На протяжении веков люди придумывали все более хитроумные способы шифрования — от древних «решеток» до современных цифровых кодов. В этой статье мы заглянем в увлекательный мир криптографии — науки о шифрах, — где математика становится главным оружием в борьбе за конфиденциальность.
Слово «криптография» происходит от двух древнегреческих слов: κρυπτός («криптос») — скрытый, тайный и γράφω («графо») — пишу. То есть дословно криптография означает «тайнопись», или «скрытное письмо», что отражает ее главную задачу — защищать информацию, делая ее недоступной для непосвященных.
Сегодня криптография занимает важное место не только в жизни дипломатов и военных, но и в быту практически каждого человека. Каждый из нас хотя бы раз в день сталкивается с шифрованием данных. Банковские транзакции, мессенджеры, цифровые подписи: день ото дня все большее количество информации требует защиты, способы которой становятся все изощреннее... Криптография была известна еще древним грекам. С тех пор она прошла огромный путь развития, многие идеи прошлых времен актуальны и сегодня.
Шифры древности: от восковых табличек до «пляшущих человечков»
Конечно же, история шифрования началась задолго до появления компьютеров, ведь со времен изобретения письменности, люди поверяли ей свои тайны. Еще в древней Спарте полководец Лисандр использовал хитроумный метод передачи секретных донесений — так называемый «шифр сциталь». Как это работало:
- брали деревянный цилиндр (жезл) строго определенного диаметра и наматывали на него узкую полоску пергамента по спирали;
- вдоль оси жезла писали сообщение: каждая буква оказывалась на новом витке;
- пергамент разматывали — теперь текст выглядел как набор бессвязных символов, ведь буквы исходного сообщения были «разбросаны» по всей ленте;
- прочитать послание мог только тот, у кого был жезл того же диаметра: при намотке буквы снова выстраивались в строку.
Этот метод напоминал аналоговый шифр перестановки — безопасность зависела от секретности параметров (диаметра жезла). Если враг перехватывал ленту, без «ключа» восстановить текст было почти невозможно.
Кстати говоря, «опробовать» на себе этот метод шифрования можно самостоятельно. Достаточно вооружиться карандашом и бумажной лентой.
Еще один знаменитый пример — «шифр Цезаря», применявшийся Юлием Цезарем. Каждая буква в сообщении заменялась на третью после нее в алфавите. Например, слово «РИМ» превращалось в «УЛП». Этот простой шифр замены позже стал основой для более сложных систем шифрования.
В XVI веке итальянский ученый Джероламо Кардано изобрел еще один способ сокрытия тайн. Он использовал бумажную решетку с вырезами, которую накладывали на текст. Буквы, видимые в прорезях, и составляли секретное послание. После прочтения решетку сдвигали — и открывался новый фрагмент сообщения. Кстати, такой способ шифрования можно увидеть в титрах знаменитого советского сериала «Приключения Шерлока Холмса и доктора Ватсона»: после наложения на заполненный буквами кадр шифровальной решетки в ней появляются имена создателей фильма, а после того как рамка исчезает, мы снова видим набор бессвязных букв.
Но криптография — это не только оружие императоров, шпионов и ученых. Она вдохновляла великих писателей, заставляя их создавать шедевры, полные загадок. Вспомните «Золотого жука» Эдгара По, где таинственный шифр ведет к несметным сокровищам, или «Пляшущих человечков» Артура Конан-Дойля — где забавные на первый взгляд символы скрывают мрачную тайну.
Отечественная криптография: от Посольского приказа до Министерства иностранных дел
На Руси первые профессиональные криптографы появились при Иване Грозном. Они работали в Посольском приказе, отвечавшем за внешнюю политику, и разрабатывали так называемые «азбуки», или «цифири» — простые шифры замены. Однако настоящий прорыв в криптографии произошел при Петре I. С 1700 года шифровальная служба стала профессиональной: создание шифров, шифрование и дешифрование велись в цифирном отделении Посольского приказа, а позднее — в Посольской канцелярии.
Типичными для того времени были все те же шифры простой замены: каждая буква алфавита заменялась новым знаком, буквой или сочетанием букв. Кроме того, использовались «пустышки» — незначащие символы, которые усложняли дешифровку.В XIX веке криптографическая деятельность сосредоточилась в Канцелярии Министерства иностранных дел. Одним из ярких успехов русских криптографов стало дешифрование переписки Наполеона, что сыграло ключевую роль в победе России в Отечественной войне 1812 года. Воспоминания современников сохранили для нас отрывок из диалога, состоявшегося после войны между императором Александром I и командующим одним из корпусов армии Наполеона маршалом Макдональдом. «Нам очень сильно помогло то, что мы всегда знали намерения вашего императора из его же собственных депеш <...>», - сказал маршалу русский император. И на фразу того: «Я считаю очень странным, что Вы смогли их прочесть. Кто-нибудь, наверное, выдал Вам ключ?» с достоинством возразил: «Отнюдь нет! Я даю Вам честное слово, что ничего подобного не имело места. Мы просто дешифровали их».
Шифровальные машины: как техника изменила искусство тайнописи?
