Что такое криптография и как работают секретные коды для защиты данных

Криптография — наука о методах шифрования. Еще до нашей эры Юлий Цезарь использовал шифры для засекречивания своих посланий и защиты информации от противника. Шифры и коды сегодня используют в секретной переписке на уровне государства и в бизнесе. В основном используются два способа шифрования:

• подмена букв, цифр или других знаков в тексте;
• перестановка порядка букв в текстовом сообщении.

На основе этих двух способов можно создать бесконечное число вариантов шифрования.

Криптография изучает методы хранения и передачи данных в определенной форме. Это наука, которая существует уже тысячи лет. Только те, для кого предназначена эта информация, могут ее прочитать и обработать.

На криптографии базируется весь современный обмен информацией. Сегодня она применяется не только для защиты данных от кражи, но и может использоваться для аутентификации пользователей.

Популярные шифры и алгоритмы шифрования

Чтобы перейти к знакомству с популярными алгоритмами шифрования, давайте разберемся в терминологии.

Шифрование — использование математических и логических алгоритмов, чтобы преобразовать сообщение и защитить его от прочтения теми, кому оно не адресовано.

Шифр — алгоритм преобразования сообщения.

Ключ — содержит секретную информацию, которая используется для шифрования/расшифрования сообщения.

Квадрат Полибия

Квадрат Полибия или шахматная доска — метод шифрования с заменой символов.

Чтобы зашифровать текст, используется таблица с вписанными буквами алфавита.

Таблица для английского алфавита:

Таблица для русского алфавита:

Если буквы в таблицу записывать не подряд, а в произвольной форме — это и будет ключ (Password). Он не должен иметь повторяющихся символов. Все остальные буквы можно вписать в таблицу по порядку.

Методы шифрования:

1. Замена символа на соседний снизу.

Исходная буква заменяется буквой снизу в том же столбце.

2. Преобразования сообщения в координаты.

Запишем в таблицу координаты букв нашего сообщения:

Дальше все выписанные координаты читаются подряд и преобразуются в новый зашифрованный текст:

Шифр Цезаря

Шифр Цезаря — моноалфавитный шифр подстановочного типа. Одна буква меняется на другую, которая смещена на несколько позиций.

Предположим, сдвиг равен трем. Например, буква А смещается и превращается в Г, Б — становится Д и так далее.

Исходный текст:

Производим замену каждой буквы исходного текста на букву шифрованного алфавита:

Квадрат Виженера

Шифр Виженера — полиалфавитное шифрование с использованием ключа. Состоит из последовательности нескольких шифров Цезаря с разными значениями смещения. Чтобы зашифровать текст, воспользуйтесь таблицей алфавитов:

Для латинского алфавита таблица состоит из 26 строк, а каждая следующая строка смещается на определенное количество позиций. Таблица Виженера — это 26 шифров Цезаря.

Например, наш текст:

Ключ записывается так, чтобы его длина была равна длине исходного текста:

Символ А соответствует первому символу ключа L. Если обратиться к квадрату Виженера, то на пересечении столбца L и строки A находится символ L, на пересечении столбца E и строки T — символ X.

Полиморфизм в криптографии

Полиморфизм является частью криптографии. Его активно используют в компьютерном шифровании, где алгоритм может изменяться и модифицироваться после каждого выполнения. Алгоритмы могут выдавать разные шифры для одной и той же информации, зашифрованной несколько раз. Каждая итерация — это получение новых результатов.

Популярные алгоритмы шифрования

Обычно используются два основных алгоритма шифрования:

• Симметричный. Используется один ключ для шифрования и расшифровки (дешифрования) информации. Его преимущество — в простоте, а потому его часто используют для шифрования больших объемов информации. Подобные алгоритмы требуют меньшей вычислительной мощности и выполняются гораздо быстрее асимметричного способа.

• Асимметричный. Используется несколько ключей для шифрования и дешифрования. Они связаны друг с другом математическими вычислениями и представляют открытый и закрытый ключи. Преимущество асимметричного шифрования заключается в повышенной безопасности. Открытый ключ используется для шифрования данных и является общедоступным, а закрытый — для дешифрования. Этот способ часто используют для аутентификации пользователей.

Виды алгоритмов шифрования

Распространенные виды алгоритмов симметричного шифрования:

1. DES. Осуществляет разделение 64-битных блоков данных исходного текста на два 32-битных зашифрованного. Процесс шифрования применяется к каждому блоку отдельно. Зашифрованная информация проходит 16 циклов процессов, среди которых замена, перестановка, расширение.
2. 3DES или TDEA. Усовершенствованная версия DES-алгоритма. Длина ключа может составлять 112 или 168 бит.
3. AES. Использует методы перестановки и подстановки. Открытые данные формируются в блоки, а потом зашифровываются. AES — безопаснее и быстрее, чем DES. Преимущество — в возможности использования ключей разной длины: 128, 192 и 256 бит. Длинный ключ почти невозможно взломать. AES-алгоритм сегодня используется в VPN, протоколах безопасности сайтов SSL/TLS, шифровании файлов, беспроводной безопасности.

Распространенные виды алгоритмов асимметричного шифрования:

1. RSA. Главное преимущество этого алгоритма — масштабируемость. Могут использовать ключи 768, 1024, 2048, 4096 бит и дальше — по возрастанию. Используется в шифровании e-mail писем, сертификатах SSL/TLS. Криптосистема RSA стала первой системой, пригодной и для шифрования, и для цифровой подписи.
2. ECC.По сравнению с RSA в этом методе используются более короткие ключи, но алгоритм обеспечивает большую безопасность. Отличается более высокой производительностью. Требует меньших вычислительных мощностей и идеален для поддержки цифровых подписей, может обеспечивать быструю загрузку сайтов.

Квантовая криптография

Квантовая криптография — защита данных построенная на принципах квантовой физики. Квантовое шифрование основано на математическом доказательстве того, что ключи не могут быть взломаны.

Здесь используется протокол квантового распределения ключа BB84. Для кодирования данных используются четыре квантовых состояния носителей информации (двухуровневая система). Двухуровневая система: кубит — квантовый бит.

Кодирование состояний по протоколу BB84:

Это считается безопасным для установления связи и реализации криптографического протокола. Благодаря этому две стороны могут создать общий закрытый ключ.

Возможно, уже близко время, когда криптография будет основываться не на математических вычислениях, а на квантовой физике. Основы криптографии и достижения в области физики частиц скоро могут позволить использовать квантовую механику для отправки сообщений, полностью защищенных от взломов. Вполне возможно, что квантовый метод обмена информацией придет на смену нынешней криптографии.