История развития криптография

Тем  не  менее  папы  Римские   сами   не   чуждались   услуг криптографов  и  выдающийся   итальянский   математик   Джероламо Кардано, имя которого дошло до  нас  благодаря  изобретенному  им шарнирному  механизму  и  первой  публикации  о  методе   решения уравнений третьей степени, состоял у  них  на  службе.  Его  перу принадлежит несколько книг  по  криптографии  и  описание  метода трафаретов.  Если  учесть  род занятий Кардано, становится  понятным,  почему,  выведя  гороскоп Христа,  он  остался  недоступным  инквизиции,  сжегшей  Бруно  и судившей Галилея за куда меньшую ересь: эка, невидаль, что  Земля вертится! Жизнь и смерть Джероламо  полны  легенд.  Больше  всего современников  в  Кардано  поражал дар предвидения,   благодаря которому  он  безмятежно  перенес  казнь  своего  сына  и  потерю крупного состояния. Вероятно, хотя  бы  отчасти  его  мистический талант    знать    будущее    объясняется    принадлежностью    к криптографической службе, знающей все, что можно узнать. Но  вот, предсказав  продолжительность  своей  жизни  в  75  лет,   он   в назначенный год покончил самоубийством, оставив записку: "Если  и неверно, то неплохо придумано".

Увлечение теорией  магических  квадратов  привело  Кардано  к открытию нового класса шифров перестановок,  названных  решетками или трафаретами. Они представляют собой квадратные  таблицы,  где четверть ячеек прорезана  так,  что  при  четырех  поворотах  они покрывают весь квадрат. Вписывание в прорезанные ячейки текста  и повороты решетки продолжаются до тех пор, пока  весь  квадрат  не будет  заполнен.  Например,  на  рисунке  ниже  показан   процесс шифровки  решеткой  4  х   4.   Черными   квадратами  обозначены непрорезанные  ячейки,  а  повороты  осуществляются  по   часовой стрелке на указанный ниже угол:

 

 

    **П*     З***     ***    *Т**      ЗТП

    ***Р     *Ж**     **Ш*   О***      ОЖШР

    *И**     ***А     Е***   **Г*      ЕИГА

    Е***     **Ю*     *C**   ***О      ЕСЮО

 

     0'      90'      180'    270'      шифp

 

В  Англии  XVII  века  возглавлял  криптографическую   службу математик Джон Валлис, основавший исчисление бесконечно малых, но получивший научное  признание  и  профессуру  в  Оксфорде  не  за химерические  бесконечно  малые,  а  за   редкостные   успехи   в расшифровке. В Германии же лучшим криптографом тогда был Лейбниц, основатель Берлинской академии наук, языковед и  математик,  один из создателей дифференциального исчисления. Одно время его высокий покровитель, ганноверский  курфюрст  Георг 1, став королем Англии, хотел пригласить Лейбница  на  британскую криптографическую службу, но Валлис был там  незаменим  и  утечка континентальных "мозгов" на  запад  не  состоялась.  Лейбницу  не подфартило стать главным криптографом Англии может быть и потому, что  Ньютон,  оспаривающий  его  авторство   в   дифференциальном исчислении, единолично заправлял в Королевском научном обществе и изо всех сил преследовал менее именитого иностранного конкурента. Другой раз Лейбницу не повезло с  приглашением  в  Петербург  для организации русской  криптографической  службы.  Неожиданная  его болезнь и смерть расстроили планы Петра I,  активно вербовавшего нужных России  ученых.  Человеком,  сумевшим  завершить  развитие криптографии в отдельную  научную  дисциплину,  стал  по-видимому однофамилец   Роджера   Бэкона   -    Френсис    Бэкон.    Будучи лордом-канцлером при короле Якове I, он хорошо  знал  потребности государства в надежных шифрах, и его первая  талантливая работа, относящаяся  к  1580  году,  в  дальнейшем   получила   блестящее практическое развитие. В частности, именно он  впервые  предложил двоичное кодирование букв латинского  алфавита  -  то  же  самое, которое используется сейчас в компьютерах.

Такой   заботливый   уход   за   пустившей   первые    ростки криптографией привел к тому, что она скоро  стала  давать  плоды. Разгром Великой Армады в 1588 году  в  значительной  степени  был обусловлен  мощью  английской  криптографической   школы,   легко ломавшей  испанские  шифры  и  сообщавшей  о  всех  передвижениях неприятельских судов.

