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 полибиаиского, 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". Приведем пример использования шифра двойной квадрат для русских текстов. Имеются две таблицы со случайно расположенными в них алфавитами:
| Ч | В | Ы | П | |
| О | К | : | Д | У |
| Г | Ш | 3 | Э | Ф |
| Л | Ъ | Х | А | , |
| Ю | Р | Ж | Щ | Н |
| Ц | Б | И | Т | Ь |
| . | С | Я | М | Е |
| Е | Л | Ц | : | П |
| . | Х | Ъ | А | Н |
| Ш | Д | Э | К | С |
| Ы | Б | Ф | У | |
| Я | Т | И | Ч | Г |
| М | О | , | Ж | Ь |
| В | Щ | 3 | Ю | Р |
Для шифрования сообщение разбивают на биграммы. Первая буква биграммы находится в левой таблице, а вторая в правой. Затем, мысленно в таблице строится прямоугольник так, чтобы буквы биграммы лежали в его противоположных вершинах. Другие две вершины этого прямоугольника дают буквы шифровки. Предположим, что шифруется биграмма текста ОЖ. Буква О находится в колонке 1 строки 2 левой таблицы. Буква Ж находится в колонке 4 строки 6 правой таблицы. Значит, прямоугольник образован строками 2 и 6, а также колонками 1 левой и 4 правой таблиц. Следовательно, шифровке соответствуют буквы, лежащие в колонке 1 строки 6 левой таблицы Ц и в колонке 4 строки 2 правой таблицы А - биграмма АЦ. Так парами букв шифруется все сообщение:
| Сообщение: | ПР | ИЕ | ЗЖ | АЮ | Ш | ЕС | ТО | ГО | |
| Шифровка : | ПЕ | МБ | КИ | ФМ | ЕШ | РФ | ЖБ | ДЦ | ЩП |
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.
Например, в первом правом барабане провод от контакта, соответствующего букве U, присоединен к контакту буквы F на другой его стороне. Если же барабан поворачивался на один шаг, то этот же провод соответствовал замене следующей за U буквы V на следующую за F букву G. Так как барабаны соприкасались контактами, то электрический импульс от нажатой клавиши с буквой исходного текста прежде чем достигал выхода претерпевал 4 замены: по одной в каждом барабане. Для затруднения расшифрования барабаны день ото дня переставлялись местами или менялись. Дальнейшее усовершенствование этой машины сделало движение барабанов хаотичным, а число их увеличилось сначала до 5, а потом до 6. Все устройство могло поместиться в портфеле и было так просто, что обслуживалось обычными связистами.
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 недоукомплектована 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".
Свою искушенность в технике криптографии скрывали все воюющие стороны. Японская пословица гласит: "Искусство заключается в том, чтобы скрыть искусство". Если ей руководствоваться, то криптографию можно признать одним из наивысших искусств. Англичане усиленно распространяли слухи о разветвленности своей агентурной сети и колоссальных успехах радиолокации, американцы же на страницах своих многочисленных газет уверяли доверчивых читателей в том, что чуть не каждую квадратную милю Тихого океана у них патрулирует отдельный самолет. Тем не менее именно расшифровка радиограмм противника давала главную часть информации для оперативных планов. Разгром большого отряда кораблей германских ВМС у Крита стал возможен лишь благодаря данным ULTRA (кодовым словом ULTRA союзники обозначали немецкие сообщения, полученные взламыванием шифров Энигмы.) , переданным британской эскадре. Чтобы скрыть столь секретный источник информации, каким является ломка шифров, англичане решили "выбить клин клином". Они отправили своему несуществующему агенту благодарность за бесценную информацию об этом отряде кораблей, зашифровав радиограмму уж очень просто. Так и получилось: радиограмма была перехвачена, ее шифр сломан, и немцы введены в заблуждение.
