Людина – істота соціальна. Перебуваючи в суспільстві, він має потребу в спілкуванні із собі подібними. Отримані дані допомагають йому орієнтуватися у світі і виживати. Однак буває й таке, що одну і ту ж інформацію людина не може повідати різним людям. Наприклад, можна розповісти друзям про щось, але від батьків це краще приховати. Така проблема стосується не тільки сучасних підлітків. Протягом усієї своєї історії людство придумував різні способи шифрування даних. Криптографія є одним з них. Цим способом більше 4 тисяч років. Що таке криптографія і в чому полягають її особливості? Сьогодні будемо розглядати саме це питання.
Сторінками історії
«Тайнопис» – ось що таке криптографія. Можливо, таку назву придумали стародавні греки, так як цей термін складається з двох грецьких слів – “крифто” і “графо”, тобто, “приховую, ховаю” і “пишу”. Це наука, що спеціалізується на передачі секретних повідомлень. Перший науковий твір про криптографії належить Енею Тактику. Ще перші стародавні цивілізації намагалися розробити надійні системи захисту таємних послань. Перші такі системи були створені в Китаї, а ось шифруванням даних займалися ще в Стародавньому Єгипті і Месопотамії.
Особливо активно криптографія розвивалася в епоху Середньовіччя. Тоді шифровками користувалися купці і дипломати. Золотим століттям тайнопису стала епоха Відродження, тоді Френсіс Бекон вивчав, що таке криптографія і в чому полягає її практичне застосування. Саме він описав 7 методик прихованого тексту і запропонував двійковий спосіб шифрування. Її аналог використовується в сучасному програмуванні.
Сильно вплинуло на розвиток криптографії поява телеграфу. Тоді передана інформація перестала бути секретною, і відправники зосередили свою увагу на шифрування повідомлень.
Воєнний і повоєнний час
В період Першої світової війни криптографію визнали справжнім бойовим інструментом. Перехоплювали військові зашифровані повідомлення супротивника, розшифровували їх і отримували суттєву перевагу. Друга світова війна послужила розвитку комп’ютерних систем через криптографію. Саме під час використання шифрувальних машин громадськість усвідомила всю важливість інформаційного контролю.
Після закінчення військових дій у багатьох країнах на криптографію був накладений мораторій. Профільна література друкувалася нелегально або у вигляді абсолютно секретних доповідей. Тільки в 1967 році впала урядова монополія. Тоді вийшла книга Девіда Кана «Зломщики кодів». У ній докладно розглядалася історія криптографії і шифрування. Після відкритої публікації цієї книги стали з’являтися інші роботи, що сформувало абсолютно новий підхід до цієї науки.
Історичні способи шифрування
За час існування тайнопису людство придумало безліч способів секретного листа. Деякі з цих методів використовувалися ще в глибоку давнину. Наприклад, симпатичні чорнило. Вони мають властивість зникати після написання, а деякі є невидимими з самого початку. Одержувач, якому прийшов лист, написаний такими чорнилом, може зробити їх видимими, обробивши документ хімічними реактивами або освітивши ультрафіолетовими променями.
Ще один вид шифрування називається стеганографія. Вона ґрунтується на тому, що у великому тексті «розчиняється» послання, абсолютно не відповідає загальному змістом документа. Потрібно лише отримати з цього тексту символи, згідно з визначеним принципом (наприклад, другий знак кожної пропозиції або третю літеру кожного слова), тоді можна прочитати таємне повідомлення.
Криптографія – це процес перетворення повідомлень за певними правилами, які роблять текст безглуздим набором символів для людини необізнаної. Це практична дисципліна, яка вивчає і розробляє методи шифрування. Ось що таке криптографія.
Знання
Займатися шифруванням неможливо без хороших знань в інших науках. Так, криптографія та математика невід’ємні одне від одного. Зокрема, потрібно знати теорії чисел, теорії алгоритмів, розбиратися в абстрактній алгебрі. Також не варто забувати про те, що криптографічні методи створені для безпосереднього практичного застосування. Теоретичні алгоритми можуть піддатися атакам, які не передбачені конкретної математичної моделлю. Тому спочатку треба проаналізувати абстрактну математичну модель, а після охарактеризувати дію отриманого алгоритму на практиці. Крім математики в криптографії і шифруванні важливо мати уявлення про цієї предметної області, а це не тільки знання шифрів, але і знання в суміжних областях даної дисципліни.