Криптография была известна  и  применялась  во  многих  слоях общества Британии. Лондонец Самуэль  Пепис  (1633-1703)  всемирно известен своим дневником, по  которому  историки  пишут  труды  о переходе от Пуританства к Реставрации. Искусствоведы включили это произведение в мировую  сокровищницу  литературы.  Пепис  окончил Кембридж благодаря кузену отца - адмиралу Монтегю  и  имел  много друзей: ученого  Исаака  Ньютона,  архитектора  Кристофера  Рена, поэта и драматурга Джона Драйдена.  Пепис  был  лично  свидетелем таких незабываемых для Англии  событий,  как  возвращение  короля Чарльза II в Англию, большая чума 1664 года, пожар  Лондона  1666 года, революция  1688  года.  Интересно,  что  его  мемуары  были зашифрованы по системе криптолога Томаса Шелтона и  дополнительно собственным шифром Пеписа, поскольку содержали много  скандальных фактов о великих современниках. Вместе с его  личными  книгами  и бумагами дневник после смерти  писателя  попал  в  Кембридж,  где сразу же привлек внимание  исследователей.  Первый  успех  в  его расшифровке был  получен  лишь  в  1822  году,  а  полностью  она завершена в 1899 году. Таким образом, к XVIII  веку  криптография окончательно  сложилась  в  виде  самостоятельной  науки.  Однако несмотря на наличие профессиональных криптологов, находящихся  на государственной службе,  и  постоянного  использования  шифров  в дипломатии  и  военном  деле,  криптология еще   не   вышла   из младенческого возраста и  ею  могли  заниматься  лишь  избранные, одаренные одиночки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Криптология в  Новое время

 

Новое  время  привнесло  новые  достижения  в   криптографию. Постоянно  расширяющееся  применение   шифров   выдвинуло   новое требование к ним - легкость  массового  использования,  а  старое требование - устойчивость к взлому не только осталось, но и  было усилено.  Поэтому  1854  год,  когда  англичанин  Чарльз  Уитстон разработал новую шифровку биграммами,  которую  называют  двойной квадрат, открыл новый этап в криптографии. Название шифр  получил по аналогии с полибианским квадратом. В отличие от полибианского, двойной квадрат использует сразу две  таблицы,  расположенные  по горизонтали, а шифрование идет биграммами, как в шифре Playfair.

Эти, казалось бы, и не столь уж значительные изменения привели к появлению  на  свет  новой  криптографической   системы   ручного шифрования. Она оказалась так надежна и удобна,  что  применялась немцами даже в годы Второй мировой войны. По отзыву ее создателя, шифрование  двойным  квадратом  предельно  просто  и  его  "можно доверить даже дипломатам".

Во второй половине XIX века  появляется  множество  работ  по вскрытию  сложных  шифров  замены  для  конкретных  условий,  при использовании  повторяющегося  короткого  ключа,   при   шифровке нескольких сообщений одним ключом. Тогда же в Англии и США  стали выходить    периодические    издания,    посвященные     вопросам криптоанализа, где профессионалы и любители, обмениваясь  опытом, предлагали новые типы шифров  и  анализировали  их  стойкость  ко взлому.  Возможно,  одного  из  самых  больших  успехов  XX  века криптоаналитика добилась, когда  Британская  морская  разведка  в начале 1917  года  передала  правительству  США  текст  секретной расшифрованной  телеграммы   (телеграмма   была   перехвачена   с трансатлантического кабеля), известной как послание Циммермана, бывшего министром иностранных дел Германии. В ней немецкому послу в Мексике предлагалось заключить союз,  чтобы  Мексика  захватила американские штаты Техас, Нью-Мехико и Аризону.  Эта  телеграмма, произвела эффект взрыва и, считают сейчас историки, стала главным поводом  для  вступления  США  в  Первую  мировую  войну   против Германии, обеспечив ее разгром. Так криптография впервые серьезно заявила о своей исключительно большой  значимости  в  современном мире.

XIX  век   с   расширением   связных   коммуникаций   занялся автоматизацией  процесса  шифрования.  Появился  телеграф,  нужно шифровать и его. Любопытно, что цифровое  шифрующее  колесо  было изобретено  госсекретарем  Томасом  Джефферсоном  в  1790   году, ставшим  потом  третьим  президентом   США.   Похожие   шифрующие устройства применялись армией США и после Второй  мировой  войны.

