В эпоху цифровизации общение, бизнес, работа и многие другие процессы перенесены в электронный формат. Банковский перевод, личное сообщение, онлайн-заказ — просто наборы букв и символов, передаваемые по сети. Чтобы обеспечить безопасность и конфиденциальность информации, буквы и символы нужно зашифровать. Методы шифрования разрабатывались на протяжении многих веков. Проследим путь развития от истоков до современных технологий, рассмотрим самые значимые для истории шифры и узнаем об их принципах работы.
Древние шифры
Вопрос конфиденциальности информации возник давно: люди старались оградить свои сообщения от чужих глаз еще с древних времен. Это привело к появлению шифрования — методов, позволяющих с помощью шифров видоизменить исходные данные так, чтобы их было невозможно прочесть без ключа.
Шифр Цезаря
Один из самых простых и известных способов — шифрование сообщений методом сдвига по алфавиту.
Как работает шифр:
- выбираем шаг кодировки — целое число;
- заменяем каждую букву сообщения буквой, которая отстоит от исходной буквы в алфавите на выбранный шаг;
- ключ для расшифровки — шаг, то есть число позиций сдвига.
Зашифруем методом Цезаря текст GitVerse с шагом в один символ. Для этого сдвинем все буквы на одну вперед по латинскому алфавиту. Результат — HjuWfstf.
Для расшифровки сообщения нужно знать ключ и сдвинуть символы в обратную сторону по алфавиту в соответствии с указанным шагом.
Достоинство шифра — в простоте. Недостаток — низкая безопасность, так как шаг сдвига легко определить методом перебора из-за ограниченного числа возможных ключей (максимум — длина алфавита).
Иероглифы
Древние египтяне использовали не алфавит, а иероглифы. Большинство знаков и символов обозначали не отдельные буквы, а целые предметы, понятия и идеи. Значение, заложенное в иероглифе, не было интуитивно понятным. Поэтому такое письмо сложно прочесть непосвященному человеку. Это и превратило их в ключ шифра. Однако любой, кто знаком со значениями иероглифов, мог прочитать «зашифрованный» текст.
Скитала
Это древнегреческий шифр, использующий прибор скиталу — цилиндрический ключ в виде конусообразного приспособления.
Как работает шифр:
- оборачиваем скиталу лентой пергамента;
- наносим текст на пергамент вдоль оси скиталы;
- разматываем ленту и получаем шифрованное сообщение.
Ключ к шифру — диаметр скиталы. Для прочтения текста нужно намотать ленту на конус того же размера, что использовался при написании сообщения.
Уязвимость шифра — простота взлома. Достаточно наматывать ленту на конусообразный прибор до тех пор, пока буквы не сложатся в связные фрагменты текста.
Классические шифры
Чтобы защитить шифр от взлома путем перебора без ключа, нужно было сделать логику шифрования более сложной. Это привело к появлению усовершенствованных методов кодировки.
Шифр Виженера
Усложненная разновидность шифра Цезаря — метод полиалфавитного шифрования буквенного текста с использованием ключевого слова. Для сдвига букв используется не число, а слово, которое повторяется циклически, и шаг определяется по позиции буквы в кодовом слове. Чтобы зашифровать сообщение, нужно применять таблицу алфавитов tabula recta или квадрат Виженера.
При работе с латинскими буквами квадрат Виженера составляется из строк по 26 знаков, каждая строчка сдвигается на несколько позиций. В результате получается комбинация 26 разных шифров Цезаря. На каждом этапе шифрования используются различные алфавиты, выбираемые в зависимости от символа ключевого слова.
Применим шифр к сообщению «Платформа для работы с исходным кодом». Кодовым словом назначим GitVerse, набранное русскими буквами: «Гитверс».
Результат кодировки по кириллице: «тфтфщявпи цнд бсдчеэ ц щгшчцпаэ ьсмбо».
Для расшифровки нужно определить длину слова-ключа и применить частотный анализ к каждой N-ной букве сообщения.