Дезинформация о роли криптографии в войнах настолько всеобъемлющая, что приходится сомневаться и в правдивости воспоминаний ветеранов, которым, казалось бы, нечего терять, но есть чем похвалиться. Немногого стоит сообщение о вскрытии немецкими криптографами русских шифров армии Иосипа Броз Тито, сделанное в мемуарах руководителя зарубежной разведки германского рейха Вальтера Шелленберга. Вслед за этим сомнительным утверждением он приписал: "В шифровках сообщалось о намечающемся десанте англо-американских войск во взаимодействии с югославскими партизанами на побережье Адриатики. Несомненно, что этой дезинформацией нас пытались ввести в заблуждение..." Так чем же была вызвана слабость шифра Москвы - огрехом или коварным расчетом? Освоив искусство двуликого Януса, люди потеряли правду, точнее, перестали ее отличать от вымысла, который на правду стал похож их стараниями. Даже узнав о том, что англичане читали почти все его секретные приказы из ставки в Лориенте и лучше него знали обстановку на море, старый Дениц на вопрос, не чувствовал ли он, что противник читает его мысли, подумав, ответил: "Да нет, ничего такого не было".
Дезинформация и недоверие были широко распространены даже между союзниками. Англичане передавали союзному советскому командованию читаемые ими примитивные полицейские шифры, выдавая их за предел своих возможностей в расшифровке. В ответ на это советская сторона лицемерно восторгалась англичанами, сожалея, что столь нужной криптографической службы у нее совсем нет, так как она запрещена по Гаагской конвенции вместе с химическим оружием. Это отнюдь не способствовало совместным действиям из-за взаимного недоверия. Не желая раскрыть суть операции ULTRA по расшифровке немецких сообщений, англичане так и не открыли Советам источник сведений о готовящемся нападении Германии на СССР, что вызвало подозрение в провокации (Советское правительство допускало, что англичане желают втянуть СССР в войну с Германией лишь для того, чтобы отвлечь от себя немецкие войска и ссылаются на мнимую угрозу. Кроме того, было известно о планах Лондона оккупировать Баку с целью опередить в этом Берлин.), на что англичане были мастера. Дело доходило до абсурда: дезинформированный о возможностях своей криптографической службы, в конце войны американский шпион похитил для нее японскую шифровальную машину. Он так и не понял, почему машина тайно и спешно была возвращена на место, а сам он впал в немилость, не получив наград. Точно так же были строго наказаны немецкие солдаты, захватившие при оккупации одной из стран Европы мешки с шифрованной секретной дипломатической перепиской. Японские шифры кроме американцев вскрыли еще и в Берлине, читая шифрованную корреспонденцию посланника Окамото из Швейцарии, так и в Москве.
Завершает историю этого этапа криптографии человек, вдохнувший в нее новую жизнь, математик Элвуд Шеннон, который во время Второй мировой войны, исследуя математическими методами надежность шифрования, придал криптологии цивильный вид, спрятав ее за пазухой общей теории информации. Согласно ей случайная последовательность символов не несет никакого смысла. Связь же информатики с криптологией состоит в том, что найденные статистические свойства шифровки, ключа и сообщения можно привлечь для расшифровки, нахождения конкретного содержания сообщения. Его работа опубликована лишь в 1949 году, так как была засекречена. Поэтому приоритет в ряде результатов принадлежит Винеру и Колмогорову, опубликовавших их несколько раньше.
Создание цифровых ЭВМ заставило полностью изменить взгляды на шифры и их расшифровывание. Американцы утверждают, что их война с Ливией - следствие машинной расшифровки радиообмена террористов (израильский разведчик, повздоривший с руководством, утверждал в скандальной статье, что компрометирующие Ливию шифровки исходили из Тель-Авива, чтобы руками США разрешить свои проблемы. Кому можно верить, если дело касается разведки?) . Тем не менее роль ручных шифров, по-видимому, останется довольно высокой еще очень долго. Действительно, кому придет в голову пользоваться сложной техникой, чтобы передать пару строк текста или два-три числа? Недаром в романе английского разведчика Грэма Грина "Наш человек в Гаване" любитель кроссвордов представлен криптоаналитиком, вскрывающим донесения главного героя, зашифрованные вручную. Однако на последних страницах книги шеф разведки, перепутав аппараты, дает указания своему повару по телефону с засекречиванием, и тот слышит лишь подобие птичьего щебета.
