Šifrová ochrana informací historie PS4

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 1 Bezpečnost informací BI Ing. Jindřich Kodl, CSc. Šifrová ochrana informací historie PS4

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 2 Osnova úvod, definice pojmů; substituční šifry; transpoziční šifry; první prakticky používané šifrové systémy; Caesarova šifra; Polyalfabetické systémy; mechanizace a vývoj šifrovacích strojů; Enigma; základní metody kryptoanalýzy.

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 3 Literatura Singh S.: Kniha kódů a šifer, Argo, 2003 Doporučená Kahn D.: The Codebreakers, 1996 Přibyl J.: Informační bezpečnost a utajování zpráv,čvut, 2004 Přibyl J, Kodl J.: Ochrana dat v informatice, ČVUT, 1998

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 4 Úvod Kryptologie vědecká disciplina, která se zabývá návrhem a vývojem šifer ve své specializaci nazvané kryptografie a jejich luštěním (část nazvaná kryptoanalýza).

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 5 Úvod Kryptologie Kryptografie Kryptoanalýza Steganografie Kryptografie návrh šifrovacích algoritmů (šifer) Kryptoanalýza luštění šifer Steganografie skrytí textu (informace)

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 6 Úvod Bezpečnost šifry se musí vztahovat pouze k utajení klíče ( Auguste Kerckhoffs; La Cryptographie militaire, 1883) Základní předpoklady: znalost popisu kryptografického algoritmu; vlastnictví šifrovacího zařízení luštitelem; přístup k otevřenému i zašifrovanému textu cesta k nalezení klíče vede pouze přes útok hrubou silou

Definice pojmů klíč ot. text šifr.text ot. text zašifrování dešifrace Zašifrování E K (P) = C Dešifrace E K (C) = P Sčítání mod 2 1 + 0 = 1 1 + 1 = 0 VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 7

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 8 Terminologie Základní pojmy Šifrování Zašifrování Dešifrace (odšifrování) Otevřený text; (OT) před zašifrováním a po odšifrování Šifrový text; (ŠT) ------------------------------------------------------------------------------- Vliv anglických výrazů (za)(en)kryptace, kryptování lámání šifer autenti(fi)kace Kódování vs. Šifrování - zcela rozdílné postupy

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 9 Historie šifer První prvky šifry = 4000 let př.n.l., písař zapisující činy svého pána zaměnil některé hyeroglify otevřeného textu za šifrové hyeroglify

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 10 Dělení klasických šifer Substituční šifry nahrazení znaku otevřeného textu jiným znakem otevřeného textu Transpoziční šifry změna uspořádání znaků otevřeného textu Kombinované šifry kombinace substitučních a transpozičních šifer

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 11 Substituční šifry Jednoduchá substituční šifra ( příklad Caesarova šifra) Abeceda OT: A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q,R,S,T, Abeceda ŠT: D, E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q,R,S,T,U,V,X, Kryptoanalytická metoda Frekvenční analýza znaků, bigramů, trigramů, Opakování v ŠT

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 12 Varianty jednoduché substituční šifry Jednoduchá substituční šifra Abeceda OT: A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q,R,S,T, Posunutá abeceda ŠT: D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q,R,S,T,U,V,X, Rozházená abeceda ŠT.: Q,A,Y,W,S,X,E,D,C,R,F,V,T,G,B,Z,H,N,

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 13 Substituční šifry Polyalfabetická substituční šifra ( příklad: Leon Batist Alberti, 1568, ) Složena z monoalfabetických šifer - znak je nahrazen znaky z jednotlivých abeced Bezpečnost šifrování lze zvýšit tím, že se kotouč po zašifrování každého znaku o jednu, či několik pozic otočí a šifrovací abeceda se tak v průběhu šifrování mění. Albertiho šifrovací disk, Použití: Občanská válka v USA

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 14 Substituční šifry Polyalfabetická substituční šifra Vigenereova šifra; 1586 Pro svou složitost nenašla větší uplatnění. Větší využití homofonní substituční šifra znak nahrazován více znaky v závislosti na jeho místu v tabulce frekvenční analýzy. Vigenerova tabulka

