Гомес Жуан

«Мир математики»

№ 2

«Математики, шпионы и хакеры. Кодирование и криптография»

Моему сыну Висенсу

Предисловие

С давних пор любимой игрой всех мальчишек были попытки изобретения специального алфавита для обмена секретными сообщениями. Конечно, это было связано больше с детским желанием поиграть в шпионов, чем с реальной угрозой перехвата передаваемой информации посторонними лицами. Однако в мире взрослых такая угроза, несомненно, существует, и конфиденциальность многих сообщений чрезвычайно важна.

С наступлением информационного века кодирование и шифры, ранее представлявшие интерес лишь для политической и социальной элиты, стали необходимыми для нормального функционирования общества в целом. Эта книга является попыткой рассказать историю секретных шифров с точки зрения наиболее квалифицированного из гидов: математики.

Криптография, то есть искусство кодированного письма, появилась с возникновением самой письменности. Хотя еще египтяне и жители Месопотамии использовали методы шифрования, первыми, кто серьезно занялся криптографией, были древние греки и римляне — враждующие культуры, для которых тайное общение являлось ключевым элементом военных успехов. Такая секретность привела к появлению нового типа соперников — тех, кто называл себя хранителями тайны, — криптографов, и тех, кто надеялся раскрыть ее, — криптоаналитиков или специалистов по взламыванию шифров. Между ними шла всегда разыгрываемая за кулисами война, в которой временное преимущество могло быть то на одной, то на другой стороне, но никто никогда не достигал решающей победы. В VIII в., например, арабский мудрец Аль-Кинди придумал метод дешифровки, известный как частотный криптоанализ, который вскрывал любое закодированное сообщение. Ответом шифровальщиков (на такой ответ потребовались столетия) было изобретение полиалфавитного шифра.

Это, казалось бы, стало решающей победой криптографов… но появился еще более продвинутый метод расшифровки, разработанный в тишине кабинета английским гением, что вновь склонило чашу весов в пользу криптоаналитиков. С тех пор главным оружием, применяемым каждой из сторон, была математика, от статистики и теории чисел до модульной арифметики.

Переломный момент в этой битве кодирования и расшифровки наступил с появлением первых машин шифрования и, вскоре после этого, первых машин расшифровки.

Первая программируемая вычислительная машина, названная Colossus, была изобретена и построена британцами для взлома сообщений, закодированных немецкой шифровальной машиной «Энигма».

При взрывном росте вычислительной мощности именно шифры, а не традиционные соображения секретности играют ведущую роль в передаче информации. Универсальный язык современного общества использует не буквы или иероглифы, а только две цифры — 0 и 1. Это двоичный код.

Какая из сторон выиграла от прихода новых технологий: криптографы или криптоаналитики? Возможна ли безопасность в наш век вирусов, информационных краж и суперкомпьютеров? Ответ на второй вопрос в значительной степени положителен, и снова мы должны сказать спасибо математике, а именно простым числам и их особенным свойствам. Как долго продержится временная победа криптографии? Ответ на этот вопрос уведет нас к самой дальней границе современной науки — теории квантовой механики, поразительные парадоксы которой подведут итог нашему захватывающему путешествию по разделу математики, отвечающему за безопасность и секретность.

Эта книга заканчивается списком литературы для тех, кто желает глубже проникнуть в мир кодирования и шифрования, а алфавитный указатель на последних страницах поможет в поиске.

Глава 1. Насколько защищена информация?

Криптография — искусство написания и вскрытия шифров.

Оксфордский словарь

Желание написать сообщение, которое может быть понято только отправителем и получателем, но остается бессмысленным для любого постороннего человека, так же старо, как и само искусство письма. И действительно, существует целый ряд «нестандартных» иероглифик, которым более 4500 лет, хотя невозможно с определенностью заключить, являются ли они попыткой зашифровать информацию или их лишь использовали в неких ритуалах. Больше известно о вавилонской табличке, датируемой 2500 г. до н. э. Она содержит слова с опущенной первой согласной и использует некоторые необычные символы. Исследования показали, что текст на табличке описывает метод изготовления глазурованной керамики. Это позволяет нам заключить, что табличка была сделана купцом или, возможно, гончаром, который пытался защитить секрет производства от конкурентов.

С развитием письма и торговли возникли огромные империи, которые в свою очередь были вовлечены в пограничные конфликты. Криптография и защищенная передача информации превратились в задачу первостепенной важности как для правительств, так и для торговцев. В наш информационный век защита средств коммуникации и поддержка необходимого уровня конфиденциальности важны как никогда. Вряд ли сейчас можно найти передаваемую информацию, не закодированную тем или иным способом. Цель кодирования — облегчить пересылку. Например, текст конвертируется в двоичные коды (система счисления, использующая только нули и единицы), понятные компьютеру. После кодирования информацию следует защитить от тех, кто может перехватить ее. Другими словами, код должен быть зашифрован. И, наконец, законный получатель должен быть в состоянии расшифровать сообщение. Кодирование, шифрование и расшифровка — это основные фигуры в «танце информации», который повторяется миллионы раз в секунду, каждую минуту, каждый час и каждый день. А музыкой, сопровождающей этот танец, является не что иное, как математика.

Коды, шифры и ключи

Криптографы используют термин «кодирование» в несколько другом смысле, чем мы. Для них кодирование — это процесс преобразования текста путем замены одних слов другими. С другой стороны, шифрование, или шифр, означает замену букв либо отдельных символов. С течением времени второй способ стал настолько распространенным, что превратился в синоним «кодированного письма». Однако если мы будем следовать более научной интерпретации, правильным термином для второго метода будет шифрование (или дешифрование в случае обратного процесса) сообщения.

Давайте представим, что мы посылаем защищенное сообщение «АТАКА». Мы могли бы сделать это двумя основными способами: заменить слово (кодирование) либо заменить некоторые или все буквы, составляющие это слово (шифрование).

Простым способом закодировать слово является его перевод на язык, который потенциальный перехватчик не знает, тогда как для зашифровки было бы достаточно, например, заменить каждую букву другой буквой алфавита. В каждом случае необходимо, чтобы получатель знал процедуру, которая была использована для кодирования или шифрования сообщения, иначе наше послание будет бесполезно. Если мы уже договорились с получателем, какой метод будем использовать — перевод слова на другой язык или замену каждой буквы другой — все, что нам надо сделать, — это сообщить ему этот другой язык или число позиций, на которое мы сдвигаем в алфавите каждую букву, чтобы сделать замену. В случае шифрования получатель, имея сообщение «ВФВМВ» и зная, что каждая буква была сдвинута в алфавите на две позиции, может легко обратить процесс и расшифровать сообщение.

* * *

ДВОИЧНЫЙ КОД

Чтобы компьютер мог понять и обработать информацию, она должна быть переведена с языка, на котором написана, на так называемый двоичный язык. Он состоит только из двух цифр: 0 и 1. Двоичные выражения для чисел в десятичной системе от 0 до 10 приведены в таблице справа.

Соответственно, десятичное число 9780 в двоичном коде будет выражено как 10011000110100.

ПЕРЕВОДИТЬ ИЛИ РАСШИФРОВЫВАТЬ?

Перевод текста, написанного на языке, который использует неизвестный набор символов, можно рассматривать как общую проблему расшифровки.

Перевод — это неизвестный текст, уже переведенный на наш язык, а алгоритм шифрования — это грамматические правила и синтаксис оригинального языка. Методы, используемые для обеих задач, — перевода и расшифровки — имеют много общего.

В обоих случаях должно быть выполнено одно условие: отправитель и получатель по крайней мере должны владеть общим языком. Вот почему перевод текстов, написанных на утерянных языках, таких как египетская иероглифика или линейное письмо Б, был невозможен, пока не были найдены соответствия с известным языком. В обоих случаях это оказался древнегреческий язык. На рисунке выше изображена найденная на Крите табличка с надписью линейным письмом Б.

* * *

Различие, которое мы установили между правилом шифрования (применяемым методом) и ключом шифрования (изменяемой инструкцией, специфичной для каждого сообщения или группы сообщений), чрезвычайно полезно, потому что потенциальному шпиону необходимо знать и то, и другое, чтобы расшифровать сообщение. Например, шпиону может быть известно правило шифрования, а именно, что каждая буква заменяется другой, сдвинутой в алфавите на х позиций. Тем не менее, если он не знает, чему равен х, ему придется перебрать все возможные комбинации: по одной для каждой буквы алфавита. В данном примере шифр очень прост, и перебрать все комбинации не составит большого труда. Такой способ расшифровки называется методом перебора всех возможных вариантов. Однако в случае более сложных правил этот метод расшифровки, или криптоанализа, практически неприменим, во всяком случае, вручную. Более того, перехват и расшифровка сообщения, как правило, ограничены по времени. Информацию нужно получить и понять до того, как она станет бесполезной или известной другим.

* * *

СКОЛЬКО ТРЕБУЕТСЯ КЛЮЧЕЙ?

Какое минимальное количество ключей необходимо в системе с двумя пользователями? Три? Четыре? Для тайного общения двух пользователей друг с другом требуется только один код или ключ. Для трех пользователей необходимы три ключа: один для связи между А и В, другой — для пары А и С, а третий — для В и С. Далее, четырем пользователям потребуется уже шесть ключей.

Таким образом, в общем случае п пользователей должны иметь столько ключей, сколько всего комбинаций пар из п пользователей, а именно:

(n/2) = n∙(n-1)/2

Так, относительно небольшая система из 10000 взаимосвязанных пользователей потребует 49995000 ключей. Для населения земного шара из шести миллиардов людей потребуется головокружительное количество: 17999999997000000000.

* * *

Общее правило шифрования называется алгоритмом шифрования, в то время как определенный параметр, используемый для шифрования или кодирования сообщений, называется ключом. (В примере шифрования со словом «АТАКА» на странице 10 ключ равен 2. Каждая буква оригинального сообщения заменяется другой, сдвинутой на две позиции вправо по алфавиту). Очевидно, что для каждого алгоритма шифрования существует большое количество ключей, поэтому знание алгоритма чаще всего бесполезно, если мы не знаем ключ, используемый для шифрования. Так как ключи обычно легче менять и передавать, для обеспечения безопасности системы шифрования логичнее будет постараться сохранить их в тайне. Этот принцип был сформулирован в конце XIX в. нидерландским лингвистом Огюстом Керкгоффсом фон Ниувенгофом и обычно называется принципом Керкгоффса.

Подводя итог вышеизложенному, мы можем изобразить общую систему шифрования в виде следующих элементов:

Таким образом, мы имеем отправителя и получателя сообщения, алгоритм шифрования и определенный ключ, который позволяет отправителю зашифровать сообщение, а получателю — расшифровать его. Позже мы увидим, как эта схема была модифицирована из-за изменившихся в последнее время функций ключа, но пока мы будем придерживаться этой диаграммы.

Закрытые и открытые ключи

Принцип Керкгоффса определяет ключ как основополагающий элемент безопасности любой криптографической системы. До сравнительно недавнего времени ключи у отправителя и получателя во всех известных криптографических системах обязательно были идентичными или по крайней мере симметричными, то есть они использовались как для шифрования, так и для расшифровки сообщений. Ключ, таким образом, был секретом, известным отправителю и получателю, а значит, используемая криптографическая система всегда была уязвимой, так сказать, с обеих сторон. Этот тип шифрования, который зависит от ключа, известного отправителю и получателю, называется шифрованием с закрытым ключом.

Все криптографические системы, изобретенные человеком с начала времен, независимо от используемого алгоритма и его сложности, имеют эту характерную особенность. Ситуация, когда и получатель, и отправитель имеют одинаковый ключ, вроде бы отвечает здравому смыслу. В конце концов, как может один человек шифровать сообщение одним ключом, а второй — расшифровать это же сообщение другим ключом, надеясь, что смысл текста не изменится? На протяжении тысячелетий эта возможность считалась логическим абсурдом. Однако, как мы более подробно увидим позже, всего пять десятилетий назад этот абсурд стал реальностью и теперь повсеместно используется в шифровании.

В настоящее время алгоритмы шифрования, используемые в системах связи, состоят как минимум из двух ключей: тайный закрытый, как это уже было принято, и открытый, известный всем. Процесс передачи информации выглядит так: отправитель использует для шифрования открытый ключ получателя, которому он хочет отправить сообщение. Получатель использует свой закрытый ключ для расшифровки полученного сообщения. Более того, эта система обладает чрезвычайно важным дополнительным преимуществом: отправителю и получателю не нужно встречаться заранее, чтобы договориться об используемых ключах, поэтому безопасность системы стала более надежной, чем это было возможно раньше. Эта совершенно революционная форма шифрования известна как шифрование с открытым ключом, и именно она обеспечивает безопасность современных коммуникационных сетей.

В основе этой революционной технологии лежит математика. В действительности, как мы позже подробнее поясним, современная криптография зиждется на двух столпах. Первый — модульная арифметика, а второй — теория чисел, в частности, ее раздел, изучающий простые числа.

* * *

СКОЛЬКО ТРЕБУЕТСЯ КЛЮЧЕЙ?.. ЧАСТЬ 2

Как мы видели на странице 12, классической криптографии требуется огромное количество ключей. Однако в открытой криптографической системе любым двум пользователям, которые обмениваются сообщениями, нужно только четыре ключа: по одному закрытому и открытому ключу для каждого. В этом случае n пользователей должны иметь 2n ключей.

Телеграмма Циммермана

Криптография — это одна из областей прикладной математики, в которой контраст между безупречной ясностью, лежащей в основе теории, и темными последствиями ее применения является наиболее очевидным. В конце концов, судьбы целых народов зависят от успеха или провала обеспечения безопасной связи. Одним из наиболее впечатляющих примеров того, как криптография изменила ход истории, стала телеграмма Циммермана, посланная почти сто лет назад.

7 мая 1915 г., когда половина Европы была втянута в кровавый конфликт, немецкая подлодка торпедировала трансатлантический пассажирский лайнер «Лузитания», который шел под британским флагом у берегов Ирландии. Результатом была одна из самых печально известных в истории катастроф: погибло 1198 пассажиров, из которых 124 были американцами. Новость привела в ярость общественное мнение в Соединенных Штатах, и правительство президента Вудро Вильсона предупредило немецкую сторону о том, что любые подобные действия вынудят Соединенные Штаты немедленно вступить в войну на стороне союзников. Кроме того, Вильсон потребовал, чтобы немецкие подводные лодки всплывали на поверхность перед выполнением любой атаки, чтобы не допускать гибели гражданских судов.

Это серьезно подрывало тактическое преимущество подводных лодок.

В ноябре 1916 г. новым министром иностранных дел Германии был назначен Артур Циммерман, человек с репутацией дипломата. Новость была благоприятно принята прессой Соединенных Штатов, которая расценивала этот факт как хорошее предзнаменование для развития отношений между Германией и США.

Так газета Нью-Йорк Таймс известила о гибели судна: «"Лузитания" потоплена подводной лодкой, возможно 1260 погибших; две торпеды от берегов Ирландии: затонула за 15 минут: капитан Тёрнер спасен, Фроман и Вандербилт пропали без вести; Вашингтон считает, что грядет серьезный кризис».

В январе 1917 г., менее чем через два года после трагедии «Лузитании», а также в наивысшей стадии развития конфликта, посол Германии в Вашингтоне Йоханн фон Бернсторф получил следующую шифрованную телеграмму от Циммермана с инструкциями тайно доставить ее послу Германии в Мексике Генриху фон Экхарду.

«Мы намерены начать 1 февраля беспощадную подводную войну. Несмотря на это, мы попытаемся удержать США в состоянии нейтралитета.

Однако в случае неуспеха мы предложим Мексике следующее: вместе вести войну и сообща заключить мир. С нашей стороны мы окажем Мексике щедрую финансовую поддержку и заверим, что по окончании войны она получит обратно утраченные ею территории Техаса, Новой Мексики и Аризоны. Мы поручаем вам [фон Экхарду] выработать детали этого соглашения.

Вы немедленно и совершенно секретно предупредите президента [Мексики], как только объявление войны между нами и США станет свершившимся фактом.

Добавьте, что президент Мексики может по своей инициативе сообщить японскому послу, что Японии было бы очень выгодно немедленно присоединиться к нашему союзу.

Обратите внимание президента на тот факт, что безжалостное использование наших подводных сил заставит Англию подписать мир в ближайшие месяцы».

Если бы телеграмма была предана гласности, неизбежным следствием этого было бы начало войны между Германией и Соединенными Штатами. Хотя император Вильгельм II знал, что война неизбежна, если подводные лодки не будут выходить на поверхность перед атакой, он надеялся, что к тому времени Великобритания капитулирует и, следовательно, не будет конфликта, к которому США могли бы присоединиться.

Кроме того, активные угрозы Мексики вдоль южной границы Соединенных Штатов могли в равной степени предотвратить их вступление в конфликт по другую сторону океана. Мексике, однако, нужно было определенное количество времени для организации своих сил. Было крайне важно как можно дольше сохранять в тайне намерения Германии — до тех пор, пока баланс сил не изменится в ее пользу.

Комната 40 приступает к работе

Однако у британского правительства были другие планы. Вскоре после начала войны британцы перерезали подводные телеграфные кабели, которые соединяли Германию напрямую с западным полушарием, поэтому любые электронные сообщения шли по кабелям, которые англичане могли прослушивать. Соединенные Штаты, пытаясь путем переговоров положить конец конфликту, позволяли Германии продолжать передавать дипломатические сообщения. В результате сообщение Циммермана в нетронутом виде было получено немецким представительством в Вашингтоне.

Телеграмма Циммермана (вверху), которую посол Гэрмании в Вашингтоне Йоханн фон Бернсторф переслал своему коллеге в Мексике, и расшифрованная версия той же телеграммы (внизу).

Фрагмент британской расшифровки телеграммы Циммермана. В нижней части можно видеть, как немцы, не имея кода для слова «Аризона», зашифровали его символами: AR, IZ, ON, А.

Британское правительство направило перехваченное сообщение для дешифровки в криптоаналитический отдел, известный как Комната 40.

Немцы использовали для шифрования свой обычный алгоритм министерства иностранных дел и ключ под номером 0075, который эксперты Комнаты 40 уже частично взломали. Этот алгоритм включал в себя замену слов (кодирование), а также замену букв (шифрование). Это обычная практика, которую немцы в то время использовали и в другом методе шифрования, шифре ADFGVX, который мы более подробно рассмотрим позже.

Англичанам не потребовалось много времени, чтобы расшифровать телеграмму, хотя они и не поспешили показать ее американцам. На это было две причины.

Во-первых, секретная телеграмма была передана по дипломатическим каналам связи, предоставленным Германии Соединенными Штатами, — привилегия, которую англичане проигнорировали. Во-вторых, если бы телеграмма была предана огласке, немецкое правительство сразу бы выяснило, что его шифры взломаны, и изменило свою систему шифрования. Таким образом, англичане решили сказать американцам, что они перехватили и расшифровали сообщение, посланное фон Экхарду в Мексику, и тем самым убедить немцев, что телеграмма была перехвачена в Мексике уже в расшифрованном виде.

В конце февраля правительство Вильсона организовало «утечку информации» о содержании телеграммы в прессу. Некоторые представители прессы — в частности, прогерманские и настроенные против войны газеты американского медиамагната Херста — восприняли телеграмму скептически. Тем не менее, к середине марта Циммерман публично признал себя автором нашумевшего сообщения. Чуть более двух недель спустя, шестого апреля 1917 г., Конгресс США объявил войну Германии. Это решение имело далеко идущие последствия для Европы и всего мира.

Чрезвычайно скандальная в свое время телеграмма Циммермана является лишь одним из ярких исторических событий, в которых криптография сыграла существенную роль. В этой книге мы увидим много примеров из других веков и культур. Однако можно быть почти уверенными в том, что о многих важнейших событиях мы ничего не знаем. Ведь по своей природе история криптографии является историей тайн.

Глава 2. Криптография от античности до XIX века

Как мы уже говорили, криптография является древней дисциплиной, вероятно, столь же древней, как и само письменное общение. Однако это не единственно возможный способ тайной передачи информации. В конце концов, каждый текст както изображается, и если мы сделаем это изображение невидимым для всех, кроме получателя, наша цель будет достигнута. Техника сокрытия самого существования сообщения называется стеганографией, и она, вероятно, появилась примерно в то же время и по тем же причинам, что и криптография.

Стеганография

Греческий ученый Геродот, считающийся одним из величайших историков мира, в своей знаменитой хронике войны между греками и персами в V в. до н. э. упоминает два любопытных примера стеганографии, потребовавших значительной изобретательности. Первый пример описан в третьей книге «Истории» Геродота: Гистией, тиран города Милета, приказал побрить гонцу голову. Затем на коже головы написали сообщение, которое нужно было отправить, и подождали, когда волосы отрастут. После этого человека послали к месту назначения, в лагерь Аристагора.

