Статья С чего начать изучение криптографии: полное руководство для новичков

[Сергей Попов]

Каждый ваш клик, каждое сообщение, каждая онлайн-покупка – все это защищено невидимыми цифровыми стражами. Но кто они? И как им удается оберегать наши секреты в мире, где утечки данных и кибератаки стали пугающей обыденностью? Добро пожаловать в криптографию – науку, которая превращает хаос в порядок, а тайны – в неприступные крепости! Если вы всегда хотели заглянуть 'под капот' HTTPS, понять магию цифровых подписей, или осознать, почему фраза «не изобретай свой алгоритм» в криптографии – это золотое правило, то вы попали по адресу. Это руководство – ваш пропуск в мир, где математика становится щитом, а знания – вашим главным оружием. Отбросьте сомнения, мы начнем с самых азов!

Введение​

Криптография — это фундаментальная дисциплина в основе современной информационной безопасности. Она использует математические принципы и алгоритмические последовательности для защиты данных – будь то ваши пароли, банковская информация или личная переписка – от несанкционированного доступа. Но с чего начать погружение в эту обширную и, на первый взгляд, сложную область, если вы только делаете первые шаги? В этой статье мы разберем, почему понимание криптографии важно для каждого, кто интересуется технологиями, выделим ключевые направления и предложим структурированный план для успешного старта.

Что такое криптография и зачем она нужна​

Криптография — это наука и практика обеспечения безопасной коммуникации в присутствии третьих лиц (противников). В её основе лежат четыре ключевые задачи, направленные на защиту информации:

1. Конфиденциальность (Confidentiality): Гарантия того, что информация доступна только авторизованным лицам и скрыта от посторонних глаз.
2. Целостность (Integrity): Обеспечение того, что информация не была изменена (случайно или преднамеренно) в процессе передачи или хранения.
3. Аутентификация (Authentication): Проверка подлинности сторон, участвующих в обмене данными, а также подтверждение происхождения самих данных.
4. Неотказуемость (Non-repudiation): Создание неопровержимых доказательств того, что определенное действие было совершено или сообщение было отправлено конкретным отправителем, который не может впоследствии от этого отказаться.

Примеры из повседневной жизни:

• Защищенная передача сообщений в мессенджерах (например, WhatsApp и Telegram используют вариации протокола Signal для оконечного шифрования).
• Протокол HTTPS (HyperText Transfer Protocol Secure), обеспечивающий безопасное соединение между вашим браузером и веб-сайтами.
• Цифровые подписи, используемые для проверки подлинности и целостности программного обеспечения, обновлений или электронных документов.
• Шифрование диска для защиты данных на вашем компьютере или смартфоне в случае утери или кражи устройства.

Основные направления криптографии​

Криптография включает в себя несколько фундаментальных направлений:

1. Симметричное шифрование (Symmetric Encryption)
В этом подходе один и тот же секретный ключ используется как для шифрования (преобразования открытого текста в шифротекст), так и для расшифрования (обратного преобразования).

Пример: AES (Advanced Encryption Standard) – широко распространенный и надежный стандарт блочного шифрования.

2. Асимметричное шифрование (Asymmetric Encryption) или Криптография с открытым ключом
Использует пару математически связанных ключей: публичный ключ (который можно свободно распространять) и приватный ключ (который должен храниться в секрете). Данные, зашифрованные публичным ключом, могут быть расшифрованы только соответствующим приватным ключом, и наоборот.

Примеры: RSA (Rivest-Shamir-Adleman), ECC (Elliptic Curve Cryptography) – криптография на эллиптических кривых, предлагающая сопоставимый уровень безопасности при меньшей длине ключа по сравнению с RSA.

3. Хэш-функции (Hash Functions)
Это математические функции, которые преобразуют входные данные произвольного размера в выходную битовую строку фиксированного размера (хэш или "отпечаток данных"). Ключевые свойства: детерминированность (одинаковые входные данные всегда дают одинаковый хэш), необратимость (практическая невозможность восстановить исходные данные из хэша) и стойкость к коллизиям (сложность нахождения двух разных наборов входных данных с одинаковым хэшем).