Шифрування і дешифрування
Як вже було сказано, криптографія – це наука про спосіб перетворення інформації в шифр. Але є і друга сторона процесу – перетворення шифру в інформаційне послання. Цим займається криптоаналіз. Вивчати його також надзвичайно цікаво.
Криптографія та криптоаналіз можна вважати двома частинами однієї науки – криптології. Ці дисципліни вивчають способи шифрування, але з різних сторін. Неможливо вивчати одне без іншого. Це дійсно безглуздо, знати, як розробити шифр, але не розуміти, що зашифровано в інших повідомленнях. Таким чином, з’являються нові поняття для розгляду:
Шифрування – це процес застосування шифру до інформації, яку треба засекретити.
Дешифрування – зворотний процес шифрування, тобто переклад засекреченого повідомлення у вихідний текст.
Ці алгоритми хоч і відрізняються один від одного, але в деяких моментах можуть збігатися. У комбінованих блокових шифрах, таких як ГОСТ 28147-89 або DES, алгоритми практично ідентичні. Вони відрізняються тільки порядком використання ключових елементів (ключів). Як приклад, можна привести роботу з шифром Хілла, де літери змінюються на числа, які і є ключем. Отже, процес шифрування буде полягати в заміні букв на числа, а дешифрування – у заміні чисел на літери.
Під ключами прийнято розуміти перманентні параметри шифрів, які забезпечують вибір одного преобразовывающего варіанту з сукупностей всіх можливих. Використовуючи поняття ключа, процеси шифрування і розшифровки зазвичай описують як співвідношення:
Тут символом P позначають вихідне (відкрите) послання. З – це зашифроване послання. F – алгоритм шифрування, g – алгоритм розшифровки. k1, k2 – це ключі шифрування і розшифровки, що відомі відправнику та адресату. По суті, на цих формулах і базуються основи криптографії.
Які бувають шифри
Що стосується шифрів, то вони мають декілька варіантів класифікацій:
- Область застосування. Бувають шифри обмеженого і загального користування. Другі більш стійкі завдяки наявності секретного ключа. Стійкість обмеженого шифру базується на секреті алгоритму криптографічного перетворення.
- Алгоритми шифрування. Існують одноключевые шифри, де для шифрування і розшифровки використовують один і той же ключ. До них відносять наступні шифри:
- Перестановки – літери видимого тексту змінюють свої позиції, але залишаються в шифрограмі.
- Заміни – символи відкритого тексту замінюються іншими, а засекречене повідомлення залишається видимим (досить ризикований хід, який не раз вводив противника в подив).
- Адитивні шифри – літери змінюються на цифри, а потім до них додають числа випадкової числової послідовності.
- Квантова криптографія – процес передачі повідомлень об’єктами квантової механіки, наприклад, електронами або фотонами. Також існують двохключові системи шифрування, де використовуються одразу два ключа і комбіновані методи кодування.
- Кількість символів. Поділяють потокові шифри (перетворюють окремі символи) і блочні (процедура застосовується до набору букв).
- Стійкість. По даному параметру шифри прийнято поділяти на три групи: вчинені (не піддаються розтину), практично стійкі (розсекретити інформацію за відведений кількість часу неможливо), і нестійкі.
Атака і вимоги
Сьогодні неможливо дати вичерпну оцінку стійкості кожного окремого шифру, але їх надійність перевіряється експериментальними методами. Не потрібно забувати, що якість захисту даних багато в чому залежить від людського чинника, тобто від кваліфікації криптоаналітиків. Вихідний шифр перед застосуванням піддають різним атак. Це називається перевірка стійкості. Її проводять, виходячи з припущення, що зловмисник знає алгоритм перетворення, але не знає ключа.
Ніхто не стане заперечувати, що деяка інформація, що передається, може нести загрозу громадськості, якщо надати її розголосу. Саме тому вона потребує високого рівня секретності. Зараз, коли комп’ютерні технології вже міцно впровадилися в повсякденне життя кожного третього громадянина, інформаційна захищеність стала більш вразливою. Тому з кожним роком посилюються вимоги до криптографічних систем:
- Складність шифрування повинна прямо залежати від важливості інформації, що передається.
