История криптографии

В целом можно  сказать, что XVII и XVIII вв. не дали новых идей в криптографии. Эра "черных кабинетов" закончилась в 40-х годах XIX в. в период революционного подъема.

Много новых  идей в криптографии принес XIX в. Изобретение  в середине XIX в. телеграфа и других технических видов связи дало новый толчок развитию криптографии. Информация передавалась в виде токовых и бестоковых посылок, то есть представлялась в двоичном виде. Поэтому возникла проблема "рационального" представления    информации, которая решалась с помощью кодов. Коды позволяли передать длинное слово или целую фразу двумя-тремя знаками. Появилась потребность в высокоскоростных способах шифрования и в корректирующих кодах, необходимых в связи с неизбежными ошибками при передаче сообщений.

Английский ученый Чарльз Уитстон,  известен как ученый, предложивший идею электрического телеграфа, изобретатель концертино, автор первых стереоскопических рисунков. Он высказал гипотезу о создании говорящих машин, разработал метод точного измерения  электрического сопротивления, который называется "мостик Уитстона".

Впервые свое устройство Уитстон продемонстрировал на Всемирной  выставке в Париже в 1876 г. На внешнем  кольце находился алфавит открытого  текста, состоящий из 27 элементов: 26 букв, расположенных в обычном порядке, и знака пробела между словами. Внутренний алфавит состоял из 26 букв, расположенных в произвольном порядке.

 Уитстон изобрел  шифр, который позже стали называть  шифром Плейфера. Этот шифр использовался  англичанами в период первой  мировой войны.

Во второй половине XIX в. появился весьма устойчивый способ усложнения числовых кодов — гаммирование. Он заключался в перешифровании закодированного  сообщения с помощью некоторого ключевого числа, которое и называлось гаммой. Шифрование с помощью гаммы состояло в сложении всех кодированных групп сообщения с одним и тем же ключевым числом. Эту операцию стали называть "наложением гаммы" (см. рис.5; 6). Например, результатом наложения гаммы 6413 на кодированный текст 3425 7102 8139 являлась числовая последовательность 9838 3515 4552: 
 
 

Рисунок 5 – Наложение  гамма при зашифровке сообщения.  

Единицы переноса, появляющиеся при сложении между  кодовыми группами, опускались. "Снятие гаммы" являлось обратной операцией: 
 

Рисунок 6 – Снятие гаммы  при расшифровке сообщения. 

XX в. "прославился"  двумя мировыми войнами. Эти  войны оставили свой отпечаток  на всех процессах, происходивших  в человеческом обществе. Они  не могли не сказаться и  на развитии криптографии.

В период первой мировой войны в качестве полевых шифров широко использовались ручные шифры, в первую очередь шифры перестановки с различными усложнениями. Это были вертикальные перестановки, усложненные перекодировкой исходного алфавита, а также двойные вертикальные перестановки.

Первая мировая  война явилась поворотным пунктом в истории криптографии: если до войны криптография представляла собой достаточно узкую область, то после войны она стала широким полем деятельности. Причина этого состояла в необычайном росте объема шифрпереписки, передаваемой по различным каналам связи. Криптоанализ стал важнейшим элементом разведки.

Прогресс этой области криптографии характеризовался и изменениями в самом криптоанализе. Эта наука переросла методы индивидуальной работы криптоаналитика над криптограммой. Системы секретной связи перестали быть настолько малочисленными и однородными, что один специалист мог овладеть всеми специализациями. Характер используемых шифров потребовал для их вскрытия скрупулезного анализа переписки, поиска ситуаций, благоприятствующих успешному криптоанализу, знания соответствующей обстановки. Кроме того, криптоанализ обогатился большим опытом использования в годы войны ошибок неопытных или ленивых шифровальщиков. Еще Ф. Бэкон писал, что "в результате неловкости и неискусности тех рук, через которые проходят величайшие секреты, эти секреты во многих случаях оказывались обеспеченными слабейшими шифрами". Этот печальный опыт привел к необходимости введения строгой дисциплины среди шифровальщиков.

Несмотря на указанные последствия, первая мировая война не породила никаких новых научных идей в криптографии. Наоборот, полностью исчерпали свои возможности ручное шифрование, с одной стороны, и техническая сторона криптоанализа, состоявшая в подсчете частот встречаемости знаков, с другой.

