Шифр как система тайнописи¶

Шифр — это система преобразования информации с целью её сокрытия от посторонних лиц или защиты от несанкционированного доступа. В узком смысле под шифром понимают совокупность обратимых правил (алгоритм и ключ), по которым открытый текст превращается в зашифрованный и обратно. В широком смысле термин охватывает также исторические системы тайнописи, шифровальные устройства и методы криптоанализа, направленные на их раскрытие.

¶Общие сведения

Шифрование относится к области криптографии — науки о методах обеспечения конфиденциальности и целостности информации. Любой шифр предполагает наличие двух процедур: зашифрования (преобразование открытого текста в шифртекст) и расшифрования (обратное преобразование). Устойчивость шифра определяется стойкостью — способностью противостоять раскрытию при известном алгоритме, но неизвестном ключе.

Основные требования к современному шифру: обратимость, стойкость к криптоанализу, эффективность реализации и устойчивость к ошибкам передачи. Важнейший принцип, сформулированный в XIX веке, — надёжность шифра должна определяться только секретностью ключа, а не секретностью алгоритма.

¶История

Простейшие приёмы тайнописи известны с древности. В Древней Спарте применялся скитала — цилиндр, на который наматывалась лента; буквы читались только при намотке на цилиндр того же диаметра. Юлий Цезарь использовал сдвиг алфавита на фиксированное число позиций, известный как шифр Цезаря.

В Средние века и Новое время шифры применялись в дипломатии и военном деле. В России тайнопись использовалась в дипломатической переписке уже в XVI–XVII веках; при Петре I создаются первые государственные шифровальные службы. Значительный вклад в теорию внёс русский учёный XIX века, а систематическая научная криптография сформировалась в XX столетии.

¶Классификация

Шифры делят по нескольким признакам.

По типу ключа:

• Симметричные — один и тот же ключ используется для зашифрования и расшифрования.
• Асимметричные — применяются два ключа: открытый для шифрования и закрытый для расшифрования.

По характеру преобразования:

• Шифры замены (подстановки) — символы открытого текста заменяются другими по определённому правилу.
• Шифры перестановки — символы меняют порядок без изменения самих знаков.
• Аддитивные (гаммирование) — к тексту добавляется последовательность знаков (гамма).
• Комбинированные — сочетают несколько методов.

¶Примеры шифров

В России действует国家标准 в области шифрования — серия ГОСТ, регламентирующая алгоритмы блочного и потокового шифрования.

¶Устройство и техника

Исторически применялись механические шифровальные машины. Наиболее известна немецкая «Энигма», использовавшаяся в годы Второй мировой войны; её раскрытие стало одной из крупнейших операций криптоанализа. В СССР и России разрабатывались собственные шифровальные средства, в том числе для правительственной связи.

В современности шифрование реализуется программно и аппаратно: в процессорах, смарт-картах, сетевых протоколах. Широко применяются блочные и потоковые шифры, хеш-функции и протоколы обмена ключами.

¶Применение

Шифры используются в защите государственной тайны, банковских операций, интернет-связи (HTTPS), мобильной связи, электронной подписи и хранения данных. В России применение шифровальных средств регулируется законодательством, а отдельные виды деятельности подлежат лицензированию.

¶Криптоанализ

Криптоанализ — дисциплина, изучающая методы раскрытия шифров без знания ключа. Основные подходы: частотный анализ, атаки на основе известного или подобранного открытого текста, перебор ключей, математические атаки на алгоритмы. Развитие вычислительной техники сделало многие исторические шифры нестойкими, тогда как современные стандарты рассчитаны на противодействие мощным вычислительным системам.

¶Значение

Шифры лежат в основе информационной безопасности, обеспечивая конфиденциальность, целостность и подлинность данных. Их роль возрастает с развитием цифровых коммуникаций, электронной коммерции и государственных информационных систем.

Источники: учебные пособия по криптографии, стандарты ГОСТ в области шифрования, исторические работы по тайнописи и криптоанализу.