Б А К А Л А В Р И А Т

Е. К. Баранова, А. В. Бабаш

КриптографичесКие

методы

защиты информации

Лабораторный прак тик ум

Учебное пособие

КНОРУС • МОСКВА • 2015

УДК 681.3(075.8)

ББК 32.81я73

Б24

Рецензенты:

Н.В. Мельников, д-р техн. наук, проф.,

П.Б. Хорев, канд. техн. наук, доц.

Авторский коллектив:

Е.К. Баранова, доц. НИУ «Высшая школа экономики» (Москва), А.В. Бабаш, проф. НИУ «Высшая школа экономики» (Москва) Баранова Е. К.

Б24 Криптографические методы защиты информации. Лабораторный практикум : учебное пособие / Е. К. Баранова, А. В. Бабаш. — М. : КНОРУС, 2015. — 200 с. + 1 электрон.-опт. диск (CD-ROМ). — (Бакалавриат).

ISBN 978-5-406-03802-4 Посвящено рассмотрению практических вопросов защиты информации методами криптографии и стеганографии. Содержит описание лабораторных работ с комплексом исполняемых программных модулей на CD. Все практические работы предваряет теоретический раздел и заключает перечень контрольных вопросов.

Соответствует действующему Федеральному государственному образовательному стандарту высшего образования нового поколения.

Для студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по различным специальностям, использующих федеральный компонент по основам информационной безопасности и защите информации.

УДК 681.3(075.8) ББК 32.81я Баранова Елена Константиновна Бабаш Александр Владимирович КРиПтогРАфичЕсКиЕ МЕтоДы зАщиты иНфоРМАции.

ЛАБоРАтоРНый ПРАКтиКУМ Сертификат соответствия № РОСС RU. АЕ51. Н 16509 от 18.06.2013.

Изд. № 6427. Подписано в печать 28.03.2014. Формат 6090/16.

Гарнитура «NewtonC». Печать офсетная.

Усл. печ. л. 12,5. Уч.-изд. л. 7,1. Тираж 700 экз. Заказ № ООО «КноРус».

117218, г. Москва, ул. Кедрова, д. 14, корп. 2.

Тел.: 8-495-741-46-28.

Email: [email protected] http://www.knorus.ru Отпечатано в ГУП МО «Коломенская типография».

140400, Московская обл., г. Коломна, ул. III Интернационала, д. 2а.

Тел.: 8-496-618-69-33, 618-60-16. E-mail: [email protected] © Баранова Е. К., Бабаш А.В., ISBN 978-5-406-03802-4 © ООО «КноРус», Содержание Предисловие

Часть 1.. Теоретические.сведения

Лабораторная.работа.№.1..Использование.классических.

криптоалгоритмов.подстановки.и.перестановки.для.

защиты.текстовой.информации

Лабораторная.работа.№.2..Исследование.различных.методов.

защиты.текстовой.информации.и.их.стойкости.на.основе.

подбора.ключей

Лабораторная.работа.№.3..Изучение.устройства.и.принципа.

работы.шифровальной.машины.«Энигма»

Лабораторная.работа.№.4..Стандарт.симметричного.

шифрования.AES.RIJNDAEL

Список.литературы

Часть 2.. Теоретические.сведения

Лабораторная.работа.№.5..Генерация.простых.чисел,.

используемых.в.асимметричных.системах.шифрования................ Лабораторная.работа.№.6..Электронная.цифровая.подпись................. Лабораторная.работа.№.7...Шифрование.методом.скользящей.

перестановки

Лабораторная.работа.№.8..Изучение.программных.продуктов.

защиты.информации..Программа.PGP

Список.литературы

Часть 3.. Теоретические.сведения

Лабораторная.работа.№.9..Шифр.Плейфера

Лабораторная.работа.№.10..Дешифрование.шифра.простой.

перестановки.при.помощи.метода.Биграмм

Приложение 3.1..Таблица.коэффициентов.встречаемости.

биграмм.в.тексте

Лабораторная.работа.№.11..Сеть.Фейстеля

Лабораторная.работа.№.12..Регистры.сдвига.с.линейной.

Список.литературы

Теоретические.сведения

Лабораторная.работа.№.13..Защита.программного.

обеспечения.методами.стеганографии

Лабораторная.работа.№.14..Защита.электронных.документов.

с.использованием.цифровых.водяных.знаков

Лабораторная.работа.№.15..Стегокомплексы,.допускающие.

использование.аудиоконтейнеров,.на.примере.программы.

Invisible Secrets-4

Список.литературы

ПредиСловие Информационная безопасность является одной из главных проблем, с которой сталкивается современное общество. Причиной обострения этой проблемы является широкомасштабное использование автоматизированных средств накопления, хранения, обработки и передачи информации.

Решение проблемы информационной безопасности связано с гарантированным обеспечением трех ее главных составляющих: доступности, целостности и конфиденциальности информации.

Поскольку информация перестала быть просто необходимым для производства вспомогательным ресурсом или побочным проявлением всякого рода деятельности, а приобрела ощутимый стоимостной вес, который четко определяется реальной прибылью, получаемой при ее использовании, или размерами ущерба, с разной степенью вероятности наносимого владельцу информации в случае ее искажения или утраты. Обеспечение целостности, доступности и конфиденциальности информации, циркулирующей в информационно-вычислительных системах и сетях, приобрели в настоящее время исключительное значение.

Предлагаемый практикум включает в себя 15 методических описаний лабораторных работ с комплектом исполняемых модулей. Весь практикум разделен на четыре части с той целью, чтобы при проведении занятий преподаватель в зависимости от количества часов выделенных на проведение занятий, и своего видения курса мог выбирать из предложенных разделов те или иные работы.

