Содержание статьи:
- Изобретение, изменившее мир
- Следующий рубеж: блокчейн и облачные вычисления
- Облачные вычисления
- Возможности безграничны
Что нужно знать о криптографии — изобретении, изменившем мир.
Криптография существует тысячи лет. Одно из первых ее известных применений связано с именем Юлия Цезаря. Более 2 тыс. лет назад он использовал шифр для кодирования военных приказов.
Шифр Цезаря основывался на простом алгоритме подстановок, когда каждая буква в оригинале заменялась на другую с некоторым сдвигом вправо или влево по алфавиту. Расшифровать сообщение могли только люди, знающие ключ — в данном случае величину сдвига. Например, если ключ равнялся 3, то А менялась на Г, Б — на Д и так далее.
Эволюция криптографии была постепенной, но глобальной. Она началась с простых подстановочных алгоритмов, вроде шифра Цезаря, или перестановочных шифров (когда буквы просто перемешивались — например, слово «привет» превращалось в «ирптве»). Со временем популярность и глубина понимания криптографии росла, шифры становились более сложными. Сегодня криптография — это самостоятельная область науки со своими экспертами, корпоративными участниками, современными приложениями и инструментами.
Большинство людей слышали о знаменитых машинах Enigma. В первой половине XX века они использовались для шифрования дипломатических и военных сообщений. Особое распространение Enigma получили во время Второй мировой войны.
Алгоритм машин основывался на взаимном движении роторов с нанесенными буквами. Каждая буква оригинального сообщения могла кодироваться различными способами, поскольку роторы постоянно вращались. Именно поэтому зашифрованные сообщения было так сложно взломать.
Изобретение, изменившее мир
В середине 1970-х в криптографии случился прорыв, изменивший мир: появились алгоритмы с открытым ключом. До этого ключи отправителя и получателя сообщения были одинаковыми (алгоритмы с симметричным ключом).
Криптография с открытыми ключами основана на алгоритме с асимметричными ключами. В данном случае отправитель использует открытый ключ для шифрования сообщения, а получатель может декодировать его с помощью своего закрытого ключа.
Это повышает общий уровень безопасности, поскольку только обладатель закрытого ключа может прочитать сообщение. Именно этот алгоритм сделал возможными покупки через интернет. Данные кредитной карты шифруются с помощью открытого ключа. Только продавец может расшифровать их с помощью своего закрытого ключа и завершить транзакцию.
Следующий рубеж: блокчейн и облачные вычисления
Возникновение электронной коммерции — лишь один из многих вкладов криптографии в наш мир. Она продолжает эволюционировать, исследователи и инженеры постоянно ищут новые способы ее применения по мере появления новых технологий. Возьмем, к примеру, блокчейн.
В настоящий момент почти все слышали о блокчейне, но далеко не каждый понимает принципы работы этой технологии. Если говорить вкратце, блокчейн — это распределенная и общедоступная база данных. Она предлагает безопасный и эффективный способ создавать журнал активности, защищенный от несанкционированного доступа. Самое известное применение блокчейна связано с биткоином и другими криптовалютами.
В данном случае криптография используется двумя путями. Первый связан с так называемыми хеш-функциями.
Цепочка хешей в базе данных гарантирует сохранение порядка транзакций. В результате блокчейн становится похожим на финансовый реестр. Но в отличие от централизованных реестров, хранящихся в банках, блокчейн распределен по множеству компьютеров (на каждом из них хранится его копия). Именно поэтому его часто называют распределенным реестром.
Хеш-функции также задействованы с протоколе биткоина. Они гарантируют, что все копии реестра являются одинаковыми. Процесс верификации называется майнинг. Майнеры ищут хеши, удовлетворяющие определенным условиям. Поскольку эта задача связана со значительными усилиями (расходом электроэнергии), попытка изменить реестр обойдется очень дорого и поэтому лишена смысла.
Майнинг — весьма неэффективный (в плане энергопотребления) способ проверки копий реестра. Другие типы блокчейнов базируются на иных, более экологичных подходах к решению этой проблемы.