Благополучно добравшись туда, посланник объяснил уловку Аристагору и снова сбрил волосы, показав долгожданное сообщение. Второй пример, если это, конечно, правда, имел большее историческое значение, поскольку это позволило спартанскому царю Демарату, сосланному в Персию, предупредить своих соотечественников о грозящем нашествии персидского царя Ксеркса. Геродот пишет об этом в седьмой книге:

«Дело в том, что Демарат не мог так просто предупредить их, поэтому он придумал вот какую хитрость: он взял пару восковых дощечек [для письма], соскоблил воск и написал планы персидского царя на деревянной поверхности. Затем он залил дощечки растопленным воском, таким образом скрыв сообщение. В итоге дощечки, выглядевшие пустыми, не могли возбудить никаких подозрений у дорожных стражей.

Когда дощечки доставили в Лакедемон (Спарта), лакедемоняне долго не могли разгадать секрет, пока, наконец, как я это понимаю, Горго […] не предложила соскоблить воск с дощечек, потому что тогда, по ее словам, на дереве обнаружится сообщение».

Стеганографический метод, выдержавший испытание временем, — это невидимые чернила. Известные по многим рассказам и фильмам, такие чернила содержат материалы, как правило, органического происхождения с высоким содержанием углерода: лимонный сок, растительные соки и даже человеческую мочу, поэтому они имеют тенденцию темнеть при умеренном нагревании, например, над пламенем свечи.

Польза стеганографии бесспорна, хотя этот способ совершенно невыгоден при большом количестве сообщений. Более того, сам по себе этот метод имеет существенный недостаток: если сообщение все-таки будет перехвачено, его содержание сразу же станет известным. По этой причине стеганография в основном используется совместно с методами криптографии как средство усиления безопасности сообщений наивысшей секретности.

Как показывают приведенные примеры, угроза вооруженного конфликта была серьезным стимулом для защиты передаваемой информации. Поэтому не удивительно, что такие воинственные люди, как спартанцы, бывшие, если верить Геродоту, мастерами стеганографии, были также пионерами в развитии криптографии.

Перестановочное шифрование

Во время конфликта между Афинами и Спартой для контроля над Пелопоннесом часто использовалась скитала — прибор, состоящий из цилиндра и обмотанной вокруг него по спирали узкой полоски бумаги, на которой писалось сообщение. Хотя используемый метод (то есть алгоритм шифрования) был известен противнику, не зная точных размеров скиталы, было чрезвычайно трудно расшифровать перехваченное сообщение. Толщина и длина скиталы были, в сущности, ключом к этой системе шифрования. После разматывания бумажной ленты прочитать сообщение было невозможно. На рисунке ниже передаваемое сообщение (М) выглядит так: A message encoded with a scytale («Сообщение, закодированное с помощью скиталы»), но после разматывания бумажной ленты сообщение превратилось в тарабарщину (С): anh mca eos sdc sey adt gwa eil ete.

* * *

КРОШЕЧНЫЕ БУКВЫ

В годы холодной войны герои шпионских триллеров часто использовали крошечные микрофильмы для пересылки сообщений, чтобы их было невозможно прочитать невооруженным глазом. Этот стеганографический метод, названный «микроточки», был разработан на несколько лет раньше, в Германии во время Второй мировой войны. Фотография текста сообщения уменьшалась до размеров точки, а затем прикреплялась к безобидному письму в качестве одного из многих типографских символов.

* * *

Использование скиталы основано на криптографическом методе, известном как перестановочное шифрование, когда буквы сообщения переставляются местами.

Чтобы получить представление о силе этого метода, рассмотрим простой пример перестановки всего трех букв: А, О и R. Быстрая проверка без каких-либо расчетов показывает, что они могут быть переставлены шестью различными способами:

AOR, ARO, OAR, ORA, ROA и RAO.

В абстрактных терминах процесс выглядит следующим образом: как только одна из трех возможных букв поставлена на первое место, что дает нам три различных возможности, остаются еще две буквы, которые в свою очередь могут быть переставлены двумя различными способами. Таким образом, общее количество составит 3 x 2 = 6 способов. В случае более длинного сообщения, например, из 10 букв, число возможных перестановок составит 10 x 9 x 8 x 7 x 6 x 5 x 4 x 3 x 2 x 1. Такое произведение в математике записывается как 10! и дает число 3 628 800. В общем случае для сообщения из n букв существует n! различных способов изменить их порядок.

Таким образом, скромное сообщение из 40 символов имеет так много способов изменения порядка букв, что это сообщение практически невозможно расшифровать вручную. Может быть, мы нашли идеальный криптографической метод?

Не совсем так. По сути, алгоритм перестановочного шифрования обеспечивает высокий уровень безопасности, но как насчет ключа, который позволяет расшифровать сообщение? Случайность процесса составляет и его силу, и его слабость. Потребовался другой метод шифрования, чтобы генерировать ключи, которые были бы простыми и легкими для запоминания и передачи без потери уровня безопасности.

Так начались поиски идеального алгоритма, и первые успехи в этом деле были достигнуты римскими императорами.

* * *

РУКОВОДСТВО ДЛЯ МОЛОДЫХ ДАМ

Камасутра — это пространное руководство, которое посвящено, среди прочего, тому, что необходимо знать каждой женщине, чтобы быть хорошей женой. Созданное около IV в. до н. э. брамином по имени Ватьсьяяна, оно рассказывает о 64 различных навыках, в том числе о музыке, кулинарии и шахматах. Особый интерес для нас имеет навык под номером 45, потому что он представляет собой искусство тайнописи, или млеччхита-викальпа. Древний мудрец рекомендует несколько методов, в том числе такой: разделить алфавит на две части и распределить буквы по парам случайным образом. В этой системе каждое соответствие пар представляет собой ключ. Например, один из ключей может быть следующим:

Чтобы написать тайное послание, нужно просто заменить каждую букву А в оригинальном тексте буквой Е, букву Р, соответственно, буквой С, J — буквой W, и так далее.

Кесарю кесарево

Veni, vidi, vici (пришел, увидел, победил).

Юлий Цезарь

Шифры подстановки разрабатывались параллельно с перестановочным шифрованием. В отличие от перестановочного шифрования, строгий шифр подстановки заме няет каждую букву или символ на какой-то другой. В отличие от перестановочного шифрования, шифр подстановки основывается не только на буквах, которые содержатся в сообщении. В перестановочном шифровании буква меняет свое положение, но сохраняет свою роль; одна и та же литера имеет одинаковое значение в исходном сообщении и в зашифрованном. В шифре подстановки буквы сохраняют свои позиции, но меняют роли (одна и та же буква или символ имеет в исходном сообщении одно значение, а в зашифрованном — другое). Одним из первых известных алгоритмов шифра подстановки был шифр Полибия, названный в честь греческого историка Полибия (203–120 гг. до н. э.), который оставил нам его описание. Об этом методе подробно рассказано в Приложении.

Спустя примерно 50 лет после появления шифра Полибия, в I в. до н. э., возник другой шифр подстановки, известный под общим названием шифра Цезаря, потому что именно Юлий Цезарь использовал его для секретной переписки со своими генералами. Шифр Цезаря является одним из наиболее изученных в криптографии, и он очень полезен тем, что иллюстрирует принципы модульной арифметики, одной из математических основ кодированного письма.

Шифр Цезаря заменяет каждую букву другой, находящейся в алфавите на некоторое фиксированное число позиций правее. Как писал великий историк Светоний в книге «Жизнь двенадцати цезарей», Юлий Цезарь использовал для своей личной переписки следующий алгоритм подстановки: каждая буква исходного сообщения сдвигалась по алфавиту на три позиции, а именно, буква А заменялась на D, В — на Е, и так далее. Буква W превращалась в Z, а X, Y и Z возвращались к А, В и С.

* * *

ГАЙ ЮЛИЙ ЦЕЗАРЬ (100-44 гг. до н. э.)

Цезарь (на изображении справа) был военным и государственным деятелем, диктатура которого положила конец Римской республике. После службы в качестве магистрата в Дальней Испании он присоединился к двум другим влиятельным людям того времени, Помпею и Крассу, образовав Первый Триумвират, скрепленный браком Помпея с дочерью Цезаря, Юлией. Три союзника разделили между собой Римскую империю: Красе получил восточные провинции, Помпей остался в Риме, а Цезарь взял на себя военное командование Цизальпийской Галлией и управление Трансальпийской Галлией. В это время началась Галльская война. Она длилась восемь лет и завершилась завоеванием римлянами галльских территорий. После этого Цезарь со своей победоносной армией вернулся в столицу империи и назначил себя единственным диктатором.

* * *

Кодирование и декодирование зашифрованных таким образом сообщений может быть осуществлено с помощью простого устройства, показанного ниже:

Рассмотрим теперь этот процесс подробнее. В таблице ниже мы видим изначальный алфавит из 26 букв и алфавит, преобразованный шифром Цезаря, где каждая буква сдвинута на три позиции вправо (верхний ряд — алфавит открытого сообщения, а нижний — шифроалфавит).

Когда два алфавита, оригинальный (или алфавит открытого сообщения) и шифроалфавит, расположены таким образом, шифрование любого сообщения сводится к замене букв из первого алфавита буквами из второго. Ключ к такому шифру получает название по букве, соответствующей зашифрованному значению буквы А (первой буквы оригинального алфавита). В нашем случае это буква D. Известное выражение AVE CAESAR («Радуйся, Цезарь») будет зашифровано как DYH FDHVDU. Обратно, если зашифрованное сообщение выглядит как WUHH, то расшифрованный текст будет TREE («Дерево»). В случае с только что описанным шифром Цезаря криптоаналитик, который перехватил сообщение и знает используемый алгоритм, но не знает ключ к шифру, должен будет перебрать все возможные сдвиги алфавита, пока не найдет сообщение, имеющее смысл. Для этого он должен будет, в худшем случае, попробовать все возможные ключи или сдвиги. В алфавите, состоящем из n букв, существует n возможных сдвигов, то есть n ключей.

* * *

ШИФРЫ В ФИЛЬМАХ

В классическом научно-фантастическом фильме режиссера Стэнли Кубрика по мотивам повести Артура Кларка «Космическая одиссея 2001 года» (1968) наделенный сознанием суперкомпьютер космического корабля HAL 9000 сходит с ума и пытается убить человеческий экипаж.

Теперь предположим, что слово HAL закодировано шифром Цезаря со сдвигом на одну позицию. Тогда буква Н соответствует букве I, А соответствует В, a L — букве М; другими словами, получается IBM, в то время крупнейший в мире производитель компьютеров. О чем пытался рассказать этот фильм: об опасностях искусственного интеллекта или об угрозах бесконтрольной коммерческой монополии? Или это просто совпадение?

Всевидящий глаз компьютера HAL 9000 из фильма «Космическая одиссея 2001 года»

16 = 4. Модульная арифметика и математика шифра Цезаря

16 = 4? 2 = 14? Это не ошибка и не какая-то странная система счисления. Работа шифра Цезаря может быть проиллюстрирована теорией, которая привычна для математики и в еще большей степени для криптографии — модульной арифметикой, иногда называемой часовой арифметикой. Эта теория появилась еще в работах греческого математика Евклида (325–265 гг. до н. э.) и является одной из основ современной информационной безопасности. В этом параграфе мы расскажем о базовых математических понятиях, связанных с этим особым типом арифметики.

Возьмите в качестве примера обычные часы со стрелками и сравните их с цифровыми часами. На часах со стрелками циферблат разделен на 12 частей, которые мы обозначим числами 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, И. В следующей таблице можно видеть, как время на аналоговом циферблате соответствует времени после полудня на экране цифровых часов.

Когда мы говорим, например, что сейчас 14:00, мы можем также сказать, что сейчас два часа дня. Тот же принцип применяется и в случае измерения углов. Угол в 370 градусов равен углу в 10 градусов, потому что от первого значения мы должны вычесть полный оборот в 360 градусов. Заметим, что 370 = (1 х 360) + 10, то есть 10 является остатком от деления 370 на 360. Какой угол эквивалентен углу в 750 градусов? Вычитая соответствующее количество полных оборотов, мы получим, что угол в 750 градусов равен углу в 30 градусов. Мы видим, что 750 = (2 х 360) + 30, то есть 30 является остатком от деления 750 на 360. В математике это обозначается так:

750  30 (mod 360)

Мы говорим: «750 сравнимо с 30 по модулю 360». В случае с часами мы бы написали

14  2 (mod 12).

Мы также можем представить себе часы с отрицательными числами. В этом случае который будет час, когда стрелка показывает на —7? Или, другими словами, с каким числом сравнимо число —7 по модулю 12? Давайте посчитаем, учитывая, что на наших часах с циферблатом, разделенным на 12 частей, значение 0 соответствует 12.

— 7 = —7 + 0 = —7 + 12 = 5.

* * *

ОТЕЦ АНАЛИТИЧЕСКОЙ КРИПТОГРАФИИ

Основная работа Евклида Александрийского, «Начала», состоит из 13 томов, в которых излагаются основные факты планиметрии, теории пропорций, свойства чисел, сведения об иррациональных числах и стереометрии. Чаще всего ассоциируемые с этой последней теорией, работы греческого математика, связанные с арифметическими операциями на конечных числовых множествах, или операциями по модулю, являются одним из столпов современной теории криптографии. Известные и почитаемые еще арабскими учеными, работы Евклида впервые были изданы в Венеции в 1482 г. Вовсе не случайно, что и арабы, и венецианцы были великими мастерами криптографии.

* * *

ОПЕРАЦИИ ПО МОДУЛЮ

Как посчитать 231 по модулю 17 на калькуляторе?

Сначала мы разделим 231 на 17 и получим 13,58823529.

Затем найдем произведение 13 x 17 = 221. Таким образом мы избавимся от дробной части.

Наконец, найдем разность 231–221 = 10, получив остаток отделения.

Итак, 231 по модулю 17 равно 10. Этот результат записывается как 231  10 (mod 17).

* * *

Математика для расчетов на наших часах со стрелками, циферблат которых разделен на 12 частей, называется арифметикой по модулю 12. В общем случае мы говорим, что a  b (mod m), если остаток от деления а на m равен b, при условии что а, b и m — целые числа. Число b сравнимо с остатком от деления а на m. Следующие утверждения эквивалентны:

a  b (mod m)

b  a (mod m)

а — b  0 (mod m)

а — b кратно m

Вопрос «Которому часу на часах со стрелками соответствует время 19 часов?» эквивалентен в математических терминах следующему вопросу: «С каким числом сравнимо число 19 по модулю 12?» Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны решить уравнение

19  х (mod 12).

Разделив 19 на 12, мы получим частное 1 и остаток 7, поэтому

19  7 (mod 12).

А в случае 127 часов? Разделив 127 на 12, мы получим частное 10 и остаток 7, поэтому

127  7 (mod 12).

Чтобы повторить изученное до сих пор, давайте рассмотрим следующие операции по модулю 7:

(1) 3 + 3  6

(2) 3 + 14  3

(3) 3 х 3 = 9  2

(4) 5 x 4 = 20  6

(5) 7  0

(6) 35  0

(7) -44 = -44 + 0 = -44 + 7 х 7  5

(8) -33 = -33 + 0 = -33 + 5 x 7  2

(1) 6 меньше, чем модуль, поэтому не меняется

(2) 3 + 14 = 17; 17: 7 = 2 и в остатке 3.

(3) 3 X 3 = 9; 9: 7 = 1 и в остатке 2.

(4) 5 х 4 = 20; 20: 7 = 2 и в остатке 6.

(5) 7 = 7; 7: 7 = 1 и в остатке 0.

(6) 35 = 35; 35: 7 = 5 и в остатке 0.

(7) -44 = -44 + 0; 44 + 7 х 7  5.

(8) -33 = -33 + 0; -33 + 5 x 7  2.

* * *

ТАБЛИЦА УМНОЖЕНИЯ ПО МОДУЛЮ 5 В EXCEL

Построить такую и подобные таблицы очень легко даже с базовыми знаниями офисной программы Excel. В нашем случае синтаксис функций для ячеек Excel (для столбцов и строк на нашем компьютере) показан ниже. Действие «остаток отделения числа на 5» переводится на язык Excel как «=ОСТАТ(число;5)». Конкретная операция по нахождению произведения 4 на 3 по модулю 5 записывается как «=ОСТАТ (4∙3;5)» и дает результат 2. Подобные таблицы очень помогают в расчетах по модульной арифметике.

* * *

Какая связь между модульной арифметикой и шифром Цезаря? Чтобы ответить на этот вопрос, мы запишем в таблице стандартный алфавит и алфавит со сдвигом на три буквы, добавив титульный ряд из 26 чисел.

Мы видим, что зашифрованное значение буквы под номером х (в стандартном алфавите) является буквой, стоящей на позиции х + 3 (также в стандартном алфавите). Поэтому необходимо найти преобразование, которое каждому числу ставит в соответствие число, сдвинутое на три единицы, и взять результат по модулю 26.

Заметим, что 3 является ключом нашего шифра. Таким образом, наша функция записывается как

C(х) = (х + 3) (mod 26),

где х — изначальное значение, а С(х) — зашифрованное значение. Теперь достаточно подставить вместо буквы ее числовое значение и применить трансформацию.

Возьмем в качестве примера слово PLAY и зашифруем его.

Буква Р стоит на позиции 15, С(15) = 15 + 3  18 (mod 26), а число 18 соответствует букве S.

Буква L стоит на позиции 11, С(11) = 11 + 3  14 (mod 26), а число 14 соответствует букве О.

Буква А стоит на позиции 0, С(0) = 0 + 3  3 (mod 26), а число 3 соответствует букве D.

Буква Y стоит на позиции 24, С (24) = 24 + 3 = 27  1 (mod 26), а число 1 соответствует букве В.

Таким образом, слово PLAY, зашифрованное с ключом 3, превратится в слово SODB.

В общем случае, если х означает позицию буквы, которую мы хотим зашифровать (0 для А, 1 для В, и т. д.), позиция зашифрованной буквы [обозначаемая С(х)] выражается формулой

С(х) = (х + k) (mod n),

где n — длина алфавита (26 в английском алфавите), a k — ключ, используемый в данном шифре.

Расшифровка такого сообщения включает в себя расчеты, обратные тем, что использовались для шифрования. В нашем примере расшифровка означает применение формулы, обратной той, что использовалась выше:

С-1(х) = (х — k) (mod n).

В случае сообщения SODB, зашифрованного шифром Цезаря с ключом 3 с применением английского алфавита, то есть k = 3 и n = 26, мы получим:

С-1(х) = (х — 3) (mod 26).

Применим эту формулу следующим образом:

Для S: х = 18, С-1(18) = 18 — 3  15 (mod 26), что соответствует букве Р.

Для О: х = 14, С-1(14) = 14 — 3  11 (mod 26), что соответствует букве L.

Для D: х = 3, С-1(3) = 3–3  0 (mod 26), что соответствует букве А.

Для В: x = 1, С-1(1) = 1–3 = —2 + 26  24 (mod 26), что соответствует букве Y.

Сообщение SODB, зашифрованное шифром Цезаря с ключом 3, соответствует, как мы уже знаем, оригинальному тексту PLAY.

В заключении нашего первого знакомства с математикой криптографии мы рассмотрим новое преобразование, известное как аффинный шифр, частным случаемкоторого является шифр Цезаря. Оно определяется следующим образом:

С(a,Ь)(x) = (а∙х + b) (mod n),

где а и b — два целых числа, меньших, чем число (n) букв в алфавите. Наибольший общий делитель (НОД) чисел а и n должен быть равен 1 [НОД (а, n) = 1], потому что иначе, как мы увидим позже, получится несколько возможностей для шифрования одной и той же буквы. Ключ шифра определяется парой (а, Ь). Шифр Цезаря с ключом 3 является, следовательно, аффинным шифром со значениями

а = 1 и b = 3.

Обобщенный аффинный шифр имеет более высокий уровень безопасности, чем обычный шифр Цезаря. Почему? Как мы видели, ключом аффинного шифра является пара чисел (а, b). Если сообщение написано с использованием алфавита из 26 букв и зашифровано с помощью аффинного шифра, то и а, и b могут принимать любые значения от 0 до 25. Таким образом, в этой системе шифрования с алфавитом из 26 букв возможное количество ключей составит 25 х 25 = 625. Заметим, что количество ключей для алфавита из n букв в n раз больше, чем в шифре Цезаря.

