У людей всегда были секреты и тайны – информация или знания, которыми они не хотели делиться с другими. Но как сохранить возможность обмена информацией, не раскрывая ее содержимое другим? Решение было найдено еще в 30-40 гг. до н.э – достаточно зашифровать сообщение так, чтобы оно было понятно только заинтересованным лицам.
Считается, что первым шифром стал знаменитый шифр Цезаря – способ записи информации, которую было невозможно прочесть посторонним без соответствующего ключа расшифровки.
Но попытки скрыть тайные послания появились задолго до Цезаря. Греческий политик и тиран Милета, живший на рубеже V и VI в н.э., придумал, как передать информацию через посланника, чтобы враждебно настроенные персы об этом не узнали. Он приказал написать тайное письмо на голове раба, который должен был стать вестником. Голову побрили, информацию записали, а потом, дождавшись когда у раба отрастут волосы, отправили его на задание. Персам не приходило в голову искать содержание письма под волосами.
Еврейский Атбаш
Создатели этого простого базового шифра не вписали себя на страницах истории, известно только, что этот метод написания зашифрованного сообщения использовался в древности, приблизительно 500 лет до н.э. Известно также, что этот шифр имеет ивритское происхождение, что отражается и в его названии.
В еврейском алфавите первая и вторая буквы – это Алеф и Бет, а последние две буквы – Шин и Тау. Замена в шифре Atba происходила очень просто: первая буква алфавита заменялась последней, вторая – предпоследней и так далее. Отсюда и название: A-T B-S, Алеф переходит в Тау, Бет переходит в Шин.
Из-за такого способа перестановки букв, этот шифр иногда называют “зеркальным”. Конечно, “взломать” его тривиально просто и большинство из нас смогли бы сделать это без помощи компьютера.
Спартанские скитала
Skytale – это перестановочное шифрование, идея которого проста: в зашифрованном тексте (в шифре) находятся те же символы, что и в обычном алфавите, но порядок символов другой. Как можно догадаться – они расположены по какому-то ключу.
Шифрование заключалось в следующем: бралисьдлинные полоски из пергамента с шифрованным текстом, которые наматывались на палку (получатель сообщения должен был иметь идентичную палку!). Получатель расшифровывал сообщение с помощью собственной палочки (поэтому они должны быть идентичны), обертывал пергаментную планку с написанными на ней буквами и считывал информацию. Ключом шифрования являлась сама палка, которую должны были правильно использовать проинструктированные спартанские чиновники.
Шифр Цезаря
Его часто считают самым старым шифром, в котором буквы простого текста преобразуются в шифрованный текст путем перемещения их на определенное количество символов в алфавите. Это число не предопределено, но как только оно определено, то должно быть постоянным в закодированной информации.
Современным вариантом шифра Цезаря является шифр ROT13, в котором каждая буква простого текста перемещается на 13 символов, в результате чего получается шифр (секретный текст). Почему 13? Латинский алфавит состоит из 26 символов, сдвиг на 13 – это половина алфавита, и в результате функция ROT13 является собственной обратной функцией. Проще говоря, сегодня мы используем ту же самую технику (тот же самый алгоритм) для шифрования и расшифровки сообщений.
Шифр Вернама
Еще до эпохи компьютеров и машин, таких как “Enigma”, американский инженер разработал одноразовый код. Это был единственный шифр, который математически доказал свою полную эффективность. Проще говоря, если все правила протокола шифрования с одноразовым кодом использовались правильно, зашифрованное сообщение, даже сегодня с помощью самых мощных компьютеров, не могло быть взломано без знания ключа шифрования/дешифрования!
Если это так, то зачем нам нужны другие шифры? Здесь стоит обратить внимание “при правильном использовании”. То, что данный шифр полностью эффективен и устойчив к любым атакам, не означает, что его легко внедрить. Во время холодной войны одна небольшая ошибка советского шифра дала возможность американцам расшифровать десятки тысяч страниц зашифрованных сообщений и документов, отправленных посольством СССР.
