Загадка тайного письма

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Халикова Д.Р. 1Кислов Р.А. 1

---

1МОАУ "Лицей № 6"

Мосина И.Г. 1

---

1МОАУ "Лицей №6"

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Кто владеет информацией, тот владеет миром

Натан Ротшильд

Понятие "информация" сегодня употребляется весьма широко и разносторонне. Трудно найти такую область знаний, где бы оно не использовалось. Огромные информационные потоки буквально захлестывают людей. Объем научных знаний по оценке специалистов, удваивается, каждые пять лет. Мы представляем информацию в разных формах или преобразуем ее из одной формы в другую, то есть мы кодируем информацию. С самых давних пор любимой игрой всех детей были попытки изобретения специального алфавита для обмена секретными сообщениями. Конечно, это было связано не с реальной угрозой перехвата передаваемой информации посторонними лицами, а просто с детским желанием поиграть в шпионов. Однако в мире взрослых такая угроза, несомненно, существует, и конфиденциальность многих сообщений чрезвычайно важна. Информация в современном обществе – одна из самых ценных вещей в жизни, требующая защиты от несанкционированного проникновения лиц, не имеющих к ней доступа. С наступлением информационного века кодирование и шифры стали неотъемлемой частью жизни современного общества.

Актуальность исследования обусловлена наличием ряда противоречий между необходимость изучения темы кодирования информации и криптографии в школе и сложностью ее восприятия и освоения детьми. Проблема исследования заключается в поиске обучающих средств, которые в понятной и игровой форме обучили ребят сложной теме кодирования и криптографии. Разработанный веб-квест имеет практическую значимость для школьников: познакомит ребят с основами криптографии и методами декодирования шифров в игровой познавательной форме.

Гипотеза исследования состоит в предположении, чтообучающиеся успешно освоят сложную тему по кодированию информации и декодированию шифров, если предложить изучать ее в игровой познавательной форме веб-квеста.

Методы исследования:

- теоретические (поиск, изучение и анализ литературы и интернет-ресурсов; классификация способов кодирования, моделирование задач, анализ и обобщение полученной информации и результатов работы);

- практические (описание задач на декодирование шифров, практическое моделирование при создании веб-квеста).

Объектом нашего исследования является кодирование и криптография.

Предмет исследования – процесс создания веб-квеста для школьников по изучению темы кодирования и декодирования информации.

Цель нашего исследования заключается в создании для обучающихся веб-квеста по решению задач на декодирование шифров с помощью теории криптографии.

Для достижения поставленной цели выделены следующие задачи:

– провести теоретический анализ литературы по теме исследования, определить понятия «кодирование», «криптография» «декодирование»;

– изучить историю возникновения первых шифров;

– рассмотреть методы декодирования шифров;

– создать веб-квест для решения задач на декодирование шифров.

1. История возникновения кодирования и криптографии

Издавна люди изыскивали способы уберечь некоторые важные сообщения от посторонних глаз. Рассказывают, как один царь обрил голову гонца, написал на ней послание и отослал гонца к своему союзнику лишь тогда, когда волосы на его голове отросли. Развитие химии дало удобное средство для тайнописи: симпатические чернила, записи которыми не видны до тех пор, пока бумагу не нагреют или обработают каким-нибудь химикатом. Такими чернилами может быть лимонный сок, молоко, яблочный сок, луковый или свекольный отвар, растворы соды или крахмала. Проявить надписи, сделанные при помощи этих веществ, легко под воздействием тепла: следует использовать утюг, лампочку накаливания, либо открытый огонь. Самым простым вариантом тайнописи считалась простая замена в слове гласных на согласные буквы или полусловица, когда записывались лишь неузнаваемые части букв кириллицы. В XIII–XIV веках для шифрования применялась уже глаголица в ее чистом виде. К тому моменту самая первая славянская азбука уже совсем забылась, поэтому шифровать свое имя глаголицей было особым шиком. Писцы изобретали и более хитрые способы, например, сочиняли тарабарскую азбуку. "Тарабарская азбука – это принцип, когда согласные буквы пишутся в обратном порядке, то есть букве "б" соответствует "щ", букве "в" соответствует "ш" и так вот до серединки. При этом гласные не участвуют. Уверяют, что в 19 веке старообрядцы умели даже разговаривать по-тарабарски. Тайнопись лучше всего использовать в сочетании с кодом или шифром, так как существует риск, что тайное послание может быть обнаружено. Коды появились в глубокой древности в виде криптограмм (по-гречески — тайнописи). Ими пользовались для засекречивания важного сообщения от тех, кому оно не было предназначено (рисунок 1).