Это значительное улучшение, но аффинный шифр все еще возможно расшифровать методом перебора всех возможных вариантов.

* * *

НАИБОЛЬШИЙ ОБЩИЙ ДЕЛИТЕЛЬ (НОД)

Наибольший общий делитель двух чисел может быть найден с помощью алгоритма Евклида. Этот алгоритм заключается в делении одного числа на другое, а затем проведении последовательных делений предыдущего делителя на новый остаток. Процесс заканчивается, когда остаток равен 0. Делитель последней операции деления и будет наибольшим общим делителем данных чисел.

Например, найдем НОД (48,30).

Разделим 48 на 30, получим остаток 18 и частное 1.

Разделим 30 на 18, получим остаток 12 и частное 1.

Разделим 18 на 12, получим остаток 6 и частное 1.

Разделим 12 на 6, получим остаток 0 и частное 2.

Мы закончили алгоритм.

НОД (48,30) = 6.

Если НОД (а, n) = 1, мы говорим, что а и n взаимно просты.

Соотношение Везу, имеющее большое значение в криптографии, устанавливает следующий факт: для двух целых чисел а и n, больших нуля, существуют целые числа k и q, такие что НОД (а, n) = kа + nq.

Игра в шпионов

При каких условиях сообщение, зашифрованное аффинным шифром, может расшифровать предполагаемый получатель или шпион? Мы ответим на этот вопрос, используя простой пример шифра для алфавита из шести букв:

Текст будет зашифрован с помощью аффинного шифра C(x) = 2x + 1 (mod 6).

Буква А зашифрована по формуле С(0) = 2 х 0 + 1  1 (mod 6), что соответствует букве В.

Буква В зашифрована по формуле C(1) = 2 x 1 + 1  3 (mod 6), что соответствует букве D.

Буква С зашифрована по формуле С(2) = 2 х 2 + 1  5 (mod 6), что соответствует букве F.

Буква D зашифрована по формуле С(3) = 2 х З + 1 = 7  1 (mod 6), что соответствует букве В.

Буква Е зашифрована по формуле С(4) = 2 х 4 + 1 = 9  3 (mod 6), что соответствует букве D.

Буква F зашифрована по формуле С(5) = 2 х 5 + 1 = 11  5 (mod 6), что соответствует букве F.

Предлагаемый аффинный шифр преобразует сообщения АВС и DEF в одно и то же BDF, поэтому исходное сообщение теряется. Что же случилось?

Если мы работаем с шифром, выраженным формулой С(а, b)(х) = (а∙х + b) (mod n), мы можем расшифровать сообщение однозначно, только когда НОД (а, n) = 1. В нашем примере НОД (2, 6) = 2 и, следовательно, не удовлетворяет этому условию.

Математическая операция расшифровки эквивалентна нахождению неизвестного х при данном значении у по модулю n.

С(а, b)(х) = (ах + b) = y (mod n)

(ах + b) = у (mod n)

ах — у — b (mod n)

Другими словами, нам нужно найти значение а-1 (обратное значению а), удовлетворяющее равенству а-1а = 1, так что

а-1ах = а-1х(у — b)(mod n)

х = а-1(у — b)(mod n).

Следовательно, для успешной расшифровки мы должны найти число, обратное числу а по модулю n, и, чтобы не тратить зря время, мы должны заранее знать, существует ли это обратное число.

В случае аффинного шифра С(а, b)(х) = (ах + b) (mod n) обратное значение числа а будет существовать тогда и только тогда, когда НОД (а, n) = 1.

В случае аффинного шифра в нашем примере, С(х) = 2х + 1 (mod 6), мы хотим узнать, существует ли обратное значение для числа а, в нашем случае для числа 2.

То есть существует ли целое число n, которое меньше 6 и удовлетворяет выражению 2∙n = 1 (mod 6). Для ответа на этот вопрос мы подставим в данное выражение все возможные значения (0, 1, 2, 3, 4, 5):

2-0 = 0, 2–1 = 2, 2–2 = 4, 2–3 = 6  0, 2–4 = 8  2, 2–5 = 10  4.

Нет такого значения, следовательно, можно заключить, что 2 не имеет обратного числа. На самом деле мы это уже знали, так как НОД (2,6)  1.

Предположим теперь, что мы перехватили зашифрованное сообщение: YSFMG. Мы знаем, что оно было зашифровано аффинным шифром вида С(х) = 2х + 3 и изначально было написано на испанском языке с алфавитом из 27 букв (включая букву N, идущую после обычной N).

Как получить исходное сообщение?

Сначала мы посчитаем НОД (2,27), который равен 1. Значит, сообщение можно расшифровать! Для этого для функции С(х) = 2х + 3 мы должны найти обратную функцию по модулю 27:

у = 2х + 3

2х = у — 3.

Чтобы найти x, мы должны умножить обе части уравнения на число, обратное 2.

Число, обратное числу 2 по модулю 27, — это целое число n такое, что 2n  1 (mod 27), а именно 14. И действительно:

14∙2 = 28  1.

Итак, мы имеем

x = 14∙(у — 3).

Теперь мы можем расшифровать сообщение YSFMG.

Буква Y стоит на позиции 25, ей соответствует расшифрованная буква, стоящая на позиции

14∙(25—3) = 308  11 (mod 27).

Буква, стоящая в алфавите на позиции 11, — это L.

Для буквы S имеем 14∙(19—3) = 224  8 (mod 27), эта позиция соответствует букве I.

Для буквы F имеем 14∙(5–3) = 28  1 (mod 27), что соответствует букве В.

Для буквы М имеем 14∙(12—3) = 126  18 (mod 27), что соответствует букве R.

Для буквы G имеем 14∙(6–3) = 42  15 (mod 27), что соответствует букве О.

Расшифрованное сообщение является испанским словом LIBRO, что означает «книга».

За пределами аффинного шифра

Различные системы безопасности на протяжении многих веков использовали идею Цезаря и ее обобщение в виде аффинного шифра. В настоящее время любой шифр, в котором каждая буква исходного сообщения заменяется на другую букву, сдвинутую на фиксированное число позиций (не обязательно три), называется шифром Цезаря.

Одним из существенных достоинств хорошего алгоритма шифрования является способность генерировать большое количество ключей. И шифр Цезаря, и аффинный шифр уязвимы для криптоанализа, поскольку максимальное количество ключей ограничено.

Если мы снимем какие-либо ограничения относительно порядка букв шифроалфавита, то потенциальное количество ключей резко возрастет. Количество ключей для стандартного алфавита из 26 символов (расположенных в произвольном порядке) составляет 26! = 403291461126605635584000000, то есть более 403 септиллионов ключей. Криптоаналитику, который тратит на проверку одного ключа всего лишь одну секунду, потребуется в миллиард раз больше времени, чем ожидаемое время существования Вселенной, чтобы исчерпать все возможности!

Вот один из примеров такого обобщенного шифра подстановки:

Строка (1) — алфавит открытого сообщения. Строка (2) — шифроалфавит.

Первые шесть букв шифроалфавита дают подсказку к выбранному порядку букв: он соответствует порядку букв на клавиатуре в стандарте QWERTY. Чтобы зашифровать известное высказывание Цезаря VENI VIDI VICI («Пришел, увидел, победил») шифром QWERTY, для каждой буквы алфавита открытого сообщения мы найдем соответствующую в шифроалфавите.

Мы получим следующее зашифрованное послание:

CTFO CORO СОЕО

Существует очень простой способ для генерации почти неисчерпаемого количества легко запоминающихся шифров для шифрования этим методом. Достаточно выбрать любое ключевое слово (это может быть даже фраза), поместить его в начале шифроалфавита и, начиная с последней буквы ключевого слова, завершить ряд буквами стандартного алфавита, следующими в обычном порядке, исключив лишь повторяющиеся буквы. Возьмем в качестве примера ключевую фразу JANUARY CIPHER («январский шифр»). Сначала мы избавимся от пробела и одинаковых букв, получив ключевое слово JNUYCIPHE. В результате наш шифроалфавит будет выглядеть так:

Сообщение VENI VIDI VICI теперь будет зашифровано как ХСМЕ XEYE XEUE. Такая система генерации шифров легко обновляется и почти исключает ошибки со стороны отправителя и получателя. В нашем примере было бы достаточно менять ключевое слово каждый месяц — JANUARY CIPHER (январский шифр), FEBRUARY CIPHER (февральский шифр), MARCH CIPHER (мартовский шифр) и т. д. — то есть после изначального выбора шифра стороны могут обойтись без дополнительных соглашений.

Надежность и простота алгоритма шифра подстановки с использованием ключевых слов сделали его самой распространенной системой шифрования на протяжении многих веков. В прежние времена считалось, что криптографы все-таки взяли верх над криптоаналитиками.

* * *

ШИФРОВАНИЕ СЛОВА БОЖЬЕГО

Средневековые криптоаналитики считали, что в Ветхом Завете тоже использовались шифры, и они не ошиблись. Существует несколько фрагментов из священных текстов, которые зашифрованы с помощью шифра подстановки, называемого атбаш. Этот шифр состоит в замене каждой буквы (n) другой буквой, которая находится в алфавите на таком же расстоянии от конца алфавита, как оригинальная буква — от начала. Например, в латинском алфавите буква А заменяется на Z, буква В — на Y и т. д. В оригинальном Ветхом Завете использовались буквы еврейского алфавита. Так, в книге пророка Иеремии (25:26) слово «Бабель» (Вавилон) зашифровано как «Шешах».

Еврейская Библия начала XVIII в.

Частотный криптоанализ

Коран состоит из 114 глав, каждая из которых соответствует одному из откровений, полученных пророком Мухаммедом. Эти откровения были записаны во время жизни пророка различными его спутниками и позднее собраны воедино по решению первого халифа Абу Бакра. Умар и Усман, второй и третий халифы соответственно, завершили проект. Фрагментарный характер оригинальных писаний привел к рождению области богословия, посвященной точной датировке различных откровений.

В частности, ученые-корановеды определили частоту появления некоторых слов, считавшихся новыми в периоды записи откровений. Если в каком-то откровении содержалось достаточное количество таких новых слов, было логично заключить, что это сравнительно позднее откровение.

Рукопись Корана. XIV в.

Этот подход стал первым конкретным инструментом криптоанализа, получившим название частотного анализа. Первым человеком, оставившим письменное упоминание об этом революционном методе, был философ по имени Аль-Кинди, который родился в Багдаде в 801 г. Хотя он был астрономом, врачом, математиком и лингвистом, прославился он как создатель манускрипта по криптоанализу.

Даже если Аль-Кинди не был первым, его имя, безусловно, занимает важное место в истории криптоанализа.

До недавнего времени очень мало было известно о новаторской роли Аль-Кинди.

В1987 г. в одном из архивов Стамбула была обнаружена копия его трактата «Манускрипт о дешифровке криптографических сообщений». Он содержит краткое изложение революционного метода:

«Чтобы расшифровать зашифрованное сообщение, если мы знаем, на каком языке оно было написано, надо взять достаточно длинный текст, написанный на том же языке, а затем подсчитать, сколько раз каждая буква встречается в этом отрывке. Назовем наиболее часто встречающуюся букву «первой», вторую по частоте — «второй», и так далее, пока не переберем все буквы этого отрывка. Затем вернемся к криптограмме, которую мы хотим расшифровать, и классифицируем ее символы тем же образом: найдем в криптограмме символ, встречающийся чаще всех, и заменим его на «первую» букву из проанализированного текста, затем перейдем ко второму по частоте символу и заменим его на «вторую» букву, и так далее, пока не переберем все символы, используемые в криптограмме».

На предыдущих страницах манускрипта Аль-Кинди упоминает, что в шифре подстановки каждая буква исходного сообщения «сохраняет свою позицию, но меняет свою роль», и именно это «сохранение позиции» делает метод уязвимым для частотного криптоанализа. Гениальный Аль-Кинди изменил соотношение сил между криптографами и криптоаналитиками, по крайней мере на какое-то время, в пользу последних.

Подробный пример

Вот как встречаются буквы латинского алфавита — от наибольшей до наименьшей частоты — в текстах на английском языке: ETAOINSHRDLCUMWFGYPBVKJXQZ. Частота появления (в процентах) каждой буквы показана в следующей таблице.

Если сообщение было зашифровано с использованием шифра подстановки, как те, что описаны выше, его можно расшифровать в соответствии с относительной частотой, с которой встречаются буквы исходного сообщения. Достаточно посчитать частоту появления каждой зашифрованной буквы и сравнить ее с таблицей частот в языке, на котором сообщение было написано. Так, если буква J чаще всего встречается в зашифрованном тексте, она, скорее всего, соответствует букве Е в оригинальном сообщении (в случае английского языка). Если вторая по частоте появления в зашифрованном тексте будет буква Z, те же рассуждения приводят нас к выводу, что ей, скорее всего, соответствует буква Т. Криптоанализ завершается повторением процесса для всех букв зашифрованного текста.

Очевидно, что частотный метод не всегда может быть так легко применим. Частоты, указанные в таблице, справедливы лишь в среднем. В коротких текстах, таких как Visit the zoo kiosk for quiz tickets («Билеты викторины продаются в кассе зоопарка»), относительная частота появления букв сильно отличается от частоты, характерной для языка в целом. По сути, для текстов, содержащих менее 100 символов, такой простой анализ редко бывает полезен. Частотный анализ, однако, не ограничивается только изучением букв. Как мы видели, маловероятно, что в короткой криптограмме наиболее часто встречающейся буквой будет Е, но с большей уверенностью можно сказать, что пять наиболее часто встречающихся букв, скорее всего, будут А, Е, I, О и Т, хотя мы и не знаем, каким именно символам они соответствуют. В английском языке А и I никогда не появляются в паре, в то время как другие буквы могут. Более того, независимо от длины текста, гласные, как правило, чаще появляются в начале и в конце группы других букв, а согласные чаще встречаются с гласными или в коротких словах. Таким образом, нам, возможно, удастся отличить Т от А, Е, I и О. После успешной расшифровки некоторых букв в криптограмме появятся слова, в которых осталось расшифровать только один или два символа, что позволит нам строить гипотезы, каким буквам эти символы могут соответствовать. Скорость расшифровки увеличивается с количеством разгаданных букв.

* * *

ШЕРЛОК ХОЛМС, КРИПТОАНАЛИТИК

Расшифровка с использованием частотного анализа — очень драматичный метод, который привлекал внимание большого количества авторов. Возможно, самая известная история, основанная на криптоанализе тайного послания, описана Эдгаром Алланом По в 1843 г. в рассказе «Золотой жук». В Приложении содержится подробный разбор вымышленного послания, зашифрованного Эдгаром По, и его блестящая расшифровка с использованием частотного анализа. Другие писатели, такие как Жюль Верн и Артур Конан Дойл, использовали подобные идеи, чтобы добавить драматизма в сюжеты своих произведений. Герой рассказа Дойла «Пляшущие человечки», Шерлок Холмс, также сталкивается с шифром подстановки, что заставляет детектива обратиться к частотному анализу. Более 1000 лет спустя гениальная идея Аль-Кинди все еще привлекает людей своей красотой.

Первое из закодированных сообщений, которые Шерлок Холмс должен был расшифровать в рассказе «Пляшущие человечки». Мы не будем его здесь расшифровывать, чтобы не открывать всех секретов будущим читателям книги. Добавим только, что флажки у танцующих человечков представляют собой важный элемент шифра.

Полиалфавитный шифр

8 февраля 1587 г. Мария Стюарт, королева Шотландии, была обезглавлена в замке Фотерингей после признания ее виновной в государственной измене. Судебное разбирательство, приведшее к такому суровому приговору, установило, что Мария, вне всяких сомнений, была в сговоре с группой католических аристократов, возглавляемой молодым Энтони Бабингтоном. В их планы входило убийство английской королевы Елизаветы I и возведение Марии на трон католического царства, охватывающего Англию и Шотландию. Решающие доказательства были добыты контрразведкой Елизаветы во главе с лордом Уолсингемом. Из переписки между Марией и Бабингтоном стало ясно, что молодая шотландская королева знала о жестоком плане и одобрила его. Эти письма были зашифрованы с помощью алгоритма, который использовал и шифры, и коды: не только одни буквы заменялись другими, но и вместо некоторых общеупотребительных слов использовались специальные символы. Шифроалфавит Марии представлен ниже:

За исключением того, что буквы заменялись символами, шифр Марии ничем не отличался от любых других, которые криптографы во всем мире использовали в течение многих столетий. Молодая королева и ее сообщники были убеждены, что шифр надежен, но, к сожалению для них, лучший криптоаналитик Елизаветы, Томас Фелиппес, был экспертом в частотном анализе и смог расшифровать письма Марии без особых трудностей. Провал того, что стало известно как Заговор Бабингтона, показал правительствам и тайным агентам всей Европы, что обычный алгоритм шифра подстановки уже не безопасен. Криптографы оказались бессильными перед новыми методами расшифровки.

Фрагмент одного из писем шотландской королевы Марии Стюарт к ее сообщнику Энтони Бабингтону. За это письмо ее в конечном счете осудили на смерть.

Идея Альберти

Тем не менее, средство против частотного анализа было найдено за сто лет до того, как Мария взошла на эшафот. Отцом нового шифра стал выдающийся ученый эпохи Возрождения Леон Баттиста Альберти. Более известный как архитектор и математик, внесший большой вклад в изучение перспективы, в 1460 г. Альберти разработал систему шифрования, которая состояла в использовании двух шифроалфавитов, как показано в следующей таблице:

Строка (1) — стандартный алфавит. Строка (2) — первый шифроалфавит. Строка (3) — второй шифроалфавит.

Для зашифровки какого-либо сообщения Альберти предложил чередовать два шифроалфавита. Например, в случае слова SHEEP («овца») шифр для первой буквы берется из первого алфавита (V), а шифр для второй буквы — из второго алфавита (L), и так далее. В нашем примере слово SHEEP будет зашифровано как VLHCS. Преимущество такого алгоритма полиалфавитного шифрования по сравнению с предыдущими видно сразу: буква Е исходного слова шифруется двумя различными способами — как Н и С. Чтобы еще больше запутать криптоаналитика, пытающегося расшифровать этот текст, одна и та же буква криптограммы соответствует двум разным буквам оригинального текста. Частотный анализ, таким образом, теряет значительную часть своей силы. Альберти так нигде и не записал свои идеи, поэтому шифр был позже разработан примерно в одно и то же время, но независимо друг от друга двумя учеными: немцем Иоганном Тритемием и французом Блезом де Виженером.

Квадрат Виженера

В шифре Цезаря используется одноалфавитный шифр подстановки; один шифроалфавит соответствует алфавиту открытого текста, так что одна зашифрованная буква соответствует одной и той же букве исходного текста. (В классическом шифре Цезаря буква D всегда соответствует букве А, Е — В, и так далее).

В полиалфавитном же шифре определенной букве открытого сообщения может быть сопоставлено столько букв, сколько используется шифроалфавитов. Для зашифровки текста при переходе от одной буквы сообщения к другой используются различные шифроалфавиты. Первой и самой известной полиалфавитной системой шифрования был так называемый квадрат Виженера. Его таблица алфавитов состояла из стандартного алфавита из n букв, под которым стояли п шифроалфавитов, сдвинутых циклически на одну букву влево по сравнению с вышестоящим алфавитом. Другими словами, это была квадратная матрица из 26 строк и 26 столбцов, изображенная на следующей странице.

Обратите внимание на симметрию в расположении букв. Пара (A, R) = (R, А), и это же соотношение справедливо для всех букв.

Мы видим, что квадрат Виженера содержит стандартный алфавит из n букв, повторяющийся n раз с различными увеличивающимися параметрами. Так, первый шифроалфавит получается применением шифра Цезаря с параметрами а = 1 и b = 2; второй — эквивалентен шифру Цезаря с Ь = 3 и так далее. Ключом к квадрату Виженера является правило для каждой буквы, которое указывает, на сколько строк вниз надо спуститься, чтобы найти зашифрованное значение, соответствующее этой букве. Простейший ключ состоит из движения вниз на одну строку при переходе от одной буквы исходного сообщения к другой.

Таким образом, наша классическая фраза VENI VIDI VICI будет зашифрована следующим образом:

Для шифрования первой V мы найдем соответствующую букву в строке 2: W.

Для шифрования Е мы найдем соответствующую букву в строке 3: G.

Для шифрования N мы найдем соответствующую букву в строке 4: Q.

I (строка 5): М.

V (строка 6): А.

I (строка 7): О.

D (строка 8): К.

I (строка 9): Q.

V (строка 10): Е.

I (строка 11): S.

С (строка 12): N.

I (строка 13): U.