Принцип  работы  таких  машин,  очень  похожих  на   арифмометры, заключается в многоалфавитной замене текста сообщения по длинному ключу. Длина периода ключа определялась наименьшим общим  кратным периодов оборотов шифрующих колес. При 4 колесах  и  периодах  их оборотов 13, 15, 17 и 19 получалась большая длина  периода  ключа 62985, очень затрудняющая расшифровку коротких сообщений. Гораздо более примитивный прибор, цилиндр Базери, был  предложен  Этьеном Базери  в  1891  году.  Он  состоял  из  20  дисков  со  случайно нанесенным по ободу алфавитом.  Перед  началом  шифрования  диски помешались на общую ось в порядке,  определяемым  ключом.  Набрав первые 20 букв текста в ряд на цилиндрах, их поворачивали вместе и считывали  в   другом   ряду   шифрованное   сообщение.   Процесс повторялся, пока все сообщение не было зашифровано. Однако первая практически используемая криптографическая машина была предложена Жильбером  Вернамом  лишь  в  1917  году.  Применение   машин   в криптографии расширялось, что привело к  созданию  частных  фирм, занимающихся  их  серийным  выпуском.   Шифровальная   аппаратура создавалась в Германии, Японии, США и ряде других развитых стран.

Предшественницей  современных  криптографических  машин  была роторная машина, изобретенная Эдвардом Хеберном  в  1917  году  и названная впоследствии  Энигмой  (слово  enigma  переводится  как загадка;  промышленные  образцы  этой  машины  изготовляла  фирма Siemens.). Независимая промышленная ее версия создана чуть  позже берлинским инженером Артуром Кирхом (некоторые источники называют его  Артуром  Шербиусом).  Она  сначала  представляла   собой   4 вращающихся на одной оси барабана, обеспечивающих более  миллиона вариантов шифра простой замены, определяемого текущим  положением барабанов. На каждой стороне барабана по окружности располагалось 25 электрических контактов, столько же, сколько букв в алфавите. Контакты с обеих сторон барабана  соединялись  попарно  случайным образом 25  проводами,  формировавшими  замену  символов.  Колеса складывались  вместе  и  их   контакты,   касаясь   друг   друга, обеспечивали  прохождение  электрических  импульсов  сквозь  весь пакет колес. Перед началом работы  барабаны  поворачивались  так, чтобы устанавливалось  заданное  кодовое  слово  - ключ,  а при нажатии клавиши и кодировании очередного символа  правый  барабан поворачивался на один шаг. После того, как он  делал  оборот,  на один шаг поворачивался следующий барабан - будто  бы  в  счетчике электроэнергии. Таким образом, получался  ключ  заведомо  гораздо более длинный, чем текст сообщения.

Казалось бы, сделано  все для невозможности вскрытия  шифровок Энигмы. И все же английские криптографические  службы  в  Блетчли Парке (уединенное поместье  в  80  километрах  севернее  Лондона, отведенное  британским  криптологам.)  почти  всю  войну   читали немецкие шифры.  Это  стало  возможным  лишь  благодаря  польской разведке,  которая  к  злополучному  1939  году  смогла  получить чертежи Энигмы и разобраться в  ее  устройстве.  После  нападения гитлеровцев на Польшу чертежи немецкой шифровальной  машины  были переданы  Англии.  Довольно  быстро  британские   криптоаналитики установили, что для взлома шифра, нужно знать распайку проводов в шифрующих  колесах.  Началась  охота  британских   спецслужб   за образцами Энигмы. Первый  удалось  выкрасть  прямо  с  завода  на юго-востоке Германии, второй сняли со  сбитого  в  небе  Норвегии немецкого бомбардировщика, третий был найден  во  время  боев  за Францию у немецких военных связистов, взятых в плен.  Остальные Энигмы сняты водолазами с немецких подводных лодок,  за  которыми специально стали охотиться и топить на малых глубинах.

Взлом шифров Энигмы шел  тяжело до тех пор, пока в  1942  году не вступили в строй несколько ЭВМ, специально созданных для этого Аланом   Тьюрингом.   Это   была   первая   в    мире    довольно быстродействующая ЭВМ под названием "Колосс",  специализированная для взлома шифров. После этого английские  криптоаналитики  могли меньше  чем  за  день  могли  расколоть  любую  шифровку  Энигмы, полученную  добытыми  ранее  колесами,  методично  перебирая  все возможные ключи. Немцы рассчитывали на  сложность  своего  шифра, исходя из его ручной дешифровки, в то время как  англичане  стали его ломать, используя ЭВМ.  Отметим,  что сами  немцы допускали возможность взлома шифра Энигмы. Еще в 1930 году ведущий немецкий криптоаналитик Георг Шредер продемонстрировал такую  возможность, едко заметив при этом: "Энигма - дерьмо!"  Однако  она  постоянно усложнялась, и были периоды, когда в Блетчли Парке с ней не  могли справиться. Перед  шифровками  Энигмы,  которые  исходили  не  от войск, а из немецких криптографических центров, "Колосс" тоже был бессилен.

