографические
программы не требуют специальных знаний от человека, который их
использует. Единственное, что требуется от пользователя – это
знание своих паролей или ключей, которые вводятся с клавиатуры
или с электронных носителей информации (дискета, флешка).
Также важно отметить, что современная криптографическая
деятельность регулируется законодательством. Криптографические
программы должны соответствовать стандартам.
5.
Макет шифровального устройства.
По результатам теоретической части работы, мной были выбраны три
устройства, макеты которых я решил создать.
Первое устройство – простейшее и древнейшее из известных
криптографических устройств – Скитала. Это устройство выполнено в
виде трубки определенной длины и толщины. Толщина трубки, а
также ширина полоски бумаги являются ключами к зашифрованному
сообщению. С помощью этого устройства можно будет шифровать
короткие сообщения. (Это один из самых древних способов шифрования –
зашифрованная фраза).
Второе устройство - шифровальное колесо Болтона, которое
производит простую замену одной буквы русского алфавита другой
буквой или цифрой (попеременно). Ключом данного шифра является
сам диск. С помощью этого устройства можно будет шифровать
сообщение по одной букве. (Этот шифр использовали в Средние века зашифрованная фраза).
Третье устройство – роторное (колесное) устройство, схема
построения которого будет напоминать схему машины «Энигма».
Каждое колесо позволяет зашифровать одну букву. Одновременно
устройство позволяет зашифровать блок из шести букв (по количеству
роторов (дисков)). Ключом сообщения является сменная пластина,
которая определяет смещение алфавита при шифровании каждой из
шести букв в блоке. (Москва – город-герой. Зашифрованная фраза.)
Первое шифровальное устройство самое простое, шифрование
коротких сообщений происходит быстро. Его недостаток в том, что
ключ к зашифрованному тексту легко найти.
Второе шифровальное устройство достаточно простое, прочитать без
ключа сообщение практически невозможно. Но шифрование
происходит медленно – шифруется по одной букве.
Третье шифровальное устройство сложнее и надежнее предыдущих.
Шифрование не требует много времени и не сложно само по себе. Но
для изготовления данного приспособления требуется больше
времени, знаний и умений, чем для первых двух.
Все устройства были продемонстрированы моим одноклассникам.
Также были предложены зашифрованные сообщения.
6.
Заключение.
Раньше шифрование использовали правители (императоры)
военные начальники, теперь им пользуются повсеместно.
и
В современном мире криптография находит множество различных
применений. Кроме очевидных — собственно, для передачи
информации, она используется и в сотовой связи, и при подключении
к Wi-Fi, и на транспорте для защиты билетов от подделок, и в
банковских операциях, и даже для защиты электронной почты от
спама.
Цель моей работы достигнута. Я изучил историю шифрования с
Древних времен по сегодняшний день. Узнал, как шифровали важные
сведения спартанцы. А также как шифрование переросло в науку
криптографию. Я показал, как важно защищать ценную информацию и
как широко используется криптография в современном мире. Хотя
современная криптография узкоспециализированная область, мы все
встречаемся с ней в повседневной жизни, даже не зная этого.
На конкретных примерах я продемонстрировал, как происходит
шифрование текстов. Предложил зашифрованные сообщения своим
одноклассникам.
На основании проведенной практической работы была подтверждена
выдвинутая мной гипотеза: зашифрованные сообщения были
непонятны для всех. Но при помощи ключа одноклассники смогли
расшифровать зашифрованный текст.
Практическое применение моих приспособлений для шифрования
очень просто: во-первых, это наглядный материал для изучения темы
«Шифрование» (например, на уроке информатики); во-вторых, я могу
раздать своим друзьям созданные мною приспособления и общаться
с ними при помощи зашифрованных сообщений.
7.
Список литературы.
1. Интернет - ресурс: http://kryptography.narod.ru;
2. Интернет - ресурс: http://www.enlight.ru/ib/tech/crypto/index.htm;
3. Бабаш А. В., Шанкин Г. П. «История криптографии». Часть I,
4. Бабаш А.В., Гольев Ю.И., Ларин Д.А., Шанкин Г.П. «О развитии
криптографии в XIX веке»
5. Романец Ю.В., Тимофеев П.А., Шаньгин В.Ф. «Защита информации в
компьютерных системах и сетях»