Рисунок 1 - Древние шифры

Уже знаменитый греческий историк Геродот в V веке до н. э. приводил примеры писем, понятных лишь для одного адресата. Спартанцы, например, имели специальный механический прибор, при помощи которого важные сообщения можно было писать особым способом, обеспечивающим сохранение тайны. Собственный шифр был и у Юлия Цезаря. В средние века и эпоху Возрождения над изобретением тайных шифров трудились многие выдающиеся люди, в их числе философ Фрэнсис Бэкон, крупные математики Франсуа Виет, Джероламо Кардано, Джон Валлис.

Различные хитроумные приемы кодирования применяли шифровальщики при папском дворе и дворах европейских королей. Вместе с искусством шифрования развивалось и искусство дешифровки, или криптоанализа. С течением времени начали появляться по-настоящему сложные шифры. Один из них, употребляемый и поныне, связан с именем ученого аббата из Вюрцбурга Тритемиуса – криптография.

Криптография появилась с возникновением самой письменности. Хотя еще египтяне и жители Месопотамии использовали методы шифрования, первыми, кто серьезно занялся криптографией, были древние греки и римляне, две враждующие культуры, для которых тайное общение являлось ключевым элементом военных успехов. Такая секретность привела к появлению криптографов – хранителей тайны и криптоаналитиков – специалистов по взламыванию шифров. В VIII в., например, арабский мудрец Аль-Кинди придумал метод дешифровки, известный как частотный криптоанализ, который вскрывал любое закодированное сообщение. Ответом шифровальщиков было изобретение полиалфавитного шифра.

Ближе к настоящему времени начали появляться первые машины шифрования и, вскоре после этого, первые машин дешифрования. Первая программируемая вычислительная машина, названная Colossus (рисунок 2), была изобретена и построена британцами для взлома сообщений, закодированных немецкой шифровальной машиной «Энигма».

Рисунок 2 - Колоссус

Первым техническим средством кодирования данных был созданный в 1792 году телеграф Шаппа. Устройство передавало оптическую информацию в простейшем виде с помощью специальной таблицы кодов, в которой каждой букве латинского алфавита соответствовала одна фигура. В результате, телеграф мог отобразить и передать набор фигур.

Еще одним важным изобретением стал созданный в 1837 году телеграф Морзе, революционное устройство кодирования и декодирования информации (рисунок 3).

Рисунок 3 - Аппарат Самюэля Морзе

Принцип кодирования заключался в преобразовании любого сообщения в три символа алфавита: Длинный сигнал – тире; Короткий сигнал – точка; Нет сигнала – пауза. Подобная связь используется по сей день в мореходной сфере для мгновенной передачи сообщений между суднами.

В 1899 году А. Попов создал первый в мире беспроводной телеграф или радиоприемник. Принцип его работы заключался в кодировании электрических сигналов азбукой Морзе и её дальнейшей передаче на длительные расстояния. Позже был изобретен телеграф Бодо, который решал проблему неравномерности кода и сложность декодирования.

Рисунок 4 - Радиоприемник Попова

Хотя сами методы криптографии и криптоанализа до недавнего времени были не очень тесно связаны с математикой, но во все времена многие известные математики участвовали в расшифровке важных сообщений. И часто именно они добивались заметных успехов, ведь математики в своей работе постоянно имеют дело с разнообразными и сложными задачами, а каждый шифр — это серьезная логическая задача.

2. Теоретические аспекты понятия «Кодирования»

2.1 Понятие кодирования

В мире идет постоянный обмен потоками информации. Источниками могут быть люди, технические устройства, различные вещи, объекты неживой и живой природы. Получать сведения может как один объект, так и несколько.