Высокое развитие  криптографической  техники  стран  западных союзников в значительной степени предопределило ход многих боевых операций во время Второй мировой войны. Англия, хоть и  несла  на море   большие   потери,   но   практически    подавляла    любые организованные действия немецкого  флота,  перехватывая  и  читая приказы гроссадмиралов Редера и  Деница.  В  книгах  воспоминаний английских криптографов страницы  сплошь  усеяны  фразами  "...мы знали...", за которыми стоит колоссальный труд тысяч человек.

США тоже "знало" о  многих намерениях японской  армии,  и  вот почему. Все началось  еще  до  войны,  с  объявления  о  задержке отправления почти на час океанского лайнера, следующего из  Токио в США. Никто не заметил, что  обычную  портовую  суету  усугубили несколько американцев, которые со скоростью биржевых  новостей  о финансовом крахе,  скатившись  по  трапу  разъехались  на  такси. Корабль вышел в море, лишь  когда  один  из  этих  господ  спешно возвратился на борт, бережно прижимая к  груди  большой  сверток. Тем не менее, неприятности этого рейса только начинались. Команда была не доукомплектована стюардами, и некому было доставлять  обеды в  каюты по  требованиям  пассажиров.  Энергетическая  установка барахлила, и свет то мигал,  то  временами светил  тускло.  Кроме того, чтобы обойти опасные циклоны  стороной,  лайнер,  петляя  в океане, опоздал на несколько дней в порт назначения  на  западном побережье  США.  Было  бы  кощунственно  отнять  у  небес   право авторства на  уникально  длинную  цепочку  досадных  невезений  с безупречным до этого рейса кораблем, но придется.

Просто-напросто разведслужбы США  узнали,  что  принципиально новая шифровальная машина будет доставлена из  Токио  в  японское посольство  двумя  курьерами  по  морю.  Чтобы  агенты  смогли  в токийских универмагах найти точь-в-точь такой же чемодан, как и у курьеров, было задержано отправление корабля.  Профсоюз  стюардов был подкуплен заранее и бойкотировал рейс, а это дало возможность хоть  на  время  обеда  разлучать  курьеров  и  ослабить   охрану шифровальной машины. Темнота способствует исполнению черных дел и электрический генератор неизбежно начал  сбоить.  Чтобы  инженеры успели хорошо изучить и скопировать сложную японскую технику,  на злополучный  корабль  посылались   фиктивные   предупреждения   о циклонах.  Эту  операцию  поддерживали   люди   самых   различных специальностей: психологи  и  взломщики,  фармацевты  и  граверы, электрики и взрывники, официанты и фотографы...

Теперь оценим, стоила  ли  игра  свеч.  Японский  флот  перед войной  значительно   превосходил   флот   союзников   по   числу авианосцев, что давало ему преимущества  в  ведении  операций  на море. 7  декабря  1941  года  японцы  внезапно  нанесли  удар  по основным базам США и Великобритании в бассейне Тихого океана. США потеряли все  линейные  корабли,  6  легких  крейсеров,  эсминец, множество легких судов и 272 самолета. Однако,  к  этому  времени американские криптографы уже научились ломать коды сверхсекретной шифровальной машины. Поэтому первым реваншем за  разгром  в  Перл Харборе стало потопление японского флота у атолла Мидуэй, которое обеспечили   американские   криптоаналитики,   взламывая   ро-код радиопереговоров генштаба  Токио  и  оперативно  указывая  точные координаты  целей.  В  июне  1942  года  японцы  решили  десантом захватить атолл Мидуэй. Всего за 3 дня сражений 3-6 июня японские ВМС лишились своего превосходства в авианосцах,  а  в  1944  году американцы уже  в  10  раз  превосходили  японцев  по  авиации  и авианосцам.  Высшим  своим  достижением  американские  криптологи считают  операцию  1943   года   по   перехвату   и   уничтожению единственного  самолета  с  адмиралом  Ямамото   (Ямамото   лично руководил    операцией    в    Перл    Харборе.),     прозванного "командующим-людоедом".