Приглашаем •

Виды шифрования: от древних шифров до современных алгоритмов

Когда мы отправляем сообщение в мессенджере, оплачиваем покупку в интернете или сохраняем конфиденциальные файлы, защитить информацию от посторонних помогает шифрование. Но способы этой защиты могут быть совершенно разными: от простой перестановки букв до сложных математических преобразований, которые выполняет компьютер.

Разберемся, какие виды шифрования существуют, чем они отличаются и где применяются. А заодно выясним, почему одни шифры можно разгадать за несколько минут, а другие защищают данные даже от самых мощных компьютеров.

Что такое шифрование и как оно работает

Шифрование — это преобразование информации в форму, непонятную постороннему человеку. Чтобы восстановить исходные данные, нужно выполнить обратное преобразование — расшифрование.

Представим, что вы хотите отправить другу секретное сообщение. Вы выбираете правило, по которому измените текст, и договариваетесь о ключе. Получатель использует подходящий ключ и восстанавливает оригинальное сообщение.

В этом процессе участвуют три основных элемента:

Открытый текст — исходная информация, которую необходимо защитить.
Алгоритм шифрования — набор правил, определяющих, как преобразуются данные.
Ключ — специальное значение, от которого зависит результат работы алгоритма.

Например, если заменить каждую букву русского алфавита следующей за ней, слово «КОТ» превратится в «ЛПУ». Здесь мы используем простейший алгоритм замены, а величина сдвига на одну позицию играет роль ключа.

Современное шифрование устроено гораздо сложнее, но общий принцип сохраняется: данные преобразуются по известному алгоритму, а возможность восстановить их зависит от наличия правильного ключа.

Исторические виды шифрования текста

До появления компьютеров людям приходилось шифровать сообщения вручную или с помощью механических устройств. Большинство классических шифров основано на двух принципах: замене символов и изменении их порядка.

Шифры замены

В шифрах замены буквы или другие символы исходного сообщения заменяются по определенному правилу.

Самый известный пример — шифр Цезаря, названный в честь древнеримского полководца Юлия Цезаря. Согласно античным свидетельствам, он использовал сдвиг букв алфавита для секретной переписки.

Если сдвигать каждую букву русского алфавита на три позиции вперед, не учитывая букву «Ё», получится:

А → Г
Б → Д
В → Е
Г → Ж

По такому правилу слово «КОТ» превратится в «НСХ».

Разгадать шифр Цезаря сегодня несложно: достаточно перебрать возможные сдвиги. Но именно он хорошо показывает, как работает один из основных принципов криптографии — замена исходных символов другими.

Со временем появились более сложные разновидности шифров замены. Например, в шифре Виженера используются несколько алфавитов замены, а выбор конкретного сдвига зависит от ключевого слова.

Шифры перестановки

Здесь символы не заменяются другими — изменяется их расположение.

Один из старейших примеров — скитала, шифровальное приспособление, которое связывают с Древней Спартой.

На деревянный жезл наматывали длинную узкую полоску материала и записывали сообщение вдоль него. После разматывания полоски буквы оказывались в другом порядке. Прочитать текст можно было, намотав полоску на жезл подходящего диаметра.

Еще один простой пример — запись сообщения в таблицу по строкам с последующим чтением по столбцам. Порядок букв меняется, хотя сами буквы остаются прежними.

Шифры с несколькими преобразованиями

Со временем криптографы начали объединять разные методы, чтобы усложнить расшифровку.

Хороший пример — немецкая шифровальная машина «Энигма». При каждом нажатии клавиши электрический сигнал проходил через систему вращающихся роторов, а их положение менялось. В результате одна и та же буква могла шифроваться по-разному в зависимости от момента ввода.

Это делало «Энигму» существенно сложнее обычных шифров замены. Однако в годы Второй мировой войны ее шифры удалось взламывать благодаря совместной работе польских, британских и других специалистов, развитию криптоанализа и использованию вычислительных устройств.

Два основных вида современного шифрования: симметричное и асимметричное

В современной информатике виды шифрования данных прежде всего разделяют по тому, какие ключи используются для защиты и восстановления информации.

Симметричное шифрование: один секретный ключ

При симметричном шифровании отправитель и получатель используют один и тот же секретный ключ.

