1.3. Ақпаратты шифрлау

Информатика, 5 сынып. Оқулық: Қадырқұлов Р. А., Нұрмұханбетова Г. К. (Алматыкітап баспасы, 2023). 1 бөлім: Ақпаратты ұсыну. 15–18-беттер.

Нені үйренесің

• Кодтау мен декодтауды, шифрлау мен дешифрлауды түсіндіруді.
• Кодтауды шифрлаудан ажыратуды: біреуі не үшін, екіншісі не үшін керек.
• Сөздерді Морзе әліппесімен кодтап, оқып шығуды.
• Сөздерді алмастыру әдісімен шифрлауды: әр әріпті әліпбидегі нөмірімен ауыстыру.
• Криптология, кілт және шифрдың беріктілігі деген не екенін айтып беруді.

Ой қозғау

• «Шифрлау» дегенді қалай түсінесің? Бұл — мәтінді «түсініксіз ақауға» айналдыру, оны тек құпияны білетін адам ғана оқи алады.
• Ертеде адамдар ақпараттың құпиялылығын сақтау үшін қандай құралдарды қолданған (1-сурет)? Мысалы, скиталамен — әріптері бар таспа оралған таяқпен; Альберти дискісімен — әліпбилері бар екі дөңгелекпен; айлалы шифрлау құрылғыларымен.
• Саған «код», «кодтау» ұғымдары таныс па? Ойыңды ортаға сал. Әрине: домофон коды, шоколадтағы штрихкод, кафедегі QR-код, SMS-тен келген растау коды.

Тақырыпты талдаймыз

Кодтау: ақпаратты басқа таңбалармен жазу

Адамдар сөйлеу дыбыстарын жазу үшін әріптерді ойлап тапқан. Демек, біз дыбыстарды әріппен кодтадық. Бағалықтағы цифрлар, ән кітабындағы ноталар, чаттағы смайлик — бәрі де код.

📌 Алфавит (әліпби) — белгілі бір тілде жазылған кез келген ақпаратты құрастырып, кодтау үшін пайдаланылатын символдар.

📌 Ақпаратты белгілі бір алфавит арқылы ұсыну — кодтау, ал ақпаратты бір символдар тобынан екінші символдар тобына көшіру ережесі код деп аталады. Кодталған ақпаратты бастапқы қалпына қайтару — декодтау.

Сөйлеу тілі — ақпаратты кодтаудың табиғи тәсілі. Адам ақпаратты қабылдап, жадында сақтайды. Қабылдаған кез келген ақпарат есту, көру, иіс сезу, дәм сезу, тактильді түрлерінің бірі арқылы жадында сақталады. Адам осы бес сезім мүшесінің бірінде сақталған ақпаратты мәтін, сан, графика немесе дыбыс түрінде қайта кодтап, басқаларға ұсынады. Мысалы, бала ағашта отырған бір топ құсты көріп (көру ақпараты), санағаннан кейін, жанындағы балаға: «Жеті!» дейді. Сурет санға, ал сан дыбысқа айналды.

Шифрлау: бөтен адамнан жасыру

Шамамен 4 мың жыл бұрын адамдар әскери, сауда және мемлекеттік құпияларды жасыра бастады. Осылай шифрлау пайда болды.

📌 Шифрлау дегеніміз — құпия ақпаратты бөтен адамдардың оқуына жол бермейтіндей етіп өзгерту. Шифрланған мәтінді бастапқы қалпына қайтару — дешифрлау.

Код пен шифрдың айырмашылығы неде?

Екеуінде де мәтін басқа таңбаларға айналады. Бірақ мақсаты басқа!

• Кодтау ақпаратты сақтауға және тасымалдауға ыңғайлы ету үшін керек. Ережені бәрі біледі. Морзе әліппесін кез келген анықтамалықтан табуға болады.
• Шифрлау ақпаратты жасыру үшін керек. Ережені (кілтті) тек өзіңдікілер ғана біледі.

⚠️ Жиі кететін қате. «Морзе әліппесі — шифр». Жоқ, бұл — код: кесте бәріне ашық, ол телеграф арқылы жіберу үшін ойлап табылған, құпия үшін емес.

ASCII кестесі — компьютер әріптерді қалай «еске сақтайды»

Компьютер тек сандарды (дәлірек айтқанда, нөлдер мен бірліктерді) сақтай алады. Сондықтан әр әріпке, цифрға және таңбаға өз нөмірін берген. Мұндай кестенің ең танымалы — ASCII (American Standard Code for Information Interchange — американдық ақпарат алмасудың стандартты коды). ASCII кодтау кестесі 256 кодтан тұрады.