Примеры: Семейство SHA-2 (например, SHA-256), SHA-3.

4. Цифровые подписи (Digital Signatures)
Механизм, позволяющий получателю сообщения проверить аутентичность отправителя и целостность полученных данных. Обычно создаются с использованием асимметричной криптографии (приватный ключ для подписи, публичный – для проверки). Являются основой для безопасной электронной коммерции, защищенного обновления ПО, а также играют важную роль в технологии блокчейн.

5. Современные вызовы: Постквантовая криптография
С активным развитием исследований в области квантовых вычислений возникает потенциальная угроза для многих существующих асимметричных криптосистем (например, RSA и ECC). В связи с этим, постквантовая криптография (Post-Quantum Cryptography, PQC) – это активно развивающееся направление, целью которого является разработка и стандартизация криптографических алгоритмов, устойчивых к атакам с использованием как классических, так и квантовых компьютеров.

Базовые темы для изучения​

1. История криптографии и классические шифры: Начните с изучения простых исторических шифров, таких как шифр Цезаря, шифр Виженера, и перестановочные шифры. Это поможет понять основные принципы шифрования и криптоанализа.
2. Основы симметричного шифрования: Изучите концепции блочных и потоковых шифров. Познакомьтесь с современным стандартом AES (его структуру и режимы работы на концептуальном уровне). Также полезно рассмотреть исторические шифры, такие как DES, но с акцентом на понимание их уязвимостей (например, малый размер ключа) и причин, по которым они больше не считаются безопасными для большинства приложений.
3. Основы асимметричного шифрования: Разберитесь в принципах работы криптографии с открытым ключом. Изучите алгоритм RSA (на уровне понимания генерации ключей, шифрования и расшифрования) и получите общее представление об основах криптографии на эллиптических кривых (ECC) и ее преимуществах.
4. Хэш-функции: Сконцентрируйтесь на понимании ключевых свойств хэш-функций: детерминизм, необратимость (стойкость к восстановлению прообраза), стойкость ко второму прообразу и стойкость к коллизиям. Изучите области применения хэш-функций (проверка целостности, хранение паролей) на примере стандартов SHA-2 и SHA-3.
5. Криптографические протоколы: Получите общее представление о том, как криптографические примитивы объединяются для создания защищенных протоколов. Изучите на концептуальном уровне цели и основные механизмы работы таких протоколов, как TLS/SSL (обеспечивающего безопасность веб-коммуникаций) и PGP/GPG (для шифрования электронной почты и файлов).

Рекомендуемые ресурсы для изучения​

Курсы и интерактивные платформы:

1. Cryptopals Crypto Challenges: Серия практических задач, которые помогут вам изучить и реализовать атаки на криптографические системы, начиная с самых основ. Отличный ресурс для практического обучения. (
   Ссылка скрыта от гостей
   )
2. Coursera – "Cryptography I" от Stanford University (Dan Boneh): Один из самых известных и уважаемых онлайн-курсов по криптографии. Требует времени и усилий, но дает фундаментальные знания. (
   Ссылка скрыта от гостей
   )
3. Cybrary: Платформа с большим количеством материалов по кибербезопасности, включая курсы по основам криптографии. Многие материалы доступны бесплатно (на английском языке). (
   Ссылка скрыта от гостей
   )
4. Codeby School: Отечественная образовательная платформа, предлагающая курсы и практические лаборатории по различным направлениям информационной безопасности, где также затрагиваются аспекты криптографии в контексте практических задач. (codeby.school)

Книги:

1. "Криптография и сетевая безопасность: принципы и практика" (Cryptography and Network Security: Principles and Practice) – Уильям Столлингс. Классический и объемный учебник, охватывающий широкий спектр тем. Доступен в книжных магазинах и библиотеках.
2. "Serious Cryptography: A Practical Introduction to Modern Encryption" – Жан-Филипп Омассон (Jean-Philippe Aumasson). Отличная книга для тех, кто хочет углубиться в практические аспекты современной криптографии и избежать распространенных ошибок. Рекомендуется после освоения базовых концепций. (
   Ссылка скрыта от гостей
   – для первого издания, ищите также второе издание)

Практика и CTF:

• CryptoHack: Игрофицированная платформа для изучения современной криптографии через решение интерактивных задач. (
  Ссылка скрыта от гостей
  )
• HackerLab.pro: Платформа с практическими заданиями и лабораториями по кибербезопасности, включая задачи CTF по криптографии. (hackerlab.pro)
• CTF (Capture The Flag) соревнования: Участие в CTF – отличный способ применить полученные знания на практике и столкнуться с разнообразными криптографическими задачами. Ищите анонсы на CTFTime.org.