В тот период проявились таланты целого ряда ставших впоследствии известными криптографов. В их числе был Г. О. Ярдли, который вскоре после вступления США в войну в 1917 г. убедил военное министерство в необходимости создания криптографической службы. В 27 лет он был назначен начальником криптографического отдела разведки военного министерства. При отделе было создано учебное отделение по подготовке криптоаналитиков для американской армии. Отдел добился больших успехов в дешифровании дипломатической переписки многих развитых стран. В 1919 г. отдел был преобразован в "черный кабинет" с совместным финансированием от военного министерства и госдепартамента в объеме 100 тыс. долларов в год. Одной из главных задач "черного кабинета" было раскрытие японских кодов, некоторые из которых содержали до 25 тысяч кодовых величин. В период с 1917 по 1929 г. специалистам "черного кабинета" удалось дешифровать более 45 тысяч криптограмм различных стран, в том числе и Японии.

Ярдли, желая  упрочить успехи, подготовил докладную  записку Президенту США о мерах по укреплению своей службы. Однако ставший в то время Государственным секретарем Г. Стимсон был шокирован, узнав о существовании "черного кабинета", и полностью осудил его деятельность. Ему принадлежит знаменитая фраза: "Джентльмены не читают писем друг друга". Финансирование "черного кабинета" было прекращено, и Ярдли лишился работы. Он написал книгу "Американский черный кабинет", в которой рассказал о многих успехах по дешифрованию. Книга была издана большими тиражами в ряде стран и произвела эффект разорвавшейся бомбы. Позже он написал книгу "Японские дипломатические секреты", в которой приводились многие японские телеграммы. Рукопись этой книги была конфискована по решению суда. Последние годы жизни Ярдли не занимался криптографией. Он умер в 1958 г. и был похоронен с воинскими почестями на Арлингтонском национальном кладбище. В некрологе он был назван "отцом американской криптографии". Значительный успех в криптографии связан с еще одним 
американцем — Г. Вернамом. В 1917 г. он, будучи сотрудником телеграфной компании, предложил идею автоматического 
шифрования телеграфных сообщений. Речь шла о своеобразном наложении гаммы на знаки алфавита, представленные в 
соответствии с телетайпным кодом Бодо пятизначными "импульсными комбинациями". Например, буква а представлялась  комбинацией ( + + – –),  а комбинация ( + + – + + ) представляла символ перехода от букв к цифрам. На бумажной ленте, используемой при работе телетайпа, знаку " + " отвечало наличие отверстия, а знаку "-" — его отсутствие. При считывании с ленты металлические щупы проходили через отверстия, замыкали электрическую цепь и тем самым посылали в линию импульс тока.

Вернам предложил  электромеханически покоординатно  складывать "импульсы" знаков открытого  текста с "импульсами" гаммы, предварительно нанесенными на ленту.

 Вернам сконструировал  и устройство для такого сложения. Замечательно то, что процесс  шифрования оказывался полностью  автоматизированным, в предложенной  схеме исключался шифровальщик. Кроме того, оказывались слитыми воедино процессы шифрования-расшифрования и передачи по каналу связи. Тем самым наряду с традиционной    схемой предварительного шифрования, когда по каналу передается предварительно зашифрованное сообщение, положено начало линейному шифрованию.

В 1918 г. два комплекта соответствующей аппаратуры были изготовлены и испытаны. Испытания дали положительные результаты. Единственное неудовлетворение специалистов-криптографов было связано с гаммой. Дело в том, что первоначально гамма была нанесена на ленту, склеенную в кольцо. Несмотря на то, что знаки гаммы на ленте выбирались случайно, при зашифровании длинных сообщений гамма регулярно повторялась. Этот недостаток так же отчетливо осознавался, как и для шифра Виженера. Уже тогда хорошо понимали, что повторное использование гаммы недопустимо даже в пределах одного сообщения. Хотя сам Вернам не был математиком, он, может и неосознанно, предлагал однократное использование гаммы. Попытки удлинить гамму приводили к неудобствам в работе с длинным кольцом. Тогда был предложен вариант с двумя лентами, одна из которых шифровала другую, в результате чего получалась гамма, имеющая длину периода, равную произведению длин исходных периодов.

Несмотря на то, что шифр Вернама обладал целым  рядом достоинств, он не получил  широкого распространения. Трудности, связанные с изготовлением, рассылкой и учетом использованной гаммы, особенно в условиях военной связи, при передаче больших объемов сообщений, стали непреодолимыми. Вспомнили о шифре Вернама лишь накануне второй мировой войны.