Существует целая теория кодирования. Теория кодирования — это изучение свойств кодов и их пригодности для достижения поставленной цели.

Введем некоторые основные понятия.

Кодирование информации – это процесс её преобразования из формы, удобной для непосредственного использования, в форму, удобную для передачи, хранения, автоматической переработки и сохранения от несанкционированного доступа.

Код является правилом соответствия набора знаков одного множества Х знакам другого множества Y. Если каждому символу Х при кодировании соответствует отдельный знак Y, то это кодирование. Если для каждого символа из Y однозначно отыщется по некоторому правилу его прообраз в X, то это декодирование. Отсюда следует, что кодирование – процесс преобразования символов алфавита Х в символы алфавита Y. При представлении сообщений в ЭВМ, к примеру, все символы кодируются байтами.

Обычно каждый образ при кодировании представлен отдельным знаком. Знак – это элемент конечного множества отличных друг от друга элементов.

Действия по восстановлению первоначальной формы представления информации принято называть декодированием. Для декодирования надо знать код. Декодирование – это процесс обратного преобразования кода к форме исходной символьной системы, т.е. получение исходного сообщения. Например, перевод с азбуки Морзе в письменный текст на русском языке. В более широком смысле декодирование – это процесс восстановления содержания закодированного сообщения. При таком подходе процесс записи текста с помощью русского алфавита можно рассматривать в качестве кодирования, а его чтение – как декодирование.

Кодирование информации бывает одно и многоуровневым. Примером одноуровневого кодирования служат световые сигналы, подаваемые светофором (красный – стой, желтый – приготовиться, зеленый – вперед). В качестве многоуровневого кодирования можно привести представление графического образа в виде файла фотографии.

2.2 Способы кодирования информации

Информация может поступать от источника к приёмнику с помощью сигналов самой разной физической природы. Например, сигнал может быть световым, звуковым, тепловым, электрическим или в виде жеста, движения, слова.

Для того чтобы произошла передача информации, приёмник информации должен не только получить сигнал, но и расшифровать его. Так, услышав звонок будильника, ученик понимает, что пришло время просыпаться и собираться в школу. Телефонный звонок означает, что кому-то нужно с вами поговорить.

Звонок в дверь сообщает, что кто-то пришёл, а школьный звонок собирает ребят на урок или оповещает их о долгожданной перемене.

Необходимо заранее договариваться, как понимать те или иные сигналы, другими словами, требуется разработка кода.

Код — это система условных знаков для представления информации. 

Одну и ту же информацию можно выразить разными способами.

Если прибор находится под высоким напряжением, то требуется оставить предупреждающий знак (рисунок).

На оживлённом перекрестке регулировщик помогает избежать аварии с помощью жестов.

В театре пантомимы вся информация передаётся зрителю исключительно с помощью мимики и жестов.

Если тонет корабль, то передаётся сигнал «SOS»  (…- - - …).

На флоте помимо азбуки Морзе используют семафорную и флажковую сигнализацию.

Существуют три основных способа кодирования текста:

• графический – с помощью специальных рисунков или значков;

• числовой – с помощью чисел;

• символьный – с помощью символов того же алфавита, что и исходный текст.

Наиболее значимым для развития техники оказался способ представления информации с помощью кода, состоящего всего из двух символов: 0 и 1. Двоичное кодирование – один из распространенных способов представления информации. В вычислительных машинах, в роботах и станках с числовым программным управлением, как правило, вся информация, с которой имеет дело устройство, кодируется в виде слов двоичного алфавита.

3. Теоретические аспекты криптографии

3.1 Понятие криптографии

Процесс преобразования текста, написанного общедоступным языком, в текст, понятный только адресату, называют шифрованием, а сам способ такого преобразования называют шифром. Сначала шифрами пользовались пираты, отмечая расположение кладов, алхимики, купцы, заговорщики. Впоследствии – дипломаты, стремящиеся сохранить тайны переговоров, военачальники, скрывающие от противника отданные распоряжения, разведчики и другие. Изменение текста с целью сделать его понятным только избранным дало начало науке криптографии (греч. "тайное письмо"). Криптография — это прежде всего наука о математических методах защиты информации. У большинства людей слово «криптография» ассоциируется со сложным и многогранным процессом, в который вовлечены компьютерные технологии, математические формулы, интернет и конфиденциальные данные. Криптография настолько прочно вошла в нашу обыденную жизнь, что, даже читая этот текст на экране своего электронного устройства, мы, не замечая того, задействуем множество криптографических функций и протоколов. Как и любая другая наука, криптография прошла в своем развитии немало этапов, превратившись из магической сверхспособности и потаенного искусства, доступного лишь избранному кругу лиц, в область знания, широко распространенную и необходимую в современном мире.

