История криптографии Невероятное

Поделиться с друзьями:

История криптографии

Целью криптографии, как вида тайнописи, является приведение текстового сообщения в такую форму, когда он становится абсолютно непонятным для непосвященных. Для подобного преобразования текста в криптографии существует два основных способа: перестановка и замена.
При перестановке буквы исходного текста перемешиваются или меняются местами. Например, слово «секрет» можно преобразовать в «еткрсе». При замене, как явствует из самого термина, буквы исходного сообщения заменяются другими буквами, числами или произвольными символами. То же слово «секрет» записывается как «тфдсфу» или 19 5 31 8 5 20. Оба способа — перестановку и замену — можно применять одновременно, сочетать друг с другом.
Системы замены, которые намного разнообразнее, используются значительно шире, чем системы перестановки, основаны на концепции шифровального алфавита. Такой алфавит представляет собой таблицу для перевода букв в секретные эквиваленты.
Элементарную систему замены нетрудно расшифровать, если только сообщение состоит хотя бы из десятка слов. Различные буквы в каждом сообщении, написанном на том или ином языке, встречаются с постоянной частотой. В любом достаточно большом отрывке английского текста приблизительно одна из восьми букв будет «е» — самая часто встречающаяся в английском языке, одна из одиннадцати букв будет «t», стоящая по частоте появления в текстах на втором месте, и так далее. В результате шифровальщик может опознать буквы исходного текста по их «заместителям» в зашифрованном тексте. Он, естественно, предполагает, что чаще всего встречающаяся буква в зашифрованном тексте — это, вероятно, «е», а вторая по частоте появления «t» и так далее. Феномен постоянной частотности справедлив также для диграфов (комбинация двух букв). В английском языке самая частая биграмма — это «th». Шаг за шагом, буква за буквой шифр будет разгадываться, а тайное сообщение приобретать явный смысл.
Такова основная идея расшифровки «подстановочной» тайнописи. Метод поиска наиболее часто встречающихся букв и слов известен и практикуется в Европе вот уже более 500 лет. Всю историю криптографии можно описать как непрерывный ряд попыток шифровальщиков «обойти» этот метод, а разгадывателей шифров — свести каждую новую систему тайнописи к такому виду, когда его можно применить.
В 1466 году итальянский архитектор Лео Батиста Альберти опубликовал небольшой трактат с описанием нового криптографического принципа, который ныне лежит в основе очень многих шифров. Новый метод получил название «многоалфавитного». В нем для засекречивания одного сообщения применяется несколько шифров — алфавитов, получающихся путем последовательных смещений некой исходной последовательности букв относительно обычного алфавита. В образующейся таблице содержится столько же алфавитов, сколько и букв, причем каждый со своей буквой — «ключом». К криптограммам Альберти уже неприменим обычный «частотный» метод прочтения одноалфавитных шифров, поскольку непрерывно меняются шифровальные эквиваленты для букв исходного текста.
В 1553 году Джиованни Батиста Беласко изобрел простой и надежный способ выделять применяемые алфавиты. Для этого он использовал ключевое слово, легко запоминаемое и без труда заменяемое. Чтобы зашифровать сообщение, он выписывал это слово-ключ, повторяя его раз за разом над всеми буквами исходного текста. Каждая буква ключевого слова указывала затем на соответствующий шифровальный алфавит, который кодировал каждую нижележащую букву исходного текста. И, чтобы расшифровать сообщение, адресат просто должен был воспроизвести процесс в обратном порядке.
Около 300 лет многоалфавитная шифровальная система казалась совершенно неприступной. Однако в 1863 году отставной немецкий майор Фридрих Касиски опубликовал общий метод прочтения шифров Альберти с повторяющимися ключевыми буквами и словами.
Метод Касиски основывается на известном правиле: «подобные причины вызывают подобные следствия». Когда одна и та же часть ключевого слова, сплошной чередой выписанного над исходным текстом, несколько раз случайно приходится на одинаковые буквосочетания в нем, то в зашифрованном тексте будут встречаться одинаковые кусочки.