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 15 OT Transpoziční šifra Message from Mary Stuart kill the Queen ŠT Klíč:počet sloupců Klíč:pořadí sloupců Zdroj: A. Steffen 2002

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 16 Transpoziční šifry Kryptoanalytická metoda Frekvenční analýza znaků, Vícenásobné opakování znaků Druhá světová válka Použití vícenásobné transpozice ( dvojitá transpozice) Použití transpozice a jednoduché substituce

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 17 Základní typy kryptoanalytických útoků Útok pouze se znalostí šifrového textu Znalost šifrového textu, zašifrovaného stejným klíčem či různými klíči Rekonstrukce otevřeného textu a odvození klíče Útok se znalostí otevřeného textu Znalost šifrového textu a jemu odpovídajícího otevřeného textu z více zpráv Odvození klíče nebo algoritmu Útok s zvoleným otevřeným textem Možnost výběru otevřeného textu, který je pak zašifrován a tato cesta vede k informacím o klíči

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 18 Základní typy kryptoanalytických útoků (pokr.) Útok s adaptivním výběrem otevřeného textu Možnost výběru sad otevřených textů, kdy výběr závisí na výsledcích předchozího procesu šifrování diferenční analýza Metoda diferenční analýzy vede k efektivnějšímu postupu při luštění šifrovacího algoritmu než je útok hrubou silou. Byla použita v případě rozboru algoritmu DES (rok 1990).

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 19 Rotorové stroje Rotorový stroj obsahuje klávesnici a několik rotorů Rotor zajišťuje libovolnou permutaci abecedy (transpozice) a jednoduchou substituci Bezpečnost zajištěna otáčením a kombinováním více rotorů

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 20 Permutace Permutace = funkce uplatněná v transpozičních šifrách. Příklad permutace: Nechť S = {1,2,3,4, 5 }. Permutace p: S S je definována následovně: p(1) = 3, p(2) = 5, p(3) = 4, p(4) = 2, p(5) = 1 Jiný zápis 1 2 3 4 5 p = ( ) 3 5 4 2 1

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 21 Jednorázová tabulková šifra (one-time pad) Princip absolutně bezpečné šifry Vernamova šifra s klíčem o stejné délce jako je otevřený text, přičemž klíč musí být utvořen náhodně. Tento typ šifry se nazývá jednorázová tabulková šifra (one-time pad). Jediná absolutně bezpečná metoda klasického šifrování, která je dána naprosto náhodným charakterem klíče a jeho jednorázovým použitím. Problém praktického využití - distribuce klíčů.

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 22 Enigma Nejznámější rotorový stroj Použití ve II.světové válce Němci. Luštěna anglickými kryptoanalytiky

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 23 Enigma Šifrování dvou následných písmen. Propojení prochází přes jednotlivé rotory do reflektoru a zpět. Písmeno A je změněno v prvním případě na písmeno G a následně na písmeno C, což je způsobeno tím, že po každém stisknutí klávesy s daným písmenem dochází k pootočení rotorů a tím i změně propojení.

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 24 Enigma Rotory jsou základem šifrovacího stroje. Jsou konstruovány tak, aby bylo možné natavit libovolné propojení vstupu a výstupu daného rotoru. Obsahují 26 pozic a realizují - jednoduchou substituční šifru

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 25 Enigma Počáteční nastavení rotorů

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 26 Enigma Celková dráha signálu při stisknutí písmena A, která způsobí rozsvícení žárovky D. A je tedy zašifrováno na D

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 27 Enigma matematický popis Matematický popis procesu zašifrování vstupních dat šifrátorem Enigma lze vyjádřit jako výsledek cyklické permutace.

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 28 Bletchley Park Tým luštitelů v Bletchley Park Znalosti o konstrukci šifrátoru Operativní získání nastavení Znalosti o otevřeném textu

VŠFS; Aplikovaná informatika; SW systémy 2005/2006 29 Hagelin Mechanický šifrovací stroj C-36 vytvořený B. Hagelinem ve Švédsku. Během II. svět. války se vyrobilo licenčně v USA 140 000 kusů.