Криптология разделяется на два направления: криптографию и криптоанализ. Цели этих направлений прямо противоположны.

Криптография

Криптография — это одна из областей прикладной математики. Это целая наука о методах обеспечения конфиденциальности (невозможности прочтения информации посторонним), целостности данных (невозможности незаметного изменения информации), аутентификации (проверки подлинности авторства или иных свойств объекта), а также невозможности отказа от авторства.

Сообщение, которое вы хотите передать адресату, называют открытым текстом. То есть, это данные, не только текстовые, но и любых других видов, передаваемые без использования криптографии. Для сохранения сообщения в тайне оно преобразуется криптографическими методами и только после этого передается адресату.

Преобразованное сообщение называют шифр-текстом. Шифрованный или закрытый текст — это данные, полученные после применения криптосистемы, чаще с некоторым указанным ключом – параметром шифра, определяющим выбор конкретного способа преобразования данного текста.

Шифр — какая-либо система преобразования текста с ключом для обеспечения секретности передаваемой информации. Шифры применяются для тайной переписки дипломатических представителей со своими правительствами, в вооруженных силах для передачи текста секретных документов по техническим средствам связи, банками для обеспечения безопасности транзакций, а также некоторыми интернет-сервисами по различным причинам.

Криптография может быть стойкой, а может быть слабой. Криптографическая стойкость измеряется тем, сколько понадобится времени и ресурсов, чтобы из шифр-текста восстановить исходный открытый текст. Результатом стойкой криптографии является шифр-текст, который исключительно сложно взломать без обладания определёнными инструментами по дешифрованию.

Само преобразование информации — шифрование — преобразование открытого текста на основе алгоритма и ключа, в результате которого возникает шифрованный текст.

Криптоанализ

Но если есть желающие скрыть смысл текста, то найдутся и те, кто захочет прочитать зашифрованный текст. Методы чтения таких текстов изучает наука криптоанализ.

Криптоанализ — наука о методах получения исходного значения зашифрованной информации без доступа к секретной информации (ключу), необходимой для этого. Это наука нахождения ключа шифра и разработка методов взламывания кода также разработка методов поиска уязвимости в криптографическом алгоритме или протоколе.

Криптоаналитики — учёные, создающие и применяющие методы криптоанализа, работающие в данной сфере.

Сфера интересов криптоанализа занимается исследованием возможности расшифровывания информации. Она изучает математические методы нарушения конфиденциальности и целостности информации и защиты.

Сегодня каждый из нас пользуется достижениями криптографии, даже если не стремится к этому. Смартфон авторизует своего владельца, чип на банковской карте разблокирует доступ к ней по пин-коду, мессенджеры используют сквозное шифрование переписки, а сайты — защищенное соединение. Например, мессенджер Telegram предлагает вам убедиться, что ваше общение с кем-либо зашифровано. Когда вы совершаете звонок, то в окне вызова высвечиваются четыре эмодзи — такие же эмодзи появляются и на экране вашего собеседника (то есть у вас одно соединение, в котором только два участника). Если смайлы отличаются, значит, в вашей беседе участвует кто-то третий.

3.2 Методы криптографической защиты информации

Криптографические методы защиты информации делятся на 4 основных направления: шифрование, стенография, кодирование, сжатие.

