Авторизация



Войти

Регестрация

Что такое криптография?


foto

С древних времен люди полагались на криптографию, искусство написания и решения закодированных сообщений, чтобы сохранить свои секреты в безопасности. В пятом веке зашифрованные сообщения были начертаны на коже или бумаге и доставлены человеком-посланником. Сегодня шифры помогают защитить наши цифровые данные, когда они проникают в Интернет. С появлением квантовых компьютеров на горизонте криптографы используют возможности физики для создания самых надежных на сегодняшний день шифров.



Исторические методы хранения секретов

Слово «криптография» происходит от греческих слова «криптос», что означает «скрытый». Вместо того, чтобы физически скрывать сообщение от глаз противника, криптография позволяет двум сторонам общаться на виду, но на языке, который их противник не может прочитать. Чтобы зашифровать сообщение, отправитель должен манипулировать контентом, используя некоторый систематический метод, известный как алгоритм. Исходное сообщение, называемое открытым текстом, может быть зашифровано, поэтому его буквы располагаются в непонятном порядке, или каждая буква может быть заменена другой.


В греческом периоде, согласно центру криптологической истории, спартанские военные шифровали сообщения, используя так называемую косу, которая состояла из тонкой кожаной полосы, обмотанной вокруг деревянного посоха. Развернутая полоса, казалось, несла цепочку случайных символов, но если ее обвивать посох определенного размера, буквы выстраивались в слова. Эта техника перестановки букв известна как шифр транспонирования. Чтобы использовать подстановку, отправитель меняет каждую букву в сообщении на другую, например, «А» может стать «Z» и так далее. Чтобы расшифровать такое сообщение, отправителю и получателю необходимо договориться о том, какие письма будут поменяться местами, так же, как спартанским солдатам нужно было владеть косой одинакового размера.



Первые криптоаналитики

Специфические знания, необходимые для преобразования зашифрованного текста в открытый текст, известный как ключ, должны храниться в секрете, чтобы обеспечить безопасность сообщения. Взломать шифр без его ключа требует больших знаний и навыков. Шифр замещения не был взломан в первом тысячелетии нашей эры - до тех пор, пока арабский математик аль-Кинди не осознал свою слабость, по словам Саймона Сингха, автора «Книги кодов» (Random House, 2011). Отмечая, что некоторые буквы используются чаще, чем другие, аль-Кинди смог отменить замены, проанализировав, какие буквы чаще всего появляются в зашифрованном виде. Арабские ученые стали ведущими криптоаналитиками в мире, заставляя криптографов адаптировать свои методы. По мере развития методов криптографии, криптоаналитики стали оспаривать их. Среди самых известных стычек в этой продолжающейся битве были попытки союзников сломать немецкую машину во время Второй мировой войны. Машина Enigma зашифровывала сообщения, используя алгоритм подстановки, комплексный ключ которого ежедневно менялся. В свою очередь криптоаналитик Алан Тьюринг разработал устройство для отслеживания меняющихся настроек Enigma.



Криптография в эпоху интернета

В цифровую эпоху цель криптографии остается той же: предотвратить обмен информацией между двумя сторонами противником. Ученые-компьютерщики часто называют эти две стороны «Алисой и Бобом», вымышленными сущностями, впервые представленными в статье 1978 года, описывающей метод цифрового шифрования. Алису и Боба постоянно беспокоит надоедливый подслушиватель по имени "Ева". Все виды приложений используют шифрование для обеспечения безопасности наших данных, включая номера кредитных карт, медицинские карты и криптовалюты, такие как биткойны. Blockchain, технология, лежащая в основе Биткойна, соединяет сотни тысяч компьютеров через распределенную сеть и использует криптографию для защиты личности каждого пользователя и ведения постоянного журнала их транзакций.



foto

С появлением компьютерных сетей возникла новая проблема: если Алиса и Боб находятся по разные стороны земного шара, как они могут делиться секретным ключом, не пытаясь его поймать? Криптография с открытым ключом возникла как решение, согласно Академии Хана. Схема использует преимущества односторонних функций - математика, которую легко выполнить, но которую трудно перевернуть без ключевых частей информации. Алиса и Боб обмениваются своим зашифрованным текстом и открытым ключом под пристальным взглядом Евы, но у каждого из них есть свой закрытый ключ. Применяя оба секретных ключа к зашифрованному тексту, пара достигает общего решения. Между тем, Ева изо всех сил пытается расшифровать их редкие подсказки. Широко используемая форма криптографии с открытым ключом, называемая шифрованием RSA, использует сложную природу простой факторизации - поиск двух простых чисел, которые умножаются вместе, чтобы дать вам конкретное решение. Умножение двух простых чисел совсем не требует времени, но даже самым быстрым компьютерам на Земле могут потребоваться сотни лет, чтобы полностью изменить процесс. Алиса выбирает два числа, на которых строит свой ключ шифрования, оставляя Еве бесполезное задание копать эти цифры трудным путем.



Квантовый скачок

Сегодня криптографы ищут нерушимый шифр в квантовой физике. Квантовая физика описывает странное поведение материи в невероятно малых масштабах. Как и известный кот Шредингера, субатомные частицы существуют одновременно во многих состояниях. Но когда коробка открывается, частицы переходят в одно наблюдаемое состояние. В 1970-х и 80-х годах физики начали использовать это свойство в стиле фанк для шифрования секретных сообщений, метод, который теперь известен как «распределение квантовых ключей».



foto

Так же, как ключи могут быть закодированы в байтах, физики теперь кодируют ключи в свойствах частиц, обычно фотонов. Взломщик должен измерить частицы, чтобы украсть ключ, но любая попытка сделать это изменяет поведение фотонов, предупреждая Алису и Боба о взломе системы безопасности. Эта встроенная сигнализация делает квантовое распределение ключей «доказуемо безопасным».


Квантовые ключи можно обменивать на большие расстояния через оптические волокна, но альтернативный путь распространения вызвал интерес у физиков в 1990-х годах. Предложенный Артуром Экертом метод позволяет двум фотонам связываться на огромных расстояниях благодаря феномену, называемому «квантовой запутанностью». Запутанные квантовые объекты обладают этим удивительным свойством, когда вы разделяете их, даже за сотни миль, они могут чувствовать друг друга», - сказал Экерт, ныне профессор Оксфорда и директор Центра квантовых технологий в Национальном университете. Запутанные частицы ведут себя как единое целое, что позволяет Алисе и Бобу создать общий ключ, проводя измерения на каждом конце. Если перехватчик пытается перехватить ключ, частицы реагируют и измерения меняются.


Квантовая криптография - это не просто абстрактное понятие. В 2004 году исследователи перечислили 3000 евро на банковский счет посредством запутанных фотонов. В 2017 году исследователи сняли два спутанных фотона со спутника Micius, поддерживая их связь на рекордных 1203 километра. Многие компании в настоящее время находятся в гонке по разработке квантовой криптографии для коммерческих приложений, но пока с некоторым успехом.