История криптографии

В 1928-1929 годах польское «Biuro Szyfrów» организовало курсы для 20 математиков со знанием немецкого языка - будущих криптоаналитиков, трое из которых известны работой по взлому «Энигмы». До этого на работу принимали в основном лингвистов.

В 1929 году Лестер Хилл (англ. Lester S. Hill) опубликовал в журнале «The American Mathematical Monthly» статью «Cryptography in an Algebraic Alphabet». В ней он описал подход к конструированию криптографических систем, для которых математически была доказана их неуязвимость к частотным атакам, в том числе к методу Касиски. Для представления текста он перевёл его в цифровой вид, а для описания шифрования использовал полиномиальные уравнения. С целью упрощения вычисления были представлены в виде операций над матрицами, отдельные элементы которых складывались и умножались по модулю 26 (по числу букв в латинском алфавите). Так как система оказалась слишком сложна в использовании, он собрал механическую шифровальную машину, которая упрощала эти операции. К сожалению, машина могла использовать лишь ограниченное множество ключей, и даже с машиной шифр использовался очень редко - лишь для шифрования некоторых государственных радиопередач. Тем не менее, его основной вклад - математический подход к конструированию надёжных криптосистем.

Криптография в литературе

Криптография оказала влияние  и на литературу. Упоминания о криптографии встречаются ещё во времена Гомера и Геродота, хотя они описывали искусство шифрования в контексте различных исторических событий. Первым вымышленным упоминанием о криптографии можно считать роман «Гаргантюа и Пантагрюэль» французского писателя XVI века Франсуа Рабле, в одной из глав которого описываются попытки чтения зашифрованных сообщений. Упоминание встречается и в «Генрихе V» Шекспира.

Впервые как центральный элемент  художественного произведения криптография используется в рассказе «Золотой жук» Эдгара Аллана По 1843 года. В нём писатель не только показывает способ раскрытия шифра, но и результат, к которому может привести подобная деятельность - нахождение спрятанного сокровища.

Однако, по мнению Дэвида Кана, лучшим описанием применения криптографии является рассказ 1903 года Артура Конан Дойля «Пляшущие человечки». В рассказе великий сыщик Шерлок Холмс сталкивается с разновидностью шифра, который не только прячет смысл написанного, но, используя символы, похожие на детские картинки, скрывает сам факт передачи секретного сообщения. В рассказе герой успешно применяет частотный анализ, а также предположения о структуре и содержании открытых сообщений для разгадывания шифра.

Криптография Первой мировой войны

До Первой мировой войны Россия, наряду с Францией, являлась лидером в области криптоанализа на государственном уровне. Англия, США, Германия и менее влиятельные государства - вообще не имели государственной дешифровальной службы, а Австро-Венгрия читала, в основном, переписку соседних государств. При этом если во Франции и Австро-Венгрии дешифровальная служба была военной, то в России - гражданской.

Во время Первой мировой войны криптография, и, в особенности, криптоанализ становится одним из инструментов ведения войны. Известны факты расшифровки русских сообщений австрийцами, русскими же был расшифрован немецкий шифр (благодаря найденной водолазами копии кодовой книги), после чего результаты были переданы союзникам. Для перехвата радиосообщений были построены специальные подслушивающие станции, в результате работы которых (вместе с умением дешифровать немецкий шифр, использовавшийся в том числе турками) русский флот был осведомлён о составе и действиях противника. В британском адмиралтействе было создано специальное подразделение для дешифровки сообщений («комната 40»), которое за время войны расшифровало около 15 тысяч сообщений. Этот результат сыграл важную роль в сражении при Доггер-банке и Ютландском сражении.^[76]

Возможно, наиболее известным результатом  работы криптоаналитиков времени Первой мировой войны является расшифровкателеграммы Циммермана, подтолкнувшая США к вступлению в войну на стороне Антанты.

Россия

К числу успешных операций стоит  отнести проведённое ещё в  мирное время похищение кодовой  книги посла США в Бухаресте. Из-за того что посол не доложил начальству о пропаже (а остроумно пользовался аналогичной кодовой книгой «соседа» - посла США в Вене), российская сторона смогла читать переписку США со своими послами вплоть до Первой мировой. Однако после её начала поток сообщений резко снизился. Это было связано с прекращением радиообмена между Германией, Австро-Венгрией и внешним миром, а также со слабой технической оснащённостью российских служб.

