Storia della crittografia

Castiglioni Marco

Pozzetti Mirko

Trevisan Matteo

La sicurezza informatica

Anno scolastico 2001/2002

Classe 5IB Sommario

Sommario

Introduzione III

Capitolo 1 La storia

1.1 La nascita dei calcolatori 1

1.1.1 I computer e la seconda guerra mondiale 1

1.1.2 I computer nel dopoguerra 2

1.1.3 I computer moderni 3

1.2 I computer nella seconda guerra mondiale 4

Capitolo 2 Il presente

2.1 Le comunicazioni in Internet 7

2.2 Il protocollo IP 8

2.2.1 Il preambolo IP 8

2.2.2 Struttura dell’indirizzo IP 10

2.3 Il protocollo TCP 11

2.3.1 Il preambolo TCP 12

2.3.2 Gestione delle connessioni TCP 13

2.4 Le porte 15

2.4.1 Esempi di porte 16

2.5 I socket 17

2.6 Esempi 17

2.6.1 Tracert 18

2.6.2 Netstat 18

Capitolo 3 La crittografia

3.1 La storia 19

3.1.1 Crittografia antica 21

3.1.2 Crittografia fino al XVIII secolo 23

3.1.3 Crittografia moderna 25

3.2 Principali cifrari 28

3.2.1 Cifrari a sostituzione 28

3.2.2 Cifrario affine 28

3.2.3 Cifrario Playfair 30

3.2.4 Stream cypher 31

3.2.5 Cifrario di Vernam 32

3.3 La sicurezza perfetta 33

3.4 Gli algoritmi 35

3.4.1 Il DES 35

3.4.2 L’ RSA 45

3.5 Macchine cifranti 46

3.5.1 Enigma 46

3.5.2 La bomba di Turing 52

3.6 Crittoanalisi 57

3.6.1 Crittoanalisi statistica 57

3.6.2 Crittoanalisi lineare 58

3.6.3 Crittoanalisi differenziale 60

3.6.4 Crittoanalisi su polialfabetici 60

3.6.5 Brute force 61

3.7 Curiosità e considerazioni 62 I

Sommario

Capitolo 4 Esempi pratici

4.1 L’uso di Winsock 64

4.1.1 Struttura dell’applicazione 64

4.1.2 Implementazione dell’applicazione 66

4.2 Il DES 68

4.2.1 La classe CDes 68

4.3 Scambio di messaggi crittati 75

4.3.1 Struttura dell’applicazione 76

4.3.2 Implementazione dell’applicazione 76

4.4 L’ analisi di un testo 78

4.4.1 Struttura dell’applicazione 78

4.4.2 Implementazione dell’applicazione 81

4.5 I socket in Linux 88

4.5.1 Implementazione dell’applicazione 88

4.6 PGP 90

Conclusioni 101

Appendice A 105

Appendice B 109

Appendice C 114

Appendice D 120

Appendice E 121

Appendice F 123

Glossario 171

Bibliografia 176 II

Introduzione

L’ argomento trattato nell’ area di progetto, la sicurezza informatica, è entrato in auge in seguito alla capillare di diffusione dei PC e di Internet. Con essi sono nati i primi seri problemi di sicurezza sia per i privati e, soprattutto, per le grandi aziende.

Nell’area di progetto si è cercato di analizzare questo problema prendendo in esame sia la parte teorica che quella pratica.

In particolare l’attenzione è stata focalizzata su i due grandi temi chiave della sicurezza: gli attacchi via socket e la crittografia. Infatti sono questi i due temi che ad oggi determinano o meno la sicurezza di un sistema. Il primo, cioè i socket, riguarda la trasmissione delle informazioni, il secondo, la crittografia, riguarda la sicurezza intrinseca di esse.

La trattazione di questi argomenti nella parte pratica ha permesso di realizzare una piccola applicazione che è in grado, tramite l’uso congiunto di socket e crittografia, di inviare messaggi cifrati tra due stazioni.

Inoltre è stata realizzata una piccola applicazione che permette di crittare i messaggi attraverso algoritmi “storici” come la scacchiera di Polibio o il cifrario di Cesare.

Come ultimo esempio pratico è stato analizzato l’uso di PGP. In pratica è stato costruito un piccolo manuale, contenente le istruzioni più importanti, per usare il programma di crittazione più diffuso al mondo.

La seconda parte dell’area di progetto si basa sulle conseguenze che l’azione congiunta di informatica e crittografia hanno portato nella storia. In particolare si analizzeranno le tecniche usate nella seconda guerra mondiale per cifrare le informazioni, come la macchina Enigma e quelle per decifrarle, come la Bomba di Turing.