🌟 Латын «A» әрпінің ASCII-дегі нөмірі — 65, ал кіші «a» әрпінікі — 97. Сондықтан компьютер үшін «A» мен «a» — мүлде басқа символдар!

Морзе әліппесі (коды)

Морзе коды (әліппесі) — шартты сигналдар жүйесі. Американдық өнертапқыш Сэмюэл Морзе (1791–1872) әріптерді телеграф арқылы қысқа және ұзын сигналдармен жіберуді ойлап тапты. Қысқа мерзімді сигнал — нүкте (·), одан үш есе ұзыны — сызықша (–). Әріптердің арасында үзіліс болады.

Оқулықтағы кесте латын әріптерімен берілген:

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

🌟 Ең әйгілі Морзе сигналы — SOS (···–––···): үш нүкте, үш сызықша, үш нүкте. Оны есте сақтау оңай, шатастыру қиын, сондықтан қауіп сигналы үшін осыны таңдаған.

Криптология: құпия туралы ғылым

Ақпаратты қорғаумен айналысатын арнайы ғылым саласы бар. Бұл ғылым саласы криптология деп аталады. «Криптология» гректің cryptos — «құпия» және logos — «хабар» деген сөздерінен шыққан. Криптология «криптография» (шифрлау) және «криптоталдау» деген екі бөлімге жіктеледі.

📌 Криптология ғылымының мақсаты — ашық мәтінді бөгде адам оқи алмайтындай етіп өзгертетін математикалық әдістерді іздеу.

• Криптограф — криптографиямен айналысатын адам. Криптограф хабардың құпиялылығын және нақтылығын қамтамасыз етеді.
• Криптограмма — криптографтың ашық мәтінге қолданылған амалынан кейінгі нәтиже, яғни шифрланған мәтін.
• Кілт — ашық мәтінді шифрлау үшін криптограф әрқашан қолданатын құпия.
• Шифрдың беріктілігі — шифрдың бұзылуы мен ашылуына жол бермейтін қабілеті.

Шифрлаудың алмастыру әдісі

Алмастыру әдісімен шифрланған мәтіннің әр символы осы мәтін аумағында белгілі бір ереже бойынша ауыстырылады. Ең қарапайым шифр: әр әріпті ереже бойынша басқа нәрсемен ауыстырамыз. Мысалы, әріптің әліпбидегі нөмірімен.

Қазақ әліпбиінде 42 әріп бар:

📕 Оқулықта «АЛМА» сөзі «А=1, Л=15, М=16, А=1» деп алмастырылған. Бұл тек Ё әрпінсіз санағанда дұрыс. Ё әрпі бар 42 әріпті қазақ әліпбиінде Л — 16-шы, М — 17-ші, сондықтан «АЛМА» = 1, 16, 17, 1. Бұл сабақта әліпбиді Ё-мен санаймыз.

⚠️ Жиі кететін қате. Қазақ әліпбиінің арнайы әріптерін (Ә, Ғ, Қ, Ң, Ө, Ұ, Ү, Һ, І) және Ё әрпін ұмытып кету. Біреуін ұмытсаң, одан кейінгі барлық нөмірлер «жылжып» кетеді.

Тағы бір әйгілі алмастыру шифры — Цезарь шифры. Әр әріпті әліпби бойынша бірдей санға жылжытады. Айтуларынша, Юлий Цезарь 3-ке жылжытқан: А → В, Б → Ғ, К → М.

🌟 Энигма (грек тілінен аударғанда «жұмбақ» дегенді білдіреді) — жылжымалы шифрлау аппараты. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде (1939–1945) нацистік Германия құпия деректерді шифрлау мақсатында қолданған. Оның шифрларын британдық ғалымдар Алан Тюрингтің басшылығымен ашты, бұл көптеген адамның өмірін сақтап қалды.

📕 Оқулықта Тюринг Энигма кодын 1943 жылы дешифрлаған делінген, бірақ бұл дәл емес: шифрды ашу жұмысы 1940 жылдан басталып, бүкіл соғыс бойы жүрді, сондықтан бір жылды атауға болмайды.