После начала боевых действий были созданы  станции радиоперехвата, особенно на Балтике, а также организованы дешифровальные отделения при штабах армии и флота. Однако из-за нехватки квалифицированного персонала сообщения часто оставались необработанными. Помощь армии осуществляла и собственная дешифровальная служба Департамента полиции. Однако все эти действия были предприняты слишком поздно, чтобы оказать сколько-нибудь ощутимое влияние на ход боевых действий.

Англия

После успешной ликвидации германского  подводного канала связи в Северном море и радиостанций в Африке, на Самоа и в Китае Германия была вынуждена использовать, кроме линий союзников, телеграф, почту и радиосвязь. Это создало хорошие условия для перехвата сообщений, в том числе для Англии, что впоследствии дало значительный вклад в победу над Тройственным союзом. Хотя Англия оказалась неготова к данной возможности, она сумела быстро воспользоваться ею. В 1914 году в адмиралтействе появляется «Комната 40», в создании которой участвовал и тогдашний глава адмиралтейства Уинстон Черчилль.

Благодаря помощи русских, захвативших  кодовую книгу с затонувшего  германского крейсера «Магдебург», а также собственным подобным операциям, англичане сумели разгадать принцип выбора шифров Германией. И хотя для надводного флота, из-за плохой организации связи между берегом и кораблями, это не дало большой пользы, чтение переписки дало значительный вклад в уничтожение германских подводных лодок.

Принесло пользу и использование  явного обмана. С помощью ложного  приказа, отправленного английским агентом немецким шифром, недалеко от Южной Америки была уничтожена целая эскадра. С помощью подложного английского кода, попавшего в  руки Антанте в мае 1915 года, англичане на раз вводили Германию в заблуждение, заставив, например, в сентябре 1916 года оттянуть значительные силы для отражения мифической десантной атаки.

19 января 1917 года англичанам удалось частично расшифровать текст телеграммы, отправленной статс-секретарём иностранных дел Германии Артуром Циммерманомнемецкому посланнику в Мексике Генриху фон Эккардту (англ. Heinrich von Eckardt). В прочитанной части содержалась информация о планах неограниченной войны на море. Однако только к середине февраля 1917 года телеграмма оказалась расшифрованной полностью. В телеграмме содержались планы по возвращении Мексике части территорий за счёт США. Информация была передана Уолтеру Пейджу (англ. Walter Hines Page), послу США в Англии. После проверки подлинности (в том числе - после подтверждения самого Циммермана), телеграмма сыграла главную роль для оправдания в глазах общественности вступления США в Первую мировую войну против Четверного союза.

Франция

Наиболее драматическим моментом в криптографии Франции был июнь 1918 года, когда было жизненно необходимо узнать направление немецкого наступления наПариж. Жорж Панвэн (фр. Georges Jean Painvin) сумел за несколько напряжённых дней, потеряв 15 килограмм веса, вскрыть немецкий шифр ADFGVX. В результате Париж был спасён.

Германия

Kаждой немецкой дивизии был придан профессор математики, специалист по криптоанализу, немцы читали радиопередачи русских войск, что, в частности, обеспечило сокрушительную победу немцев над превосходящими силами русской армии в Битве при Танненберге. Впрочем, из-за недостатка криптографов, а также телефонных проводов, русские часто вели передачи по радио открытым текстом. Так или иначе, генерал Людендорф к 11 вечера имел в своём распоряжении все русские депеши за день.

Криптография Второй мировой войны

Перед началом Второй мировой войны ведущие мировые державы имели электромеханические шифрующие устройства, результат работы которых считался невскрываемым. Эти устройства делились на два типа - роторные машины и машины на цевочных дисках. К первому типу относят «Энигму», использовавшуюся сухопутными войсками Германии и её союзников, второго типа - американская M-209.

В СССР производились оба типа машин.

Германия: «Энигма», «Fish»

История самой известной электрической  роторной шифровальной машины - «Энигма» - начинается в 1917 году - с патента, полученного голландцем Хьюго Кохом. В следующем году патент был перекуплен Артуром Шербиусом (англ.), начавшим коммерческую деятельность с продажи экземпляров машины как частным лицам, так и немецким армии и флоту.

