1.3. Шифрование информации

Информатика, 5 класс. Учебник: Кадыркулов Р. А., Нурмуханбетова Г. К. (Алматыкітап баспасы, 2023). Раздел 1: Представление информации. Страницы 15–18.

Чему научишься

• Объяснять, что такое кодирование и декодирование, шифрование и дешифрование.
• Отличать кодирование от шифрования: зачем нужно одно и зачем другое.
• Кодировать и расшифровывать слова азбукой Морзе.
• Шифровать слова методом замены: каждую букву — её номером в алфавите.
• Рассказывать, что такое криптография, ключ и стойкость шифра.

Разминка

• Как ты понимаешь слово «шифрование»? Это когда текст превращают в «тарабарщину», чтобы прочитать его мог только тот, кто знает секрет.
• Чем раньше защищали секреты? Например, скиталой — палкой, на которую наматывали ленту с буквами; диском Альберти — двумя кругами с алфавитами; хитрыми шифровальными коробками и устройствами.
• Слышал ли ты слова «код» и «кодирование»? Конечно: код домофона, штрихкод на шоколадке, QR-код в кафе, код подтверждения из SMS.

Разбираемся

Кодирование: записать информацию другими знаками

Люди придумали буквы, чтобы записать звуки речи. Получается, мы закодировали звуки буквами. Цифры на ценнике, ноты в песеннике, смайлик в чате — тоже коды.

📌 Код — правило, по которому одни знаки заменяют другими. Кодирование — запись информации с помощью кода. Декодирование — обратный перевод в исходный вид.

📌 Алфавит — ограниченный набор символов, которыми записывают информацию на каком-то языке.

Человек тоже всё время перекодирует информацию. Мальчик увидел на дереве стаю птиц (зрительная информация), посчитал их и сказал другу: «Семь!» Картинка превратилась в число, а число — в звук.

Шифрование: спрятать от чужих

Около 4 тысяч лет назад люди начали прятать военные, торговые и государственные секреты. Так появилось шифрование.

📌 Шифрование — изменение секретной информации так, чтобы посторонние не смогли её понять. Дешифрование — превращение зашифрованного текста обратно в исходный.

Код или шифр — в чём разница?

И там, и там текст превращается в другие знаки. Но цель разная!

• Кодирование нужно, чтобы информацию было удобно хранить и передавать. Правило знают все. Азбуку Морзе можно найти в любом справочнике.
• Шифрование нужно, чтобы спрятать информацию. Правило (ключ) знают только свои.

⚠️ Частая ошибка. «Азбука Морзе — это шифр». Нет, это код: таблица открыта всем, её придумали для передачи по телеграфу, а не для тайн.

Таблица ASCII — как компьютер «помнит» буквы

Компьютер умеет хранить только числа (а точнее, нули и единицы). Поэтому каждой букве, цифре и знаку дали свой номер. Самая известная такая таблица — ASCII (American Standard Code for Information Interchange — американский стандартный код для обмена информацией). В её расширенном варианте 256 кодов.

🌟 Буква латинская «A» в ASCII имеет номер 65, а «a» маленькая — 97. Поэтому для компьютера «A» и «a» — совсем разные символы!

Азбука Морзе

Американский изобретатель Сэмюэл Морзе (1791–1872) придумал, как передавать буквы по телеграфу короткими и длинными сигналами. Короткий — точка (·), длинный, в три раза дольше, — тире (–). Между буквами — пауза.

Цифры: 1 ·––––, 2 ··–––, 3 ···––, 4 ····–, 5 ·····, 6 –····, 7 ––···, 8 –––··, 9 ––––·, 0 –––––.

🌟 Самый знаменитый сигнал Морзе — SOS (···–––···): три точки, три тире, три точки. Его легко запомнить и трудно спутать, поэтому его выбрали для сигнала бедствия.

Криптография: наука о тайнах

Слово криптология — из греческого: kryptos «тайный» и logos «слово». Она делится на криптографию (как придумать шифр) и криптоанализ (как его взломать).