👨‍👩‍👧 Ата-анаға. Баламен бірге отбасылық алмастыру шифрын ойлап тауып, жазбалар алмасыңыздар. Сонымен бірге айтып қойыңыз: құпиясөздер де құпия, оларды ешкімге, тіпті жақын досқа да айтуға болмайды.

Түсінгеніңді тексер

Өзіңді тексер

• Алфавит дегеніміз не? Тілде ақпаратты жазуға қолданылатын символдар жиыны.
• Код дегеніміз не? Бір символдарды екінші символдармен ауыстыру ережесі.
• Шифрдың кілті деген не? Онсыз хабарды дешифрлау мүмкін емес құпия.
• Шифрланған мәтін қалай аталады? Криптограмма.
• Шифрдың беріктілігі деген не? Шифрдың бұзылуға қарсы тұру қабілеті.

Жаттығуларды шығарамыз

№ 1

(сабақ мәтініндегі сұрақ, нөмірсіз тапсырма) Кодтаудың шифрлаудан айырмашылығы неде?

Қалай ойлаймыз. Мәтіннің қалай өзгеретінін емес, не үшін өзгеретінін ойла.

Жауап үлгісі. Екеуінде де ақпаратты басқа таңбаларға аударады. Бірақ кодтауды ақпаратты сақтауға және тасымалдауға ыңғайлы ету үшін жасайды, ережені бәрі біледі. Шифрлауды ақпаратты жасыру үшін жасайды, кілтті тек өзіңдікілер біледі.

Жауабы: кодтаудың мақсаты — сақтау және тасымалдау, шифрлаудың мақсаты — құпиялылық.

№ 2

(«Талдау», жұппен жұмыс) Шифрлау, кодтау қандай салаларда қолданылады? Талдау жасаңдар. Өздеріңе қатысты құпия ақпаратты қалай қорғайсыңдар? Ойларыңды ортаға салыңдар.

Қалай ойлаймыз. Күнделікті өмірде кодтарды қайдан кездестіретініңді еске түсір: дүкен, телефон, банк, мектеп.

Жауап үлгісі.

• Кодтау: дүкендегі штрихкодтар, QR-кодтар, телеграф және Морзе әліппесі, компьютердегі ASCII, нота жазуы, жол белгілері.
• Шифрлау: банк карталары және онлайн төлем, мессенджерлер, құпиясөздер және аккаунтқа кіру, әскери және мемлекеттік байланыс.
• Өз құпиямды қалай қорғаймын: телефонға және аккаунттарға сенімді құпиясөз қою; құпиясөзді ешкімге айтпау; құпияны өз шифрыммен жазу; құпияны бейтаныс адамдарға жібермеу.

Жауабы: шифрлау мен кодтауды сауда, банк, байланыс, компьютер, әскер салаларында қолданады; өз құпияңды құпиясөзбен және өз шифрыңмен қорғауға болады.

№ 3

(«Жинақтау») Ақпаратты шифрлау, кодтаудың қазіргі әдістерін күнделікті өмірде қалай пайдалануға болатынына 3 мысал келтіріңдер.

Жауап үлгісі.

1. Кафедегі үстелдегі QR-код — оның ішіне мәзірге сілтеме кодталған.
2. Дүкенде картамен төлеу — карта деректері ұрланбас үшін шифрланады.
3. Мессенджердегі хабарлар шифрланады, жолда бөгде адам оқи алмайды.

Жауабы: QR-кодтар мен штрихкодтар (кодтау), картамен төлеу және мессенджерлердегі хат алмасу (шифрлау).

№ 4

(«Бағалау», өзіндік жұмыс) Шифрлаудың және ақпаратты кодтаудың әртүрлі саладағы маңызы қандай? Бағала.

Қалай ойлаймыз. Олар болмаса, не болар еді?

Жауап үлгісі.

• Кодтаусыз жазу да, компьютер де, телефон да болмас еді: компьютердегі кез келген мәтін — символдардың кодтары.
• Шифрлаусыз кез келген адам хат алмасуыңды оқып, ата-анаңның банк картасының құпиясөзін біліп, аккаунтты ұрлай алар еді.
• Шифрлар елдерді қорғауға көмектескен: Энигма тарихы мұны көрсетеді.

Жауабы: кодтау ақпаратты сақтауға және жіберуге мүмкіндік береді, ал шифрлау оны бөтен адамдардан қорғайды; оларсыз байланыс та, компьютер де, банк те жұмыс істемес еді.