Быстрые криптографические системы начали развиваться во время Первой и Второй мировых войн. Появление вычислительной техники ускорило развитие и совершенствование криптографических методов. Наиболее известной была немецкая шифровальная машина системы «Энигма». По некоторым оценкам, для вооружения армии было выпущено до 100 000 ее экземпляров. А первый математический аппарат для дешифрования «Энигмы» разработали выпускники Познаньского университета Мариан Раевский, Генрих Зыгальский и Ежи Розицкий. Позже их наработки легли в основу британской операции «Ультра», в ходе которой в Блетчли-парке (главном криптоцентре Англии) под руководством ученого-математика и криптографа Алана Тьюринга ежедневно расшифровывали тысячи немецких сообщений. Подробнее об этих событиях можно узнать из фильма «Энигма» (2001), основанного на истории взлома системы. Успешная дешифровка сообщений противника помогла англичанам предугадывать действия вермахта — от планов бомбардировок до перемещений подлодок.
Советские шифрмашины: железная стена криптографии
Немецкие шифровальные машины системы «Энигма» известны всему миру, но далеко не все знают, что в СССР создавали собственные шифровальные системы, о которых почти ничего не было известно даже союзникам. Первая попытка создать советский текстовый электромеханический шифратор была предпринята в 1923 г. В 1930-х годах под руководством Ивана Волоска создавались первые образцы советских шифрмашин. Устройства того времени реализовывали наложение случайной последовательности, так называемой гаммы, на открытое текстовое сообщение. Даже сейчас такой подход считается современным и в целом может обеспечивать стойкость шифрования. В-4, М-100 — одни из первых советских шифрмашин, реализующих шифры гаммирования. В 1938 г. началось их серийное производство. Общий вес комплекта М-100, состоявшего из семи упаковок, достигал 116 кг. Аккумуляторы для автономного питания электрической части машины весили 32 кг.
Существует легенда о том, что на одном из совещаний Гитлер воскликнул: «Эти проклятые русские шифровальные машины, мы никак не можем их расколоть!». После чего глава фашистской Германии инициировал настоящую охоту за советскими шифровальщиками. Гитлер лично обещал «Железный крест», поместье в Крыму и пожизненную пенсию» тому, кто захватит русскую шифровальную технику или возьмет в плен русского шифровальщика. Однако, несмотря на все усилия, немцам так и не удалось дешифровать сообщения, зашифрованные с помощью советской техники. Перед приходом врага офицеры спецсвязи на грани жизни и смерти уничтожали шифровальные документы, а советские шифровальщики даже под пытками не выдавали ни кодовых таблиц, ни особенностей использования шифровальной техники.
На машинную шифросвязь в годы войны легла основная нагрузка при передаче секретных телеграмм. Только в 8-м Управлении Красной Армии за период с 1941 по 1945 годы было обработано свыше 1,6 миллионов шифротелеграмм. И советская шифровальная служба ценой титанических усилий справлялась с этими объемами.
Кстати говоря, позднее появились более совершенные и компактные шифрмашины — К-37 («Кристалл»), М-101 («Изумруд») и другие. Наряду с шифрами гаммирования применялись и шифры многоалфавитной замены.
Криптография: вызовы компьютерной эпохи
С появлением компьютеров шифрование стало сложнее. Теперь вместо простых замен используются математические алгоритмы, основанные на огромных числах. В середине прошлого века шифрование использовали в основном армии и дипломаты, а к XXI веку оно стало необходимо каждому из-за широкого распространения интернет-банкинга и мессенджеров. И если раньше криптография служила только интересам государства, то с появлением интернета ее методы стали интересовать и частных лиц. Криптография широко используется всеми: и хакерами, и борцами за свободу информации, и простыми пользователями, желающими защитить свои данные в сети.
Криптография XX века прошла путь от механических шифровальных машин до цифровых алгоритмов, изменивших саму природу секретности. Если в середине столетия главным инструментом были сложные, но ограниченные устройства вроде «Энигмы», то к его концу криптография превратилась в науку, тесно связанную с математикой и компьютерными технологиями. Военные шифры уступили место гражданским стандартам, а вместо секретных разработок спецслужб появились открытые алгоритмы, проверяемые международным научным сообществом.
Ключевым переломом стало появление асимметричной криптографии в 1970-х, которая решила проблему обмена ключами — вечную головную боль прежних эпох. Если раньше отправитель и получатель должны были заранее договориться о секретном коде (что делало системы уязвимыми), теперь можно было свободно публиковать «открытые ключи», сохраняя расшифровку в тайне. Это открыло дорогу электронной коммерции и защищенной цифровой связи.Как же происходит шифрование информации в интернете? Давайте рассмотрим один из самых известных современных методов — RSA, названный по первым буквам фамилий его создателей: Рона Ривеста, Ади Шамира и Леонарда Адлемана.
Суть метода состоит в том, что:
- открытый ключ (известный всем) шифрует сообщение;
- закрытый ключ (известный только получателю) расшифровывает его.