Но вернемся к идее Вернама. Шифр использует одноразовый ключ, содержащий совершенно случайный (это важно!) набор символов для кодирования сообщения определенной длины. Каждый символ сообщения закодирован другим символом. После шифрования и отправки сообщения ключ уничтожается (еще одна важная деталь), и ни одно из последующих сообщений не может быть похожим на него (в математическом смысле). Получатель, имеющий тот же ключ, расшифровывает сообщение, а затем уничтожает ключ. Любой, кто перехватит сообщение, без ключа расшифровать его не сможет.
Но недостатком такого решения является необходимость согласования между сторонами о наборе ключей, что очень непрактично. Этот шифр, благодаря своей 100%-ной эффективности, используется в узких, редко используемых и сверхсекретных каналах связи, например, для “горячей линии” между президентами Соединенных Штатов и Российской Федерации.
Enigma
Enigma – это полевая шифровальная машина немецкой армии, которая также использовалась многими странами как в административных, военных, так и в коммерческих целях. Она была создана в 1920 году, за 13 лет до прихода Гитлера к власти и почти за два десятилетия до ВМВ.
Enigma – это роторное оборудование, использующее ряд символов для шифрования информации, но его преимущество, в отличие от более ранних шифров, в том, что смещение алфавита не фиксировалось, а зависело от порядка расположения роторов (барабанов с символами), их текущей установки оператором, а также от электрических соединений между движущимися роторами. В результате появлялся шифрованный текст с помощью серии перестановочных преобразований, которые превышали вычислительные возможности того времени.
Шифры и компьютеры – новое качество шифрования
Появление компьютеров также привело к появлению совершенно новых, ранее не использовавшихся методов шифрования. В настоящее время мы имеем: симметричные алгоритмы и алгоритмы с открытым ключом.
Симметричные алгоритмы основаны на одном очень важном условии: обе стороны, использующие зашифрованный информационный канал, должны иметь один и тот же ключ. Недостаток такого метода очевиден – проблема управления ключами. Дело в том, что если для шифрования и расшифровки информации используется одинаковый ключ, он должен быть секретным. Конечно, есть способы сделать это, но в целом, такое шифрование становится серьезной проблемой.
Алгоритмы открытого ключа гораздо лучше подходят для обмена информацией. В этом случае требуется два ключа для шифрования: один – закрытый и другой – открытый ключ. И такую пару ключей должен иметь каждый, кто хочет использовать алгоритм открытого ключа для общения с другими.
Квантовая криптография
Использование квантовых компьютеров для шифрования и взлома шифров, с одной стороны, вызывает опасения, но и дает надежду. Почему опасения? Главным образом потому, что предполагается, что вычислительная мощность квантовых компьютеров будет достаточно велика для решения сложных математических задач. В результате, может оказаться, что любая организация, которая использует мощь кубитов, сможет расшифровать любую закодированную информацию без труда. Нет сомнений в том, что последствия будут, мягко говоря, значительными и де-факто изменят расстановку сил в мире.
Что интересно, алгоритмы для взлома шифров с помощью квантовых компьютеров уже существуют, например, это квантовый алгоритм факторизации Шора. Он опасен, потому что может взломать шифр RSA (алгоритм с открытым ключом), безопасность которого основана на сложности факторизации больших простых чисел.
Но квантовые компьютеры также дают надежду на быструю, легкую и в то же время абсолютно 100% безопасную форму зашифрованной связи. Квантовая криптография позволила бы кодировать информацию непосредственно в фотонах, используя их соответствующую поляризацию. Причем нерушимость такой связи гарантировалась бы запутанным состоянием частиц и самой природой реальности.
Попытка подслушивания квантовой коммуникации обречена на провал заранее, потому что любое вмешательство в квановую связь воздействует на частицы и нарушает сообщение. Это особенность нашей реальности и физическое свойство нашей вселенной.
