В наш век интернет-технологий, когда мы доверяем все свои данные интернет-сервисам, нужно знать и понимать, как они их хранят и обрабатывают.
Но зачем это вообще нужно знать? Чтобы попросту не попасть в ситуацию, когда ваши личные данные, пароли от аккаунтов или банковских карт окажутся в руках мошенников. Как говорится: «Доверяй, но проверяй»
Важные аспекты в хранении данных, будь то на внешних серверах или домашнем компьютере, – это прежде всего кодирования и шифрование. Но чем они отличаются друг от друга? Давайте разбираться!
Ни для кого не секрет, что компьютер может хранить информацию, но он не может хранить её в привычной для нас форме: мы не сможем просто так написать на флешки реферат, не можем нарисовать на жестком диске картинку так, чтобы её мог распознать компьютер. Для этого информацию нужно преобразовать в язык понятный компьютеру, и именно этот процесс называется кодированием. Когда мы нажимаем на кнопку на клавиатуре мы передаем код символа, который может распознать компьютер, а не сам символ.
Определения и различия
Кодирование – процесс преобразования доступной нам информации в информацию понятную компьютерную.
Шифрование – процесс изменения информации таким образом, чтобы её смогли получить только нужные пользователи.
Шифрование применялось и задолго до создания компьютеров и информатики как таковой. Но зачем? Цели её применения можно было понять из определения, но я опишу их ещё раз более подробно. Главные цели шифрования это:
конфиденциальность – данные скрыты от посторонних
целостность – предотвращение изменения информации
идентифицируемость – возможность определить отправителя данных и невозможность их отправки без отправителя
Оценить стойкость шифра можно с помощью криптографической стойкости.
Криптографическая стойкость – это свойство шифра противостоять криптоанализу, изучению и дешифровки шифра.
Криптостойкость шифра делится на две основные системы: абсолютно стойкие системы и достаточно стойкие системы.
Абсолютно стойкие системы – системы не подверженные криптоанализу. Основные критерии абсолютно стойких систем:
Ключи должны генерироваться для каждого сообщения отдельно
Генерация ключей независима
Длина ключа должна быть не меньше длины сообщения
К сожалению, такие системы не удобны в своём использовании: появляется передача излишней информации, которая требует мощных и сложных устройств. Поэтому на деле применяются достаточно стойкие системы.
Достаточно стойкие системы – системы не могут обеспечить полную защиту данных, но гораздо удобнее абсолютно стойких. Надежность таких систем зависит от возможностей крипто аналитика:
Количества перехваченных сообщений
Времени и вычислительных способностей
А также от вычислительной сложности шифра.
Вычислительная сложность – совокупность времени работы шифрующей функции, объема входных данных и количества используемой памяти. Чем она больше, тем сложнее дешифровать шифр.
История шифрования
Шифрование берет своё начало ещё из древних времен. Примерно 1300 лет до нашей эры был создан один из первых методов шифрования – Атбаш. Принцип шифрования заключается в простой подставке символов по формуле:
, где:
n– количество символов в алфавитеi– порядковый номер символа.
Шифр получил своё название в честь первой, последней, второй и предпоследней буквы Еврейского алфавита - «алеф», «тав», «бет», «шин». Такой шифр имеет низку криптографическую стойкость, потому как алгоритм шифрования довольно прост
С тех самых пор шифрование активно развивалось вместе с развитием нашей цивилизации
Хоть шифры и менялись, но их принцип нет – для расшифровки сообщения требуется ключ. В случае с Абашем ключом может считать последовательность порядковых номеров исходных символов, но этот ключ ещё надо как-то передать. Методы шифрования, которые используются сейчас, научились-таки передавать ключи по открытым и незащищённым каналам связи. Казалось бы, передача ключей шифрования по обычным каналам — это добровольное жертвование своими данными, но не всё так просто. Разберём это на примере популярного алгоритма шифрования «RSA», разработанного в 1977 году.
Первым делом выбирается два случайный простых числа, которые перемножаются друг на друга – именно это и есть открытый ключ.
К слову: Простые числа — это те числа, которые могут делиться без остатка либо на 1, либо на себя.