* * *

ИГРА С ДИСКАМИ

На практике для полиалфавитного шифрования используется устройство, известное как шифровальный диск Альберти. Этот портативный прибор состоит из двух концентрических дисков: один — фиксированный, с выгравированным на нем стандартным алфавитом, второй — подвижный, с другим алфавитом. Отправитель, поворачивая подвижный диск, может сопоставить стандартный алфавит с разными шифроалфавитами в зависимости от числа поворотов диска, максимальное количество которых равно числу букв используемого алфавита. Шифр, полученный с помощью диска Альберти, очень устойчив к частотному анализу. Чтобы расшифровать сообщение, получатель должен сделать то же число оборотов, что и отправитель. Безопасность этого шифра, как всегда, зависит от сохранения в тайне кода, а именно — от расположения алфавита на подвижном диске плюс число необходимых поворотов. Диск Альберти с одним подвижным кольцом, на котором выгравирован стандартный алфавит, дает шифр Цезаря при каждом повороте. Аналогичные устройства использовались во время Гражданской войны в США, и сегодня их можно встретить в детских шпионских играх.

Диск Альберти, используемый Конфедерацией во время американской гражданской войны.

В результате наша фраза превратится в WGQM AOKQ ESNU. При этом повторяющиеся буквы исходного сообщения исчезнут. Однако каждый криптограф стремится к тому, чтобы генерировать шифры, которые легко запомнить, распространять и обновлять. Тогда стали брать ключевые слова с таким же или меньшим количеством букв, что и в исходном сообщении, чтобы строить более короткие и легкие в использовании квадраты Виженера. Ключевое слово дает первые буквы каждой строки (см. стр. 47), и строки продолжаются остатком алфавита (как они представлены в полном квадрате). Затем ключевое слово, повторенное нужное количество раз, пишется под буквами сообщения, которое необходимо было зашифровать. Буква ключевого слова под каждым символом сообщения подсказывала криптографу строку в матрице, из которой нужно было взять зашифрованное значение этой буквы.

* * *

ДИПЛОМАТ И КРИПТОГРАФ

Блез де Виженер родился во Франции в 1523 г. В 1549 г. он был послан французским правительством с дипломатической миссией в Рим, где заинтересовался криптографией и шифрованием сообщений. В 1585 г. он написал основополагающий трактат о шифрах, Traicte des Chiffres, где описывалась система шифрования, которой он дал свое имя. Эта система шифрования оставалась неподдающейся взлому на протяжении почти трех столетий, пока британцу Чарльзу Бэббиджу не удалось взломать ее в 1854 г. Любопытно, что этот факт стал известен лишь в XX в., когда группа ученых разбирала вычисления и личные заметки Бэббиджа.

* * *

Например, если мы хотим зашифровать сообщение BUY MILK TODAY («Купи сегодня молоко») с помощью ключевого слова JACKSON:

Зашифрованное сообщение будет KUAWAZXCOFKQ.

Квадрат Виженера со строками, определенными ключевым словом JACKSON.

Как и в случае всех классических систем шифрования, расшифрованный текст сообщения, зашифрованного с помощью квадрата Виженера, является симметричным исходному тексту. Например, пусть у нас есть зашифрованное сообщение WZPKGIMQHQ, и мы знаем, что использовалось ключевое слово WINDY:

Давайте посмотрим на первый столбик. Мы хотим найти неизвестную букву «?», зная, что (? W) = W. Для этого мы посмотрим на строку W квадрата Виженера на стр. 44, найдем в этой строке букву W и определим, какому столбцу она соответствует; получим букву А. Аналогично мы ищем вторую букву «?», зная, что (? I) = Z, и получаем букву R и так далее. Таким образом мы получим исходное сообщение ARCHIMEDES («Архимед»).

Историческое значение квадрата Виженера, которое он разделяет и с другими полиалфавитными шифрами, например, с шифром Гронсфельда (разработанным примерно в то же время; мы приводим его подробное описание в Приложении), состоит в устойчивости к частотному анализу. Если одна и та же буква может быть зашифрована несколькими способами с возможностью тем не менее ее впоследствии расшифровать, как же можно такой шифр взломать? Этот вопрос оставался без ответа более 300 лет.

Классификация алфавитов

Хотя на это потребовалось почти восемь веков, полиалфавитные шифры, такие как квадрат Виженера, наконец-то переиграли частотный анализ. Однако моноалфавитные шифры, несмотря на свои слабые стороны, имели особое преимущество: простоту реализации. Криптографы посвятили себя совершенствованию алгоритмов, наполняя их трюками, но принципиально они продолжали использовать ту же идею, что и для простейших шифров.

Одним из наиболее успешных вариантов моноалфавитного шифра был так называемый однозвучный шифр подстановки, который пытался защититься от методов статистического криптоанализа, заменяя буквы с наибольшей частотой появления несколькими разными символами. Например, частота появления буквы Е в среднем составляет 10 % в любом языке. Однозвучный шифр подстановки пытался изменить эту частоту, заменяя букву Е десятью альтернативными символами. Такие методы были популярны вплоть до XVIII в.

Время все же не стояло на месте. Образование больших национальных государств и развитие дипломатии вызвали заметное возрастание требований к безопасности коммуникации. Эта тенденция еще больше усилилась с появлением новых коммуникационных технологий, таких как телеграф, в результате чего значительно увеличилось количество передаваемых сообщений. В европейских странах были созданы так называемые «черные кабинеты», где кодировалась самая конфиденциальная корреспонденция и расшифровывались перехваченные сообщения врагов.

Экспертные возможности «черных кабинетов» вскоре сделали небезопасными любые формы одноалфавитного шифра подстановки, как бы он ни модифицировался.

Мало-помалу ведущие игроки на поле обмена информацией избирали полиалфавитные алгоритмы. Утратив свое самое мощное оружие, частотный анализ, криптоаналитики в очередной раз оказались беззащитными перед натиском криптографов.

* * *

КРИПТОГРАФЫ КОРОЛЯ-СОЛНЦА

Хотя мало кто за пределами королевского двора Людовика XIV знал об их существовании, Антуан и Бонавентура Россиньоль принадлежали к числу самых грозных людей Европы во времена социальных потрясений XVII в. Они обладали незаурядным криптографическим талантом, что позволяло им расшифровывать письма врагов Франции (и личных врагов монарха). Они разработали Grande Chiffre (Великий шифр), сложный алгоритм замены слогов, используемый для шифрования самых важных писем короля. После смерти Россиньоль шифр вышел из употребления и считался невзламываемым. Лишь в 1890 г. специалист по криптографии, отставной солдат Этьен Базарье взял на себя трудоемкую задачу расшифровки документов и после многих лет напряженной работы смог прочитать секретные послания Короля-Солнца.

Людовик XIV, портрет работы Миньяра

Анонимный криптоаналитик

Английский математик Чарльз Бэббидж (1791–1871) был одним из самых выдающихся научных деятелей XIX в. Он изобрел механический компьютер, названный разностной машиной, далеко опередив свое время, и в сферу его интересов входили все отрасли математики и технологии того века. Бэббидж решил применить свои знания к расшифровке полиалфавитных алгоритмов, в первую очередь квадрата Виженера (см. стр. 44 и 47). Он сосредоточил внимание на одной особенности этого шифра. Напомним, что в случае шифра Виженера длина выбранного ключевого слова определяла количество используемых шифроалфавитов. Таким образом, если ключевое слово было WALK, каждая буква исходного сообщения могла быть зашифрована четырьмя разными способами. То же самое справедливо и для слов. Эта особенность и была ключевой зацепкой для Бэббиджа, позволившей ему взломать полиалфавитный шифр. Рассмотрим следующий пример, где сообщение зашифровано с помощью квадрата Виженера.

Наше внимание сразу привлекает то, что слово BY исходного сообщения шифруется в обоих случаях одинаково — XY. Это связано с тем, что второй раз BY встречается после восьми символов, а восемь кратно количеству букв (четыре) в ключевом слове (WALK). Обладая этой информацией и имея достаточно длинный исходный текст, можно догадаться, какова длина ключевого слова. Процедура заключается в следующем: вы отмечаете все повторяющиеся символы и записываете, через сколько позиций они повторяются. Затем вы находите все делители этих чисел. Общие делители и являются кандидатами на длину ключевого слова.

Предположим, что наиболее вероятный кандидат — число 5, потому что это общий делитель, который встречается чаще всего. Теперь мы попытаемся догадаться, каким буквам соответствует каждая из пяти букв ключевого слова. Как мы помним, каждая буква ключевого слова в квадрате Виженера определяет моноалфавитный шифр для соответствующей буквы в исходном сообщении. В случае нашего гипотетического ключевого слова из пяти букв (C1, С2, СЗ, С4, С5) шестая буква (С6) шифруется тем же алфавитом, что и первая буква (С1), седьмая (С7) — тем же, что и вторая (С2), и так далее. Поэтому на самом деле криптоаналитик имеет дело с пятью отдельными моноалфавитными шифрами, каждый из которых уязвим для традиционного криптоанализа.

Процесс завершается составлением таблицы частот для всех букв в зашифрованном тексте, соответствующих буквам ключевого слова (C1, С6, С11 … и С2, С7, С12 …). Таким образом, получается пять групп букв, вместе составляющих все сообщение. Затем, чтобы расшифровать ключевое слово, эти таблицы частот сравниваются с таблицами частот языка, на котором написано исходное сообщение.

Если таблицы не совпадают, процесс повторяется с другой вероятной длиной ключевого слова. Как только мы определим ключевое слово, останется только расшифровать исходное сообщение. С помощью этого метода и был взломан полиалфавитный шифр.

Поразительные работы Бэббиджа, завершенные около 1854 г., так бы и остались в безвестности. Эксцентричный британский интеллектуал не опубликовал свое открытие, и только недавние исследования его записок показали, что именно он был пионером в расшифровке полиалфавитных ключевых слов. К счастью для криптоаналитиков всего мира, несколько лет спустя, в 1863 г., прусский офицер Фридрих Касиски опубликовал аналогичный метод.

Независимо оттого, кто первый взломал его, полиалфавитный шифр перестал быть неприступным. С этого момента сила шифра стала зависеть не столько от алгоритмических нововведений шифрования, сколько от количества используемых шифроалфавитов, которое должно быть достаточно большим, чтобы сделать частотный анализ и его варианты совершенно бесполезными. Параллельной целью был поиск способов ускорения криптоанализа. Обе цели пересеклись в одной точке и породили один и тот же процесс: компьютеризацию.

Рабочая часть разностной машины Бэббиджа, построенной в 1991 г. в соответствии с чертежами, оставленными ее изобретателем. Устройство позволяет находить приближенные значения логарифмических и тригонометрических функций и, следовательно, делать расчеты астрономических таблиц. Бэббидж не успел при жизни увидеть свою машину.

Глава 3. Шифровальные машины

В XIX в. шифрование оказалось полезным не только для пересылки секретных сообщений. Появление телеграфа в первой трети века и затем, спустя 30 лет, развитие двусторонней телеграфной связи Томасом Альвой Эдисоном произвело революцию в коммуникации и, следовательно, изменило мир. Так как телеграф использовал электрические импульсы, нужен был метод для перевода текста сообщения на язык, который машина может воспроизвести и передать. Другими словами, необходимо было кодирование. Среди различных предложенных методов верх взяла система передачи букв точками и тире, придуманная американским художником и изобретателем Сэмюэлом Морзе. Азбуку Морзе можно считать предшественником кодов, которые многие десятилетия спустя неявно используются всеми нами для ввода данных в компьютеры и получения информации от них.

Азбука Морзе

Азбука Морзе использует комбинацию точек, тире и пробелов для представления букв алфавита, цифр и других символов. Таким образом, она переводит алфавит в набор знаков, которые могут быть выражены с помощью простых сигналов света, звука или электричества. Каждая точка соответствует единице времени продолжительностью около 1/25 доли секунды; каждое тире — три единицы времени (эквивалентно трем точкам). Длина пробелов между буквами — также три единицы времени, а пять единиц соответствуют пробелам между словами.

Сначала Морзе было отказано в патенте на этот код и в Соединенных Штатах, и в Европе. Лишь в 1843 г. он получил государственную субсидию для строительства телеграфной линии между Вашингтоном и Балтимором. В 1844 г. была произведена первая передача закодированного сообщения, и почти сразу была создана компания с целью охвата всей Северной Америки телеграфными линиями. К 1860 г., когда Наполеон III наградил Морзе орденом Почетного легиона, Соединенные Штаты и Европа уже были опутаны телеграфными проводами. К моменту смерти Морзе в 1872 г. в Америке было проложено более 300000 километров кабеля.

Сначала простое устройство, изобретенное в 1844 г. самим Морзе, использовалось для передачи и приема телеграфных сообщений. Оно состояло из телеграфного ключа, который служил для включения и отключения электрического тока, а также электромагнита, который получал поступающие сигналы. Каждый раз, когда нажимался ключ, — как правило, указательным или средним пальцем — возникал электрический контакт. Периодические импульсы, производимые нажатием телеграфного ключа, передавались по кабелю, состоящему из двух медных проводов.

Эти провода, поддерживаемые высокими деревянными «телеграфными» столбами, связывали различные телеграфные станции страны и часто тянулись на сотни километров.

* * *

НЕВЕРБАЛЬНАЯ КОММУНИКАЦИЯ

Так как Томас Альва Эдисон (1847–1931) плохо слышал, он общался со своей женой, Мэри Стиуэлл, с помощью азбуки Морзе. Во время ухаживания Эдисон сделал предложение, отстучав слова рукой, и она ответила тем же способом. Телеграфный код стал обычным средством общения для супругов. Даже когда они ходили в театр, Эдисон клал руку Мэри себе на колено, чтобы она могла «телеграфировать» ему диалоги актеров.

Первый телеграфный аппарат, изобретенный Сэмюэлом Морзе в 1844 г.

* * *

СИМФОНИЯ V-МАЖОР

Бетховен — еще один плохослышащий знаменитый человек, имя которого связано с телеграфом, хотя в данном случае лишь косвенно: первые четыре ноты Пятой Симфонии гениального композитора по ритму напоминают сообщение в азбуке Морзе: «точка точка точка тире».

В азбуке Морзе «точка точка точка тире» соответствуют букве V, первой букве английского слова «victory» («победа»). Поэтому на «Би-би-си» Пятая симфония Бетховена использовалась как позывные радиостанции перед началом всех трансляций для оккупированной Европы во время Второй мировой войны.

* * *

В приемном устройстве имелся электромагнит, представлявший собой катушку из медной проволоки, обмотанной вокруг железного сердечника. Когда катушка получала импульсы электрического тока, соответствующие точкам и тире, железный сердечник намагничивался и притягивал подвижную часть, также сделанную из железа. Она издавала характерный звук при ударе о магнит. Этот звук слышен как короткий «щелчок», если получена точка, и как более длительная нота — при получении тире. Первое время для отправки телеграммы с помощью такого устройства требовался человек-оператор, который настукивал кодированную версию сообщения на одном конце, и еще один человек получал и расшифровывал текст на другом конце.

Кодирование символов по азбуке Морзе производилось в соответствии со следующей таблицей:

Так, сообщение: «I love you» («Я тебя люблю») будет закодировано следующим образом:

Как уже говорилось ранее, азбука Морзе была в некотором смысле первым вариантом будущих цифровых систем связи. Чтобы продемонстрировать эту идею, мы легко можем преобразовать код Морзе в числа, заменяя каждую точку единицей, а каждое тире — нулем. Строки из нулей и единиц часто будут встречаться нам в следующих главах.

В XX в. благодаря изобретению радио традиционный телеграф заменила беспроводная связь. Телеграфисты недавнего прошлого стали радистами. Новая технология позволила обмениваться информацией с еще большей скоростью и в большем объеме.

Однако сообщения, посылаемые в виде электромагнитных волн, можно относительно легко перехватить. Это обеспечило криптоаналитиков большим количеством зашифрованного материала и помогло укрепить их позиции в борьбе с криптографами, потому что большинство шифров, используемых правительствами и тайными агентами, даже самые секретные, были основаны на известных алгоритмах. Так было и в случае с шифром Плейфера, изобретенным сэром Чарльзом Уитстоном и внедренным в практику госслужб Великобритании лордом Лайоном Плейфером. Шифр Плейфера был хитроумным вариантом шифра Полибия, но все-таки лишь вариантом. Подробнее о нем рассказано в Приложении.

* * *

СПАСИТЕ НАШИ ДУШИ, КОРАБЛЬ ИЛИ ЧТО-НИБУДЬ ЕЩЕ, НАЧИНАЮЩЕЕСЯ С БУКВЫ «S»

Самым известным сигналом в азбуке Морзе является SOS. Он был выбран группой европейских стран в качестве сигнала бедствия из-за простоты передачи (три точки, три тире, три точки) — эти буквы не являлись аббревиатурой. Тем не менее, вскоре появились альтернативные «расшифровки». Самым известным из этих «бэкронимов» является значение «Save Our Souls» («Спасите наши души»). Позже, так как сигнал часто использовали на море, популярным стало другое значение: «Save Our Ship» («Спасите наш корабль»).

* * *

Несмотря на изобретательность их создателей, расшифровка этих модифицированных шифров в конечном счете была вопросом времени и вычислительных мощностей. Криптографическая история Первой мировой войны прекрасно это иллюстрирует. Мы уже рассказали о слабости немецких дипломатических шифров во время инцидента с телеграммой Циммермана. Но оказалось, о чем сами немцы даже не подозревали, что другой их шифр, известный как ADFGVX и используемый для шифрования наиболее секретных сообщений, предназначенных для фронта, также был взломан вражескими криптоаналитиками, несмотря на то, что считался неуязвимым. Этот двойной провал немецких шифровальщиков Первой мировой войны привел к тому, что все стороны осознали необходимость разработки более надежных шифров. Этой цели можно было достигнуть, лишь сильно затруднив криптоанализ.

80 километров от Парижа

В июне 1918 г. германские войска готовились напасть на столицу Франции. Для союзников было крайне важно перехватить вражеские сообщения, чтобы выяснить, где именно произойдет вторжение. Немецкие сообщения, предназначенные для фронта, были зашифрованы шифром ADFGVX, который немецкие военные считали неуязвимым.

Наш интерес к этому шифру связан с тем, что он сочетает в себе алгоритмы подстановки и перестановочного шифрования. Это один из самых изощренных методов классической криптографии. Немцы начали использовать его в марте 1918 г., и как только французы узнали о его существовании, они отчаянно принялись за его взлом.

К счастью для них, в центральном шифровальном бюро работал талантливый криптоаналитик Жорж Панвэн. Он посвятил себя этой задаче, работая круглые сутки.

Ночью 2 июня 1918 г. Панвэну удалось расшифровать первое сообщение, зловещим содержанием которого был приказ фронту: «Ускорьте продвижение боевой техники. Даже в дневное время, лишь бы незаметно». В начале шифровки было указано, что она отправлена из местечка, расположенного между Мондидье и Компьень, в 80 километрах к северу от Парижа. Результат Панвэна позволил французам сорвать атаку и остановить продвижение немцев.

Как уже упоминалось, шифр ADFGVX состоит из двух частей: шифра подстановки и шифра перестановки. Первый шаг — подстановка — состоит в следующем: у нас имеется таблица размером 7 х 7, в которой первая строка и первый столбец содержат буквы ADFGVX (см. стр. 58). Остальные поля таблицы случайным образом заполняются 36 символами: 26 букв алфавита и цифры от 0 до 9. Расположение символов представляет собой ключ к шифру, и получателю, очевидно, нужна эта информация, чтобы понять содержание сообщения.

Мы будем использовать следующую таблицу:

Шифр сообщения состоит в замене каждого символа его координатами, выраженными группой букв ADFGVX. Первой координатой будет буква, соответствующая строке, а второй — соответствующая столбцу. Например, если мы хотим зашифровать цифру 4, мы должны написать DV. Сообщение Target is Paris («Цель — Париж») будет зашифровано следующим образом:

До сих пор мы использовали лишь простую подстановку, и частотного анализа было бы достаточно, чтобы расшифровать сообщение.

Однако этот шифр содержит второй шаг — перестановку. Она зависит от ключевого слова, о котором договорились отправитель и получатель. Этот шаг осуществляется следующим образом. Сначала мы построим таблицу с таким числом столбцов, сколько букв в ключевом слове, и заполним поля таблицы зашифрованным текстом.

Буквы ключевого слова пишут в верхнем ряду новой таблицы. В этом примере ключевое слово будет BETA. Построим таблицу, в которой первая строка состоит из букв ключевого слова и следующие строки содержат буквы, полученные после кодирования сообщения на этапе подстановки. Любые пустые ячейки заполняются цифрой ноль, которая, как видно из первой таблицы, имеет код AG.

