Исследование технологий шифрования данных

1. МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«УФИМСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ»
НЕФТЕКАМСКИЙ ФИЛИАЛ
КОЛЛЕДЖ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по программе среднего профессионального образования
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ШИФРОВАНИЯ ДАННЫХ
Научный руководитель:
Шайхуллина Д.М.
Выполнила: студентка 4 курса
Очной формы обучения
Группы ИС-41к
Сакаева К.Р.

2. ВВЕДЕНИЕ

В эпоху цифровой трансформации и глобальной
информатизации данные превратились в один из ценнейших
активов общества, бизнеса и государства. Передача
конфиденциальной информации, хранение персональных
данных, проведение финансовых транзакций и обеспечение
приватности коммуникаций — все эти процессы лежат в
основе современной жизни. Однако повсеместная
цифровизация создала и беспрецедентные угрозы: утечки
данных, киберпреступления и промышленный шпионаж
стали ежедневной реальностью.

3. ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы данного исследования обусловлена
критической важностью криптографии для безопасности
цифровой экономики, суверенитета государства и прав
личности на неприкосновенность частной жизни. Понимание
принципов, достоинств, недостатков и областей применения
различных технологий шифрования является обязательным
для специалистов в области информационной безопасности,
IT-архитектуры и разработки защищённых систем
Целью курсовой работы является комплексное
исследование современных технологий шифрования
данных.

4. ВВЕДЕНИЕ

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• Изучить теоретические основы криптографии: принципы, классификацию
(симметричное/асимметричное, блочное/поточное), базовые понятия (ключ,
шифр, стойкость).
• Провести сравнительный анализ наиболее распространённых алгоритмов
шифрования (AES, RSA, ECC, ChaCha20 и др.) по критериям стойкости,
производительности и применимости.
• Исследовать практические аспекты применения шифрования: протоколы
(TLS, PGP), режимы работы (CBC, GCM), управление ключами.
• Рассмотреть новые и перспективные направления в криптографии, такие как
квантово-стойкие алгоритмы и гомоморфное шифрование.
Объект исследования: технологии и алгоритмы шифрования данных.
Предмет исследования: криптографическая стойкость, эффективность и области
практического применения современных методов шифрования.

5. Глава 1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КРИПТОГРАФИИ

1.1. История развития криптографии
Криптография имеет многовековую историю, которую
условно можно разделить на несколько ключевых этапов.
Эпоха ручной криптографии охватывает период от
античности до конца XIX века. Этот этап характеризовался
использованием простых механических устройств и
математических подстановок для сокрытия смысла текстов.
Безопасность основывалась не на сложности алгоритма, а
на секретности ключа — конкретного параметра шифра.

6. Глава 1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КРИПТОГРАФИИ

Шифр Цезаря является хрестоматийным примером
моноалфавитного шифра, где каждая буква открытого
текста заменяется буквой, находящейся на постоянном
числе позиций (ключе) дальше в алфавите. Несмотря на
примитивность по современным меркам, его принцип —
циклический сдвиг — заложил основу для более сложных
систем.

7. Глава 1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КРИПТОГРАФИИ

Шифр Виженера (XVI век) стал значительным прорывом,
представив концепцию полиалфавитного шифрования. В нем
использовалась ключевая фраза для определения разных
шифров Цезаря для разных букв исходного текста. Это
разрушало частотный анализ, главный метод криптоатаки того
времени.

8. Глава 1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КРИПТОГРАФИИ

Машинная криптография (первая половина XX века) связана с появлением
электромеханических устройств. Машина «Энигма» стала символом этой
эпохи. Ее сердцем были вращающиеся роторы, которые динамически меняли
электрическую цепь между клавиатурой и лампочками после каждой нажатой
буквы. Это создавало невероятно сложный и изменчивый полиалфавитный
шифр.

9. Глава 1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КРИПТОГРАФИИ

1.2. Базовые понятия и модель Шеннона
Для понимания работы любой криптосистемы необходимо четко определить ее
базовые элементы.
Открытый текст (plaintext) — это исходная, понятная информация, которую нужно
защитить. Это могут быть данные любого формата: текст, числа, изображения,
аудио.
Шифротекст (ciphertext) — результат преобразования открытого текста. После
обработки алгоритмом шифрования понятные данные превращаются в
бессмысленную для постороннего наблюдателя последовательность символов.
Ключ (key) — секретный параметр, который управляет работой алгоритма.