In particolare lo sviluppo della crittografia è stato affrontato fin dai primi algoritmi (codice Atbash) fino ad arrivare ai giorni nostri. III

La storia

Capitolo 1 La storia

La storia

1.1 La nascita dei calcolatori

1.1.1 I computer e la seconda guerra mondiale

1.1.2 I computer nel dopoguerra

1.1.3 I computer moderni

1.2 I computer nella seconda guerra mondiale

1.1 La nascita dei calcolatori

La parola computer deriva dal latino “computare” che significa “fare di conto”.

Questo strumento è nato per facilitare il calcolo di funzioni matematiche complesse. Già nel 1642 il matematico Blaise Pascal inventò e costruì la prima calcolatrice macchina con riporto automatico con otto cifre. Questa macchina servì solo a dimostrare che si potevano eseguire calcoli matematici anche con macchine e non solo con la mente, mentre il vero e proprio computer nasce solo nel XX secolo. Sempre in questi anni nasce la scienza dell’informatica, che studia l’elaborazione dei dati e il trattamento automatico delle informazioni.

1.1.1 I computer e la seconda guerra mondiale

Il secondo conflitto mondiale fu la rampa di lancio dei primi computer, che furono ideati sia dalla parte alleata sia dalla parte tedesca.

I tedeschi furono i primi a costruire un macchina che fu in grado di generare un codice crittato, che era incomprensibile per gli alleati. Questo codice, creato dai tedeschi per comunicare strategie di guerra e messaggi, fu incomprensibile per gli alleati per tutta la prima parte del conflitto.

Churchill incaricò il matematico inglese Turing, che fu l’ideatore della prima macchina, che era in grado di leggere le informazioni da un nastro e di copiarle su un altro, di dirigere il centro di studi sulla comunicazione.

Turing formò un gruppo di lavoro per decifrare i codici crittati, formato da circa settemila persone, sia militari sia personale civile (si andava da matematici, ad archeologi, a crittografici, ad enigmisti, a giocatori d’azzardo e a tante altre persone).

Ma solo un esperto di centralini telefonici ideò il primo calcolatore elettromeccanico, che era in grado di trovare in pochi minuti i codici nazisti: questa macchina prese il nome di Colossus. 1

La storia

Questo calcolatore cambiò letteralmente le sorti della guerra, infatti, gli alleati erano in grado di prevedere le mosse dei tedeschi e la marina italiana ne fece le spese, venendo sconfitta nel 1941 a Capo Matapan.

Alla fine della seconda guerra mondiale Churchill ordinò di smantellare tutti gli esemplari di Colossus.

1.1.2 I computer nel dopoguerra

Gli anni del dopoguerra furono fondamentali per la nascita di calcolatori più veloci, anche se questi calcolatori “moderni” erano molto grossi, pesanti e lenti rispetto a quelli che usiamo ora.

Il primo calcolatore elettromeccanico funzionava automaticamente con programmi registrati (che sono gli “antenati” dei primi software).

Il nome di questo calcolatore era Harvard Mark 1 e fu realizzato nei laboratori dell’IBM, in collaborazione con l’università di Harvard. Con questo calcolatore è nato anche il termine “bug”, che viene utilizzato dagli specialisti per definire un errore.

Il calcolatore Bessie che eseguiva operazioni matematiche come la somma di numeri a 23 cifre in tre decimi di secondo e una moltiplicazione in 6 secondi, venne impiegato dalla marina militare statunitense per studi sulla balistica e progettazione di navi. Inoltre venne anche usato dalla commissione dell’energia per ricerche sulla disintegrazione dell’atomo.

Un altro calcolatore realizzato nel 1946, destinato solamente ad un uso militare, chiamato Eniac, costò la bellezza di mezzo milione di dollari di allora. Questo calcolatore serviva per il calcolo delle traiettorie dei proiettili. Esso riusciva a realizzare una tabella balistica in 30 minuti contro le 20 ore impiegate da un uomo. Questo calcolatore fu tenuto in funzione solo per nove anni, dopo di che non fu più utilizzato poiché aveva un alto costo di manutenzione. Esso va ricordato anche per un altro fatto: durante la sua creazione lo scienziato John Tykey creò il termine “bit”, contrazione delle parole “Binary DigiT”. Esso rappresenta la più piccola unità di informazione, che specifica due stati: 1 (acceso) e 0 (spento), che codificano i dati all’interno di un computer. Una striscia di otto bit forma un “byte”, che oggi viene utilizzato per rappresentare un carattere o un singolo numero.