Чтобы применить второй шаг к нашему сообщению «Цель — Париж», напомним сначала, что после подстановки оно выглядело так:

Используя ключевое слово BETA, мы получим следующую таблицу.

Применяя перестановочный шифр, изменим порядок столбцов, чтобы буквы ключевого слова были расположены в алфавитном порядке. Это даст нам следующую таблицу.

Зашифрованное послание получается, если брать буквы этой таблицы по столбцам. В нашем примере это будет:

AAXFAXGGFGVAFVXWXDVFFDGVFVA

Как мы видим, теперь сообщение состоит из вроде бы случайного набора букв A, D, F, G, V и X. Немцы выбрали эти шесть букв, потому что по звучанию в азбуке Морзе они сильно отличаются друг от друга, и получатель легко может отсеять возможные при передаче ошибки. Более того, поскольку сообщения состоят из шести букв, посылать такие телеграфные передачи могли даже неопытные операторы.

Если мы обратимся к таблице кодов Морзе в начале главы, то увидим следующие коды для каждой из букв шифра ADFGVX:

Чтобы расшифровать сообщение, получателю необходимо знать распределение букв и цифр в базисной таблице и ключевое слово.

Шифровальная машина «Энигма»

В 1919 г. немецкий инженер Артур Шербиус запатентовал машину для защищенной связи. Ее название, «Энигма», с тех пор стало синонимом военной тайны.

Несмотря на свою сложность, «Энигма», по сути, является улучшенной версией диска Альберти.

Благодаря относительной простоте использования и сложности выдаваемых шифров, система «Энигма» была выбрана германским правительством для шифрования большей части военных донесений в годы Второй мировой войны.

Именно поэтому расшифровка кодов «Энигмы» стала абсолютным приоритетом для правительств стран, воюющих с нацистской Германией. Когда это наконец удалось, сообщения, перехваченные и расшифрованные разведками союзников, оказались решающими для завершения военного конфликта. История расшифровки кода «Энигмы» — это захватывающая эпопея с участием отделов разведки Польши и Великобритании, а также гениального математика Алана Тьюринга, человека, считающегося отцом современной вычислительной техники. В результате работы по взлому кода «Энигмы» появился первый в мире компьютер, что можно считать самым значительным событием в долгой и яркой истории военного криптоанализа.

Слева: немецкие солдаты во время Второй мировой войны записывают сообщение, зашифрованное с помощью <<Энигмы». Справа: реплика четырехроторной «Энигмы».

«Энигма» представляла собой электромагнитное устройство, внешне похожее на пишущую машинку. Уникальной ее делало то, что ее механические части меняли положение после каждого нажатия клавиш, так что даже при нажатии подряд одной и той же буквы символ каждый раз кодировался по-новому.

На практике процесс шифрования был относительно прост. Сначала оператор устанавливал различные разъемы и роторы машины в соответствии с исходным положением, заданным справочником кодов, используемых на данный момент (эти справочники регулярно менялись). Затем он печатал первую букву открытого текста, и машина автоматически генерировала код, который появлялся на светящейся панели — это была первая буква зашифрованного сообщения.

Первое переключение ротора поворачивало его в одну из 26 возможных позиций. Каждое положение переключателя соответствовало новому шифру. После этого оператор вводил вторую букву и так далее. Чтобы расшифровать сообщение, достаточно было ввести зашифрованные символы в другую машину «Энигма» с теми же исходными параметрами, что и у машины, использованной для шифрования.

* * *

ТРАНШЕЙНЫЕ КОДЫ

В бою использовать сложные шифры, такие как ADFGVX, было очень трудно. Во время гражданской войны в Испании (1936–1939), например, применялся более простой шифр подстановки:

Как мы видим, несколько букв имеют более одного зашифрованного символа. Например, буква R может быть заменена на 28 или 54. Слово GUERRA («Война») будет зашифровано как 167427285453. Эти коды, которые фактически были шифром подстановки, получили название траншейных кодов и предназначались для особых целей.

Clave Violeta («фиолетовый ключ», слева) использовался 415-м батальоном 104-й бригады республиканцев и был перехвачен националистами. Примечание переводится как: «Шифры обязательно должны быть представлены в виде букв. Столбцы [строки] с пометкой (1) соответствуют алфавиту. Столбцы с пометкой (2) соответствуют их зашифрованным эквивалентам».

Для обеспечения более высокого уровня секретности националисты во главе с генералом Франко применили особое оружие — 30 машин «Энигма», присланных нацистскими союзниками.

Это было первое интенсивное использование в военных целях шифровальных устройств, которые Германия начала широко применять во время Второй мировой войны. Британцы пытались взломать код во время испанского конфликта, но безуспешно.

Телеграмма от 27 октября 1936 г. начальнику сектора Гэанада (республиканцу): «Ваша телеграмма, зашифрованная вчера… не подлежит расшифровке».

Зашифрованное сообщение республиканцев, перехваченное испанскими фашистами-фалангистами на Канарских островах.

* * *

На рисунке на следующей странице представлена упрощенная схема механизма «Энигмы», где для шифрования используются роторы с алфавитом из трех букв.

В результате каждый ротор имеет только три возможных позиции, а не 26, как в реальной машине.

Как мы видим, когда ротор машины «Энигма» находится в исходном положении, каждая буква открытого сообщения заменяется на другую, за исключением буквы А. После шифрования первой буквы ротор поворачивается на одну треть оборота.

В новой позиции буквам теперь соответствуют другие — не те, что в первом шифре.

Процесс завершается третьей буквой, после чего ротор возвращается в исходное положение и последовательность шифров повторяется.

Роторы стандартной машины «Энигма» имеют 26 позиций, по одной на каждую букву алфавита. Следовательно, с одним ротором можно применять 26 различных шифров. Таким образом, начальное положение ротора является ключевым.

Для увеличения количества возможных ключей дизайн «Энигмы» предусматривал до трех роторов, механически соединенных друг с другом. Когда первый ротор делал полный оборот, следующий переключался на одно положение, и так далее до полного оборота третьего ротора, что давало в общей сложности 26 х 26 х 26 = 17576 возможных шифров.

Кроме того, дизайн Шербиуса позволял изменять порядок переключателей, еще больше увеличивая количество шифров, как мы увидим ниже.

Трехроторная машина «Энигма» с частично открытым корпусом, позволяющим видеть коммутационную панель (спереди).

Кроме трех роторов «Энигма» также имела коммутационную панель, расположенную между первым ротором и клавиатурой. Коммутационная панель позволяла перекоммутировать соединения между буквами клавиатуры до соединения с ротором и таким образом добавляла значительное количество кодов к шифру. Стандартный дизайн «Энигмы» предусматривал шесть кабелей, которые могли соединять шесть пар букв. На следующем рисунке показана работа коммутационной панели, снова в упрощенной форме для трех букв и трех кабелей.

Таким образом, буква А меняется местами с буквой С, буква В — с буквой А, а С — с буквой В. С добавлением коммутационной панели упрощенная трехбуквенная «Энигма» будет работать следующим образом:

На сколько больше шифров мы получим при, казалось бы, простом добавлении коммутационной панели? Сначала посчитаем количество способов соединения шести пар букв, выбранных из 26 возможных. Число способов выбрать n пар букв из алфавита, содержащего N символов, определяется по формуле:

В нашем примере N = 26 и n = 6, что дает нам 100391791500 комбинаций.

Следовательно, общее количество шифров, возможных на машине «Энигма» с тремя роторами из 26 букв и коммутационной панелью с шестью кабелями, считается следующим образом.

1. Количество поворотов трех роторов дает 26^3 = 26∙26∙26 = 17 576 комбинаций.

2. Кроме того, три ротора (1, 2, 3) могут меняться друг с другом местами, например, 1–2—3, 1–3—2, 2–1—3, 2–3—1, 3–1—2, 3–2—1. Это дает нам дополнительные шесть комбинаций.

3. Наконец, мы подсчитали число способов соединять пары букв шестью кабелями на коммутационной панели, что дало нам 100391791500 дополнительных шифров.

Общее количество шифров получается умножением перечисленных результатови составляет 6 ∙ 17 576 ∙ 100 391 791 500 = 10 586 916 764 424 000. Таким образом, машина «Энигма» могла шифровать текст, используя более чем десять тысяч триллионов различных шифров. Германское правительство было в полной уверенности, что секретные коммуникации высшего уровня совершенно неуязвимы. И это было большой ошибкой.

Расшифровка кода «Энигмы»

Любой ключ кода «Энигмы» сначала указывал конфигурацию коммутационной панели, а именно возможные соединения шести пар букв, например, B/Z, F/Y, R/C, Т/Н, Е/О и L/J, что означало, что первый кабель менял местами буквы В и Z, итак далее. Во-вторых, ключ определял порядок роторов (например, 2–3—1). Наконец, ключ описывал исходную ориентацию роторов (например, буквы R, V, В показывали, какая буква находится в начальном положении, или начальные позиции).

Эти параметры были собраны в шифровальных книгах, которые тоже передавались в зашифрованном виде и могли меняться в установленные дни или при особых обстоятельствах. Например, некоторые ключи были зарезервированы для определенных типов сообщений.

Чтобы не повторять один и тот же шифр в течение одного дня, во время которого могли быть посланы тысячи сообщений, операторы «Энигмы» использовали гениальные трюки для выбора новых шифров в особых случаях, но без замены всей шифровальной книги. Так, оператор отправлял сообщение из шести букв, зашифрованное в соответствии с действующим в этот день кодом, представляющее собой новый набор начальных позиций для роторов, например, T-Y-J. (Для большей безопасности оператор шифровал эти три буквы два раза, поэтому и получалось шесть букв). Затем он шифровал настоящее сообщение в соответствии с этим новым ключом. Другой оператор получал сообщение, которое он не мог расшифровать с ключом этого дня, но он знал, что первые шесть букв на самом деле являлись инструкцией переставить роторы в другую позицию. Получатель делал это, оставляя коммутационную панель и порядок роторов без изменения, и затем мог правильно расшифровать сообщение.

Союзники получили первые ценные сведения относительно «Энигмы» в 1931 г. от немецкого шпиона Ганса-Тило Шмидта. Это были различные инструкции для работы с машиной. Контакт со Шмидтом установили французские спецслужбы, которые впоследствии поделились информацией с польскими коллегами. Польский криптоаналитический отдел, Biuro Szyfrow (шифровальное бюро), начал работу с документами Шмидта, а также добыл несколько машин «Энигма», украденных у немцев.

Не совсем обычный штрих для того времени: в польском отделе работало большое количество математиков. Среди них был талантливый 23-летний застенчивый молодой человек по имени Мариан Реевский. Он сразу же сосредоточил усилия на шести буквенных кодах в начале многих ежедневных сообщений, которыми обменивались немцы. Реевский предположил, что последние три буквы кода были новым шифром для первых трех, и поэтому понял, что четвертая, пятая и шестая буквы могли дать ключ для начальных позиций роторов.

На этой, казалось бы, незначительной гипотезе Реевский построил незаурядную систему умозаключений, которая привела к расшифровке кода «Энигмы».

Подробности этого процесса достаточно сложны, и мы не будем здесь их излагать, но после нескольких месяцев Реевский смог сократить количество возможных шифров с десяти тысяч триллионов до всего лишь 105 456, что соответствовало различным комбинациям расположения роторов и их начальных позиций. Для этого Реевский создал устройство, известное как Bombe («Бомба»), которое работало так же, как «Энигма», и могло имитировать любую из возможных позиций трех роторов для поиска ежедневного кода. Уже в 1934 г. сотрудники польского шифровального бюро взломали код «Энигмы» и могли расшифровать любое сообщение в течение 24 часов.

Хотя немцы не знали, что польские криптоаналитики расшифровали код «Энигмы», они продолжали совершенствовать систему, которая уже успешно работала на протяжении более чем десятилетия. В 1938 г. операторы «Энигмы» получили дополнительные два ротора к трем стандартным, и вскоре после этого были выпущены новые модели машин с десятью коммутационными кабелями.

Тогда число возможных шифров возросло до почти 159 квинтиллионов. Лишь добавление еще двух роторов увеличивало возможные комбинации их расположения с шести до 60: пять возможностей поместить любой из пяти роторов на первом месте, умноженные на четыре возможности поставить любой из четырех оставшихся роторов на второе место, умноженные на три возможности поставить любой из трех оставшихся роторов на третье место. Итого 5 x 4 x 3 = 60. Даже сумев расшифровать код, сотрудники польского бюро не имели средств, необходимых для анализа такого количества расположений роторов.

Некоторые версии машины «Энигма»

Британцы принимают эстафету

Обновление машин «Энигма» не было случайным: Германия уже начала агрессивную экспансию в Европу с аннексии Чехословакии и Австрии и планировала вторжение в Польшу. В 1939 г. в связи со вспыхнувшим в сердце Европы конфликтом и завоеванием их страны поляки передали все машины «Энигма» и сведения о них британским союзникам, которые в августе того же года решили объединить свои ранее рассредоточенные криптоаналитические отделы. Новым центром был выбран особняк, расположенный на окраине Лондона, в поместье Блетчли-Парк. В команду Блетчли-Парка был включен блестящий криптоаналитик, молодой кембриджский математик Алан Тьюринг. Он был мировым авторитетом в тогда еще только зарождавшейся теории вычислений и был открыт для работы на новых, революционных проектах. Расшифровка усовершенствованных машин «Энигма» оказалась серьезным импульсом для ускоренного развития теории вычислений.

Эксперты за работой в Блетчли-Парке, где был расшифрован код «Энигмы».

Эксперты Блетчли-Парка сосредоточились на расшифровке коротких фрагментов зашифрованного текста, содержание которых они примерно знали. Например, благодаря «полевым» шпионам было известно, что немцы около шести вечера каждый день передавали кодированные сообщения о метеорологических условиях в различных точках вдоль линии фронта. Таким образом, можно было с достаточной степенью уверенности ожидать, что сообщение, перехваченное вскоре после этого часа, содержало зашифрованные версии таких слов, как «погода» и «дождь». Тьюринг изобрел электрическую систему, которая менее чем за пять часов позволяла воспроизвести все возможные 1054650 комбинаций расположения трех роторов.

В эту систему вводили зашифрованные символы, которые по их длине или другим признакам, возможно, соответствовали словам «погода» и «дождь».

Предположим, мы подозреваем, что зашифрованные символы FGRTY соответствуют слову BREAD («хлеб»). После введения шифровки в машину, если при каком-то положении роторов получалось слово BREAD, криптоаналитики знали, что найден ключ, соответствующий конфигурации начальных позиций роторов. Затем оператор вводил зашифрованный текст в настоящую машину «Энигма» с роторами, расположенными в соответствии с найденным ключом. Если машина показывала, например, расшифрованный текст DREAB, было ясно, что часть шифра связана с конфигурацией коммутационной панели и включает перестановку букв D и В. Таким образом криптоаналитики получали весь шифр. Секреты «Энигмы» постепенно раскрывались. В процессе разработки и совершенствования вышеупомянутых аналитических методов команда Блетчли-Парка построила первую в истории программируемую вычислительную машину, названную Colossus.

Colossus, предшественник современного компьютера, в Блетчли-Парке. Фотография, сделанная в 1943 г., показывает панель управления сложного устройства.

Другие шифры Второй мировой войны

Япония разработала две собственные системы шифрования: Purple («Пурпурный код») и JN-25. Первая из них предназначалась для дипломатической связи, а вторая — для военных сообщений. Оба шифра использовали механические устройства.

JN-25, например, работал на алгоритме подстановки, который переводил символы японского языка (порядка 30000 знаков) в ряд чисел, определенных случайными таблицами из пяти групп чисел. Несмотря на меры предосторожности, предпринятые в Японии, англичане и американцы взломали «Пурпурный код» и шифр JN-25. Сведения из расшифрованной переписки получили кодовое название «Мэджик» и оказали значительное влияние на военные конфликты в Тихом океане, в частности, на сражение в Коралловом море и у атолла Мидуэй в 1942 г. Сведения «Мэджик» были также использованы для планирования стратегических задач, таких как перехват и уничтожение самолета японского адмирала Ямамото год спустя.

* * *

БЛЕСТЯЩИЙ УМ

Алан Тьюринг (слева) родился в Англии в 1912 г. Даже в молодости он демонстрировал большие способности к математике и физике. В 1931 г. он поступил в Кембриджский университет, где увлекся работами логика Курта Гёделя по общей проблеме неполноты любой логической системы. За три года до того он опубликовал работу о теоретической возможности создания машины, способной выполнять вычислительные алгоритмы, такие как сложение, умножение и т. д.

Вдохновленный работами Гёделя, Тьюринг в 1937 г. развил свои идеи о доказательствах и вычислениях и сформулировал принцип «универсальной машины», способной выполнять любые мыслимые алгоритмические действия. Так появилась одна из основ современной информатики. За два года до того Тьюринг познакомился с крупным венгерским математиком Яношем фон Нейманом, который к тому времени жил в Соединенных Штатах и носил имя Джон. Фон Нейман, считающийся «вторым отцом» информатики, предложил Тьюрингу хорошо оплачиваемую и престижную работу в Принстоне. Однако Тьюринг предпочел богемную атмосферу Кембриджа и отклонил предложение.

В 1939 г., когда началась война, он присоединился к британской команде криптоаналитиков в Блетчли-Парке. За свою работу во время войны он был награжден Орденом Британской империи. Но Тьюринг был гомосексуалистом, что было запрещено законом в то время, и в результате приговора в 1952 г. потерял право работать на секретных проектах правительства. Глубоко подавленный, Алан Тьюринг покончил жизнь самоубийством 8 июня 1954 г., приняв цианистый калий.

Шифровальщики навахо

Хотя Соединенные Штаты умело использовали информацию, перехваченную у противника во время военных действий на Тихом океане, американские военные для собственной связи применяли несколько шифров, по сути похожих на те, о которых говорилось в начале книги. Алгоритмы шифрования были основаны непосредственно на природе слов. Эти шифры — чокто, команче, месквоки и прежде всего навахо — не были четко описаны в сложных руководствах и не были результатом работы отделов криптографии: это были просто подлинные языки индейцев.

Армия Соединенных Штатов включала радистов из этих племен в отделы шифровальщиков на фронте, чтобы они передавали сообщения на своих языках, на которых не говорили не только японцы, но и другие американские военные. Эти сообщения дополнительно шифровались простыми кодами, чтобы захваченные в плен солдаты не смогли их перевести. Такие радисты служили в американских отделах вплоть до Корейской войны.

Два шифровальщика навахо во время битвы за Бугенвиль в 1943 г.

Нововведения: шифр Хилла

Шифры, обсуждавшиеся прежде, в которых один символ заменялся другим по некоторому заранее установленному правилу, как мы уже видели, всегда уязвимы для криптоанализа.

В 1929 г. американский математик Лестер Хилл придумал, запатентовал и выставил на продажу — правда, без особого успеха — новую систему шифрования, в которой использовались и модульная арифметика, и линейная алгебра.

Как мы увидим ниже, матрицы являются очень полезным инструментом для шифрования сообщений, когда текст разбивается на пары букв и каждой букве ставится в соответствие числовое значение.

Чтобы зашифровать сообщение, мы будем использовать следующие матрицы:

с определителем, равным единице, то есть ad — Ьс = 1. Для расшифровки мы будем использовать обратную матрицу:

* * *

НЕМНОГО ЛИНЕЙНОЙ АЛГЕБРЫ

Матрица может быть определена как таблица, представляющая собой совокупность строк и столбцов. Например, матрица 2x2 имеет вид:

а матрица 2x1 записывается как:

Произведение этих двух матриц дает нам новую матрицу 2x1, называемую вектор-столбцом:

В случае матрицы 2x2 число (аd — Ьс) называется определителем матрицы.

* * *

Ограничение на значение определителя установлено для того, чтобы обратная матрица работала как инструмент расшифровки. Как правило, для алфавита из n символов необходимо, чтобы НОД определителя матрицы и числа n равнялся единице. Иначе нельзя гарантировать существование обратного элемента в модульной арифметике.

Продолжая пример, возьмем алфавит из 26 букв с символом пробела, который мы обозначим как @. Каждой букве мы поставим в соответствие число, как показано в следующей таблице:

Для получения значений от 0 до 26 мы будем работать по модулю 27.

Процесс шифрования и расшифровки текста происходит следующим образом: сначала мы определяем шифровальную матрицу с определителем 1.

Например,

Матрицей для расшифровки будет обратная матрица

Таким образом, А будет ключом шифра, А-1 — ключом для расшифровки.