Допустим, «на», дважды встречающееся в исходном тексте, случайно оба раза зашифровывается шифровальными алфавитами, соответствующими ключевым буквам «ла». Л-алфавит преобразует «н» в «в», а A-алфавит «а» в «а». Поскольку же «ла» повторяется несколько раз перед тем, как он был использован для зашифровки второго «на», по расстояниям между очередными и любыми другими двухбуквенными двойными повторами можно определить очень важную вещь — длину ключа. Затем рассортировать буквы криптограммы на несколько групп, каждая из которых зашифрована отдельной буквой-ключом, то есть отдельным шифровальным алфавитом. Теперь криптоаналитику несложно проанализировать каждую группу с точки зрения принципа постоянной частотности, как если бы перед ним был обычный одноалфавитный шифр.
Методика, предложенная Касиски для разгадывания шифров Альберти, побудила криптографов придумать более изощренные способы зашифровки Например, неповторяющйся («скользящий») ключ наподобие текста какой-либо книги или стихотворения. Однако в 1883 году учитель французского языка Август Керкгоф разработал общий подход к раскрытию любого многоалфавитного шифра. Его методика получила название «наложение».
В перехваченном сообщении криптоаналитик старается отыскать два или больше идентичных фрагментов зашифрованного текста. В конце концов он их нашел. Это означает, что одинаковые кусочки скользящего ключа случайно пришлись на повторяющиеся фрагменты исходного текста и одинаково зашифровали их.
Обнаружив повторы, криптоаналитик затем разбивает зашифрованный текст на куски и выписывает его таким образом, чтобы одинаковые фрагменты, сопряженные с совпадающими отрывками скользящего ключа, располагались один под другим. Тем самым буквы, зашифрованные одной и той же ключевой буквой, собираются в столбики. В итоге получаются столбики букв, и каждый из них расшифровывается как одноалфавитный код. Криптоаналитик анализирует его по принципу частотности и в конце концов прочитывает исходный текст.
Если столбики достаточно длинны, метод наложения Керкгофа способен разгадать любой многоалфавитный шифр. Единственный неподдающийся шифр — тот, в котором ключ нигде не повторяется и не обладает ни смыслом, ни структурой. Подобный бесструктурный, бесконечный ключ в виде перфорированной телетайпной ленты применяется в шифровальной машине, изобретенной Гильбертом Бернемом из американской телефонной и телеграфной компании. Импульсы, которые соответствуют дырочкам в ленте, автоматически шифруют импульсы исходного текста, запускаемые в телетайпный аппарат. На другом конце линии связи, у адресата, машина с идентичной ключевой лентой исключает ключевые импульсы из зашифрованного сообщения. Машина Вернема в один прием зашифровывает и передает сообщение. Эта особенность чрезвычайно облегчает составление случайного ключа неограниченной длины, который требуется для того, чтобы шифр стал нераскрываемым. Посторонний сможет прочесть сообщение только в том случае, если в его руки попадет сама ключевая лента.
Почему же в таком случае этот неуязвимый шифр не применяется всегда и повсюду?
Главным образом из-за того, что в быстротечной боевой обстановке шифровальщики не имели бы возможности своевременно заменять ключи, применявшиеся другими их коллегами-партнерами, и тем самым предотвратить использование одного и того же ключа дважды. Некоторые ключи неизбежно использовались бы по два и более раз, и перекрывающиеся сообщения позволили бы разгадать шифр.
Однако в дипломатической переписке и в донесениях секретных агентов одноразовые системы играют важную роль. Германия была первым государством, применившим подобную систему. Еще в начале 1920-х годов немецкое министерство иностранных дел начало использовать шифровальные «одноразовые блокноты». Случайные цифры печатались на листах, листы брошюровались в блокноты. Каждый лист вырывался из блокнота, использовался для передачи одной шифровки и немедленно уничтожался. Затем одноразовые системы взяли на вооружение и другие страны. Ныне ими пользуются фактически все государства, а также ООН и Международный валютный фонд.
Тем не менее практические трудности использования одноразовой системы заставили криптографов разработать другие шифровальные методы. Лучшая из широко применяющихся ныне систем — роторная машина, изобретенная в 1917 году американцем Эдвардом Хеберном и независимо через несколько лет Гуго Гохом (Голландия), Арвидом Долемом (Швеция) и Артуром Шербиусом (Германия).
Когда шифровальщик набирает какую-либо букву исходного текста на клавиатуре шифровального аппарата электрические токи, проходя запутанными путями через серию роторов, зашифровывают данную букву. После того как все буквы зашифрованы, роторы смещаются относительно друг друга на тот или иной угол. В результате устанавливается новый шифр.
Разгадать сообщение, зашифрованное восьмироторной машиной, используя методы Касиски или Керкгофа, практически невозможно.