Германские военные продолжают совершенствовать «Энигму». Без учёта настройки положения колец (нем. Ringstellung), количество различных ключей составляло 10¹⁶. В конце 1920-х - начале 1930 годов, несмотря на переданные немецким аристократом Хансом Тило-Шмидтом данные по машине, имевшиеся экземпляры коммерческих вариантов, британская и французская разведка не стали браться за задачу криптоанализа. Вероятно, к тому времени они уже сочли, что шифр является невзламываемым. Однако группа из трёх польских математиков так не считала, и, вплоть до 1939 года, вела работы по «борьбе» с «Энигмой», и даже умела читать многие сообщения, зашифрованными «Энигмой» (в варианте до внесения изменений в протокол шифрования от декабря 1938 года). У одного из них, Мариана Реевского зародилась идея бороться с криптографической машиной с помощью другой машины. Идея озарила Реевского в кафе, и он дал машине имя «Бомба» по названию круглого пирожного. Среди результатов, переданных британским разведчикам перед захватом Польши Германией, были и «живые» экземпляры «Энигмы», и электромеханическая машина «Bomba», состоявшая из шести спаренных «Энигм» и помогавшая в расшифровке (прототип для более поздней «Bombe» Алана Тьюринга), а также уникальные методики криптоанализа.

Дальнейшая работа по взлому была организована в Блетчли-парке, сегодня являющемся одним из предметов национальной гордостиВеликобритании. В разгар деятельности центр «Station X» насчитывал 12 тысяч человек, но, несмотря на это, немцы не узнали о нём до самого конца войны. Сообщения, расшифрованные центром, имели гриф секретности «Ultra» - выше, чем использовавшийся до этого «Top Secret» (по одной из версий отсюда и название всей британской операции - «Операция Ультра»). Англичане предпринимали повышенные меры безопасности, чтобы Германия не догадалась о раскрытии шифра. Ярким эпизодом является случай с бомбардировкой Ковентри 14 февраля 1940 года, о которой премьер-министру Великобритании Уинстону Черчиллю было известно заранее благодаря расшифровке приказа. Однако Черчилль, опираясь на мнение аналитиков о возможности Германии догадаться об операции «Ультра», принял решение о непринятии мер к защите города и эвакуации жителей.

Хотя для СССР существование и даже результаты работы «Station X» секрета не представляли. Именно из результатов сообщений, дешифрованных в «Station X», СССР узнал о намечающемся «реванше» Гитлера за Сталинградскую битву и смог подготовиться к операции на Курском направлении, получившем названии «Курская дуга».

С современной точки зрения шифр «Энигмы» был не очень надёжным, но только сочетание этого фактора с наличием множества перехваченных сообщений, кодовых книг, донесений разведки, результатов усилий военных и даже террористических атак позволило «вскрыть» шифр.

Однако с 1940 года высшее германское командование начало использовать новый метод шифрования, названный британцами «Fish». Для шифрования использовалось новое устройство «Lorenz SZ 40», разработанное по заказу военных. Шифрование основывалось на принципе одноразового блокнота (шифр Вернама, одна из модификаций шифра Виженера, описанная в 1917 году) и при правильном использовании гарантировало абсолютную криптостойкость (что было доказано позже в работах Шеннона). Однако для работы шифра требовался «надёжный» генератор случайной последовательности, который бы синхронизировался на передающей и принимающей стороне. Если криптоаналитик сумеет предсказать следующее число, выдаваемое генератором, он сможет расшифровать текст.

К сожалению для Германии, генератор, используемый в машинах «Lorenz SZ 40» оказался «слабым». Однако его взлом всё равно нельзя было осуществить вручную - криптоаналитикам из Блетчли-парка потребовалось создать устройство, которое бы перебирало все возможные варианты и избавляло бы криптоаналитиков от ручного перебора. Таким устройством стала одна из первых программируемых вычислительных машин «Colossus», созданная Максом Ньюменом (англ. Max Newman) и Томми Флауэрсом (англ. Tommy Flowers) при участии Алана Тьюринга в 1943 году (хотя некоторые источники указывают, что она была сделана для взлома «Энигмы»). Машина включала 1600 электронных ламп и позволила сократить время, требуемое на взлом сообщений, с шести недель до нескольких часов.

Япония

На вооружении Японии стояло несколько систем шифром разной степени сложности, наиболее изощрённая система, введённая в действие в 1939 году - «Пурпурный код» (англ. Purple), использовала электромеханическую машину, как и у немцев. Необычайным усилием и практически в одиночку американский криптограф русского происхождения Уильям Фридман смог взломать японский код и реконструировать саму японскую машину. Сведения из расшифрованной переписки получили кодовое название «Мэджик». Одним из первых важных сообщений через «Мэджик» было, что японцы собираются напасть на США, к чему последние не успели подготовиться. В дальнейшем ходе войны американцы получали с помощью «Мэджик» много полезных сведений, в том числе и о состоянии дел у союзников японцев - нацистскойГермании. Непомерное напряжение подорвало здоровье Фридмана, и в 1941 году он вынужден был демобилизоваться, хотя продолжил работу и далее как гражданское лицо, а после войны снова стал военным.