Например, зашифруем сообщение BOY («мальчик»). Буквы сообщения группируются в пары: ВО У@. Их численными эквивалентами, согласно таблице, являются пары чисел (1, 14) и (24, 26). Умножим матрицу А на каждую пару чисел.

Зашифрованное

что, согласно таблице, соответствует буквам (Q, Т).

Зашифрованное

что соответствует буквам (V, О).

Сообщение BOY будет зашифровано как QTVO.

Обратная операция расшифровки выполняется при помощи матрицы:

Возьмем пару букв (Q, Т) и найдем их числовые эквиваленты из таблицы: (16, 19). Затем умножим их на A-1 и получим:

то же со второй парой (V, О) и ее численными значениями (21, 14) и получаем:

Таким образом, мы доказали, что расшифровка работает.

В этом примере мы рассматривали пары символов. Для большей безопасности можно группировать буквы по три или даже по четыре. Тогда расчеты будут проводиться с матрицами порядка 3 х 3 и 4 х 4 соответственно, что было бы чрезвычайно трудоемким процессом для вычислений вручную. Современные компьютеры позволяют работать с огромными матрицами и с обратными к ним.

У шифра Хилла есть существенный недостаток: имея даже небольшой фрагмент исходного текста, можно расшифровать все сообщение. Поиск идеального шифра был еще далек от завершения.

Глава 4. Процесс общения посредством нулей и единиц

Изобретение компьютера Colossus и расшифровка кода «Энигмы» открыли путь к величайшей революции в сфере коммуникаций. Этот гигантский шаг вперед произошел в значительной степени благодаря развитию систем шифрования, что обеспечило безопасную, эффективную и быструю связь по разветвленным сетям, представляющим собой компьютеры и их пользователей — то есть нас с вами. Когда сегодня мы употребляем слово «безопасность», мы имеем в виду не только криптографию и секретность. Это слово имеет более широкий смысл, который включает в себя понятия надежности и эффективности.

Двоичная система является основой технологической революции. Этот суперпростой код, содержащий лишь два символа, 0 и 1, используется в цифровых устройствах из-за его способности представлять состояние электронных схем: единица означает, что в контуре есть ток, ноль — тока нет. Одна двоичная цифра — 0 или 1 — называется битом.

ASCII-код

Одним из многих приложений двоичной системы является особый набор символов, состоящий из восьми битов и называемый байтом. Каждый байт обозначает букву, цифру или другой символ. Именно байты лежат в основе обычных коммуникаций.

Они называются ASCII-кодами (аббревиатура ASCII переводится как «американская стандартная кодировочная таблица»). Количество размещений (с повторениями) из двух цифр (0 и 1) по 8 (длина символа) составляет 28 = 256.

ASCII-коды позволяют пользователям вводить текст в компьютер. Когда мы печатаем букву или цифру, компьютер превращает этот символ в байт — строку из восьми битов. Так, например, если мы печатаем букву А, компьютер превращает ее в 0100 0001.

* * *

БАЙТЫ ПАМЯТИ

Емкость памяти компьютера измеряется в единицах, кратных байтам.

Килобайт (КБ): 1024 байтов

Мегабайт (МБ): 1 048 576 байтов

Гигабайт (ГБ): 1 073 741 824 байтов

Терабайт (ТБ): 1099 511627 776 байтов

* * *

Двоичные ASCII-коды приведены для всех используемых в обычном обиходе символов: 26 заглавных букв, 26 строчных букв, 10 цифр, 7 символов пунктуации и некоторых специальных символов. Все они показаны в следующей таблице.

Для двоичного кода каждого символа указано соответствующее десятичное число (в столбце «Дес»):

Фразу «GOTO 2» (команду на языке программирования «Бейсик») компьютер переведет в следующую последовательность двоичных кодов:

Компьютер, таким образом, будет выполнять следующую команду:

010001110100111101010100010011110010000000110010

Шестнадцатеричная система счисления

Шестнадцатеричная система — еще один известный код, используемый в вычислениях. Это система счисления, которая использует 16 уникальных «цифр» (отсюда и название — шестнадцатеричная), в отличие от обычной системы с десятью цифрами (десятичной). Можно сказать, что шестнадцатеричная система является вторым языком компьютеров после двоичной системы. Почему 16 цифр? Напомним, что байт, основная единица хранения информации на компьютере, состоит из восьми битов, которые дают 2^8 = 256 различных комбинаций из 0 и 1. А 2^8 = 2^4 х 2^4 = 16 х 16. Иными словами, один байт — это комбинация двух шестнадцатеричных чисел.

Шестнадцать «цифр» шестнадцатеричной системы — это традиционные цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и еще шесть символов, выбранных по соглашению: А, В, С, D, Е, F. Числа в шестнадцатеричной системе записываются следующим образом:

От 0 до 15: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, А, В, С, D, Е, F.

От 16 до 31: 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 1А, 1В, 1C, ID, IE, 1F.

От 32 и дальше: 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 2А, 2В, 2С…

Эти файлы были созданы компьютером автоматически. Их странные имена — на самом деле шестнадцатеричные числа.

Шестнадцатеричные цифры не различают регистр букв (1Е означает то же самое, что и 1е). В следующей таблице приведены первые 16 двоичных чисел и их шестнадцатеричные эквиваленты:

Чтобы перейти от двоичной записи к шестнадцатеричной, мы сгруппируем биты в четыре группы по четыре цифры, начиная с правого конца, а потом преобразуем каждую четверку цифр в соответствии с предыдущей таблицей. Если количество двоичных цифр не кратно четырем, мы дописываем слева нули. Чтобы перейти от шестнадцатеричной записи к двоичной, мы преобразуем каждую шестнадцатеричную цифру в ее двоичный эквивалент, как показано в следующем примере.

Шестнадцатеричное число принято обозначать так: 9F2_16 (с нижним индексом 16). Напомним соответствующие двоичные коды:

9F2_16 = 1001111100102 (здесь нижний индекс 2 указывает, что число выражено в двоичной системе).

Давайте теперь осуществим обратный процесс: число 11101001102 состоит из десяти цифр. Мы дополняем его двумя нулями слева, чтобы получить 12 цифр, которые можно сгруппировать по четыре.

Преобразуем:

1110100110_2 = 0011 1010 0Н0_2 = 3А6_16.

Какая связь между шестнадцатеричными символами и ASCII-кодами? Каждый ASCII-код содержит восемь битов (один байт) информации, поэтому пять ASCII-символов содержат 40 битов (пять байтов), и так как шестнадцатеричный символ содержит четыре бита, мы заключаем, что пять ASCII-символов — это десять шестнадцатеричных символов.

Рассмотрим пример кодирования фразы в шестнадцатеричном коде. Например, возьмем название NotRealCo Ltd. Выполним следующие действия. 1 2 31. Переведем NotRealCo Ltd в двоичные коды в соответствии с таблицей ASCII.

2. Сгруппируем цифры по четыре. (Если длина двоичной строки не кратна четырем, мы добавим нули слева.)

3. Выполним замену по таблице соответствий двоичных и шестнадцатеричных символов.

Фраза NotRealCo Ltd в шестнадцатеричных символах выглядит так:

4Е 6F 74 72 65 61 6С 63 6F 20 48 74 64.

Системы счисления и переход к другому основанию

Если система счисления имеет n цифр, то число n называется основанием системы.

На руках человека десять пальцев, поэтому, вероятно, и была придумана десятичная система счисления — счет проводился на пальцах. Десятичное число, например, 7392, представляет собой количество, равное семи тысячам трем сотням девяти десяткам и двум единицам. Тысячи, сотни, десятки и единицы являются степенями основания системы счисления, в данном случае 10. Число 7392, таким образом, может быть выражено следующим образом:

7392 = 7∙10^3 + 3∙10^2 + 9∙10^1  + 2∙10^0.

Однако по соглашению принято писать только коэффициенты (в нашем примере это 7, 3, 9 и 2). Кроме десятичной системы существует много других систем счисления (на самом деле их общее число бесконечно). В этой главе мы уделили особое внимание двум из них: двоичной системе с основанием 2 и шестнадцатеричной с основанием 16. В двоичной системе счисления коэффициенты имеют только два возможных значения: 0 и 1. Разряды двоичных чисел представляют собой степени двойки. Таким образом, число 110112 может быть записано как

11011_2 = 1∙2^4 + 1∙2^3 + 0∙2^2 + 1∙2^1 + 1∙2^0.

Если мы вычислим выражение, стоящее справа от знака равенства, мы получим 27, что является десятичной формой двоичного числа 11011. Для обратного перехода мы последовательно делим десятичное число на 2 (основание двоичной системы) и записываем остатки, пока не получим частное 0. Двоичное число будет иметь в качестве первой цифры последнее ненулевое частное, а следующими цифрами будут полученные остатки, начиная с последнего. Например, переведем десятичное число 76 в двоичный вид.

Разделим 76 на 2, получим частное 38 и остаток 0.

Разделим 38 на 2, получим частное 19 и остаток 0.

Разделим 19 на 2, получим частное 9 и остаток 1.

Разделим 9 на 2, получим частное 4 и остаток 1.

Разделим 4 на 2, получим частное 2 и остаток 0.

Разделим 2 на 2, получим частное 1 и остаток 0.

Разделим 1 на 2, получим частное 0 и остаток 1.

Остаток от деления записываем в обратном порядке. Таким образом, число 76 выглядит в двоичной системе как 1001100_2. Этот результат можно проверить по таблице ASCII (в таблице слева приписан дополнительный 0, чтобы получить строки из четырех цифр). Выражение числа, записанного в одной системе счисления, в другой системе называется переходом к другому основанию.

Коды для обнаружения ошибок передачи

Описанные выше коды обеспечивают безопасную и эффективную связь между компьютерами, программами и пользователями. Но этот онлайновый язык основан на общей теории информации, которая лежит в основе процесса коммуникации.

Первый шаг в этой теории является настолько очевидным, что его легко упустить из вида: как измерить информацию.

Такая простая фраза, как «Приложение размером 2 КБ», основана на блестящих идеях, которые впервые появились в статье «Математическая теория связи», опубликованной в двух частях в 1948 г. американским инженером Клодом Шенноном.

В этой основополагающей статье Шеннон предложил использовать слово «бит» для обозначения наименьшей единицы информации. Общая проблема, которую Шеннон рассматривал в своей работе, знакома и современным читателям. Как лучше всего зашифровать сообщение, чтобы оно не повредилось во время передачи? Шеннон пришел к выводу, что невозможно найти шифр, который предотвратит потерю информации. Иными словами, при передаче информации неизбежно возникают ошибки. Однако этот вывод не помешал поиску стандартов кодификации, которые, не имея возможности исключить ошибки, могли бы по крайней мере обеспечить высокий уровень надежности.

При цифровой передаче информации сообщение, сгенерированное отправителем (это может быть как человек, так и компьютер или другое устройство), кодируется в двоичной системе и поступает в канал связи, состоящий из компьютеров отправителя и получателя, плюс самой линии связи, которая может быть или физическим кабелем, или беспроводной (радиоволны, инфракрасное излучение и т. д.). Движение по каналу связи является особенно уязвимым процессом, потому что сообщение подвергается всевозможным воздействиям, в том числе взаимодействиям с другими сигналами, неблагоприятным температурам физической среды и затуханиям (ослаблению) сигнала при прохождении через среду. Эти источники помех называются шумами.

Одним из таких методов является избыточность информации. Он состоит в повторении при определенных критериях некоторых характеристик сообщения. Рассмотрим пример, который поможет пояснить процесс. Возьмем текст, в котором каждое слово состоит из четырех битов, общее количество различных слов — 16 (т. к. 2^4 = 16), каждое слово имеет вид а_1а_2а_3а_4. Перед отправкой сообщения мы добавим к слову еще три бита c_1c_2c_3так что закодированное сообщение при движении по каналу связи будет выглядеть как а_1а_2а_3а_4c_1c_2c_3. Дополнительные символы c_1c_2c_3 обеспечивают надежность сообщения. Они называются контрольными битами, или битами четности, и строятся следующим образом.

Добавим следующие биты четности к сообщению 0111.

Так как сумма 0 + 1 + 1 = 2 четная, с_1 = 0.

Так как сумма 0 + 1 + 1 = 2 четная, с_2 = 0.

Так как сумма 1 + 1 + 1 = 3 нечетная, с_3 = 1.

Следовательно, сообщение 0111 будет передано в виде 0111001. Для «слов» мы, таким образом, получим следующую таблицу:

* * *

ГЕНИЙ БЕЗ НАГРАДЫ

Клод Элвуд Шеннон (1916–2001) был одним из величайших научных деятелей XX в. Получив образование по специальности «электротехника» в Мичиганском университете и Массачусетском технологическом институте, он работал математиком в лаборатории компании «Белл», где занимался исследованиями по криптографии и теории коммуникации. Его научный вклад настолько велик, что он считается одним из основоположников теории информации, но поскольку его работы были на стыке математики и информационных технологий, он так и не получил самой престижной среди ученых Нобелевской премии.

* * *

Допустим, что на другом конце сообщение будет получено в виде 1010110. Заметим, что такая комбинация нулей и единиц не входит в число возможных кодов и, следовательно, является ошибкой при передаче. В попытке исправить ошибку система сравнивает каждую цифру с набором цифр всех возможных кодов, чтобы найти наиболее вероятную альтернативу. Для этого система проверяет, какие из цифр представляют собой ошибку, следующим образом.

Ошибочное слово (1010110) отличается от другого слова (1000110) одной цифрой. Так как эта разница наименьшая, система предложит получателю этот второй, исправленный вариант. Аналогичный принцип использует программа контроля правописания текстового редактора. При обнаружении слова, которое не содержится в ее внутреннем словаре, программа предлагает ряд близких альтернатив.

Количество позиций, в которых соответствующие символы двух слов (понимаемых как последовательность символов) различны, называется расстоянием между двумя последовательностями. Этот метод обнаружения и исправления ошибок был предложен американцем Ричардом Хэммингом (1915–1998), современником Клода Шеннона.

В теории информации, как и в любой другой области, одно дело — обнаружить возможные ошибки, и совсем другое — исправить их. В шифровании, как в последнем примере, если имеется только один кандидат с наименьшим расстоянием, проблема достаточно проста. Пусть t — минимальное количество раз, когда единица появляется в последовательности цифр (исключая последовательность, где все нули), тогда:

Если t — нечетное, мы можем исправить (t — 1)/2 ошибок.

Если t — четное, мы можем исправить (t — 2)/2 ошибок.

Если наша цель заключается только в обнаружении ошибок, максимальным количеством ошибок, которые мы можем обнаружить, будет I — 1. В языке из 16 символов, описанном выше, t = 3, значит, наш метод способен обнаружить 3–1 = 2 ошибки и исправить — (3–1): 2 = 1 — одну ошибку.

* * *

КРИПТОГРАФИЯ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ

В 1997 г. был введен протокол для надежной передачи информации с помощью беспроводных сетей под названием WEP (сокращение от Wired Equivalent Privacy). Этот протокол включает алгоритм шифрования RC4 с двумя типами кодирования 5 и 13 ASCII-символов соответственно. Мы имеем дело, таким образом, с кодированием 40 или 104 битов или, другими словами, 10 или 26 шестнадцатеричных символов:

5 ASCII-символов = 40 битов = 10 шестнадцатеричных символов;

13 ASCII-символов — 104 битов = 26 шестнадцатеричных символов.

Провайдер подключения предоставляет коды, хотя пользователь может, в принципе, их изменить. До установления связи компьютер запрашивает ключ. В следующем диалоговом окне мы видим сообщение об ошибке при запросе WEP-ключа с указанием его длины в битах, ASCII- и шестнадцатеричных символах:

На самом деле реальные ключи длиннее. Используя ключ, выбранный пользователем, алгоритм RC4 генерирует новый с большим количеством битов, который и используется для шифрования передаваемых данных. Это — криптография с открытым ключом, и о ней будет более подробно рассказано в пятой главе. Пользователь, который желает поменять ключ, должен помнить, что ключ из десяти шестнадцатеричных символов более надежен, чем ключ из пяти букв и цифр, хотя битовый размер у них одинаковый. Однако очевидно, что слово james легче запомнить, чем его шестнадцатеричный эквивалент «6A616D6573».

Другие коды: коммерческие и индустриальные стандарты

Хотя и не такие впечатляющие, как криптография или двоичная математика, и часто незаметные для нас, несмотря на их вездесущность, стандартизированные коды банков, супермаркетов и других крупных подсистем экономики являются одной из основ современного общества. Только в этом случае задача состоит в обеспечении уникальной и точной идентификации продукта, будь то банковские счета, книги или яблоки. Рассмотрим эти коды более подробно.

Кредитные карты

Дебетовые и кредитные карты, предлагаемые крупными банками и универмагами, фактически определяются набором групп чисел, рассчитанных и проверяемых одним и тем же алгоритмом, основанным на уже известной нам модульной арифметике.

Большинство карт имеет 16 цифр от 0 до 9. Числа сгруппированы по четыре цифры, чтобы их легче было прочитать. Для наших целей мы будем обозначать их следующим образом:

ABCD EFGH IJKL MNOP

Каждая группа цифр кодирует определенную информацию: первая группа (ABCD) идентифицирует банк (или любой другой субъект, оказывающий услуги).

Каждый банк имеет свой номер, который может меняться в зависимости от континента, а также от бренда карты и условий. Пятая цифра (Е) соответствует типу карты и указывает, какое финансовое учреждение управляет счетом.

Как мы видим, это не жесткое правило.

Следующие десять цифр (FGH IJKL MNO) являются уникальным идентификатором для каждой карты. Эти числа связаны с номером счета клиента, с уровнем карты — Classic, Gold, Platinum и т. д., а также с кредитным лимитом, сроком действия и процентными ставками по типу баланса.

Наконец, контрольная цифра (Р) связана с предыдущими цифрами в соответствии с алгоритмом Луна.

В России первые шесть цифр номера карты (ABCDEF) являются банковским идентификационным номером (БИН). Первая из этих шести цифр указывает на платежную систему. Например, у карт Visa первая цифра — 4, у MasterCard — 5.

Седьмая и восьмая цифры номера карты (GH) уточняют, в рамках какой программы банка была выпущена карта. Следующие семь цифр (IJKL MNO) идентифицируют непосредственно карту. Последняя цифра (Р) — контрольная.

Алгоритм Луна назван так в честь Ганса Питера Луна, немецкого инженера, разработавшего его. Для 16-значной карты этот алгоритм работает следующим образом.

1. Каждую цифру в нечетной позиции, начиная с первого числа слева, мы умножаем на два. Если результат больше 9, мы складываем обе цифры этого двузначного числа (или, что то же самое, вычитаем из него 9). Например, если мы получили 18, сложение цифр дает 1 + 8 = 9, а вычитание — 18 — 9 = 9.

2. Затем мы складываем все полученные таким образом результаты, а также цифры, расположенные на четных позициях (в том числе последнюю контрольную цифру).

3. Если окончательная сумма кратна 10 (то есть ее значение равно нулю по модулю 10), номер карты является действительным. Заметим, что именно последняя контрольная цифра делает общую сумму кратной 10.

* * *

DINER’S CLUB

Одной из первых кредитных карт, получивших широкое признание, была карта Diner's Club. Автором идеи был американец Фрэнк Макнамара. В 1950 г. ему удалось убедить различные рестораны принимать оплату безналично с помощью персональных гарантированных кредитных карт, которые Макнамара распространил среди своих лучших клиентов. Наиболее часто в первые десятилетия кредитными картами расплачивались за обеды американские коммивояжеры, будучи в дороге.

* * *

Например, пусть карта имеет следующий номер:

1234 5678 9012 3452

По алгоритму Луна имеем:

1∙2 = 2

3∙2 = 6

5∙2 = 10 => 1 + 0 = 1

7∙2=14 => 1 + 4 = 5 (или 14-9 = 5)

9∙2 = 18 => 1 + 8 = 9

1∙2 = 2

3∙2 = 6

5∙2 = 10 => 1 + 0 = 1

Далее найдем сумму результатов и цифр на четных позициях:

2 + 6 + 1 + 5 + 9 + 2 + 6 + 1 = 32

2 + 4 + 6 + 8 + 0 + 2 + 4 + 2 = 28

32 + 28 = 60

Результат равен 60, это число кратно 10. Поэтому номер карты является действительным.

Алгоритм Луна можно применить другим способом: номер карты ABCD EFGH IJKL MNOP является правильным, если удвоенная сумма цифр на нечетных позициях и сумма цифр на четных позициях плюс количество цифр на нечетных позициях, которые больше, чем 4, кратно 10. Это правило записывается так:

2 (A + C + E + G + 1 + К + М + О) + (B + D + F + H + J + L + N + P) + (количество цифр на нечетных позициях, которые больше, чем 4) = 0 (mod 10).