В данном случае криптоаналитики поступают иначе. Они стараются раздобыть часть исходного текста сообщения. Сделать это не очень трудно: текст дипломатической ноты, переданный, скажем, в посольство, легко можно сравнить после его опубликования с зашифрованной версией, а зашифрованный боевой приказ, разосланный по передовой линии фронта, можно аналогично сравнить с порядком последовавших за ним действий.
Затем криптоаналитик обозначает соединения роторных контактов алгебраическими символами. Эти соединения, конечно, сначала представляют для него неизвестные величины. Далее он выбирает два зашифрованных фрагмента, которые записываются одной и той же шифровальной буквой. В итоге он может выписать серию «одновременных» уравнений. В них буквы исходного текста плюс неизвестные величины роторных смещений равны шифровальной букве. Если работать с достаточно длинным текстом, эти уравнения нетрудно решить и тем самым реконструировать соединение роторов. Фридман в 1920-х годах этим методом разгадал шифр роторной машины Хеберна. Эта же методика помогла Фридману разгадать в августе 1940 года шифр ротороподобной японской дипломатической машины «Жемчужина». В результате удалось получить доступ к важной информации о японских намерениях перед Перл-Харбором. Во время второй мировой войны советские криптоаналитики раскрыли шифр немецкого четырехроторного аппарата «Энигма», сконструированного Шербиусом. Вероятно, они использовали общую методику разгадки роторных шифров.
Все рассмотренные системы зашифровывают в один прием по одной букве и поэтому называются однобуквенными. Существуют также многобуквенные системы, которые зашифровывают сразу две и более букв. Из них наиболее известна двубуквенная система «Плейфейр», разработанная в прошлом столетии английским физиком сэром Чайном Уитстоном. Англичане применяли эту систему как полевой шифр в годы первой мировой войны. Многобуквенные системы значительно безопаснее однобуквенных благодаря тому, что они лучше противостоят частотному анализу.
Все системы, описанные выше, — это шифры. Но имеется еще одно подразделение тайнописи — код. Код представляет собой список, в котором содержится от нескольких сотен до десятков тысяч элементов исходного текста: слова, фразы, слоги, числа. Каждому элементу соответствует его секретный эквивалент, обычно несколько букв или цифр. Различие между кодом и шифром зависит, в сущности, от длины списка, и в теории между ними нельзя провести строгой границы, хотя коды оперируют с лингвистическими единицами, а шифры — нет. Во многих криптоаналитических учреждениях отдел кодов укомплектовывается преимущественно лингвистами, а отдел шифров — математиками.
Чтобы еще более затруднить криптоаналитиков, коды часто дополнительно усложняют: кодовые слова или числа зашифровываются так, как если бы они были обычным исходным текстом с помощью той или иной шифровальной системы. Но все же криптоаналитики могут разгадать подобную «супертайнопись». Им, как правило, удается прочитать шифры, исходным текстом которых служит сам код.
Сейчас искусство разгадывания шифров поднялось на такую высоту, что создается впечатление, что не существует ни одного неуязвимого шифра кроме одноразовой ленты. Теоретически это верно, но на практике едва ли это так. Роторные системы могут «выдать» шифр, который никто не будет в состоянии разгадать. Однако их надо применять, выполняя все правила эксплуатации. Ключевые элементы должны беспрерывно меняться, по возможности даже через час работы. Когда же набор ключевых элементов ограничен или когда шифровальщик делает ошибку, неизбежно ведущую к перешифровке того же сообщения, у криптоаналитиков появляются возможности «расколоть» систему. На практике это случается довольно часто.
Каково будущее криптографии? Новые системы коммуникации вынуждают шифровальщиков, совершенствуя свое искусство, углубляться в дебри лингвистических проблем. В то же время криптоаналитики берут на вооружение новые математические методы и быстродействующие ЭВМ. Сейчас простые шифры разгадываются с «ходу», почти автоматически, а сложные становятся все более и более громоздкими. Впрочем, это не значит, что секретных сообщений станет меньше. По всей видимости, криптография будет процветать до тех пор, пока в разделенном мире знание остается силой.

Поделиться с друзьями:

загрузка...

Комментарии:
Нет комментариев :( Вы можете стать первым!
Правила: В комментариях запрещено использовать фразу 'http', из-за большого кол-ва спама
Добавить комментарий:

Последние статьи:

Контакты администрации сайта :