Kódovanie textu a šifrovanie

Kódovanie aj šifrovanie majú spoločné to, že menia podobu textu. Majú však iný účel. Cieľom šifrovania je uchovanie tajomstva. Cieľom kódovania nie je utajenie, iba spoľahlivý záznam alebo prenos správy.

Základné kódovanie textu bolo využívané ešte pred príchodom počítačov. Napríklad Morseova abeceda sa používala na prenos správ telegrafom a Braillove písmo kóduje text na čítanie hmatom. Na kódovanie textu v počítačoch sa používajú metódy založené na binárnych číslach (nuly a jednotky).

Kódovanie správu neutají. Ak zapíšeme správu PES pomocou Morseovej abecedy (.–.|.|…), tak každý, kto túto abecedu pozná, si môže správu ľahko prečítať. Na utajenie správy slúži šifrovanie. Ľudia radi niečo taja, takže šifrovanie sa používa skoro tak dlho ako písanie. Už v staroveku sa šifrovanie hojne používalo, známa je napríklad Cézarova šifra. Šifrovanie hralo veľakrát dôležitú rolu v dejinách, kľúčovou udalosťou bolo napríklad prelomenie nemeckého šifrovacieho stroja Enigma v priebehu druhej svetovej vojny .

Šifrovanie hrá dôležitú rolu aj dnes. Bez kvalitných šifier by napríklad nebolo možné elektronické obchodovanie. Každý používateľ internetu pravidelne používa šifrovanie, aj keď o tom možno vôbec nevie, pretože šifrovanie vykonáva automaticky webový prehliadač.

Tému šifrovanie si môžete precvičiť niekoľkými spôsobmi:

• Základné šifry – základné princípy šifrovania (transpozícia, substitúcia) ilustrované na jednoduchých príkladoch.
• Šifry s nápadom – tieto šifry sa nepoužívajú pre praktické účely, ale dobre poslúžia ako tréning myslenia a test základných kryptoanalytických zručností.
• Šifrovanie: pojmy a princípy – pokročilejšia téma, ktorá sa zaoberá presnejšie spôsobmi použitia šifrovania a hlavnými pojmami.

Ak si chcete vygenerovať vlastné šifry, môžete využiť šifrátor.

Informácie bežne kódujeme ako text, ktorý zapisujeme na papier pomocou písmen abecedy. Zápis pomocou písmen na papier ale nie je jediný spôsob, ako môžeme text zakódovať.

• Morseova abeceda priraďuje každému písmenu kód, ktorý sa skladá z bodiek a čiarok. Používala sa kedysi predovšetkým na prenos informácií telegrafom.
• V námornej vlajkovej abecede má každé písmeno svoju vlajku. Text sa kóduje ako rad vlajok.
• V semaforovej abecede vysielajúci kóduje písmená pomocou rôznych pozícií rúk, v ktorých drží farebné vlajočky. Rovnako ako námorná vlajková abeceda má využitie napríklad medzi námorníkmi na komunikáciu na diaľku.
• Braillove písmo kóduje písmená pomocou hrboľčekov v mriežke 2×3. Toto písmo je určené pre ľudí s postihnutím zraku na čítanie hmatom.
• Počítače ukladajú písmená pomocou číselných kódov. Kódovaniu textu v počítačoch sa venuje samostatná téma.

V počítači sú všetky informácie uložené ako nuly a jednotky. Na uloženie textovej informácie teda potrebujeme kódovanie, ktoré text prevedie na nuly a jednotky. V 60. rokoch 20. storočia za týmto účelom vznikla ASCII tabuľka, ktorá znakom priraďovala čísla od 0 do 255 a tieto čísla sa následne zapísali v binárnej sústave do jedného bytu.

ASCII kódovanie však umožňovalo kódovať iba písmená anglickej abecedy a niektoré ďalšie základné znaky. Preto bol neskôr vyvinutý štandard Unicode, ktorý umožňuje zápis nielen základných písmen, ale aj iných svetových abecied a mnohých ďalších symbolov (napr. snehuliaka: ☃). Aké ďalšie znaky sa v Unicode nachádzajú, si môžete pozrieť tu. Kým Unicode priraďuje znakom čísla, rôzne kódovania (napr. UTF-8) určujú, ako tieto čísla previesť na jednotky a nuly, ktoré sa uložia v počítači. Napr. Unicode kóduje snehuliaka ako číslo 2603 v šestnástkovej sústave. UTF-8 toto číslo zakóduje do troch bytov s hodnotami 1110⁠0010, 1001⁠1000 a 1000⁠0011.

Transpozičné šifry

Transpozičné šifry menia iba poradie písmen, nie ich vzhľad. Základné transpozičné šifry sú založené na prepísaní textu do riadka alebo do mriežky podľa jednoduchého princípu. Príklady:

• zápis odzadu (TRNAVA → AVANRT)
• zápis ob jedno písmeno (TRNAVA→ TARVNA)
• prehadzovanie susedných písmen (TRNAVA → RTANAV)
• šifrovacia mriežka

Existujú aj zložitejšie transpozičné šifry, ktoré umožňujú šifrovať podľa hesla.