Второй путь использования криптографии связан с созданием цифровых подписей. Они обеспечивают аутентификацию, поддерживают целостность данных и неоспоримость. Цифровая подпись генерируется путем объединения закрытого ключа пользователя с данными, которые он хочет подписать. Как только данные подписаны, соответствующий публичный ключ позволяет проверить подлинность подписи.
Цифровые подписи позволяют контролировать достоверность данных, помещаемых в блокчейн. В сети Bitcoin они используются для подтверждения правильности суммы, перемещаемой из одного кошелька в другой. Например, цифровая подпись гарантирует, что отправитель посылает криптовалюту из собственного кошелька, а не из чужого.
Все это может показаться сложным, но конечный смысл в следующем: блокчейн и криптовалюты были бы невозможны без криптографии.
Облачные вычисления
Облачные вычисления также не смогли бы развиться до нынешнего уровня без помощи криптографии. Облачные сервисы могут обойтись без шифрования, однако их безопасность в этом случае существенно бы пострадала. Как показали последние несколько лет, облачные вычисления предлагают компаниям массу возможностей, но в то же время возникают новые проблемы безопасностью, касающиеся работы с облаком, защиты данных, имени пользователя/пароля. Именно здесь в игру вступает криптография.
Криптография позволяет хранить всю информацию в зашифрованном виде. Прочитать ее без соответствующего ключа невозможно. Даже если злоумышленник получит данные в свое распоряжение, он не сможет расшифровать их без ключа. Поэтому очень важно защитить сам ключ.
Объемы информации, хранящихся в облаке, постоянно растут. Это заставляет экспертов разрабатывать новые эффективные и устойчивые технологии шифрования. Например, недавним прорывом стал зашифрованный поиск — он позволяет искать данные в облаке, сохраняя их в зашифрованном виде.
Без него было бы практически невозможно анализировать данные в облаке, не подвергая их опасности. Приходилось бы декодировать всю информацию, рискуя потерять ее.
Еще одной новой технологией, повысившей облачную безопасность, стал протокол конфиденциального вычисления (ПКВ). Он позволяет двум и более сторонам проводить вычисления на основе входных данных, сохраняя их в тайне.
Формальная постановка задачи такова: две стороны хотят вычислить значение некой функции на основе входящего множества данных (Х), при этом первая сторона обладает подмножеством этих данных Y, а вторая хранит у себя подмножество Z. Имея сразу Y и Z, можно вычислить значение функции, однако на основе только одного подмножества узнать ответ не получится.
Этот случай можно рассматривать как форму шифрования, в которой Y является ключом, а Z — зашифрованным посланием (или наоборот). Используя специальную форму шифрования, стороны могут вычислить функцию на всем множестве Х, не раскрывая свои данные перед другими участниками. Таким образом, ПКВ позволяет проводить вычисления на зашифрованных данных, если они были закодированы с помощью алгоритма разделения секрета.
Вместе с ростом популярности облачных хранилищ важно как можно быстрее внедрять эти криптографические инновации. В будущем мы станем свидетелями развертывания более сложных криптографических концепций в облачной среде.
Возможности безграничны
Приложения криптографии безграничны, особенно если задуматься о возможных сферах применения ПКВ. Представьте, какие результаты можно получить, если совместить машинное обучение и ПКВ в медицине. Ученые смогут изучать геномы, не ставя под угрозу неприкосновенность частной жизни. И это лишь одна из многих возможностей!
Наш мир развивается быстрее, чем когда-либо, поэтому легко упустить из виду основополагающие элементы технологии, которые позволяют нам жить полноценной и насыщенной жизнью. Криптография превратилась из способа связи с военачальниками в один из краеугольных камней современного мира.
Поскольку она затрагивает жизнь каждого человека, важно разбираться в ее принципах, лежащих в основе многих современных технологий и осознавать, что криптография способна поднять нас на новые, заоблачные высоты.