Nel 1947 fu inventato il transistor, il quale rivoluzionò completamente il mondo del computer. Questi dispositivi erano molto più piccoli (qualche millimetro) rispetto alle valvole (diversi centimetri), erano molto più resistenti e consumavano molta meno elettricità.

Fino al 1950 i computer non avevano memoria e quindi le informazioni non potevano essere salvate. Tra il 1950 e il 2

La storia

1955 i calcolatori vennero dotati di memorie, ma la capacità di memorizzazione era solo di un bit alla volta. Queste memorie “interne” erano molto ingombranti e siccome i computer avevano già grandi dimensioni, si decise di abbandonarle, puntando su memorie ausiliarie o esterne, come nastri e dischi magnetici.

Negli anni successivi si costruirono calcolatori sempre più piccoli, arrivando nel 1957 alle dimensioni di un frigorifero. Questo calcolatore era accessibile solamente all’esercito. Ma l’era dei computer domestici era lontana, poiché il costo era elevato e le dimensioni non certo adatte per una casa.

Ma la vera rivoluzione avvenne nel 1958, grazie all’ingegnere americano Kilby che inventò i circuiti integrati.

1.1.3 I computer moderni

Gli integrati rivoluzionarono il mondo del computer: con questa invenzione i calcolatori potevano avere delle dimensioni molto ridotte rispetto ai loro predecessori.

Questa invenzione nel campo informatico prese il nome di chip. I computer ebbero una diffusione maggiore: essi non solo potevano essere acquistati dai militari, ma anche da industrie. Erano molto veloci, grazie a questi circuiti miniaturizzati, ma il loro costo era molto elevato e ancora accessibile a pochi.

Questi computer erano prodotti soprattutto in America, ma nel 1965 anche l’Italia scese in campo, grazie all’Olivetti, che costruì un calcolatore chiamato “Programma 101”, che ebbe grande successo, soprattutto oltreoceano. Questo calcolatore fu il primo ad avere memorizzato al suo interno un programma ed un supporto magnetico, dal quale avrà origine il “floppy disk”.

Nel 1968 l’industria americana prese il sopravvento, infatti, in questo anno nacque l’Intel, che fu ed è tuttora, l’azienda leader nella costruzione di processori e chip di memoria.

Nel 1970 costruì la prima RAM adottata da tutti i calcolatori al posto delle vecchie memorie a nuclei magnetici.

Nel 1971 venne costruita la prima CPU che da allora, costituisce il cuore del calcolatore. Essa era in grado di tenere memorizzati i dati, fino a che non veniva a mancare la corrente.

Per realizzare il computer come lo conosciamo oggi, mancava ancora un componente, infatti, il vero problema era memorizzare i dati all’interno del calcolatore, senza perderli una volta tolta la corrente. Questo problema venne superato grazie al primo “hard disk”, costruito dall’IBM, che 3

La storia

permetteva di immagazzinare i dati anche in mancanza di corrente.

La data più importante nella storia dei computer e dell’informatica fu il 1975, anno in cui, grazie a due studenti universitari, William “Bill” Gates e Paul Allen, nacque la Microsoft, prima azienda specializzata nell’elaborazione di linguaggi per computer. A questa azienda si opposero altri due giovani, Stephen Jobs e Stephen Wozniak, che nel salotto della loro casa, costruirono Apple I e diedero vita nel 1976 alla Apple azienda, tuttora in competizione con Microsoft. Nel 1977, Jobs e Wozniak, costruirono Apple II, che era solo dotato di una tastiera, di un alimentatore e di prese per il collegamento con le periferiche, già presenti sul mercato.

Nel 1981 l’IBM, che allora era la maggiore produttrice di computer, investì sulla produzione dei “Personal Computer” grazie anche all’aiuto della Microsoft, la quale ideò e fornì il primo sistema operativo: l’ MS-DOS, che è tuttora utilizzato.

In questi quarant’ anni il computer si è evoluto rapidamente, passando dall’essere lento e ingombrante ad avere dimensioni che siamo abituati a vedere tutti i giorni e a velocità che sono in costante aumento.

Nel futuro i computer saranno sempre più piccoli e più veloci e faranno sempre più parte della nostra vita quotidiana.

1.2 I computer nella Seconda Guerra Mondiale

Dopo l’ascesa al potere di Hitler, verificatasi in Germania a partire dal 1933, e la costruzione del suo regime dittatoriale, il nazismo portò prima l’Europa e poi il mondo intero in un nuovo e spaventoso conflitto mondiale.