Представьте сейф, который можно закрыть и открыть одним ключом. Пока этот ключ есть только у доверенных людей, содержимое сейфа защищено.

По похожему принципу работает симметричное шифрование. Оно отличается высокой скоростью и хорошо подходит для больших объемов информации.

Симметричные алгоритмы применяются при шифровании файлов, дисков, баз данных и сетевого трафика.

Главная сложность заключается в безопасной передаче ключа. Если два человека находятся далеко друг от друга, как им договориться об общем секрете так, чтобы никто посторонний его не узнал?

Для решения этой проблемы часто используют другие криптографические механизмы.

Асимметричное шифрование: открытый и закрытый ключи

При асимметричном шифровании используется пара математически связанных ключей.

Открытый ключ можно передать кому угодно. Он позволяет зашифровать сообщение, предназначенное владельцу ключевой пары.

Закрытый ключ хранится в секрете и используется для расшифрования.

Представим почтовый ящик с прорезью для писем. Любой человек может опустить туда конверт, но достать письма способен только владелец ключа от дверцы.

Асимметричное шифрование решает важную проблему: отправителю необязательно заранее обмениваться с получателем секретным ключом.

Один из наиболее известных алгоритмов этого семейства — RSA. Он основан на математических задачах, связанных со свойствами больших чисел.

Однако операции с открытым ключом обычно требуют больше вычислений, чем симметричное шифрование. Поэтому для защиты больших объемов данных эти подходы часто объединяют.

Как два вида шифрования работают вместе

Представим, что вы открываете сайт интернет-магазина по защищенному соединению HTTPS.

При установлении соединения браузер и сервер согласовывают секретные данные, из которых получают ключи для дальнейшей связи. В современных вариантах протокола TLS для этого обычно используются механизмы согласования ключей, а не прямое асимметричное шифрование всего передаваемого сообщения.

После этого данные между браузером и сервером защищаются быстрым симметричным шифрованием.

Такое сочетание называется гибридным подходом. Оно позволяет объединить удобство установления защищенной связи с высокой скоростью передачи информации.

Блочное и потоковое шифрование: в чем разница

Симметричные алгоритмы можно дополнительно разделить по способу обработки данных.

Блочное шифрование

Блочные шифры преобразуют данные порциями фиксированного размера — блоками.

Один из самых распространенных современных алгоритмов этого типа — AES (Advanced Encryption Standard). Он обрабатывает блоки размером 128 бит и поддерживает ключи длиной 128, 192 или 256 бит.

Бит — минимальная единица цифровой информации, которая может принимать значение 0 или 1. Таким образом, алгоритм работает не с буквами как таковыми, а с последовательностями двоичных значений.

В процессе шифрования AES выполняет несколько раундов математических преобразований, смешивая и заменяя части данных. Результат зависит от секретного ключа.

Для безопасной обработки сообщений произвольной длины блочный алгоритм используют вместе с определенным режимом работы. Например, режим GCM позволяет не только зашифровать данные, но и проверить, не были ли они изменены.

Помимо AES, существуют российские блочные шифры «Кузнечик» и «Магма», описанные в ГОСТ Р 34.12-2015. Они работают с блоками размером 128 и 64 бита соответственно и используют ключи длиной 256 бит.

Потоковое шифрование

Потоковые шифры защищают информацию как последовательный поток данных.

Алгоритм формирует специальную псевдослучайную последовательность, которая объединяется с исходной информацией. Получается зашифрованный поток, который можно восстановить при наличии необходимых секретных данных.

Один из известных современных представителей этого семейства — ChaCha20.

Потоковое шифрование удобно для защиты передаваемой информации. В частности, ChaCha20 используется вместе с алгоритмом проверки подлинности Poly1305 в защищенных сетевых соединениях.

Важно, что безопасность зависит не только от самого шифра, но и от правильного использования ключей и других параметров. Например, повторное применение определенных комбинаций ключа и одноразового значения может серьезно ослабить защиту.

Какие бывают ключи шифрования

Ключ — один из важнейших элементов криптографической защиты. Даже надежный алгоритм не поможет, если злоумышленник получит секретный ключ.

В зависимости от системы выделяют несколько типов ключей:

Симметричный ключ — общий секрет, используемый для шифрования и расшифрования.
Открытый ключ — доступная другим участникам часть асимметричной ключевой пары.
Закрытый ключ — секретная часть пары, которую необходимо хранить в безопасности.
Сеансовый ключ — временный ключ, используемый для конкретного сеанса связи или ограниченного объема данных.