Применим это правило к предыдущему примеру:

1234 5678 9012 3452

2 (1 + 3 + 5 + 7 + 9 + 1 + 3 + 5) + (2 + 4 + 6 + 8 + 0 + 2 + 4 + 2) + (4) = 100  0 (mod 10).

Снова мы убедились, что номер кредитной карты является действительным, и показали, что на первый взгляд случайные номера карт соответствуют строгому математическому стандарту.

* * *

ПРИМЕР РАСЧЕТА КОНТРОЛЬНОЙ ЦИФРЫ КРЕДИТНОЙ КАРТЫ В EXCEL

Номер кредитной карты состоит из 15 цифр плюс контрольная цифра. Цифры сгруппированы в четыре группы по четыре цифры. Контрольная цифра (КЦ) рассчитывается следующим образом.

* * *

Можно ли восстановить цифру, отсутствующую в номере карты? Да, если мы имеем дело с действительной кредитной картой. Найдем, например, цифру X в номере 4539 4512 03X8 7356.

Начнем с умножения на 2 цифр на нечетных позициях (4–3—4—1–0—X—7–5), сразу преобразуя результат к одной цифре.

4∙2 = 8

3∙2 = 6

4∙2 = 8

1∙2 = 2

0∙2 = 0

X∙2 = 2Х

7∙2 = 14, 14 — 9 = 5

5∙2 = 10, 10 — 9 = 1.

Складывая цифры, стоящие на четных позициях, и новые цифры на нечетных, получим:

30 + 41+ 2Х = 71 + 2Х.

Мы знаем, что число (71 + 2Х) должно быть кратно 10.

Если значение X меньше или равно 4, то для таких X (71 + 2Х) никогда не будет кратно 10.

Если же значение X больше 4, то кратно 10 должно быть выражение (71 + 2Х + 1), так как X стоит на нечетной позиции. Видим, что выражение (72 + 2Х) кратно 10 только при X = 9.

Следовательно, мы нашли потерянную цифру 9, и полный номер кредитной карты: 4539451203987356.

Штрихкоды

Первая система штрихкодов была запатентована 7 октября 1952 г. американцами Норманом Вудландом и Бернардом Сильвером. Первые версии штрихкодов отличались от сегодняшних. Вместо привычных нам линий Вудланд и Сильвер придумали концентрические круги. Впервые штрихкоды начали официально использоваться в 1974 г. в магазине города Трой, штат Огайо.

Современные штрихкоды представляют собой последовательность черных полос (которые кодируются как 1 в двоичной системе) и пробелов между ними (которые кодируются как 0). Штрихкоды используются для идентификации физических объектов. Штрихкоды, как правило, печатаются на этикетках и считываются оптическими устройствами. Это устройства, похожие на сканер, которые измеряют отраженный свет и преобразуют темные и светлые области в буквенно-цифровой код, который затем посылается на компьютер. Существует множество стандартов для штрихкодов:

Толщина штрихов и пробелов в штрихкоде соответствует двоичным цифрам.

Code 128, Code 39, Codabar, EAN (этот стандарт появился в 1976 г. в двух версиях, состоящих из 8 и 13 цифр соответственно) и UPC (Universal Product Code — универсальный код товара, используемый в основном в США и доступный также в двух версиях из 12 и 8 цифр соответственно). Наиболее распространенной является 13-значная версия EAN. Несмотря на разнообразие стандартов, штрихкоды позволяют идентифицировать любой продукт в любой части мира быстро и без существенных ошибок.

Патент системы Вудланда и Сильвера с концентрическими кругами, предшественниками современных штрихкодов.

* * *

ПРОГРАММА В EXCEL ДЛЯ РАСЧЕТА КОНТРОЛЬНОЙ ЦИФРЫ КОДА EAN-13

Штрихкод стандарта EAN-13 — это номер из 12 цифр плюс тринадцатая цифра, называемая контрольной цифрой (КЦ). 13 цифр составляют четыре группы:

* * *

Стандарт штрихкода EAN-13

Стандарт EAN в момент создания в 1976 г. являлся аббревиатурой (European Article Number — европейский номер товара), а сейчас известен как Международный номер товара. Это наиболее устоявшийся стандарт штрихкодов, используемый во всем мире. Штрихкоды EAN обычно состоят из 13 цифр, представленных черными полосами и пробелами, вместе образующими двоичный код, который легко читать. EAN-13 изображает эти 13 цифр с помощью 30 черных и белых полос. Цифры делятся на три группы: первая, состоящая из двух или трех цифр, обозначает код страны; вторая, состоящая из 9 или 10 цифр (в зависимости от длины кода страны), указывает компанию и продукт, и третья, состоящая из единственной цифры, выступает в качестве контрольного кода. Для штрихкода ABCDEFGHIJKLM эти группы выглядят так:

Первые три цифры (АВС) обозначают код страны, производящей товар. Для России этот код может быть от 460 до 469. Для некоторых стран этот код может быть двузначным; тогда третья цифра входит в следующую группу.

Следующие шесть цифр (DEFGHI) обозначают компанию, производящую продукт. В этой группе может быть 4–6 цифр.

Остальные три цифры (JKL) означают код продукта, который был выбран компанией. В этой группе может быть 3–5 цифр.

Последняя цифра (М) — контрольный код. Чтобы вычислить его, мы должны сложить цифры на нечетных позициях, начиная с левой и без учета контрольной.

К полученному значению мы прибавим утроенную сумму цифр на четных позициях. Тогда контрольная цифра дополняет общую сумму до значения, кратного 10. Как видно, контрольный алгоритм системы штрихкодов очень напоминает правило контроля кредитных карт.

Проверим, действителен ли следующий штрихкод:

8413871003049

8 + 1 + 8 + 1 + 0 + 0 + 3∙(4 + 3 + 7 + 0 + 3 + 4) = 18 + 3∙21 = 18 + 63 = 81.

Правильная контрольная цифра должна быть 90–81 = 9.

Математическая модель алгоритма основана на модульной арифметике (по модулю 10) и работает следующим образом.

Для штрихкода ABCDEFGHIJKLM обозначим за N следующее значение:

A + C + E + G + I + K + 3∙(B + D + F + H + J + L) = N,

и пусть n будет значение N по модулю 10. Контрольная цифра М определяется как М = 10 — n. В нашем примере 81  1 (mod. 10), поэтому контрольная цифра действительно 10 — 1 = 9.

Предыдущий алгоритм можно сформулировать по-другому, используя в расчетах контрольную цифру. Следующий метод позволяет проверить правильность контрольной цифры, даже не вычисляя ее.

A + C + E + G + I + K + 3∙(B + D + F + H+ J + L)  0 (mod 10).

Например, для штрихкода

5701263900544

5 + 0 + 2 + 3 + 0 + 5 + 3∙(7 + 1 + 6 + 9 + 0 + 4) + 4 = 100.

100  0 (mod 10).

Значит, штрихкод действителен.

Теперь попробуем определить значение утерянной цифры в штрихкоде, а именно, цифры X в следующем коде:

401332003X497

Подставим цифры в формулу в соответствии с алгоритмом

4 + 1 + 3 + 0 + 3 + 4 + 3∙(0 + 3 + 2 + 0 + X + 9) + 7 = 64 + 3X  0 (mod 10).

По модулю 10 получим следующее уравнение:

4 + ЗХ  0 (mod 10).

ЗХ = -4 + 0 = -4 + 10  6 (mod 10).

Заметим, что число 3 имеет обратный элемент, т. к. НОД (3,10) = 1.

Отсюда видим, что X должно быть 2. Поэтому правильный штрихкод

4013320032497.

* * *

QR-КОД

В 1994 г. японская компания Denso-Wave разработала графическую систему шифрования для идентификации автомобильных деталей на сборочной линии. Система была названа QR (Quick Response — «быстрый отклик») из-за скорости, с которой информация может быть прочитана машинами, предназначенными для этой цели, и стала использоваться не только на автомобильных заводах. Всего несколько лет спустя большинство японских мобильных телефонов могли считывать информацию, содержащуюся в коде. QR-код является матричным кодом, представляющим собой некоторое количество черных и белых квадратов, расположенных в виде большого квадрата. Квадраты соответствуют двоичным значениям, 0 или 1, и, следовательно, работают аналогично штрихкодам, хотя двумерность кода позволяет хранить намного больше информации.

QR-код, составленный из 37 рядов, для университета Осаки, Япония

Глава 5. Общедоступная тайна: криптография с открытым ключом

При быстром развитии вычислительной техники криптография вовсе не игнорировалась. Процесс шифрования сообщения с помощью компьютера почти не отличается от шифрования без компьютера, но есть три основных отличия. Во-первых, компьютер можно запрограммировать для имитации работы обычной шифровальной машины, например, с 1000 роторами, что избавляет от необходимости физически создавать такие устройства. Во-вторых, компьютер работает только с двоичными числами и, следовательно, все шифрование будет происходить на этом уровне (даже если числовая информация потом снова будет расшифрована в текст). И в-третьих, компьютеры очень быстро работают с вычислениями и расшифровывают сообщения.

Первый шифр, предназначенный для того, чтобы воспользоваться потенциалом компьютеров, был разработан в 1970-х гг. Например, «Люцифер», шифр, который разделял текст на блоки по 64 бита и зашифровывал некоторые из них с помощью сложной подстановки, а затем группировал их снова в новый блок зашифрованных битов и повторял процесс. Для работы такой системы было необходимо, чтобы отправитель и получатель имели компьютеры с одной и той же программой шифрования, а также общий цифровой ключ. 56-битная версия шифра «Люцифер», названная DES, была разработана в 1976 г. DES (Data Encryption Standard — «стандарт шифрования данных») по-прежнему используется в наши дни, хотя этот шифр был взломан в 1999 г. и заменен 128-битным AES (Advanced Encryption Standard) в 2002 г.

Без сомнения, такие алгоритмы шифрования сполна использовали вычислительную мощность компьютеров, но, как и их предшественники тысячелетней давности, компьютерные шифры по-прежнему были уязвимы, поскольку несанкционированный получатель мог перехватить ключ и, зная алгоритм шифрования, расшифровать сообщение. Этот основной недостаток каждой «классической» криптографической системы известен как проблема распределения ключей.

Проблема распределения ключей

Всем известно, что для обеспечения безопасности кода ключи шифрования должны быть защищены надежнее, чем алгоритм. Тогда возникает проблема: как безопасно распределять ключи. Даже в простых случаях это является серьезной проблемой логистики, например, как распределить тысячи шифровальных книг среди радистов большой армии, или как доставить книги в мобильные центры связи, работающие в экстремальных условиях, такие как станции на подводных лодках или штабы на линии фронта. Какой бы сложной ни была классическая система шифрования, она остается уязвимой, так как соответствующие ключи могут быть перехвачены.

Алгоритм Диффи — Хеллмана

Сама концепция безопасного обмена ключами может показаться противоречивой: как вы можете послать ключ в виде сообщения, которое уже как-то зашифровано?

Ключом, переданным заранее обычным способом? Однако, если ключами действительно несколько раз обменивались, то решение проблемы можно себе представить — по крайней мере, на теоретическом уровне.

Предположим, что отправитель по имени Джеймс шифрует сообщение с помощью своего ключа и посылает результат получателю по имени Питер, который повторно шифрует зашифрованное послание своим ключом и возвращает его отправителю. Джеймс расшифровывает сообщение своим ключом и посылает назад результат, т. е. текст, в данный момент зашифрованный только ключом Питера, который его расшифровывает. Казалось бы, вековая проблема безопасного обмена ключами решена! Неужели это правда? К сожалению, нет. В любом сложном алгоритме шифрования порядок применения ключей имеет решающее значение, а в нашем примере мы видим, что Джеймс расшифровывает сообщение, которое уже зашифровано другим ключом. Когда порядок ключей меняется, результат будет абракадаброй. Вышеизложенный пример не объясняет теории подробно, но он дает подсказку к решению проблемы. В 1976 г. два молодых американских ученых, Уитфилд Диффи и Мартин Хеллман, нашли способ, при котором два человека могут обмениваться зашифрованными сообщениями без всякого обмена секретными ключами. Этот метод использует модульную арифметику, а также свойства простых чисел. Идея заключается в следующем.

* * *

АВТОРЫ АЛГОРИТМА

Уитфилд Диффи родился в 1944 г. в Соединенных Штатах. Получив степень бакалавра математики в Массачусетском технологическом институте (МП), он с 2002 по 2009 гг. работал главой службы безопасности и вице-президентом компании Sun Microsystems (в Калифорнии).

Инженер Мартин Хеллман родился в 1945 г. и работал в IBM и Массачусетском технологическом институте, где сотрудничал с Диффи.

Уитфилд Диффи

* * *

1. Джеймс выбирает число, которое он держит в секрете. Мы обозначим это число Nj1

2. Питер выбирает другое случайное число, которое он тоже держит в секрете. Мы обозначим это число Np1

3. Затем и Джеймс, и Питер применяют к своим числам функцию вида f(x) = ах (mod р) где р — простое число, известное им обоим.

∙ После этой операции Джеймс получает новое число, Nj2, которое он посылает Питеру.

∙ А Питер посылает Джеймсу свое новое число Np2

4. Джеймс вычисляет NNj1p2 (mod р) и получает новое число Сj.

5. Питер вычисляет NNp1j2 (mod р) и получает новое число Ср.

Хотя это кажется невозможным, но числа Сj и Ср являются одинаковыми. И теперь у нас есть ключ. Заметим, что Джеймс и Питер обменивались информацией только тогда, когда они выбрали функцию f(x) = ах (mod р) и послали друг другу числа Nj2 и Np2. Ни то, ни другое не является ключом, поэтому перехват этой информации не будет угрожать безопасности системы шифрования. Ключ этой системы имеет следующий вид:

aNj1∙Np1  (mod p).

Важно также учесть, что данная функция имеет одну особенность: она необратима, то есть зная саму функцию и результат ее применения к переменной х, невозможно (или, по крайней мере, очень сложно) найти исходное значение х.

Далее, чтобы пояснить идею, мы повторим процесс с конкретными значениями.

Возьмем следующую функцию:

f(x) = 7х (mod 11).

1. Джеймс выбирает число, NJ1 например, 3, и подставляет в функцию f(3) = 7^3   2 (mod 11).

2. Питер выбирает число, Np1 например, 6, и подставляет в функцию f(6) = 7^6  4 (mod 11).

3. Джеймс посылает Питеру свой результат, 2, а Питер Джеймсу — свой, 4.

4. Джеймс считает 4^3  9 (mod 11).

5. Питер считает 2^6  9 (mod 11).

Это число, 9, и будет ключом системы.

Джеймс и Питер обменялись функцией f(х) и числами 2 и 4. Будет ли эта информация полезна злоумышленнику? Допустим, злоумышленник знает и функцию, и числа. Тогда он должен найти Nj1 и Np1 по модулю 11, где Nj1 и Np1 — такие числа, которые и Джеймс, и Питер держат в секрете даже друг от друга. Если шпиону удастся узнать эти числа, он получит ключ, лишь вычислив aNj1∙Np1  по модулю р. Решение уравнения вида у = ах, кстати, в математике называется дискретным логарифмом.

Например, в случае:

f(х) = 3х (mod 17),

зная, что 3х = 15 (mod 17), и пробуя различные значения х, мы получим, что х = 6.

Алгоритмы этого типа и задачи с дискретным логарифмом не получали должного внимания вплоть до начала 1990 гг., и лишь в последнее время эти методы начали разрабатываться. В приведенном выше примере число 6 является дискретным логарифмом числа 15 с основанием 3 по модулю 17.

Особенностью этого типа уравнений, как мы уже говорили, является сложность обратного процесса — они асимметричны. Если р больше 300, а число а больше 100, решение — и, следовательно, взлом ключа — становится крайне сложной задачей.

* * *

ВИРУСЫ И БЭКДОРЫ

Даже самый безопасный шифр с открытым ключом зависит от закрытого ключа, который держится в секрете. Следовательно, если компьютерный вирус заражает компьютер, находит и передает этот закрытый ключ, вся система шифрования сводится на нет. В 1998 г. стало известно, что одна швейцарская компания, лидер в области производства и распространения криптографических продуктов, включала в свои продукты бэкдоры («черные ходы»), которые обнаруживали закрытые ключи пользователей и пересылали их компании. Часть этой информации передавалась правительству Соединенных Штатов, которое, таким образом, могло читать сообщения, посылаемые инфицированными компьютерами.

* * *

Этот алгоритм является основой современной криптографии. Диффи и Хеллман представили свою идею на Национальной компьютерной конференции, на семинаре, который можно назвать поворотным. В полном объеме их работу можно почитать на www.cs.berkeley.edu/~christos/classics/diffiehellman.pdf, статья с названием «Новые направления в криптографии».

Алгоритм Диффи — Хеллмана продемонстрировал возможность создания криптографического метода, который не требует обмена ключами, хотя, как ни парадоксально, использует открытую связь — передачу пары первых чисел, которые служат для определения ключа.

Иными словами, это дало возможность иметь надежную систему шифрования между отправителем и получателем, которым нет необходимости встречаться и договариваться о секретном ключе. Однако некоторые проблемы все же существуют: если Джеймс хочет послать сообщение Питеру в то время, когда Питер, например, спит, ему придется подождать, когда его коллега проснется, чтобы завершить процесс генерации ключа.

Пытаясь найти новые, более эффективные алгоритмы, Диффи придумал систему, в которой ключ для шифрования отличается от ключа, используемого для расшифровки, и, следовательно, они никак не могут быть получены один из другого.

В этой теоретической системе отправитель имеет два ключа: для шифрования и для расшифровки. Из этих двух отправитель делает открытым только первый, чтобы любой человек, желающий отправить ему сообщение, мог зашифровать его. Получив это сообщение, отправитель расшифрует его, используя второй ключ, который, конечно, останется в тайне. Возможно ли использовать такие системы на практике?

Простые числа спешат на помощь: алгоритм шифрования RSA

В августе 1977 г. знаменитый американский писатель и популяризатор науки Мартин Гарднер озаглавил свою колонку по занимательной математике в журнале Scientific American так: «Новый вид шифра, на расшифровку которого потребуются миллионы лет». После объяснения принципа системы шифрования с открытым ключом он показал само зашифрованное сообщение и открытый ключ N, используемый в этом шифре:

Гарднер призвал читателей попробовать расшифровать сообщение, используя предоставленную информацию, и даже дал подсказку: для решения необходимо разложить число N на простые множители р и q. Более того, Гарднер назначил приз в размере $100 (приличная сумма на тот момент) тому, кто первым получит правильный ответ. Каждый, кто захочет побольше узнать о шифре, писал Гарднер, может обратиться к создателям шифра — Рону Ривесту, Ади Шамиру и Лену Адлеману из Лаборатории информации Массачусетского технологического института.

Правильный ответ был получен лишь через 17 лет. Он стал результатом сотрудничества более чем 600 человек. Ключами оказались р = 32769132993266 709549961988190834461413177642967992942539798288533 и q = 3490529510847650949147849619903898133417764638493387843990820577, а зашифрованная фраза звучала так: «Волшебные слова — это брезгливый ягнятник».

Алгоритм, представленный Гарднером, известен как RSA — буквенная аббревиатура от фамилий Rivest (Ривест), Shamir (Шамир) и Adleman (Адлеман). Это первое практическое применение придуманной Диффи системы шифрования с открытым ключом, которая повсеместно используется и по сей день. Надежность ее практически гарантирована, потому что процесс расшифровки является невероятно сложным, почти невозможным делом. Далее мы рассмотрим основы этой системы в упрощенной форме.

Подробнее об алгоритме RSA

Алгоритм RSA основан на некоторых свойствах простых чисел, о которых заинтересованный читатель может подробнее прочитать в Приложении. Мы ограничимся здесь изложением простых фактов, лежащих в основе алгоритма.

• Количество натуральных чисел, меньших n и взаимно простых с n, называется функцией Эйлера и обозначается как ф(n).

• Если n = p∙q, где р и q — простые числа, то ф(n) = (р — 1)(q — 1).

• Из малой теоремы Ферма мы знаем, что если а — целое число, большее нуля, и р — простое число, то ар-1  1 (mod р).

• Согласно теореме Эйлера, если НОД (n, а) = 1, то аф(n)  1 (mod n).

Как уже упоминалось, система шифрования называется «с открытым ключом», потому что ключ шифрования доступен любому отправителю, желающему передавать сообщения. Каждый получатель имеет свой открытый ключ. Сообщения всегда передаются в виде цифр, будь то ASCII-коды или какая-либо другая система.