Чтобы понять, как это работает на практике, попробуйте умножить два числа, например 17 × 23. Получится 391. А теперь представьте, что вам нужно проделать обратную операцию и разложить 391 на множители. Это уже сложнее, правда? А представьте, если числа будут в сотни раз больше! Именно на этом принципе и строится современная защита данных.
Коренное отличие сегодняшней криптографии от криптографии прошлого столетия — масштабы и скорость. О том, какие вызовы перед системами криптографии стоят сегодня, рассказывает Иван Чижов, к.ф.-м.н., доцент кафедры Информационной безопасности факультета ВМК МГУ им М.В. Ломоносова, заместитель руководителя лаборатории криптографии по научной работе «Криптонит»: «Самый большой вызов современным криптографическим системам — это возможное появление многокубитного квантового ускорителя, который позволяет решать задачу разложения чисел на множители и задачу дискретного логарифмирования. Сложность именно этих задач лежит в основе стойкости почти всех используемых на практике криптосистем с открытым ключом.
В 1994 году американский математик Дэвид Шор разработал эффективный квантовый алгоритм, способный решать эти задачи. Однако пока современная физика не смогла создать компьютер достаточной мощности, чтобы взламывать реальные системы. Но в настоящее время ученые сходятся во мнении, что такой ускоритель может появиться в ближайшие 10 лет».
Криптография в России XXI века
Важной вехой в развитии российской криптографии стал 2020 год: РЖД и Росатом запустили первую в стране квантовую линию связи между Москвой и Санкт-Петербургом. Суть технологии впечатляет: если злоумышленник попытается перехватить передаваемые фотоны, их квантовое состояние моментально изменится.
Еще активнее Россия стала развивать собственные технологии шифрования после 2022 года. Шифры «Кузнечик» и «Стрибог», сертифицированные ФСБ, теперь активно применяются в госструктурах и банковском секторе. 1 апреля 2024 года вступил в силу новый ГОСТ Р 71252–2024, регулирующий защищенный обмен данными в промышленных системах.
Заглядывают российские специалисты и в постквантовое будущее. Ученые МГУ и Сколтеха тестируют квантово-устойчивые алгоритмы, способные противостоять даже мощнейшим вычислительным системам будущего. А в Москве заработала первая в стране квантовая сеть связи с невероятной скоростью до 100 Тбит/с и абсолютной защитой от взлома. Проект, реализованный при поддержке «Ростеха», уже обслуживает государственные учреждения и IT-компании. К 2030 году планируется его масштабирование на другие регионы. При тестировании нейросети и ИИ помогают разработчикам находить уязвимости в алгоритмах шифрования. Однако есть и обратная сторона — киберпреступники тоже используют искусственный интеллект, делая атаки все более сложными и изощренными.
Как дальше будет развиваться криптография? Вот что думает по этому поводу Ивана Чижов: «Через 10 лет, скорее всего, все основные криптосистемы с открытым ключом будут заменены на так называемые постквантовые криптосистемы, для которых пока не существует эффективных квантовых алгоритмом взлома. В основе этих криптосистем лежат сложные задачи из теории целочисленных решеток и теории помехоустойчивых кодов. Такие системы сейчас активно разрабатываются и внедряются в существующие протоколы. Интересно, что Национальный институт стандартов и технологий США к 2030 году прямо запрещает использование криптографии, которая была бы уязвима к атакам в условиях наличия у нарушителя квантового ускорителя».
А вот как прогнозирует развитие отрасли Сергей Воробей, заместитель начальника отдела лицензирования и сертификации компании QRate, специализирущейся на квантовом шифровании: «Криптография остается консервативной отраслью: классические алгоритмы не теряют актуальности, их реализации модифицируются и усиливаются. Ведется разработка постквантовых ГОСТов, но революционных изменений в самих алгоритмах ожидать не стоит.
Ключевые изменения коснутся инфраструктуры и областей применения криптографии. Главные направления развития:
- Инфраструктура QKD для исключения человеческого фактора, особенно в критической инфраструктуре.
- Интеграция с новыми технологиями, такими как блокчейн-платформы.
- Новые области применения: федеративное обучение моделей ИИ, гомоморфное шифрование и подходы data-mesh.
Развитие криптографии будет определяться ее приложениями и стремлением к минимизации человеческого участия».
***
От деревянных сциталей Спарты до квантовых линий связи — история шифрования это нескончаемая дуэль между теми, кто прячет информацию и теми, кто пытается ее раскрыть. Кстати, для тех, кто хочет глубже погрузиться в историю вопроса, в Москве работает уникальный Музей криптографии. Его интерактивные экспозиции наглядно демонстрируют эволюцию защиты информации — от первых шифровальных устройств до квантовых коммуникаций, о которых шла речь в этой статье. Посетители могут разгадать криптографические загадки, обнаружить взаимосвязь криптографии и важных исторических событий, заглянуть в будущее.
Каждая эпоха бросала криптографии новые вызовы, но суть оставалась неизменной: чем сложнее шифр — тем изощреннее методы взлома. Криптография — это не просто технологии. Это вечное противостояние творческого гения человека и его же неуемного любопытства. И пока существуют секреты, эта битва будет продолжаться.
Автор текста Валерия Стопичева
Изображение на обложке: Freepik