№ 5

(«Ойлануға берілген сұрақтар», 1) Шифрлау не үшін қолданылады?

Жауабы: ақпаратты құпия сақтау үшін: бөгде адамдар оны түсінбеуі керек.

№ 6

(«Ойлануға берілген сұрақтар», 2) Кодтау дегеніміз не?

Жауабы: ақпаратты код арқылы жазу, яғни бір таңбаларды ереже бойынша екінші таңбаларға аудару. Мысалы, сөйлеу дыбыстарын әріпке, әріптерді санға.

№ 7

(«Ойлануға берілген сұрақтар», 3) Шифрлау мен кодтаудың қандай айырмашылығы бар?

Қалай ойлаймыз. Мақсатын салыстыр. Бұл — № 1 тапсырмамен бірдей.

Жауабы: кодтау сақтау және тасымалдау үшін керек, ережені бәрі біледі; шифрлау құпиялылық үшін керек, кілтті тек жіберуші мен қабылдаушы біледі.

№ 8

(«Ойлануға берілген сұрақтар», 4) Криптография дегеніміз не?

Жауабы: криптологияның бөлімі — хабардың құпиялылығы мен нақтылығын қамтамасыз ететін шифрлау тәсілдері туралы ғылым. Ал шифрларды қалай бұзуға болатынын криптоталдау зерттейді.

№ 9

(«Ойлануға берілген сұрақтар», 5) Шифрлау мен кодтау қандай салаларда қолданылады?

Жауабы: байланыс (телефон, интернет, мессенджерлер), компьютерлер (ASCII кестесі), банктер мен дүкендер (карталар, штрихкодтар), әскер және мемлекеттік қызмет, медицина (денсаулық туралы деректерді қорғау).

№ 10

(«Тапсырма», 1-тапсырма) Тақырыптың негізгі терминдерін (шифр, код, құпия, криптограф) қазақ әліпбиіндегі реті бойынша алмастыру әдісімен шифрлау жолын ұсын.

Қалай ойлаймыз. Әліпбиді нөмірімен жаз (жоғарыдағы кесте): А 1, Ә 2, Б 3, В 4, Г 5, Ғ 6, Д 7, Е 8, Ё 9, Ж 10, З 11, И 12, Й 13, К 14, Қ 15, Л 16, М 17, Н 18, Ң 19, О 20, Ө 21, П 22, Р 23, С 24, Т 25, У 26, Ұ 27, Ү 28, Ф 29, Х 30, Һ 31, Ц 32, Ч 33, Ш 34, Щ 35, Ъ 36, Ы 37, І 38, Ь 39, Э 40, Ю 41, Я 42.

Шешуі.

Жауабы: шифр — 34, 12, 29, 23; код — 14, 20, 7; құпия — 15, 27, 22, 12, 42; криптограф — 14, 23, 12, 22, 25, 20, 5, 23, 1, 29.

№ 11

(«Тапсырма», 2-тапсырма) Морзе әліппесін пайдаланып, «OTAN», «MEKTEP», «SYNYP» сөздерін және өз атыңды кодта. Әр әріпке сәйкес келетін кодтан кейін бос орын қалдыр.

Қалай ойлаймыз. Кестеден әр әріпті тауып, кодын жаз. Әріптер арасындағы бос орын міндетті: онсыз ·– ·–·· әртүрлі оқылуы мүмкін.

Шешуі.

• OTAN: ––– – ·– –·
• MEKTEP: –– · –·– – · ·––·
• SYNYP: ··· –·–– –· –·–– ·––·
• есім, мысалы DANIYAR: –·· ·– –· ·· –·–– ·– ·–·

Жауабы: OTAN = ––– – ·– –·; MEKTEP = –– · –·– – · ·––·; SYNYP = ··· –·–– –· –·–– ·––·; өз атың — кесте бойынша.

№ 12

(«Тапсырма», 3-тапсырма) Төменде Морзе кодымен берілген сөздерді декодта.

а) ·– –· ·– ә) ·– ·–· –– ·– –· б) –··· ·– ·–·· ·– в) ··· ···· ·· ··–· ·–· г) –·– ––– –·· ғ) –·· ––– ···

Қалай ойлаймыз. Бос орындардың арасындағы әр белгілер тобы — бір әріп. Оны кестеден ізде.

Шешуі.