Шифрование

Под шифрованием понимается процесс воздействия на исходную информацию при помощи математических, логических, комбинаторных и прочих методов. При таком воздействии исходная информация преобразуется в набор хаотических символов (букв, цифр и специальных символов). Шифрование является обратимым процессом, то есть зашифрованную информацию можно обратно расшифровать. Для шифрования свойственны два инструмента: алгоритм шифрования; ключ шифрования. Алгоритм шифрования для каждого отдельного метода шифрования остается неизменным, поэтому не является первостепенным инструментом. Ключ шифрования содержит в себе набор правил и инструкций, по которым осуществляется процесс шифрования информации. Ключ является важным инструментом, который может быть использован при расшифровке информации. Поэтому ключ шифрования необходимо тщательно защищать от перехвата злоумышленниками. Если ключ шифрования попадет в руки злоумышленникам, тогда информация будет расшифрована. Иногда в момент передачи зашифрованного текста по сети между устройствами передается и ключ шифрования. Его обязательно передают только в зашифрованном виде, чтобы при его «перехвате» хакеры не смогли расшифровать сам ключ и получить доступ к информации.

Стенография

Стенография сильно отличается от других криптографических методов защиты информации. Этот метод позволяет скрывать не только информацию, но и сам факт того, что какая-то информация была скрыта и передана. Стенография разнообразна своими методами, но в основе всех методов лежит один принцип: скрыть защищаемую информацию среди открытой информации. Другими словами, стенография создает реалистичную информацию, которая ничем не отличается от настоящей и внутри нее скрывает защищаемые сведения. Стенография маскирует информацию на уровне байтов. Для усиления эффекта защищенности скрытые файлы иногда шифруют. Таким образом, если скрытый файл будет обнаружен, он все равно будет бесполезен, так как без ключа для расшифровки его невозможно будет прочитать. «Стенография + шифрование» считается очень надежным методом криптографической защиты информации.

Кодирование

Этот криптографический метод защиты информации известен очень давно. Суть его сводится к тому, что исходные сведения «подменяют» специальными кодами. В качестве таких кодов используют сочетание букв, символов или цифр. Для удобства кодирования и раскодирования применяют специальные таблицы, где записаны правила кодирования, то есть какой символ на что заменяется. Чтобы расшифровать информацию, необходимо знать инструкции подмены (алгоритм шифрования) и ключ к расшифровке, что усложняет процесс расшифровки и улучшает безопасность информации.

Сжатие

Сжатие относят к криптографическим методам защиты информации, хотя оно используется всего лишь для уменьшения объема самой информации. Сжатая информация не может быть прочитана или применяться, пока не будет осуществлен обратный процесс. Но «обратный процесс» является распространенным и доступным способом обработки сжатой информации. Поэтому сжатие — это больше о сокращении объема сведений, чем о их защите. Если говорить о безопасности информации, то сжатие часто применяют в паре с шифрованием.

3.3 Криптография как неотъемлемая часть жизни

Современные методы криптографии применяются практически во всех отраслях, в которых присутствует необходимость безопасной передачи или хранения данных. Её методы сейчас широко используются частными лицами в электронных коммерческих операциях, при идентификации, аутентификации и так далее. она используется в сотовой связи, платном цифровом телевидении при подключении к Wi-Fi и на транспорте для защиты билетов от подделок, и в банковских операциях, и даже для защиты электронной почты от спама. Криптографию сейчас используют хакеры, борцы за неприкосновенность данных и свободу информации, и просто отдельные люди, которые желают зашифровать свои данные и не светить ими в сети. Все различные способы защиты своей конфиденциальности можно наблюдать вокруг. Самый очевидный – обычный пароль на компьютере или всевозможные виды пин-кодов.

В настоящее время на смену общедоступным социальным сетям приходят новые сервисы, стремящиеся защитить пользователей от слежки и различного вида взлома. Ярким примером служит платформу для обмена мгновенными текстовыми сообщениями на базе протокола безопасности MTProto - Telegram. Все передаваемые данные и переправляемые файлы шифруются по сложным алгоритмам, и по кабелям проходят уже недоступные для хакеров пакеты данных.

Также развиваются принципиально новые направления. На стыке квантовой физики и математики развиваются квантовые вычисления и квантовая криптография. Хотя квантовые компьютеры лишь дело будущего, уже сейчас предложены алгоритмы для взлома существующих «надёжных» систем. С другой стороны, используя квантовые эффекты, возможно построить и принципиально новые способы надёжной передачи информации.

