Криптография как метод кодирования и декодирования информации
26.05.2022
Научная работа по теме «Криптография как метод кодирования и декодирования информации» ученика МБОУ Школа № 75 ГО г.Уфы Макарова Ильи Александровича.
Криптография. Актуальность, цели, задачи работы
Криптография — это наука о способах и методах шифрования информации. Учитывая, что мы живём в XXI веке – веке информации и информационных технологий, обеспечение конфиденциальности информации посредством шифрования является важной составляющей современного мира.
Гипотеза: в XXI веке возможно сохранить конфиденциальность информации. в анные от раскрытия невозможно при несоблюдении пользователем базовых правил безопасности в интер
Цель: рассмотреть криптографию, как метод кодирования и декодирования информации.
Задачами научной работы являются:
- Изучить понятие «криптография».
- Познакомиться с историей криптографии.
- Освоить основы криптографии, виды шифрования информации.
- Познакомить с криптографией, как наукой в современном мире.
- Написать код на языке программирования Python для кодирования и декодирования информации, использую шифр Цезаря.
В современном мире люди постоянно внедряют новые цифровые технологии в различные сферы жизни. Бумажный школьный журнал заменил электронный дневник, а врачи вносят данные болезни уже в электронные медицинские карты.
Люди в XXI веке всё больше начинают пользоваться новыми цифровыми гаджетами, которые существенно упрощают жизнь. Зачем идти в банк, если большинство операция можно совершить через Интернет-сайты банков?
Криптография и шифрование
Цифровизация мира требует усиленного контроля за данными, ведь никто не хочет, чтобы доступ к важному документу или личной переписке получили третьи лица.
Пользователи, как правило, не задумывается, что же происходит с информацией, когда они, например, отправили другу сообщение или получили письмо по электронной почте.
При отправке данных, в целях безопасности, они шифруются. После получения информации адресатом она расшифровывается.
Всё это изучает криптография — наука, которая призвана обеспечить конфиденциальность данных путем шифрования и сохранить их целостность. В связи со всеми вышеперечисленными факторами, криптография очень востребована в современном мире, а её изучение в данный момент считает перспективным.
Шифрование — это процесс изменения данных, при котором они становятся бесполезными для третьих лиц.
Исходный текст преобразовывается на основе определённого алгоритма или ключа в зашифрованный текст. Ключ – секретный набор данных, с помощью которых можно зашифровать, а затем расшифровать информацию.
В современной криптографии выделяют несколько наиболее распространённых алгоритмов шифрования:
- симметричный
- ассиметричный
- хеш-функции
Симметричное шифрование – единственный способ до изобретения ассиметричного шифрования. Он предполагает использовать пары ключей, которые одинаковы и заранее известны обоим участникам переписки.
Ассиметричное шифрование предусматривает использование двух разных пар ключей у участников обмена информацией – открытого и закрытого (секретного). Открытый передаётся по незащищённому каналу, закрытый хранится в секрете у одного из участников переписки. Расшифровать информацию, закодированную открытым ключом, можно только зная закрытый.
Хеш-функция — функция, которая преобразует входные данные в битовую строку установленной длины по определённому алгоритму. Главное особенность хеш-функций – необратимость, она работает лишь в одну сторону.
Симметричное и ассиметричное шифрования рассмотрено более подробно в своей работе дальше.
История криптографии
История криптографии насчитывает около 4 тысяч лет. Есть данные, что криптография вместе с письменностью, и способы тайной передачи информации были известны уже древним цивилизациям Индии, Египта и Месопотамии. Например, автор таблички с рецептом для изготовления глазури для гончарных изделий из Месопотамии использовал редкие обозначения, пропускал буквы, а имена заменял на цифры, чтобы скрыть написанное. В последствии имеются различные упоминания об использовании криптографии, чаще всего это относится к использованию в военном деле.
Древний мир
Так как люди умеют шифровать информацию ещё с древних времён, я рассмотрю наиболее популярные и известные шифры, используемые в Древнем мире.
Древний Египет
Самый древний текст с элементами криптографии найден в гробнице древнеегипетского вельможи Хнумхотепа II, жившего почти 4000 лет назад. Среди иероглифов были использованы несколько необычные символы, которые скрывают прямое значение текста. Такой метод шифрования — шифр подстановки, который заключает в себе замену элементы исходного текста на другие по определённым правилам. Такие шифры получили название – моноалфавитные.
Древняя Греция
Скитала является одним из древнейших известных криптографических устройств. Известно, что она использовалась в войне Спарты против Афин в конце V века до н. э.
Скитала представляла собой длинный стержень, на который наматывалась лента из пергамента. На неё наносился текст вдоль оси устройства. После разматывания пергамента, текст становился нечитаем. Для его восстановления требовалась скитала такого же диаметра (рис. 1).
Позже скиталу взломал Аристотель с помощью конусообразной палки.