• а) ·– A, –· N, ·– A → ANA.
• ә) ·– A, ·–· R, –– M, ·– A, –· N → ARMAN.
• б) –··· B, ·– A, ·–·· L, ·– A → BALA.
• в) ··· S, ···· H, ·· I, ··–· F, ·–· R → SHIFR.
• г) –·– K, ––– O, –·· D → KOD.
• ғ) –·· D, ––– O, ··· S → DOS.

Жауабы: а) ана; ә) Арман; б) бала; в) шифр; г) код; ғ) дос.

№ 13

(«Тапсырма», 4-тапсырма) Кодты шешу кілтін пайдаланып, санмен кодталған сөзді тап. Бұл сөз сен үшін қаншалықты маңызды? Ойыңды ортаға сал.

Код: 10, 5, 13, 2, 12, 16

Кодты шешу кілті:

Қалай ойлаймыз. Мұнда кілт әліпби емес, өзгеше: әр санның астында бір әріп тұр. Санды кілттен тауып, астындағы әріпті жаз.

Шешуі. Кілт бойынша: 10 → д, 5 → о, 13 → с, 2 → т, 12 → ы, 16 → қ.

💡 Кілт қызық: оған «Отан оттан да ыстық» деген мақал жасырылған — әр санның астында бір әріптен. Міне, құпия кілт осы: оны білмесең, сандарды оқи алмайсың.

Жауабы: ДОСТЫҚ. Ойлану үлгісі: достық маңызды, өйткені достар қолдайды, оқуда көмектеседі, олармен қызық; ал Қазақстанда көптеген ұлт өкілдері тұрады, достық бәріне тату өмір сүруге көмектеседі.

№ 14

(«Үй тапсырмасы», 1) Интернетті пайдаланып, 1-суретте берілген ежелгі шифрлау құралдары жайлы ақпарат жина.

Қалай ойлаймыз. Энциклопедиядан немесе интернеттен атаулары бойынша іздеп көр. Кім ойлап тапқанын, қашан екенін, қалай жұмыс істейтінін жаз.

Жауап үлгісі.

• Скитала — Ежелгі Спартаның шифры. Таспаны белгілі бір жуандықтағы таяқшаға орап, мәтінді таяқша бойымен жазған. Жазылған таспаны жазғанда әріптер жиынтығы ғана көрінеді. Оны тек дәл сондай таяққа орағанда ғана оқуға болады. Кілті — таяқтың жуандығы.
• Л. Альберти дискісі — оны XV ғасырда итальяндық ғалым Леон Баттиста Альберти ойлап тапқан. Әліпбилері бар екі дөңгелек, біреуі айналады. Ішкі дөңгелекті бұрдың — сыртқы дөңгелектің әр әрпі басқасына ауыстырылды.
• Шифрлау құрылғысы — суретте дөңгелек-дискілер қатарлары бар қорап көрсетілген. Мұндай аспаптар да дискілердің орнына қарай әріптерді басқаларымен ауыстырған.

Жауабы: үш құралдың бәрі әріптердің ретін не түрін өзгертеді, ал кілт ретінде керекті жуандықтағы таяқ немесе дискілердің орны қызмет етеді. Мәліметті дереккөз бойынша тексер.

№ 15

(«Үй тапсырмасы», 2) «Men 5-synypta oqimyn» сөйлемін Морзе әліппесімен кодта.

Қалай ойлаймыз. Әріптердің арасында — бос орын, сөздердің арасында — үлкен бос орын (немесе «/» белгісі). 5 цифры да Морзе әліппесінде бар.

Шешуі.

• Men: –– · –·
• 5: ·····
• synypta: ··· –·–– –· –·–– ·––· – ·–
• oqimyn: ––– ––·– ·· –– –·–– –·

Жауабы: –– · –· / ····· / ··· –·–– –· –·–– ·––· – ·– / ––– ––·– ·· –– –·–– –·

Жадынама

• Кодтау — сақтау және тасымалдау үшін, шифрлау — жасыру үшін.
• Декодтау және дешифрлау — кері аудару.
• Морзе әліппесі: нүкте — қысқа сигнал, сызықша — ұзын (3 есе ұзын).
• Алмастыру шифры: әр әріпті ереже бойынша ауыстырады, мысалы әліпбидегі нөмірімен (қазақ әліпбиінде 42 әріп, Ё-мен).
• Криптология = криптография (шифрлау) + криптоталдау (бұзу).

Терминдер үш тілде: шифр — шифр — cipher; дешифр — дешифр — decipher.

Шағын тест