La guerra iniziò il 1° settembre del 1939 con l’attacco della Germania alla Polonia che venne conquistata in poche settimane. Il 3 settembre la Francia e l’Inghilterra dichiararono guerra alla Germania.

Mentre sul fronte francese non si verificarono inizialmente combattimenti, la Russia attaccò e conquistò la Finlandia, la Germania per stringere l’Inghilterra in una morsa attaccò e conquistò la Danimarca e la Norvegia. Sulla linea di confine tra Francia e Germania i francesi costruirono una linea difensiva (Linea Maginot), con trincee e cannoni, che serviva come difesa in caso di attacco, ma la Germania attaccò, passando per il Belgio, il 10 maggio del 1940, e dopo poco più di un mese i tedeschi conquistarono gran parte della Francia.

Il 10 giugno del 1940 entrò in guerra a fianco dei nazisti l’Italia. Con questo intervento militare si verificherà la conquista italiana di territori in Africa (Somalia, Sudan) e della Grecia, mentre perdette l’Etiopia; inoltre subì gravi sconfitte navali a Punta Stilo e a Capo Matapan nel 1941, derivanti dalla 4

La storia

superiorità della marina inglese, ottenuta grazie al radar. La battaglia di Capo Matapan fu persa a causa dell’intercettazione inglesi delle trasmissione crittate tra Italiani e tedeschi, grazie al primo computer COLOSSUS.

Per l’Asse (Germania, Italia, Giappone) fino alla fine del 1941 la guerra portò importanti vittorie, che rafforzarono il loro potere e permisero la conquista di nuovi territori e, come conseguenza, l’allargamento dei propri confini.

I tedeschi evitarono che i paesi alleati ricevessero gli aiuti dagli Stati Uniti; questi ultimi si dichiararono neutrali nel 1939 insieme al Giappone. Ma gli USA, in realtà, fornivano aiuti ai paesi che non avevano al potere dei regimi totalitari filo-fascisti. I tedeschi cercarono di evitare che gli aiuti statunitensi raggiungessero l’Europa, usando i sottomarini (U-boat), che aspettavano le navi al largo dell’Atlantico e le affondavano.

I sottomarini tedeschi, riuscivano a comunicare tra di loro e con gli alti comandi dell’esercito tramite l’invio di messaggi. Questi ultimi per non essere intercettati e capiti dagli Alleati erano crittati con la macchina ENIGMA. Per la prima parte della guerra le potenze dell’Asse riuscirono a comunicare con sicurezza senza che gli Alleati riuscissero a intercettare e a comprendere i messaggi mandati.

Con l’attacco della Germania alla Russia, che iniziò nel giugno del 1941, cominciò il declino delle potenze dell’Asse.

Dopo aver riportato vittorie schiaccianti in pochi mesi, l’immenso esercito arrivò alle porte di Mosca e Stalingrado. Ma con l’inizio dell’inverno la macchina bellica si inceppò, fermò la sua marcia verso la conquista dell’intero territorio e cominciò una guerra di posizione. L’esercito russo si riorganizzò e sferrò la controffensiva, mentre quello tedesco arretrò per circa 200 chilometri. Come conseguenza Hitler ordinò la resistenza a oltranza e nel giugno del 1942 dispose di radere al suolo Stalingrado, ma l’esercito non riuscì nell’impresa; questo fu l’inizio della fine per le potenze dell’Asse.

Inoltre gli Alleati riuscirono a rompere il codice crittato che permetteva ai tedeschi di comunicare segretamente, così da permettere agli alleati di conoscere in anticipo le mosse del nemico.

Questa rottura del codice fu effettuata da un gruppo di persone aiutate da un computer chiamato COLOSSUS. Questo gruppo fu incaricato da Churchill sotto la supervisione di Alan Turing.

Anche sul fronte del Pacifico cominciarono a verificarsi le prime sconfitte del Giappone da parte degli americani.

Come già stato detto, sia i giapponesi che gli americani, si dichiararono neutrali nel 1939, ma dopo l’attacco nipponico a Pearl Harbor, avvenuto il 7 dicembre 1941, gli USA decideranno di entrare in guerra. Nel Pacifico la forza americana era gravemente indebolita, poiché l’attacco a Pearl Harbor riportò gravi perdite di uomini e mezzi, rendendo le forze giapponesi superiori. Per avere il predominio nel Pacifico e l’annientamento 5

La storia

della flotta americana, i giapponesi dovettero organizzare un nuovo attacco.