10. Глава 1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КРИПТОГРАФИИ

Модель Шеннона (1949) — первая строгая математическая
модель криптографической системы, включающая пять
элементов:

11. Глава 1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КРИПТОГРАФИИ

Главная ценность модели Шеннона заключается в
формализации понятия стойкости шифра:
• Абсолютная (теоретическая) стойкость —
шифротекст не даёт никакой информации об
открытом тексте (пример: одноразовый блокнот).
• Практическая (вычислительная) стойкость —
взлом требует нецелесообразных
вычислительных затрат (пример: AES, RSA).

12. Глава 1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КРИПТОГРАФИИ

1.3. Основные требования к современным криптосистемам
Конфиденциальность (Confidentiality) — защита информации от
несанкционированного доступа. Это исторически первое и базовое
требование, достигаемое шифрованием.
Целостность (Integrity) — гарантия того, что информация не была
изменена. Шифрование само по себе не защищает от изменений. Для
целостности используются хеш-функции и коды аутентичности сообщений
(MAC).
Аутентичность (Authenticity) — подтверждение подлинности источника
информации. Достигается с помощью цифровых подписей, создаваемых с
использованием приватного ключа отправителя.

13. 2. АНАЛИЗ СИММЕТРИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ ШИФРОВАНИЯ

2.1. Принцип работы симметричных криптосистем
Симметричные криптосистемы основаны на использовании
единого секретного ключа, который известен как отправителю, так
и получателю.
Доcтоинства:
• Высокая скорость обработки данных (гигабиты в секунду).
• Относительная простота реализации.
• Меньшая длина ключа при сопоставимой стойкости (AES-256 ≈
RSA-15360).
Главный недостаток: Проблема распределения ключей — как
безопасно передать секретный ключ по незащищенному каналу
до начала обмена. Это ограничивало применение симметричного
шифрования до появления асимметричной криптографии.

14. 2. АНАЛИЗ СИММЕТРИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ ШИФРОВАНИЯ

2.2. Блочные шифры
Блочные шифры обрабатывают информацию
фиксированными порциями (блоками). Их безопасность и
гибкость определяются внутренней структурой и выбранным
режимом работы.

15. 2. АНАЛИЗ СИММЕТРИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ ШИФРОВАНИЯ

2.3. Поточные шифры
Принцип работы: Генерация ключевого потока на основе
секретного ключа и вектора инициализации. Шифрование —
операция XOR между открытым текстом и ключевым
потоком.

16. 2. АНАЛИЗ СИММЕТРИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ ШИФРОВАНИЯ

Таблица 2.1 — Сравнительная характеристика симметричных алгоритмов
Алгоритм
Тип
AES-256
Блочный
Длина ключа
(бит)
Скорость
Очень высокая (с
256
Криптостойкость
Очень высокая
AES-NI)
ГОСТ
«Кузнечи
Блочный
256
Высокая
ChaCha20
Поточный
256
3DES
Блочный
112 (эффект.)
Низкая
RC4
Поточный
40-2048
Высокая
Очень высокая
к»
Очень высокая (в
ПО)
Очень высокая
Недостаточная
Основное
применение
TLS, VPN,
шифрование дисков
Гос. системы РФ,
СКЗИ
TLS 1.3, мобильные
устройства
Устаревшие
системы (не рек.)
Критически
Исторический
низкая
пример (запрещен)

17. 3. АНАЛИЗ АСИММЕТРИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ И ХЕШИРОВАНИЯ

3.1. Принцип работы и математические
основы
Принцип работы: Каждый участник генерирует пару ключей
— открытый (public key), который публикуется, и закрытый
(private key), который хранится в секрете. Открытый ключ
используется для шифрования или проверки подписи.
Закрытый — для дешифрования или создания подписи

18. 3. АНАЛИЗ АСИММЕТРИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ И ХЕШИРОВАНИЯ

Математические основы (односторонние функции с
«лазейкой»):
1.Задача факторизации больших чисел: Дано n = p * q.
Найти p и q. Легко перемножить, но трудно разложить.
Основа RSA.
2.Задача дискретного логарифмирования на
эллиптических кривых (ECDLP): Даны точки G и Q = d * G
на кривой. Найти скаляр d. Основа ECDSA. Считается
более сложной, чем классическая, что позволяет
использовать более короткие ключи.