Почти половина XX в. была связана с использованием колесных шифраторов. Различные их конструкции были запатентованы  примерно в одно и то же время (в  период 1917 — 1919 гг.) в разных странах: американцем Э. X. Хеберном, голландцем Х.Ф.Кохом, немцем А. Шербиусом и шведом А. Г. Даммом.

Чертежи своей  схемы на основе шифрующего диска  Хеберн представил в 1917 г., и уже в  следующем году был по строен первый дисковый аппарат, получивший одобрение  ВМС США. В 1921 г. Хеберн основал первую в США компанию по производству шифрмашин, которую через десять лет ждал бесславный конец, связанный с финансовыми трудностями.

Что представлял  собой шифрующий диск? Корпус диска (имевшего размеры хоккейной шайбы) состоял из изоляционного материала, например твердой резины. По окружностям каждой из его сторон были вмонтированы на равном расстоянии друг от друга 26 электрических контактов (см. рис. 7).  

Рисунок 7 – Устройство дискового шифровального аппарата.

Подобные шифромашины  обслуживали значительную часть линий связи высшего командования ВМС США, начиная с 20-х годов.

 С наступлением 1920 года назрела необходимость  механизировать процесс шифрования. Наиболее подходящим для этого  типом шифра казался подстановочный. Для механизации процесса шифрования брался полый диск с нанесенными с двух сторон контактами, соответствующими алфавитам открытого и шифрованного текста, причем контакты соединялись между собой по некоторой подстановке, называемой коммутацией диска. Эта коммутация определяла замену букв в начальном угловом положении. При изменении углового положения диска изменялась и соответствующая замена на сопряженную подстановку. Отсюда название механического устройства — ротор, или роторная машина. Принцип шифрующего диска использовали и шифрмашины, разработанные А. Шербиусом. Самой знаменитой из них была "Энигма" (см. фото 1), которая в двух отношениях отличалась от других дисковых машин.  

Фото 1. – Роторная шифровальная машина «Энигма». 

 Во-первых, после  блока дисков была расположена  неподвижная обратимая розетка, контакты которой были попарно соединены друг с другом. Импульс тока, приходивший на этот контакт, заворачивался и вновь проходил через блок дисков в противоположном направлении. Это давало двойное шифрование каждой буквы. Другая особенность "Энигмы" заключалась в неравномерном движении дисков, которое управлялось зубчатыми колесами.

В 1923 г. "Энигма" выставлялась на конгрессе международного почтового союза, однако это не способствовало ее коммерческому успеху: она не раскупалась. За десять лет фирма Шербиуса, производившая "Энигму", не получила прибыли и в 1934 г. была ликвидирована и передала свои активы другой фирме. После прихода к власти в Германии Гитлера началось серьезное перевооружение армии, и немецкие специалисты сочли "Энигму" достаточно удобной и надежной шифрмашиной. В довоенный период и во время второй мировой войны "Энигма" широко использовалась в германской армии, ВМС и ВВС. Она была портативной (размером с пишущую машинку), работала от батареи, имела деревянный футляр. Ее серьезный недостаток состоял в том, что она не печатала шифртекст (а имела лишь загорающиеся лампочки, отвечающие буквам), и для быстрой работы требовались три или даже четыре человека — для чтения и набора на клавиатуре текста сообщения, диктовки высвечивающихся букв шифртекста и их записи.

С "Энигмой" теснейшим образом связан ход  многих событий периода второй мировой  войны. Дело в том, что она являлась источником ценнейших сведений для  английских спецслужб, читавших переписку "Энигмы" (в рамках операции "Ультра"). Эта информация стоила так дорого, что У. Черчилль пожертвовал городом Ковентри, когда ему стал известен план германской бомбардировки этого английского города. С "Энигмой" связано также появление первой в истории вычислительной машины, сконструированной в 1942 г. для перебора ключевых элементов группой специалистов - криптографов под руководством известного математика А. Тьюринга (1912 – 1954 гг).

 Среди заметных  фигур в криптографии первой  половины XX в. выделяется У. Фридман,  получивший серьезные теоретические результаты в криптоанализе и ставший известным благодаря своим заслугам по вскрытию военных шифров Японии и Германии.

До 1918 г. им был  подготовлен цикл из семи лекций, восьмую  он написал после возвращения  со службы в качестве дешифровалыцика в американских экспедиционных силах (шла первая мировая война). Известные все вместе как Ривербэнкские публикации, эти работы являются серьезным вкладом в теоретическую криптографию.