Длина таких чисел может быть абсолютно любая. К примеру, возьмем два простых числа 223 и 13. Их произведение 2899 – будет являться открытым ключом, который мы и будем передавать по открытому каналу связи. Далее нам необходимо вычислить функцию «Эйлера» для произведения этих чисел.
Функция Эйлера – количество натуральных чисел, меньших чем само число и, которые будут являть взаимно простыми числами с самим числом.
Возможно, звучит непонятно, но давайте это разберем на небольшом примере:
φ (26) [фи от двадцати шести] = какому-то числу чисел, которое всегда будет меньше 26, а сами числа должны иметь только один общий делитель единицу с 26.
Давайте считать:
1 – подходит всегда, идем дальше;
2 – делится и на 2, и на 1, как и число 26, - не подходит;
3 – делится и на 3, и на 1, а вот число 26 не делится на 3, - подходит;
4 – имеет общие делители 2 и 1 с 26 - не подходит;
5 – только на 1 - подходит;
6 – на 2 и 1 - не подходит;
7 – только на 1 – подходит;
и так далее до 25.
Общее количество таких чисел будет равно 12. А найти это число можно по формуле: φ(n*k) = (n-1)(k-1) в нашем случае 26 можно представить как 2 * 13, тогда получим φ(26) = φ(2 * 13) = (2-1)*(13-1) = 1 * 12 = 12
Теперь, когда мы знаем, что такое функция Эйлера и умеем её вычислять найдем её для нашего открытого ключа – φ(2899) = φ(223 * 13) =(223 – 1)*(13-1) = 222 * 12 = 2664
После чего нам нужно найти открытую экспоненту. Не пугайтесь, тут будет гораздо проще чем с функцией «Эйлера».
Открытая экспонента – это любое простое число, которое не делится на функцию Эйлера. Для примера возьмем 13. 13 не делится нацело на число 2664. Вообще открытую экспоненту лучше выбирать по возрастанию простым перебором, а не просто брать случайную. Так для нашего примера разумнее было бы взять число 5, но давайте рассмотрим на примере 13
Следующий шаг – закрытая экспонента. Вычисляется она банальным перебором по этому равенству: d * e mod φ(n) = 1, где
φ(n)- функция Эйлераe – открытая экспонента
mod – остаток отделения
а число d, которое и является закрытой экспонентой, мы должны подобрать перебором, либо попытаться выразить через формулу d = ceil(φ(n) / e), где ceil – округление в большую сторону.
В обоих случаях у нас получится число 205
На этом подготовка отправки сообщения успешно завершается и начинается самое веселое – отправка данных для дешифрования сообщения. На этом шаге мы отправляем открытый ключ и открытую экспоненту человеку, сообщение которого хотим получить. Предположим, что в этот момент наш ключ и экспоненту перехватили 3-е лица, но до нужного нам человека они всё так же дошли
Теперь этому человеку нужно отправить нам сообщение, для простоты предположим, что это какое-то число, например: 92. Для этого ему нужно отправить нам остаток от деления 92 в степени открытой экспоненты на открытый ключ – T ^ e mod n, где
T – шифруемый текст
e – открытая экспонента
n – открытый ключ
mod – остаток от деления
92 ^ 13 mod 2899 = 235. Именно число 235 он нам и отправит.
Предположим, что и в этот раз сообщение перехватили, но нам оно всё так же дошло
Для расшифровки сообщения нам необходимо зашифрованное сообщение возвести в степень закрытой экспонентой и вычислить остаток от деления на открытый ключ – C ^ d mod n, где
С– зашифрованный текстd– закрытая экспонентаn– открытый ключmod– остаток от деления
235 ^ 205 mod 2899 = 92.
Вуаля, и мы имеет исходное число. Но, что насчет перехваченных сообщений? У злоумышленника есть сообщение, ключ и экспонента, но как мы помни для дешифровки ему ещё нужна секретная экспонента, она же секретный ключ, но для того, чтобы вычислить её, ему придется разложить исходный ключ 2899 на множители, а сделать это не так уж и просто, особенно когда вместо двух чисел 223 и 13, будут использовать числа длиной несколько десятков символов
Но ничто в мире не идеально, в том числе и этот метод.