• Криптограф — человек, который шифрует сообщения и придумывает шифры.
• Криптограмма — зашифрованный текст.
• Ключ — секрет, без которого шифр не прочитать.
• Стойкость шифра — насколько трудно его взломать.

Шифр замены

Самый простой шифр: каждую букву заменяем чем-то другим по правилу. Например, номером буквы в алфавите. Слово МЕЧТА превращается в 14, 6, 25, 20, 1.

⚠️ Частая ошибка. Забыть букву Ё. В русском алфавите 33 буквы, и Ё стоит 7-й. Без неё все номера после Е «съедут» на единицу, и М станет 13-й вместо 14-й.

Ещё один знаменитый шифр замены — шифр Цезаря. Каждую букву сдвигают по алфавиту на одно и то же число. Говорят, Юлий Цезарь сдвигал на 3: А → Г, Б → Д, К → Н.

🌟 Энигма (греч. «загадка») — шифровальная машина, которую нацистская Германия использовала во Второй мировой войне (1939–1945). Её шифры взломали британские учёные во главе с Аланом Тьюрингом, опираясь на работу польских математиков. Это спасло жизни многим людям.

👨‍👩‍👧 Родителю. Придумайте с ребёнком семейный шифр замены и обменяйтесь записками. Заодно поговорите: пароли — это тоже секрет, и сообщать их нельзя никому, даже лучшему другу.

Проверь, как понял

Проверь себя

• Что такое алфавит? Набор символов, которыми записывают информацию на языке.
• Что такое код? Правило, по которому одни символы заменяют другими.
• Что такое ключ шифра? Секрет, без которого нельзя расшифровать сообщение.
• Как называют зашифрованный текст? Криптограмма.
• Что такое стойкость шифра? Насколько шифр способен противостоять взлому.

Решаем упражнения

№ 1

(«Подумай» в тексте урока, задание без номера) Чем, по-твоему, кодирование отличается от шифрования?

Как думать. Подумай не о том, как меняется текст, а о том, зачем.

Пример ответа. В обоих случаях информацию переводят в другие знаки. Но кодируют, чтобы её было удобно хранить и передавать, и правило знают все. Шифруют, чтобы её спрятать, и ключ знают только свои.

Ответ: цель кодирования — хранение и передача, цель шифрования — секретность.

№ 2

(«Анализ», работа в паре) Где используют шифрование и кодирование? Как бы ты защитил свою секретную информацию?

Как думать. Вспомни, где встречаешь коды каждый день: магазин, телефон, банк, школа.

Пример ответа.

• Кодирование: штрихкоды в магазине, QR-коды, телеграф и азбука Морзе, ASCII в компьютере, нотная запись, дорожные знаки.
• Шифрование: банковские карты и онлайн-оплата, мессенджеры, пароли и вход в аккаунты, военная и государственная связь.
• Как защитить свой секрет: поставить надёжный пароль на телефон и аккаунты; никому не говорить пароль; записать тайну своим шифром; не отправлять секреты незнакомым людям.

Ответ: шифрование и кодирование используют в торговле, банках, связи, компьютерах, армии; свою тайну можно защитить паролем и собственным шифром.

№ 3

(«Синтез», работа в группе) Приведите 3 примера, где сегодня используют шифрование и кодирование.

Пример ответа.

1. QR-код на столике в кафе — в нём закодирована ссылка на меню.
2. Оплата картой в магазине — данные карты шифруются, чтобы их не украли.
3. Сообщения в мессенджере шифруются, и по дороге их не прочитает посторонний.

Ответ: QR-коды и штрихкоды (кодирование), оплата картой и переписка в мессенджерах (шифрование).

№ 4

(«Оценка», сам) Какую роль шифрование и кодирование играют в жизни человека? Обоснуй.

Как думать. Что было бы, если бы их не было?

Пример ответа.