Шифр Плейфера
Метод использует квадратную таблицу с зашифрованными буквами. В классическом виде матрица имеет размеры 5×5, в каждой клетке записана буква латинского алфавита, кроме I и J — эти буквы вписываются в одну клетку. Для кодировки нужно выбрать кодовое слово и обработать исходное сообщение:
- убрать пробелы;
- объединить буквы по парам;
- двойные буквы разделить знаком «Х» или «Q»;
- при нечетном количестве символов добавить букву «Х» или «Q».
Далее нужно выполнить действия с парами букв по правилам:
- символы, которые находятся в квадрате Плейфера в одной строке, сместить на одну позицию вправо;
- символы, расположенные в матрице в одном столбце, сдвинуть на одну клетку вниз;
- символы, которые не соответствуют двум условиям выше, поменять местами, приняв их за углы прямоугольника в матрице Плейфера.
Применим метод к сообщению GitVerse. За кодовое слово возьмем название AI-помощника GIGA CODE. Результат кодирования: «IAQYLWRB».
Чтобы прочитать преобразованное сообщение, нужно использовать инверсию описанных правил. Шифр Плейфера сложнее для расшифровки, чем квадрат Виженера и более старые шифры.
Машина «Энигма»
Переносная машина для криптографии, запатентованная в 1918 году. Прибор использовали немцы во Вторую мировую войну для обмена секретными сообщениями.
Машина была оснащена клавиатурой, несколькими роторами, рефлектором и коммутаторами. Роторы отвечали за полиалфавитное кодирование. Каждый из них имел свои настройки, и разные комбинации роторов давали разные алгоритмы криптографии. Рефлектор применял метод парного кодирования, а коммутаторы предоставляли возможность использовать дополнительный парный шифр в произвольной настройке.
Чтобы зашифровать сообщение, нужно было установить комбинацию трех роторов, которые инициализировали ключ. Оператор во время кодирования вставлял в коммутационную панель кабели коммутатора, таким образом задавая новый алгоритм парного кодирования. На каждую букву исходного сообщения машина показывала оператору букву, соответствующую комплексным настройкам шифра.
Количество возможных комбинаций роторов — 60. Ключей, созданных на уровне роторов, может быть более миллиона. А благодаря рефлектору и коммутаторам число способов настройки машины составляло 158 962 555 217 826 360 000 к 1. Расшифровка «Энигмы» стала одной из ключевых операций союзных сил.
Современные шифры
Развитие алгоритмов криптографии оказало большое влияние на современные технологии безопасности. На основе простых методов и их комбинаций создавались все новые способы защиты сообщений.
Симметричное шифрование
Метод использует один и тот же секретный ключ для кодирования и восстановления данных. Алгоритмы делятся на два типа:
- блочные — позволяют зашифровать информацию фиксированными блоками (например, по 128 бит);
- потоковые — меняют каждый бит по основе секретной последовательности ключа.
Примеры блочных алгоритмов:
- AES;
- ГОСТ 28147-89;
- RC5;
- Blowfish;
- Twofish.
Примеры потоковых алгоритмов:
- RC4;
- Salsa20;
- HC-256;
- WAKE.
Метод широко используется в системах безопасности за счет скорости и эффективности кодирования. Недостаток — уязвимость на этапе передачи ключа между отправителем и получателем.
Асимметричное шифрование
Метод использует два разных ключа:
- открытый — чтобы зашифровать исходную последовательность символов;
- закрытый — чтобы восстановить исходник.
Известные примеры — криптосистема RSA, криптография с эллиптической кривой (ECC).
Асимметричные алгоритмы лежат в основе работы электронных подписей, шифрования email и SSL/TLS.
Хеширование
Преобразование данных любого объема в необратимый хеш-код фиксированной длины. При замене хотя бы одной буквы в исходном документе получается абсолютно новый хеш.
Метод можно использовать для создания паролей, проверки целостности информации, в работе с ЭЦП. Примеры реализации — MD5, SHA-1, SHA-256.
Роль шифрования
Применение средств криптографии снижает риски утечки, повреждения или искажения данных при передаче и хранении. Шифрование позволяет контролировать доступ к информации, обеспечивает конфиденциальность и безопасность в коммуникациях, финансовой и других сферах.
Заключение
Мы совершили путешествие в захватывающий мир криптографии: от простых шифров древности до мощных современных алгоритмов. Кодирование информации играет важную роль в защите данных и сохранении конфиденциальности в цифровой среде.