Криптография — наука о шифровании¶

Криптография — наука о методах обеспечения конфиденциальности, целостности и аутентичности информации путём её преобразования таким образом, чтобы прочитать содержимое мог только предполагаемый получатель. Слово происходит от греческих «κρυπτός» (тайный) и «γράφειν» (писать). В широком смысле криптография — это раздел информационной безопасности, изучающий математические и алгоритмические приёмы защиты данных.

¶Основные задачи

Криптография решает три базовые задачи:

• Конфиденциальность — данные должен читать только адресат. Для этого сообщение преобразуется в нечитаемую форму с помощью ключа.
• Целостность — получатель должен убедиться, что сообщение не было изменено по пути. Это обеспечивается цифровыми подписями и хеш-функциями.
• Аутентичность — получатель должен убедиться, что сообщение пришло именно от отправителя, а не от подставного лица.

Дополнительно криптография решает задачи неотрицаемости (отправитель не может отрицать факт отправки) и контроля доступа.

¶История

¶Античность и Средневековье

Первые известные шифры относятся к античности. Древнеримский шифр Цезаря (I век до н. э.) заменял каждую букву на букву, сдвинутую на три позиции в алфавите. Шифры использовались в военных целях, дипломатической переписке и религиозных текстах.

В Средневековье арабские учёные заложили основы криптоанализа. Аль-Кинди (IX век) описал метод частотного анализа — способ взлома шифра подстановки через анализ частоты букв. Ибн Адлан и Ибн ас-Сайр в XIII веке уточнили методику.

¶Эпоха механики

В XVI–XVIII веках получили распространение сложные механические шифры. В 1467 году итальянский архитектор Леон Баттиста Альберти изобрёл шифровальный диск — первое устройство с меняющимся ключом. В XIX веке Чарльз Бэббидж разработал методы взлома полиалфавитных шифров, а американец Сэмюэл Кольс создал шифровальную машину.

Ключевым событием стала немецкая машина «Энигма», применявшаяся во Второй мировой войне. Дешифровка «Энигмы» под руководством Аланна Тьюринга в британском центре Блетчли-Парк считается поворотным моментом в истории криптоанализа и заложила основы компьютерной науки.

¶Современная криптография

В 1976 году Уитфилд Диффи и Мартин Хеллман опубликовали концепцию асимметричного шифрования (обмена открытым ключом), разделив понятия «открытый» и «закрытый» ключ. В 1977 году Ривест, Шамир и Адлеман создали алгоритм RSA, ставший основой современной публичной криптографии. В 2001 году Национальный институт стандартов и технологий США утвердил стандарт AES, который стал основным симметричным шифром.

¶Классификация

¶Симметричное шифрование

Используется один ключ и для шифрования, и для расшифровки. Основные алгоритмы: AES, ChaCha20, ГОСТ 28147-89, ГОСТ Р 34.12-2015 («Кузнечик» и «Магма»). Главная проблема — безопасная передача ключа адресату.

¶Асимметричное шифрование

Используется пара ключей: открытый (можно публиковать) и закрытый (хранится у владельца). Алгоритмы: RSA, ECC (эллиптические кривые), ГОСТ Р 34.10-2012. Решают проблему обмена ключами, но работают медленнее симметричных.

¶Хеш-функции

Преобразуют данные любого размера в строку фиксированной длибы (хеш). Односторонняя функция: по хешу исходные данные восстановить невозможно. Примеры: SHA-256, SHA-3, ГОСТ Р 34.11-2012 («Стрибог»). Используются для проверки целостности и в цифровых подписях.

¶Цифровая подпись

Комбинирует асимметричное шифрование и хеш-функции. Позволяет подтвердить авторство и неизменность документа. Применяется в электронном документообороте, банковских системах, криптовалютах.

¶Применение

Криптография лежит в основе:

• защищённых протоколов интернета (TLS/HTTPS);
• мессенджеров с сквозным шифрованием (Signal, Telegram);
• электронной подписи документов;
• блокчейнов и криптовалют;
• системы сотовой связи (GSM, LTE);
• карт оплаты и банкоматов;
• защитного ПО корпоративных сетей.

В России криптографические средства регулируются Федеральным законом «О защите информации» и требованиями ФСТЭК и ФСБ. Государственные криптостандарты (ГОСТ Р 34.12–34.13) обязательны для ряда государственных и финансовых систем.

¶Квантовая криптография

Развивается направление, использующее законы квантовой механики. Квантовое распределение ключей (QKD) позволяет обнаружить попытку перехвата, так как любое измерение квантового состояния необратимо его меняет. В России исследования ведутся в Институте квантовых технологий и ряде университетов. Противостояние квантовых компьютеров и современной криптографии — одна из ключевых проблем: теоретически квантовый компьютер сможет взломать RSA и ECC, что требует разработки постквантовых алгоритмов.

Источники: «Криптография» Г.А. Марчук; «Введение в криптографию» В.Б. Авласевич; материалы ГОСТ Р 34.12-2015 и ГОСТ Р 34.13-2017; публикации журнала «Прикладная дискретная математика».