- Витрати часу та фінансів повинні бути прийнятними для конкретного рівня секретності.
- Процедури шифрування і розшифровки не повинні залежати від довжини тексту.
- Кількість можливих ключів повинно бути таким, щоб повний їх аналіз був неможливим за прийнятне для зловмисника час, навіть якщо він використовує сучасні інформаційні технології та розподільні обчислення.
- Кожен ключ має гарантувати захист даних.
- Невелика зміна ключа повинна приводити до повного або істотної зміни повідомлення.
- Довжина шифру не повинна перевищувати довжину вихідного тексту.
- Тільки при використанні ключа засекречене повідомлення повинне піддаватися читанню.
Сучасні методи засекречування інформації
У цій дисципліні розрізняють два основних методи приховування вихідного повідомлення.
Шифрування – це приватний спосіб засекречування інформації, при якому використовується ключ. Кодування – представляє інформацію в альтернативному виді, наприклад, у вигляді чисел або символів. Це свого роду шифрування, де немає ключів. Воно побудоване на алгоритмах кодування або кодової таблиці.
Прийнято розрізняти загальнодоступні і секретні кодові системи. Загальнодоступні системи призначені для зручної передачі, зберігання та використання інформації. Наприклад, штрих-коди або азбука Морзе. Секретні застосовуються для забезпечення повної конфіденційності інформації державних і військових установ. Сьогодні деякі фірми, які воліють приховування інформації про свою діяльність, повинні отримати ліцензію ФСБ на шифрування і криптографію.
Право на секрет
Пояснимо, які повинні бути документи, які дозволяють окремим особам або організаціям засекречувати інформацію про своєї діяльності. Ліцензія ФСБ на криптографію – це документ державного зразка, який дає можливість юридичній особі розробляти і поширювати криптографічні засоби. Основним документом, який курирує цей процес, є Постанова Уряду РФ від 16.04.2012 р. №313. Він носить назву «Про затвердження Положення про ліцензування діяльності з розроблення криптографічних засобів».
Як бачимо, не така це проста справа – приховувати якусь інформацію. Все має бути законно. Ліцензія на криптографію і шифрування оформляється заявником, у якого є засоби криптографічного захисту інформації. В основному, такими об’єктами прийнято вважати:
- Пристрої, які відтворюють алгоритми шифрування.
- Захисні програми, які можуть зберегти інформацію від некоректних даних.
- Електронні підписи.
- Пристрої кодування, де частина операцій виконується вручну.
- Пристрої, які виготовляють ключові документи.
- Електронні документи (копії паперових носіїв).
- Засоби для шифрування і переробки даних.
- Шифровальное обладнання з відповідною комплектацією.
Варто відзначити, що останнім часом ліцензію на криптографію стали вимагати у майстрів, які займаються установкою тахографів та передачею карток. Дозвіл на застосування шифрування потрібно в тому випадку, коли фірма або фізична особа займається передачею криптографічних засобів або передачею захищених інформаційних і телекомунікаційних систем, а також при передачі коштів виготовлення ключів. У таких випадках необхідно обов’язково мати дозвіл ФСБ. Криптографія володіє засобами засекречувати інформацію і в цілях державної безпеки. Будь-який суб’єкт чи структура, які займаються шифруванням даних, зобов’язані одержати на це дозвіл.
Олімпіади
Для багатьох може здатися, що криптографія – це досить складна дисципліна, яку можуть осягнути тільки обрані. Проте щороку за підтримки Академії ФСБ Росії проводиться Міжрегіональна олімпіада з математики і криптографії. У ній можуть брати участь школярі 9-11 (8-11) класів.
Олімпіада з криптографії проводиться з метою виявлення в учнів здібностей та інтересу до наукової діяльності. Також це допомагає створити сприятливі умови для інтелектуального розвитку школярів. Оскільки у проведенні олімпіади з криптографії нерідко приймають участь Внз, можна заздалегідь визначитися з тим, куди поступати для подальшого навчання після закінчення школи.
Є відома фраза: «Хто володіє інформацією, той володіє світом». У сучасному світі вируючих інформаційних потоків складно знайти необхідні дані, але ще складніше їх приховати. Тому криптографія сьогодні надзвичайно затребувана і популярна.