• Без кодирования не было бы письменности, компьютеров, телефонов: любой текст в компьютере — это коды символов.
• Без шифрования любой мог бы прочитать твою переписку, узнать пароль от банковской карты родителей, украсть аккаунт.
• Шифры помогали защищать страны: история Энигмы это показывает.

Ответ: кодирование позволяет хранить и передавать информацию, а шифрование защищает её от чужих; без них не работали бы ни связь, ни компьютеры, ни банки.

№ 5

(«Вопросы для размышления», № 1) Для чего используют шифрование?

Ответ: чтобы сохранить информацию в тайне: посторонние не должны её понять.

№ 6

(«Вопросы для размышления», № 2) Что такое кодирование?

Ответ: запись информации с помощью кода, то есть перевод одних знаков в другие по правилу. Например, звуков речи — в буквы, букв — в числа.

№ 7

(«Вопросы для размышления», № 3) В чём разница между шифрованием и кодированием?

Как думать. Сравни цели. Это то же, что задание № 1.

Ответ: кодирование нужно для хранения и передачи, и правило известно всем; шифрование — для секретности, и ключ знает только отправитель и получатель.

№ 8

(«Вопросы для размышления», № 4) Что такое криптография?

Ответ: часть криптологии — наука о способах шифрования, которые сохраняют тайну и точность сообщения. А как взламывать шифры, изучает криптоанализ.

№ 9

(«Вопросы для размышления», № 5) В каких сферах используют кодирование и шифрование?

Ответ: связь (телефон, интернет, мессенджеры), компьютеры (таблица ASCII), банки и магазины (карты, штрихкоды), армия и государственная служба, медицина (защита данных о здоровье).

№ 10

(«Вопросы для размышления», № 6) Почему для текста на компьютере используют 256 символов?

Как думать. Компьютер хранит символ в одном байте, а в байте 8 нулей-единиц. Сколько разных цепочек из 8 нулей и единиц можно составить?

Решение. У каждой из 8 позиций 2 варианта (0 или 1). Всего $2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 2 = 256$ комбинаций. Этого хватает на латинские и русские буквы (большие и маленькие), цифры, знаки препинания и служебные символы.

Ответ: каждый символ занимает 1 байт = 8 двоичных знаков, а ими можно записать ровно 256 разных кодов — этого достаточно для всех нужных символов.

💡 Про двоичный код подробно — в следующем уроке.

№ 11

(«Задания», № 1) Закодируй слова шифр, код, секрет, криптограф методом замены по номерам букв русского алфавита.

Как думать. Выпиши алфавит с номерами, не забыв Ё: А 1, Б 2, В 3, Г 4, Д 5, Е 6, Ё 7, Ж 8, З 9, И 10, Й 11, К 12, Л 13, М 14, Н 15, О 16, П 17, Р 18, С 19, Т 20, У 21, Ф 22, Х 23, Ц 24, Ч 25, Ш 26, Щ 27, Ъ 28, Ы 29, Ь 30, Э 31, Ю 32, Я 33.

Решение.

Ответ: шифр — 26, 10, 22, 18; код — 12, 16, 5; секрет — 19, 6, 12, 18, 6, 20; криптограф — 12, 18, 10, 17, 20, 16, 4, 18, 1, 22.

№ 12

(«Задания», № 2) Закодируй азбукой Морзе слова «родина», «школа», «класс» и своё имя. Между буквами ставь пробел.

Как думать. Находи каждую букву в таблице и пиши её код. Пробел между буквами обязателен: без него ·– ·–·· можно прочитать по-разному.

Решение.

• родина: ·–· ––– –·· ·· –· ·–
• школа: –––– –·– ––– ·–·· ·–
• класс: –·– ·–·· ·– ··· ···
• имя, например Алихан: ·– ·–·· ·· ···· ·– –·

Ответ: РОДИНА = ·–· ––– –·· ·· –· ·–; ШКОЛА = –––– –·– ––– ·–·· ·–; КЛАСС = –·– ·–·· ·– ··· ···; своё имя — по таблице.