Его первый недостаток – это подборка пары чисел для открытого ключа. Нам нужно не просто сгенерировать случайно число, но ещё и проверить на то простое ли оно. На сегодняшний нет методов, которые позволяют делать это сверх быстро.
Второй недостаток – так же связан с генерацией ключа. Как мы с вами помним: «ключи должны генерировать независимо от каких-либо факторов», но именно это правило нарушается, когда мы пытается сгенерировать строго простые числа.
Третий недостаток – подбор и перебор чисел для экспонент.
Четвертый – длина ключей. Чем больше длина, тем медленнее идет процесс декодирования, поэтому разработчики пытаются использовать наименьшие по длиннее ключи и экспоненты. Даже я акцентировал на это внимание, когда говорил, что лучше взять число 5, вместо 13 для открытой экспоненты. Именно из-за этого и происходит большая часть взломов и утечек данных
Но не стоит печалиться, ведь как я и говорил: криптография и шифрование развивается вместе с развитием цивилизации. Поэтому довольно скоро все мы будем шифровать свои данные с помощью Квантового шифрование.
Этот метод основывается на принципе квантовой суперпозиции – элементарная частица может сразу находится в нескольких положениях, иметь разную энергию или разное направление вращения одновременно. По такому принципу и работает передача ключей шифрования по протоколу BB-84.
Есть оптоволокно, по которому передаются единичные фотоны света. Мы, как отправитель может сгенерировать абсолютно любой двоичный ключ, по тому же принципу квантовой супер позиции, ну или использовать обычные генераторы псевдослучайных чисел. Допустим мы хотим передать ключ 101001011. Для этого нам нужно принять за обозначение какое положение фотона соответствует единице, а какое нулю. Представим, что вертикальное положение – это 1, а горизонтальное – 0. Если оставить все так, то от передачи ключей таким образом не будет никакого смысла, ведь тогда злоумышленник всегда сможет измерить фотон, получить его значение, создать и отправить точно такой же обратно человеку, которому мы хоти передать ключ. Поэтому были введены ещё два положение – диагональные. Предоставим вертикальную волну, или же значение 1 и отклоним её на 45 градусов влево. Это будет вторая единица. Вернемся обратно и отклоним на 45 градусов вправо – это будет второй 0.
Вернемся к нашему ключу 101001011. Мы случайным образом выбираем направление – обычное или диагональное. Для удобства присвоим обычному номер 1, а диагональному 2.
Давайте отправим ключ – 1(1), 0(2), 1(1), 0(1), 0(1), 1(2), 0(2), 1(1), 1(2). Теперь человеку, которому мы отправляем ключ, нужно точно так же, совершенно случайно, выбрать случайное направление.
Допустим он выбрал направления: 221111212. Поскольку есть всего 2 плоскости отправки: 1 и 2, они же называются: канонический и диагональный базис, то шанс того, что он выбрал правильные направления 50%.
Если он угадал базис – он получил верное значение, если нет – неверное. Учитывая его направления, он получил: 001000011. Теперь нужно отсеять неправильные значения: можно сделать это обменом базисов по любому, даже не защищенному, каналу связи. После этого у нас обоих останется ключ: 0100011. Теперь с помощью его мы можем передавать и кодировать сообщения по обычному методу шифрования.
А что, если кто-то перехватит отправку кода? Тогда ему придется точно также подбирать случайным образом базисы, что добавит ещё 25% погрешности при получении кода человеку, которому мы изначально и отправили его. Чтобы проверить это, после отсеивания мы, как отправитель, должны проверить сколько процентов кода оказалось не верным. В нашем 1 случае это (9 – 7)/9 * 100% = 22%, если это число будет больше 50%, то мы начнем повторную отправку ключей, до тех пор, пока погрешность не будет меньше 50%
Заключение
Причитав и разобрав эту статью, мы с вами узнали, чем отличается кодирование от шифрования, их историю с будущим, узнали каким должен быть идеальный шифр и немного поговорили про крипто анализ. Уже с этими знаниями, которые были предоставлены в этой статье, можно спокойно идти и делать какую-нибудь систему авторизации или пытаться взломать какой-то сайт, главное не перебарщивать.