Substitučné šifry

Substitučné šifry naopak zachovávajú poradie písmen, ale menia ich podobu. Základnou substitučnou šifrou je posun v abecede (nazývaný tiež Cézarova šifra), kedy písmená nahradzujeme za iné písmená, napr. pri posune o jedna zašifrujeme BRATISLAVA → CSBUJTMBWB (B sa posunie na C, R sa posunie na S a tak ďalej). Zložitejším príkladom substitučnej šifry je šifrovanie podľa hesla (Vigenèrova šifra).

Podobné substitučným šifrám je kódovanie, napr. Morseova abeceda, Braillove písmo alebo ASCII tabuľka. Kódovanie samo osebe však nie je šifrou, pretože správu neutají. Keď zapíšeme správu pomocou Morseovej abecedy, tak každý, kto túto abecedu pozná, si ju môže ľahko prečítať.

Pri praktických aplikáciách šifrovania je typicky základný šifrovací princíp známy a bezpečnosť šifry je založená na utajení kľúča. V nasledujúcich cvičeniach si môžete skúsiť šifry, na vylúštenie ktorých musíte odhaliť ich šifrovací princíp. Také šifry slúžia predovšetkým pre zábavu, využívajú sa napríklad hojne v šifrovacích hrách, pokladovkách a súťažiach. Aj napriek tomu, že tieto šifry nemajú priame praktické použitie, môžete si na nich dobre precvičiť princípy základných šifier, ale aj logické myslenie, hľadanie vzorov a trpezlivosť.

Základné situácie

Účelom šifrovania je utajiť správu. Obrázok znázorňuje základnú situáciu: Alica chce poslať Bobovi správu. Text tejto správy nazývame čistý text. Tento čistý text Alica zašifruje pomocou vopred dohodnutého šifrovacieho postupu a tajného kľuča. Tým vznikne zašifrovaný text, ktorý Alice pošle Bobovi. Bob zašifrovaný text pomocí kľúča rozšifruje a môže si prečítať správu.

Šifrovaný text môže niekto zachytiť (na obrázku je to Eva). Eva sa môže pokúsiť správu odhaliť, má to ale ťažké, pretože nepozná tajný kľúč (a prípadne ani použitý šifrovací princíp). Vykonáva teda lúštenie, ktoré je o dosť náročnejšie než rozšifrovanie.

Pojmy

• Kryptológia je odborný názov pre šifrovanie a lúštenie šifier. Dve hlavné časti kryptológie sú kryptografia a kryptoanalýza.
• Kryptografia sa zaoberá samotnými šifrovacími postupmi, ktoré používajú tí, ktorí spolu chcú utajene komunikovať (na obrázku Alica a Bob).
• Kryptoanalýza sa zaoberá tým, čo robí na obrázku Eva, teda ako vylúštiť zachytenú správu, ktorej šifrovací kľúč alebo spôsob zašifrovania nepoznáme.

Typy šifier

• Transpozícia mení iba poradie písmen, nie ich vzhľad.
• Substitúcia zachováva poradie písmen, ale mení ich podobu.
  • Monoalfabetická substitúcia nahrádza jedno písmeno vždy za rovnaký znak. Príkladom je Cézarova šifra (posun v abecede).
  • Polyalfabetická substitúcia nahrádza písmeno za rôzne znaky v závislosti od polohy v textu. Príkladom je Vigenèrova šifra
• Steganografia je snaha o úplné utajenie existencie správy, napríklad pomocou neviditeľného atramentu alebo nenápadného skrytia textu v obrázku.

Metódy kryptoanalýzy (odhalenia šifier)

Útok hrubou silou spočíva vo vyskúšaní všetkých možných kľúčov.

Frekvenčná analýza spočíva v analýze frekvencií (početnosti) znakov v správe. Tento spôsob analýzy šifier je založený na využití toho, že písmená v jazyku sú zastúpené veľmi nerovnomerne, napr. v slovenčine je písmeno E veľmi časté, kým F málo časté.

Moderné šifry

Moderné šifry sú výrazne zložitejšie než zápis pospiatky alebo posun v abecede, typicky využívajú pokročilú matematiku a zložité algoritmy. Príkladom modernej šifry je RSA.

Moderné šifry sú dvoch základných typov:

• Symetrické šifry využívajú na šifrovanie aj dešifrovanie rovnaký tajný kľúč (rovnako ako na vyššie uvedenom obrázku s Alicou a Bobom).
• Asymetrické šifry využívajú na zašifrovanie verejný kľúč a na dešifrovanie tajný súkromný kľúč. Tieto šifry je možné využiť aj na realizáciu elektronického podpisu.