4. Создание и реализация веб-квеста

В современном мире 21 века квесты как никогда набирают популярность. Это весьма высокоинтеллектуальное направление в развлекательной сфере. Они помогают развивать всевозможные лидерские качества, умение работать в команде, внимательность к деталям, смекалку и способность нестандартно мыслить в экстремальных условиях.

Нами был разработан и реализован собственный веб-квест. В ходе прохождения данного веб-квеста выполняются задания - практические задачи, которые решаются за счет декодирования шифров.

Мы считаем веб-квест очень современным и полезным инструментом для внедрения элементов игры в обучение, повышения мотивации приобретения знаний. Кроме того, веб-квест позволяет лучше погрузиться в тему исследования с большим интересом к проблеме. Он прекрасно подходит для обучения в команде, повышает уверенность в своих силах, пробуждает интерес к предмету и повышает самооценку. Веб-квест «Загадка тайного письма» опубликован на сервисе Calameo, который позволяет создавать интерактивный электронный документ для чтения с компьютера. При этом создается ощущение чтения бумажного документа: можно перелистывать страницы, отмечать интересные места, увеличивать масштаб изображения.

С помощью универсального приложения для рисования Ibis Paint x были выполнены иллюстрации к Веб-квесту.

Заключение

Результаты обратной связи и социологического опроса с обучающимися 5 и 8 (приложение 1) классов показали, что им было легче освоить сложную тему в игровой познавательной форме веб-квеста.

Работа над темой исследования помогла нам понять, увлекает ли нас поиск ответов на загадки шифров разного типа. Наше исследование заключалось в изучении специальной литературы и обобщении полученной информации, а также проведении собственных исследований при решении задач. Нами были рассмотрены методы декодирования различных шифров. Поставленные цель и задачи исследования были решены в результате изучения теоретических аспектов понятий кодирования и криптографии.

Мы выяснили, что шифры являются неотъемлемой частью нашей жизни. Они помогают нам защитить конфиденциальность личной жизни и сохранять тайну переписки. Мы создали веб-квест в помощь обучающимся и учителям при изучении темы «Криптография».

Список информационных источников

1. Агеев В.М. Теория информации и кодирования: дискретизация и кодирование измерительной информации. – М.: МАИ, 1977. – 59 с.

2. Гомес Ж. Мир математики. Том 2. Математики, шпионы и хакеры. Кодирование и криптография. – М.: Де Агостини, 2014. – 144 с.

3. https://tproger.ru/translations/10-codes-and-ciphers/

4. https://habrahabr.ru/post/116716/

5. https://www.youtube.com/watch?v=eJXmdi41Z2U

6. http://shifr-online-ru.1gb.ru/vidy-shifrov.htm

7. http://xreferat.com/33/5273-1-kriptografiya-shifry-ih-vidy-i-svoiystva.html

8. http://www.aif.ru/dosug/1846383

9. http://geek-nose.com/kodirovanie-i-dekodirovanie-informacii/#istoriya-razvitiya-kodirovaniya

10. FB.ru: http://fb.ru/article/236949/chto-takoe-kodirovanie-informatsii-i-ee-obrabotka

11. https://studopedia.ru/18_43854_kodirovanie-i-dekodirovanie-informatsii.html

12. http://mirznanii.com/a/112358/kodirovanie-informatsii

13. http://ru.science.wikia.com/wiki/Криптография

14. http://fb.ru/article/258486/kriptografiya---chto-eto-takoe-osnovyi-kriptografii

15. http://www.furfur.me/furfur/culture/culture/166567-kriptografiya

16. http://rubooks.org/book.php?book=2647&page=2

17. https://www.rutvet.ru/in-metody-i-vidy-kriptografii-i-shifrovaniya-dlya-nachinayushchih-8728.html

18. http://ru.science.wikia.com/wiki/Криптоанализ

19. http://www.furfur.me/furfur/culture/culture/166567-kriptografiya

20. https://www.securitylab.ru/analytics/490726.php?R=1

21. https://lifehacker.ru/2017/06/23/5-telegram-alternatives/

Приложение 1