№ 13

(«Задания», № 3) Расшифруй слова, записанные азбукой Морзе: а) –– ·– –– ·– б) –·· ·· ··· –·– в) –––– ·· ··–· ·–· г) –·– ––– –·· д) ·–· ––– –·· ·· –· ·– е) –– ·· ·–·

Как думать. Каждая группа знаков между пробелами — одна буква. Ищи её в таблице.

Решение.

• а) –– М, ·– А, –– М, ·– А → МАМА.
• б) –·· Д, ·· И, ··· С, –·– К → ДИСК.
• в) –––– Ш, ·· И, ··–· Ф, ·–· Р → ШИФР.
• г) –·– К, ––– О, –·· Д → КОД.
• д) ·–· Р, ––– О, –·· Д, ·· И, –· Н, ·– А → РОДИНА.
• е) –– М, ·· И, ·–· Р → МИР.

Ответ: а) мама; б) диск; в) шифр; г) код; д) родина; е) мир.

№ 14

(«Задания», № 4) Расшифруй слово по ключу: 5, 3, 20, 21, 22, 15. Насколько важно это слово для тебя?

Как думать. Здесь ключ свой, не алфавит: под каждым числом от 1 до 30 стоит буква. Ищи число в ключе и выписывай букву под ним.

Решение. По ключу: 5 → д, 3 → р, 20 → у, 21 → ж, 22 → б, 15 → а.

💡 Ключ хитрый: в нём спрятаны целые слова «Народы нашей страны дружбой сильны» — по одной букве под каждым номером. Это и есть секретный ключ: не зная его, числа не прочитать.

Ответ: ДРУЖБА. Пример размышления: дружба важна, потому что друзья поддерживают, помогают в учёбе и с ними интересно; а в Казахстане живут люди многих народов, и дружба помогает всем жить в мире.

№ 15

(«Домашнее задание», № 1) Найди сведения о древних шифровальных инструментах с рисунка 1: скитала, диск Альберти, шифровальное устройство XVI века.

Как думать. Поищи в энциклопедии или интернете по названиям. Запиши: кто придумал, когда, как работает.

Пример ответа.

• Скитала — шифр Древней Спарты. Ленту наматывали на палку определённой толщины и писали текст вдоль палки. Размотанная лента — набор букв. Прочитать можно, только намотав на такую же палку. Ключ — толщина палки.
• Диск Альберти — изобрёл итальянский учёный Леон Баттиста Альберти в XV веке. Два круга с алфавитами, один вращается. Повернул внутренний круг — и каждая буква внешнего круга заменилась другой.
• Шифровальное устройство XVI века — на рисунке коробка с рядами кругов-дисков. Подобные приборы тоже заменяли одни буквы другими по положению дисков.

Ответ: все три инструмента меняют порядок или вид букв, а ключом служит палка нужной толщины или положение дисков. Проверь сведения по источнику.

№ 16

(«Домашнее задание», № 2) Закодируй азбукой Морзе предложение «Я учусь в 5 классе».

Как думать. Между буквами — пробел, между словами — большой пробел (или знак «/»). Цифра 5 тоже есть в азбуке Морзе.

Решение.

• Я: ·–·–
• учусь: ··– –––· ··– ··· –··–
• в: ·––
• 5: ·····
• классе: –·– ·–·· ·– ··· ··· ·

Ответ: ·–·– / ··– –––· ··– ··· –··– / ·–– / ····· / –·– ·–·· ·– ··· ··· ·

Шпаргалка

• Кодирование — чтобы хранить и передавать, шифрование — чтобы спрятать.
• Декодирование и дешифрование — обратный перевод.
• Азбука Морзе: точка — короткий сигнал, тире — длинный (в 3 раза дольше).
• Шифр замены: каждую букву меняют по правилу, например на номер в алфавите (с Ё — 33 буквы).
• Криптология = криптография (шифровать) + криптоанализ (взламывать).

Термины на трёх языках: шифр — шифр — cipher; дешифр — дешифр — decipher.

Мини-тест