В середине IV века до н.э. Эней Тактик написал книгу «Об осаде городов», в которой представил несколько способов передачи зашифрованной информации. Один из них — диск Энея (рис. 2).
По краю диска сверлили отверстия по числу букв в алфавите, каждое из них соответствовало определённой букве. В центре диска также были отверстия. Чтобы зашифровать сообщение, отправитель должен был продеть нить через нужную прорезь-букву, а по окончании слова — через одну из центральных. Диск с нитью отправляли получателю. Он знал, где находится первая буква алфавита, поэтому без труда определял другие буквы. Чтобы расшифровать текст требовалось разматывать нитку и постепенно текст.
Чтобы узнать содержание послания, нужно было прочитать его справа налево.
Позже Эней Тактик усовершенствовал своё устройство.
Принцип остался тот же, но добавилась начальная прорезь. В месте прохождения нити через отверстие завязывали узелок, затем нить возвращали в начальную прорезь и тянули до следующей буквы. После нить извлекали и отправляли адресату.
Адресат имел ту же линейку проделывал всё в обратном порядке, получая зашифрованное сообщение.
Главное преимущество линейки перед диском – передавался лишь текст (нить) без самого устройства, что усложняло взлом шифра.
Древний мир
Шифр Цезаря – наиболее популярный шифр, о котором слышал почти каждый. В нём каждая буква алфавита циклически сдвигается на определённое число позиций. Ключ шифрования – величина сдвигов (рис. 3).
Приведу пример, используя в качестве ключа сдвиг на одну букву, то есть все буквы «А» будут заменены на «Б», «Б» на «В» и так далее.
Исходное слово – «лес», заменив каждую букву на следующую (так как сдвиг равен одну), получаю «мёт».
Средние века и Эпоха Возрождения
В Средние века криптография — в основном, моноалфавитные шифры — начинает широко использоваться дипломатами, купцами и даже простыми гражданами. Постепенно, по мере распространения техники частотного криптоанализа, шифры усложняются.
В эпоху Возрождения люди уделили больше внимание изобретению шифров, а не шифровальных устройств.
Значительный вклад в криптографию сделал Леон Альберти. Известный философ, живописец, архитектор, в 1466 году написал труд о шифрах. В работе он предложен шифр, который основывается на шифровальном диске.
Шифровальный диск представлял собой пару дисков разного диаметра. Больший из них – неподвижный, он разделен на 24 равных сектора, в которые записаны 20 букв латинского алфавита в их порядке и 4 цифры от 1 до 4. Меньший диск – подвижный, по его окружности, разбитой также на 24 сектора, были вписаны все буквы смешанного латинского алфавита.
Механическое устройство имело много различных способов подстановки символов. Это основная концепция полиалфавитного шифра, в котором метод шифрования меняется непосредственно в процессе шифрования, основываясь на определённом правиле.
В эпоху Возрождения были изобретены шифры многоалфавитной замены, впервые использовали метод двойного шифрования. Некоторые шифры того времени люди не могли разгадать столетиями. Многие шифры послужили основой для будущих методов криптографии.
Новое время и современная криптография
Промышленный переворот не обошёл стороной и криптографию. В 1790 г. Томас Джефферсон создал дисковый шифр, который позже назвали цилиндром Джефферсона. Устройство основывалось на роторной системе, это позволил автоматизировать процесс шифрования. Этот прибор стал первым криптоустройством Нового времени.
Ближе ко Второй мировой войне крупные страны использовали электромеханические шифраторы. Шифры устройств в то время считали невскрываемыми. Устройства были роторными, как шифровальная машина «Энигма». С помощью «Энигмы» сообщения шифровали войска Германии и ее союзники.
Принцип работы «Энигмы»: при нажатии на клавишу с буквой алфавита в движение приходили один или несколько роторов. Буква изменялась несколько раз по принципу шифра Цезаря, а в окошке выдавался результат. Шифры «Энигмы» считались самыми стойкими для взлома, так как количество ее комбинаций достигало 15 квадриллионов. Однако код «Энигмы» все же был расшифрован, сперва польскими криптографами в 1932 году, а затем английским ученым Аланом Тьюрингом, создавшим машину для расшифровки сообщений «Энигмы» под названием «Бомба».
В 1945 году Клод Шеннона выпускает свой труд «Математическая теория криптографии» в секретном варианте. Позже он был рассекречен и опубликован в США в 1949 году. В 1963 году по инициативе А. Н. Колмогорова сборник работ К. Шеннона был издан и на русском языке. Впоследствии криптография полностью перешла в раздел математики.
С появлением электронных вычислительных машин появляются новые возможности, мощности устройств позволяют создавать более сложные и надёжные способы кодирования информации, криптография выходит на новый уровень.
Экономист по первому образованию и учитель информатики по второму. Преподаю в школе информатику, программирование, сайтостроение, экономику.