19. 3. АНАЛИЗ АСИММЕТРИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ И ХЕШИРОВАНИЯ

3.2. Алгоритмы с открытым ключом
RSA (Rivest-Shamir-Adleman) — первый практический
асимметричный алгоритм.
1.Генерация ключей: Выбираются два больших
простых p и q. Вычисляется n = p * q и φ(n) = (p-1)(q1). Выбирается e (часто 65537). Вычисляется d = e⁻¹
mod φ(n). Открытый ключ: (e, n). Закрытый ключ: (d,
n).
2.Шифрование: C = Mᵉ mod n.
3.Дешифрование: M = Cᵈ mod n.

20. 3. АНАЛИЗ АСИММЕТРИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ И ХЕШИРОВАНИЯ

3.3. Функции хеширования
Криптографические хеш-функции обеспечивают целостность
данных и являются основой для цифровых подписей, что
соответствует принципам описанных в исследованиях по
ассиметричной криптографии
Назначение:
Контроль целостности (лавинный эффект).
Основа для ЭЦП (подписывается хеш, а не всё сообщение).
Хранение паролей (с «солью»).
Построение структур данных (деревья Меркла в блокчейне).
SHA-2 / SHA-256 — текущий международный стандарт (NIST).
Выдает хеш длиной 256 бит.
Используется в TLS, SSL, PGP, SSH, Bitcoin.
Широко проанализирован, считается надежным.

21. п

22.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проведенного исследования технологий шифрования данных была
подтверждена их ключевая роль как основы информационной безопасности в
цифровую эпоху. Работа позволила систематизировать знания о современных
криптографических методах и сделать следующие выводы:
По теоретическим основам криптография эволюционировала от простых
подстановочных шифров до сложной математической дисциплины. Были
определены базовые понятия (открытый текст, шифротекст, ключ, алгоритм) и
требования к криптосистемам (конфиденциальность, целостность, аутентичность,
неотрекаемость). Классификация по типу ключей (симметричные Однако
проблема распределения ключей ограничивает использование симметричной
криптографии в чистом виде.
По асимметричному шифрованию асимметричные алгоритмы (RSA, ECDSA, ГОСТ
Р 34.10) решают проблему распределения ключей и обеспечивают механизмы
цифровой подписи. Их недостаток — низкая производительность —
компенсируется использованием в гибридных системах, где асимметричная
криптография инициализирует симметричные сеансы (как в TLS).
Криптография активно развивается, отвечая на вызовы цифровизации. Понимание
её принципов — основа для создания надёжных систем защиты данных.

23. Список литературы

Нормативные документы
1. ГОСТ Р 34.10-2012. Информационная технология. Криптографическая защита информации.
Процессы формирования и проверки электронной цифровой подписи. — М.: Стандартинформ,
2012.
2. ГОСТ Р 34.11-2012. Информационная технология. Криптографическая защита информации.
Функция хэширования. — М.: Стандартинформ, 2012.
3. ГОСТ Р 34.12-2018. Информационная технология. Криптографическая защита информации.
Блочные шифры. — М.: Стандартинформ, 2018.
4. Федеральный закон № 152-ФЗ «О персональных данных» от 27.07.2006.
5. Федеральный закон № 63-ФЗ «Об электронной подписи» от 06.04.2011.
Учебники и монографии
6. Алферов А.П., Зубов А.Ю., Кузьмин А.С., Черемушкин А.В. Основы криптографии. — М.: Гелиос
АРВ, 2023. — 480 с.
7. Бабаш А.В., Шанкин Г.П. Криптография. — М.: Солон-Пресс, 2024. — 512 с.
8. Рябко Б.Я., Фионов А.Н. Криптографические методы защиты информации. — М.: Горячая линияТелеком, 2024. — 229 с.
9. Шнайер Б. Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке Си. —
М.: Триумф, 2023. — 816 с.
10. Ященко В.В. Введение в криптографию. — М.: МЦНМО, 2012. — 348 с