Еще одна важная характеристика — длина ключа. Обычно ее измеряют в битах.

Например, AES-256 использует 256-битный ключ, а AES-128 — 128-битный. У первого больше возможных комбинаций ключа, но это не означает, что любой 256-битный ключ в принципе надежнее любого 128-битного: безопасность зависит также от алгоритма и его устройства.

Сравнивать длины ключей у принципиально разных криптографических систем напрямую нельзя.

Шифрование текста, цифр и файлов: нужны ли разные алгоритмы?

На первый взгляд кажется, что для букв, чисел, фотографий и видео должны существовать разные виды шифрования информации.

В действительности современные компьютеры представляют все эти данные в виде последовательностей битов. Поэтому один и тот же алгоритм может использоваться для защиты текстового документа, изображения или базы данных.

Разница заключается прежде всего в том, как информация представлена и как организовано ее хранение или передача.

Существуют специализированные методы, позволяющие сохранять определенный формат данных после шифрования. Например, в некоторых системах необходимо, чтобы зашифрованный идентификатор по-прежнему состоял только из цифр и имел заданную длину. Для таких задач применяют шифрование с сохранением формата.

Но в большинстве привычных ситуаций отдельного «шифра для цифр» или «шифра для фотографий» не требуется.

Чем шифрование отличается от кодирования и хеширования

Эти понятия часто используют как синонимы, хотя они решают разные задачи.

Кодирование изменяет способ представления информации. Например, компьютер переводит текст в последовательности чисел по определенной таблице символов. Цель — обеспечить хранение, обработку или передачу данных, а не обязательно скрыть их содержание.

Шифрование предназначено для защиты конфиденциальности. Для восстановления исходной информации необходим соответствующий ключ.

Хеширование преобразует данные в значение фиксированной длины. Криптографические хеш-функции позволяют, например, проверять целостность файлов: даже небольшое изменение исходного содержимого обычно приводит к совершенно другому результату.

В отличие от шифрования, криптографическое хеширование не предполагает обратного восстановления исходных данных с помощью ключа.

Отдельно существуют протоколы защищенной связи, например TLS. Протокол — это набор правил, по которым взаимодействуют устройства. Он определяет не только используемые криптографические механизмы, но и порядок установления соединения, согласования ключей и проверки подлинности участников.

Поэтому говорить о «видах протоколов шифрования» не вполне точно: протоколы и алгоритмы шифрования — связанные, но разные понятия.

Какие виды шифрования используются сегодня и что будет дальше

Современная криптография развивается вместе с вычислительными технологиями.

Одно из перспективных направлений — постквантовая криптография. Ее задача — создание алгоритмов, которые смогут противостоять атакам не только обычных, но и достаточно мощных квантовых компьютеров.

Такие компьютеры пока не способны массово взламывать современную криптографическую защиту, однако потенциально они представляют угрозу для некоторых широко известных асимметричных алгоритмов, включая RSA.

Поэтому специалисты уже разрабатывают и внедряют новые механизмы. Например, стандартизированный в 2024 году алгоритм ML-KEM предназначен для безопасного установления общего секрета между участниками связи. Полученный с его помощью ключ затем можно использовать для симметричного шифрования.

При этом не все современные алгоритмы одинаково уязвимы перед квантовыми вычислениями. Надежные симметричные шифры, такие как AES, сохраняют важную роль и в постквантовых системах.

Где познакомиться с историей шифрования

За каждым криптографическим изобретением стоит конкретная задача: сохранить военную тайну, защитить дипломатическую переписку, передать сообщение на расстояние или обеспечить безопасность цифровых данных.

Увидеть, как менялись способы ее решения, можно в нашем музее в Москве.

В экспозиции представлены исторические шифровальные приспособления, настоящие шифровальные машины и интерактивные инсталляции. Здесь можно познакомиться с устройством «Энигмы», узнать о советских разработках в области секретной связи и попробовать самостоятельно зашифровать сообщение.

Так становится понятно, что современные алгоритмы появились не на пустом месте. Их история началась задолго до компьютеров — с простых перестановок букв, секретных ключей и стремления людей сохранить свои сообщения в тайне.