В первую часть включены практические задания, связанные с методами шифрования, использующими классические симметричные алгоритмы; исследованием различных методов защиты текстовой информации и их стойкости на основе подбора ключей; изучением устройства и принципа действия шифровальной машины Энигма, с использованием программного эмулятора; изучением современного стандарта симметричного шифрования AES Rijndael.

При выполнении практических заданий из первой части предполагается рассмотрение следующих вопросов.

Изучение классических криптографических алгоритмов моноалфавитной подстановки, многоалфавитной подстановки и перестановки для защиты текстовой информации. Использование гистограмм, отображающих частоту встречаемости символов в тексте для криптоанализа классических шифров (лабораторная работа № 1).

Изучение методов шифрования (расшифрования) перестановкой символов, подстановкой, гаммированием, использованием таблицы Виженера. Исследование и сравнение стойкости различных методов, на основе атак путем перебора всех возможных ключей (лабораторная работа № 2).

Изучение принципов шифрования (расшифрования) информации, используемых в шифровальной машине Энигма. Ознакомление с общими принципами действия шифровальной машины Энигма на примере эмулятора Enigma3S (лабораторная работа № 3).

Ознакомление с принципами шифрования, используемыми в алгоритме симметричного шифрования AES Rijndael (лабораторная работа № 4).

Вторая часть включает в себя практические задания для изучения процессов генерации простых чисел для систем асимметричного шифрования; процессов постановки и верификации электронной цифровой подписи; исследования шифра скользящей перестановки;

изучения пакета PGP — программного обеспечения для защиты конфиденциальной информации.

При выполнении практических заданий из второй части предполагается рассмотрение следующих вопросов.

Изучение методов генерации простых чисел, используемых в системах шифрования с открытым ключом (лабораторная работа № 5).

Знакомство с основными положениями Федеральной целевой программы «Электронная Россия». Ознакомление с принципами защищенного электронного документооборота в телекоммуникационных сетях и алгоритмами постановки электронной цифровой подписи (лабораторная работа № 6).

Исследование шифра скользящей перестановки с использованием программной реализации XY-Mover (лабораторная работа № 7).

Ознакомление с общими принципами построения и использования программных средств защиты информации, в частности с программой PGP (Pretty Good Privacy).

Освоение средств программной системы PGP, предназначенных:

для шифрования конфиденциальных ресурсов и разграничения обеспечения целостности информационных ресурсов с помощью механизма электронной цифровой подписи;

надежного уничтожения остаточной конфиденциальной информации;

скрытия присутствия в компьютерной системе конфиденциальной информации с помощью виртуального диска (лабораторная 6....ПРеДИСЛовИе.

При выполнении практических заданий из третьего раздела рассматриваются следующие вопросы.

Изучение принципа шифрования информации с помощью биграммного шифра Плейфера (лабораторная работа № 9).

Дешифрование шифра простой перестановки при помощи метода биграмм (лабораторная работа № 10).

Знакомство с принципом работы сети Фейстеля, как базовым преобразованием симметричных блочных криптосистем (лабораторная работа № 11).

Изучение принципа работы генератора псевдослучайных последовательностей, основанного на регистре сдвига с линейной обратной связью (лабораторная работа № 12).

В четвертую часть практикума включены три лабораторные работы, предполагающие изучение защиты информационных ресурсов методами стеганографии. Стеганографическая система или стегосистема — совокупность средств и методов, которые используются для формирования скрытого канала передачи информации. Таким образом в отличие от криптографических методов методы стеганографии предполагают скрытие самого факта передачи информации.

Авторы не вынесли в заголовок практикума изучение стеганографических методов защиты, но, поскольку методы стеганографии становятся чрезвычайно популярными в настоящее время и во многом, несмотря на нормативно-правовые трудности их применения, становятся альтернативой криптографическим методам защиты, авторы посчитали необходимым ознакомить читателей с основами использования стеганографии для защиты информационных ресурсов. Вопросам стеганографической защиты посвящены следующие лабораторные работы.

Ознакомление с методами защиты исполняемых программных файлов. Изучение возможностей стеганографической защиты.exe файлов путем встраивания цифровых водяных знаков (ЦВЗ) в пустое место, в конце секции файла (лабораторная работа № 13).

Защита электронных документов с использованием цифровых водяных знаков на примерах встраивания ЦВЗ в бинарные изображения (лабораторная работа № 14).

Знакомство с программным обеспечением для стеганографической защиты информации на примере программного пакета Invisible Secrets–4 (лабораторная работа № 15).

В книгу вошли материалы лабораторных работ, которые проводились авторами на протяжении последних лет для студентов НациональПредисловие.... ного исследовательского университета «Высшая школа экономики»

(НИУ ВШЭ), Российского государственного социального университета (РГСУ) и Московского государственного университета экономики, статистики и информатики (МЭСИ). Большая часть демонстрационных программ для исследования процессов защиты информации написаны студентами этих вузов под руководством авторов в рамках курсовых и дипломных работ. Авторы выражают благодарность своим студентам: Суханову Дмитрию, Беловой Ирине, Тащилину Евгению, Александрову Артему, Чудакову Сергею, Лазареву Вячеславу, Ларионову Игорю и другим создателям демонстрационных программ.

Лабораторный практикум рассчитан в первую очередь на студентов бакалавриата высших учебных заведений и магистрантов, обучающихся по различным специальностям, использующих федеральный компонент по основам информационной безопасности и защите информации.