Пример задачи и её решение (XOR-шифрование)​

Простейший симметричный шифр – это шифр XOR, где каждый байт открытого текста "складывается" по модулю 2 (операция XOR) с соответствующим байтом ключа. Если ключ короче сообщения, он обычно повторяется.

Предположим, у нас есть открытый текст "HELLO" и мы хотим зашифровать его с помощью повторяющегося ключа 42.
Открытый текст в ASCII: H(72), E(69), L(76), L(76), O(79)
Ключ: 42
Шифрование:
72 ^ 42 = 114
69 ^ 42 = 107
76 ^ 42 = 122
76 ^ 42 = 122
79 ^ 42 = 121
Шифротекст в виде массива чисел: [114, 107, 122, 122, 121]

Теперь, если у нас есть этот шифротекст и ключ, мы можем расшифровать его:

def xor_cipher_operation(data_bytes, key):
    """Шифрует/расшифровывает данные с помощью XOR и повторяющегося ключа."""
    # Для простоты примера, предполагаем, что ключ - одно число (байт)
    # В более общем случае ключ может быть последовательностью байт
    return bytes(b ^ key for b in data_bytes)
# Пример использования для расшифровки
ciphertext_nums = [114, 107, 122, 122, 121]
key_num = 42
# Преобразуем числа шифротекста в байты (если они в диапазоне 0-255)
# Для данного примера числа представляют ASCII-коды, которые после XOR могут выйти за пределы печатных символов,
# поэтому для корректного представления шифротекста лучше оперировать байтами.
# Но т.к. в примере даны числа, будем исходить из них.
# Однако, Python chr() ожидает int.
decrypted_text = ''.join(chr(c ^ key_num) for c in ciphertext_nums)
print(f"Шифротекст (числа): {ciphertext_nums}")
print(f"Ключ: {key_num}")
print(f"Расшифрованный текст: {decrypted_text}") # Результат: "HELLO"

Этот простой пример демонстрирует обратимость операции XOR и базовый принцип ее работы в шифровании. Важно понимать, что такой простой XOR-шифр крайне уязвим для анализа, если ключ короткий или используется многократно для разных сообщений.

Частые ошибки новичков​

1. Преждевременное погружение в сложные математические детали (например, глубокую теорию эллиптических кривых или конечных полей) до освоения фундаментальных концепций и принципов.
2. "Изобретение велосипеда": Попытка создать собственный криптографический алгоритм или протокол. Это одна из самых серьезных ошибок. Разработка безопасных криптосистем требует глубочайшей экспертизы и многолетнего анализа сообществом. Всегда используйте проверенные, стандартизованные и широко изученные алгоритмы и протоколы.
3. Пренебрежение практическими задачами и реализацией. Теория важна, но без практики понимание криптографии остается неполным.
4. Недооценка важности правильного управления ключами. Безопасность многих криптосистем полностью зависит от секретности и правильного обращения с ключами.

Пошаговый план изучения криптографии​

1. Освоение теории:
   • Изучите базовые определения: шифр, ключ, открытый текст, шифротекст, криптоанализ, основные цели криптографии.
   • Разберите принципы работы классических шифров (Цезарь, Виженер) и их уязвимости.
   • Поймите различия между симметричным и асимметричным шифрованием, хэш-функциями.
     
2. Практическое применение и решение задач:
   • Начните решать задачи на платформах типа
     Ссылка скрыта от гостей
     (начиная с первых, простых наборов) или
     Ссылка скрыта от гостей
     . Это поможет закрепить теорию и развить интуицию.
     
3. Углубление в современные примитивы и протоколы:
   • Изучите на концептуальном уровне современные симметричные шифры (AES и его режимы работы), асимметричные системы (RSA, ECC) и хэш-функции (SHA-2, SHA-3) по рекомендованным книгам и курсам.
   • Разберитесь в принципах построения и целях основных криптографических протоколов, таких как TLS и PGP. Поймите, как они комбинируют различные примитивы для достижения безопасности.
     
4. Образовательная реализация (с осторожностью!):
   • Попробуйте реализовать некоторые простые классические шифры или базовые операции (например, XOR, операции в RSA на малых числах) на Python или другом удобном языке. Крайне важно: делайте это исключительно в учебных целях для лучшего понимания алгоритмов. Никогда не используйте собственные реализации криптографии в реальных системах, где требуется безопасность!
     
5. Чтение специализированной литературы и статей:
   • После освоения основ переходите к более серьезным книгам (например, упомянутая "Serious Cryptography") и статьям, посвященным конкретным аспектам криптографии или криптоанализа. Чтение RFC (например,
     Ссылка скрыта от гостей
     ) может быть полезно на более продвинутом этапе для понимания деталей протоколов.

Заключение​

Криптография – это не просто набор алгоритмов, это образ мышления, направленный на обеспечение безопасности информации в цифровом мире. Для успешного старта вам потребуются базовые математические знания, логическое мышление и, самое главное, желание разбираться и практиковаться. Не бойтесь сложностей – начните с малого, двигайтесь постепенно, и увлекательный мир криптографии откроется перед вами.
Помните, что эта область постоянно развивается, поэтому непрерывное обучение и практика – залог вашего роста как специалиста.

Обсуждение и ваши вопросы​

Эта статья затронула лишь верхушку айсберга под названием "криптография". Уверен, у многих из вас есть свой опыт, любимые ресурсы или каверзные вопросы.

• Какие аспекты криптографии вы считаете наиболее сложными для понимания новичками?
• С какими «неочевидными» применениями криптографических примитивов вы сталкивались на практике или в CTF?
• И главный вопрос – какие ресурсы или методы обучения помогли лично вам совершить прорыв в этой области?

Часто задаваемые вопросы (FAQ)​

1. Нужно ли знать сложную математику для начала изучения криптографии?
Для старта достаточно базовых знаний алгебры и логики. Понимание основ теории чисел, теории вероятностей и дискретной математики будет большим плюсом и потребуется для углубленного изучения, но на начальном этапе можно обойтись без глубоких математических выкладок, концентрируясь на концепциях и применении.

2. Можно ли начать учить криптографию, не имея предварительного бэкграунда в информационной безопасности?
Абсолютно! Криптография может стать вашим первым шагом в мир ИБ. Главное – это ваш интерес, настойчивость и доступ к качественным учебным материалам.

3. Какие языки программирования предпочтительнее для изучения и практики криптографии?
Python – отличный выбор для начинающих благодаря простоте синтаксиса и большому количеству библиотек; он позволяет быстро прототипировать и понимать алгоритмы. Для разработки высокопроизводительных криптографических приложений или глубокого анализа часто используются C/C++. Также могут быть полезны языки с поддержкой работы на низком уровне или специфические для определенных платформ.

4. Как развиваться в направлении криптоанализа?
Криптоанализ требует глубоких знаний математики (особенно теории чисел, алгебры, статистики), понимания принципов построения криптографических алгоритмов и их потенциальных слабостей. Решайте задачи по криптоанализу на платформах вроде Cryptopals и CryptoHack, участвуйте в CTF (в категориях crypto), изучайте известные атаки на криптосистемы.

Делитесь мнениями, лайфхаками и задавайте свои вопросы на нашем форуме в специальном разделе: Криптография и Стеганография на Codeby.net!
Давайте продолжим изучение вместе и поможем друг другу стать сильнее!

 

[Kirill_T_]

как это обычно бывает - сначала перепробуешь все мега крутые методы с ютуба (криптовка на общеизвестных онлайн платформах, смена расширения с помощью символа обратного кодирования, архивация в запароленный винрар или зип, самораспковывающийся архив), потом оказывается что это ерунда и приходишь на codeby и помнимаешь что все что ты изучал на ютубе неделю - фигня

спасибо вам что вы есть!