Сначала Джеймс вычисляет значение n путем умножения двух простых чисел р и q (n = pq) и выбирает значение е так, чтобы НОД (ф(n), е) = 1. Напомним, что ф(n) = (р — 1)(q — 1). Данные, которые являются открытыми, — это значение n и значение е (ни при каких обстоятельствах нельзя выдавать значения р и q). Пара (n, е) является открытым ключом системы, а значения р и q называются RSА-числами. Затем Джеймс вычисляет единственное значение d по модулю ф(n), которое удовлетворяет условию d∙е = 1, то естьd является обратным элементом к числу е по модулю ф(n). Мы знаем, что обратный элемент существует, потому что НОД (ф(n), е) = 1. Это число d является закрытым ключом системы. Со своей стороны, Питер использует открытый ключ (n, е) для шифрования сообщения М с помощью функции М = me (mod n). Получив сообщение, Джеймс вычисляет Md = (me)d (mod n), а это выражение эквивалентно Md = (me)d = m (mod n), что свидетельствует о возможности расшифровать сообщение.

Теперь мы применим эту процедуру к конкретным числовым значениям.

Если р = 3 и q = 11, получим n = 33. Тогда ф(33) = (3–1)∙(11—1) = 20.

Джеймс выбирает е, не имеющее общего делителя с 20, например, е = 7. Открытый ключ Джеймса (33,7).

• Джеймс также вычислил закрытый ключ d, который является обратным элементом к числу 7 по модулю 20, а именно число d = 3, так как 7∙3  1 (mod 20).

• Питер, имея открытый ключ, хочет отправить нам сообщение «9». Чтобы зашифровать это сообщение, он использует открытый ключ Джеймса и вычисляет:

9^7  = 4 782969  15 (mod 33).

Зашифрованное сообщение имеет вид «15». Питер посылает его нам.

Джеймс получает сообщение «15» и расшифровывает его следующим образом:

15^3  = 3375  9 (mod 33).

Сообщение расшифровано правильно.

Если мы выбираем большие простые числа р, q, то вычисления в алгоритме RSA становятся такими сложными, что нам придется использовать компьютер. Например, если р = 23 и q = 17, то n = 391. Открытым ключом при выбранном е = 3 будет пара (391,3). Тогда d = 235. Для простого сообщения «34» операция расшифровки будет выглядеть так:

204^235  34 (mod 391).

Обратите внимание на степень числа и представьте себе гигантское количество расчетов, необходимых для нахождения этого решения.

Почему мы можем доверять алгоритму RSA

Потенциальный шпион располагает значениями n и е, потому что они являются открытыми. Чтобы расшифровать сообщение, ему нужно также значение d, т. е. закрытый ключ. Как мы показали в предыдущем примере, значение d получается из n и е. Чем же обусловлена безопасность? Напомним, что для построениям/ необходимо знать ф(n) = (р — 1)(q — 1), в частности, р и q. Для этого «достаточно» разложить n на простые множители р и q. Проблема для шпиона заключается в том, что разложение большого числа на простые множители является медленным и трудоемким процессом. Если n достаточно большое (состоящее более чем из 100 цифр), не существует известных способов нахождения р и q за разумное количество времени. В настоящее время простые числа, используемые для шифрования чрезвычайно конфиденциальных сообщений, состоят более чем из 200 цифр.

Приемлемая конфиденциальность

Алгоритм RSA требует много машинного времени и очень мощных процессоров.

До 1980-х гг. только правительства, армия и крупные предприятия имели достаточно мощные компьютеры для работы с RSA. В результате у них была фактически монополия на эффективное шифрование. Летом 1991 г. Филипп Циммерман, американский физик и борец за сохранение конфиденциальности, предложил бесплатную систему шифрования PGP (Pretty Good Privacy — «достаточно хорошая степень конфиденциальности»), алгоритм которой мог работать на домашних компьютерах.

PGP использует классическое симметричное шифрование, что и обеспечивает ей большую скорость на домашних компьютерах, но она шифрует ключи по асимметричному алгоритму RSA.

Циммерман объяснил причины этой меры в открытом письме, которое заслуживает быть процитированным здесь, по крайней мере, частично из-за пророческого описания того, как мы живем, работаем и общаемся два десятилетия спустя.

«Это личное. Это конфиденциальное. И это только ваше дело и ничье другое.

Вы можете планировать политическую кампанию, обсуждать ваши налоги или иметь тайную любовную связь. Или вы можете заниматься тем, что вам не кажется незаконным, хотя таковым является. Что бы то ни было, вы не хотите, чтобы ваши личные электронные письма или конфиденциальные документы были прочитаны кем-то еще. Нет ничего плохого в том, чтобы охранять вашу частную жизнь. Частная жизнь неприкосновенна, как Конституция…

Мы движемся к будущему, где мир будет опутан волоконно-оптическими сетями высокой емкости, связывающими наши повсеместно распространенные персональные компьютеры. Электронная почта станет нормой для всех, а не новинкой, как сегодня. Правительство будет защищать наши электронные сообщения государственными протоколами шифрования. Наверное, большинство людей примет это. Но, возможно, некоторые захотят иметь свои собственные защитные меры… Если конфиденциальность признать вне закона, только люди вне закона будут ею обладать.

Спецслужбы обладают лучшими криптографическими технологиями. Как и торговцы оружием и наркотиками. Как и военные подрядчики, нефтяные компании и другие корпорации-гиганты. Но обычные люди и общественные организации практически не имеют недорогих защитных криптографических технологий с открытым ключом. До сих пор не имели.

PGP дает людям возможность самим защищать свою конфиденциальность. Сегодня существует растущая социальная потребность в этом. Вот почему я написал PGP».

Из слов Циммермана мы видим, что жизнь в век информации сопряжена с угрозой нашим традиционным представлениям о частной жизни. Следовательно, глубокое понимание кодирования и механизмов шифрования, используемых вокруг нас, не только делает нас мудрее, но также может оказаться чрезвычайно полезным, когда речь идет о защите того, что для нас особенно ценно.

PGP с момента его создания становится все более популярным и представляет собой наиболее важный инструмент шифрования, доступный сегодня частным лицам.

* * *

БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛЯ ВСЕХ

Филипп Циммерман, родившийся в 1954 г., американский физик и инженер-программист, стоявший у истоков движения, которое стремится сделать современную криптографию доступной для всех. Кроме разработки системы PGP он в 2006 г. создал Zfone — программу для безопасной голосовой связи через Интернет. Он является президентом альянса OpenPGP, выступающего за открытое программное обеспечение.

Проверка подлинности сообщений и ключей

Различные системы шифрования с открытым ключом — или сочетающие открытые и закрытые ключи, как, например, PGP — обеспечивают высокий уровень конфиденциальности при передаче информации. Тем не менее, безопасность сложных систем связи, таких как интернет, заключается не только в конфиденциальности.

До появления современных коммуникационных технологий подавляющее большинство сообщений приходило от известных адресатов: от членов семьи, от друзей или от партнеров по бизнесу. Сегодня, однако, на каждого человека обрушивается лавина сообщений из множества источников. Подлинность этих сообщений часто невозможно определить исходя лишь из их содержания, со всеми вытекающими проблемами. Например, как мы можем предотвратить фальсификацию адреса электронной почты отправителя?

Диффи и Хеллман сами предложили гениальный способ использования шифрования с открытым ключом для проверки подлинности сообщения. В криптографических системах такого типа отправитель шифрует сообщение с помощью открытого ключа получателя, который в свою очередь использует свой закрытый ключ для расшифровки сообщения. Диффи и Хеллман заметили, что RSA и другие подобные алгоритмы обладают интересной симметрией. Закрытый ключ также можно использовать для шифрования сообщения, а открытый — для расшифровки. Этот подход не усиливает безопасность — ведь открытый ключ доступен для всех — зато получатель может убедиться, что сообщение пришло от определенного отправителя, владельца закрытого ключа. Чтобы проверить подлинность отправителя сообщения, теоретически достаточно добавить к нормальному шифрованию дополнительные шаги.

1. Отправитель шифрует сообщение с помощью открытого ключа получателя. Этот первый шаг гарантирует конфиденциальность.

2. Отправитель снова шифрует сообщение, на этот раз с помощью своего закрытого ключа. Таким образом удостоверяется подлинность сообщения, оно «подписано».

3. Получатель использует открытый ключ отправителя, чтобы расшифровать шифр шага 2. Таким образом проверяется подлинность сообщения.

4. Получатель теперь использует свой закрытый ключ, чтобы расшифровать шифр шага 1.

Хеш-функции

Одна из проблем теоретического процесса, о котором говорилось выше, заключается в том, что шифрование открытым ключом требует значительной вычислительной мощности и времени, и повторять этот процесс для подписания и проверки каждого сообщения было бы чрезвычайно невыгодно. Именно поэтому на практике подписание сообщения осуществляется с помощью математических ресурсов, называемых хеш-функциями. Для каждого оригинального сообщения эти функции генерируют простую цепочку битов (обычно 160), называемых хешем или хеш-кодом. Алгоритм работает таким образом, что вероятность того, что различные сообщения получат один и тот же хеш-код, почти равна нулю. Кроме того, практически невозможно обратить процесс и получить исходное сообщение, имея только хеш-код. Хеш каждого сообщения отправитель шифрует своим закрытым ключом и отправляет вместе с зашифрованным обычным образом исходным сообщением. Получатель расшифровывает с помощью открытого ключа отправителя ту часть сообщения, которая содержит хеш. Далее, определив таким образом хеш-код отправителя, получатель применяет хеш-функцию к полученному основному сообщению и сравнивает два хеша. Если они совпадают, личность отправителя подтверждается, и, кроме того, получатель теперь уверен, что никто не изменил исходное сообщение.

Небольшие различия в содержании сообщения приводят к совершенно разным хеш-кодам. Таким образом, получатель может быть уверен, что текст не был изменен.

Сертификаты открытых ключей

Однако наиболее важной проблемой систем криптографии с открытым ключом является проверка не подлинности сообщения, а подлинности самих открытых ключей. Как отправитель и получатель могут быть уверены, что открытые ключи их партнеров подлинны? Допустим, шпион обманул отправителя, дав ему свой открытый ключ и заставив его поверить, что это ключ получателя. Тогда, если шпиону удастся перехватить сообщение, он может использовать свой закрытый ключ для расшифровки. И чтобы избежать разоблачения, шпион затем использует открытый ключ получателя для повторного шифрования сообщения и отправляет это сообщение первоначальному адресату.

Вот почему существуют государственные и частные организации, занимающиеся независимой сертификацией открытых ключей. Сертификат такого типа содержит, помимо соответствующего ключа, информацию о владельце и сроке действия сертификата. Владельцы этого типа ключей делают свои сертификаты открытыми, чтобы ими можно было обмениваться с определенной степенью безопасности.

* * *

ЦИФРОВАЯ СТЕГАНОГРАФИЯ

Хотя это может показаться парадоксальным, развитие новых технологий привело к возрождению стеганографии. Обычный аудио-файл состоит из 16-битовых значений, воспроизводимых с частотой в 44,1 кГц. Очень просто использовать некоторые из этих битов для передачи секретных данных, так что слушатель вообще не заметит никакой акустической разницы. Файлы изображений также можно использовать для передачи скрытой информации.

Безопасно ли делать покупки через интернет?

Большинство интернет-шпионов и хакеров мало интересуются сообщениями, которыми обмениваются обычные люди, за одним исключением: если сообщения содержат номера кредитных карт. Но существует криптографическая система, которая защищает передачу такой важной информации, известная как TLS (Transport Layer Security — безопасность транспортного уровня). Она была разработана в 1994 г. корпорацией Netscape, занимающейся программным обеспечением для интернета, и была принята в качестве глобального стандарта два года спустя.

Протокол TLS использует как открытые, так и симметричные ключи и представляет собой довольно сложный процесс, который в кратком изложении выглядит так.

Во-первых, веб-браузер интернет-покупателя проверяет, имеет ли интернет-продавец действительный сертификат открытого ключа. Если это так, браузер использует этот открытый ключ для шифрования второго ключа, на этот раз симметричного, который он посылает продавцу. Продавец использует свой закрытый ключ для расшифровки сообщения и получает симметричный ключ, которым будет шифроваться вся обрабатываемая информация. Таким образом, чтобы получить номер кредитной карты при любом интернет-платеже, злоумышленник должен будет взломать не одну, а две системы шифрования.

Глава 6. Квантовое будущее

По словам Филиппа Циммермана (см. «Безопасность для всех» на стр. 108), в «Книге кодов» Саймона Сингха говорится: «Современная криптография дает возможность создать такой шифр, который неуязвим ни для каких существующих форм криптоанализа». Как мы уже отмечали, даже самым быстрым компьютерам не под силу взломать методом перебора всех возможных вариантов такие алгоритмы шифрования, как RSA или DES, и даже такие системы, как, например, PGP. Может, какие-то математические лазейки позволят злоумышленникам упростить криптоанализ? Хотя исключить это предположение нельзя, считается, что такое маловероятно.

Прав ли Циммерман? Разрешился ли длившийся тысячелетиями конфликт между криптографами и криптоаналитиками?

Квантовые вычисления

Ответ на этот вопрос неясен. В последние десятилетия XX в. возникли квантовые вычисления — новый и революционный способ проектирования и управления компьютерами. Пока на теоретическом уровне квантовый компьютер может обладать достаточной вычислительной мощностью для взлома сегодняшних алгоритмов шифрования методом проб и ошибок. Так что криптоанализ еще может нанести ответный удар.

Эта новая техническая революция основана на квантовой механике — теоретической науке, построенной в начале прошлого века такими учеными, как датчанин Нильс Бор (1885–1962), англичанин Поль Дирак (1902–1984), немцы Макс Планк (1858–1947), Вернер Гейзенберг (1901–1976), Эрвин Шрёдингер (1887–1961), и многими другими. Устройство Вселенной, постулируемое квантовой механикой, настолько парадоксально, что Альберт Эйнштейн, критикуя эту теорию, как-то воскликнул: «Бог не играет в кости». Несмотря на сомнения Эйнштейна, теория квантовой механики была много раз успешно протестирована, и ее правильность в настоящее время не вызывает сомнений. Большинство ученых считает, что на макроскопическом уровне — то есть на уровне звезд, домов и молекул — Вселенная подчиняется законам классической физики. Однако в квантовом мире — на уровне элементарных частиц, таких как кварки, фотоны, электроны и т. д. — действуют совсем другие законы, приводящие к поразительным парадоксам. Без этой теории не существовало бы ни ядерных реакторов, ни лазерных считывающих устройств. Не было бы никакого способа объяснить свечение солнца или работу ДНК.

Нильс Бор (слева) и Макс Планк, основатели квантовой физики, на фотографии, сделанной в 1930 г.

Кот, ни живой ни мертвый

На семинаре по квантовой физике, состоявшемся в 1958 г., Бор так ответил одному из выступающих: «Мы все согласны с тем, что эта теория является бредовой. Вопрос, который нас разделяет, состоит в том, является ли она бредовой настолько, чтобы иметь шанс оказаться правильной». Насколько, на самом деле, бредова квантовая механика? Возьмем, например, принцип суперпозиции состояний. Частица находится в суперпозиции состояний, если в один и тот же момент она находится в двух различных положениях или когда она одновременно имеет различное количество энергии. Однако когда наблюдатель производит измерения, частица всегда выбирает одно состояние или обладает определенным количеством энергии. Шрёдингер предложил мысленный эксперимент, известный как «кот Шрёдингера», чтобы проиллюстрировать этот очевидно парадоксальный принцип. Пусть в закрытом непроницаемом ящике находится кот. Внутри ящика имеется колба с ядовитым газом, связанная специальным устройством с радиоактивной частицей, так что если частица распадается, газ выходит из колбы и кот умирает. Вероятность того, что эта частица распадется в течение определенного периода времени, составляет 50 %. Эксперимент с такими параметрами зависит от поведения частицы и подчиняется законам квантовой физики.

«Кот Шрёдингера» — мысленный эксперимент, иллюстрирующий один из принципов квантовой теории, а именно принцип суперпозиции состояний.

Допустим, что определенный период времени прошел. Вопрос: жив кот или мертв? Или, на языке квантовой механики, в каком состоянии находится система «ящик-кот»? Ответ на этот вопрос состоит в том, что пока наблюдатель не откроет ящик и не «измерит» состояние системы, частица может находиться в суперпозиции состояний: быть распавшейся и нераспавшейся. Значит, и система находится в суперпозиции состояний: кот, строго говоря, может быть и жив, и мертв одновременно.

Для тех, кто считает суперпозицию состояний надуманной гипотезой, важно отметить, что многими уважаемыми физиками были предложены альтернативные теории. Например, теория, известная как гипотеза возможных миров, утверждает, что понятие суперпозиции состояний — неприемлемый тезис, а на самом деле происходит вот что: для каждого из возможных состояний частицы — будь то положение, количество энергии и т. д. — существует альтернативная вселенная, где частица находится в одном конкретном состоянии. Другими словами, в одной вселенной кот в ящике жив, а в другой — мертв. Когда наблюдатель открывает ящик и убеждается, что его маленький дружок на самом деле жив, он делает это, находясь в одной из возможных вселенных. В другой параллельной вселенной — вместе с ее звездами, планетами, вокзалами и муравьями — этот же наблюдатель заглядывает в ящик и обнаруживает, к своему горю, что кот отравился смертельным ядом. Однако сторонники гипотезы возможных миров до сих пор не объяснили, как эти миры взаимодействуют друг с другом. Несмотря на это, теория показывает, что вопрос заключается лишь в интерпретации того, почему квантовая реальность ведет себя подобным образом, а не в самом поведении, которое подтверждено многочисленными убедительными экспериментами.

От бита к кубиту

Какая, однако, связь между суперпозицией состояний частиц и вычислениями, не говоря уже о криптографии? До 1984 г. никто даже не думал о связи между этими двумя областями. Примерно в то же время британский физик Дэвид Дойч выступил с революционной идеей: а что было бы, если бы компьютеры подчинялись законам квантовой механики, а не классической физики? Как повлиял бы принцип суперпозиции состояний частиц на вычисления?

Напомним, что обычные компьютеры обрабатывают минимальные единицы информации, называемые битами, допускающими два взаимоисключающих значения: 0 и 1. Квантовый компьютер, с другой стороны, в качестве минимальной единицы информации мог бы работать с частицей, находящейся в двух возможных состояниях. Например, спин электрона может быть направлен либо вверх, либо вниз. Такая частица будет иметь фантастическое свойство: представлять значение 0 (спин вниз) или значение 1 (спин вверх). По принципу суперпозиции состояний она может представлять оба значения одновременно. Эта новая единица информации получила название кубит (сокращение от «квантовый бит»), и работа с такими единицами открывает двери в мир супермощных компьютеров.

Обычный компьютер выполняет вычисления последовательно. Возьмем в качестве примера цифровую информацию, содержащуюся в 32 битах. С таким количеством битов мы можем закодировать числа от 0 до 4292967295. Обычный компьютер, чтобы найти определенное число из этой группы, должен будет перебирать бит за битом. Однако квантовый компьютер может выполнить задачу гораздо быстрее.

Чтобы проиллюстрировать это, представим, что в специальном контейнере находятся 32 электрона в суперпозиции состояний. Применяя достаточно сильные электрические импульсы, мы можем изменить спин электрона сверху вниз. Тогда эти 32 электрона — кубиты нашего квантового компьютера — будут представлять все возможные комбинации спина вверх (1) и спина вниз (0) одновременно. В результате поиск нужного числа выполняется за один раз, так как находит все возможные варианты. Если мы увеличим количество кубитов до, например, 250, количество одновременных операций, которые могут быть выполнены, составит примерно 10^75 — чуть больше, чем предполагаемое число атомов в нашей Вселенной.

Работы Дойча доказали, что квантовые компьютеры теоретически возможны.

Над тем, чтобы они в один прекрасный день стали реальностью, работают десятки институтов и исследовательских групп по всему миру. До сих пор, однако, не удалось преодолеть технические трудности и построить устойчивый квантовый компьютер.

Некоторые эксперты полагают, что потребуется еще 15 или 25 лет, чтобы достичь этой цели, другие сомневаются, что это вообще возможно.

* * *

«БОЛЬШОЙ БРАТ» XXI ВЕКА.

Результатом создания жизнеспособного квантового компьютера станет не просто крах современной криптографии. Такая вычислительная мощность на службе государственных или частных интересов может сместить баланс сил в мире. Битва за то, чтобы стать первой страной, развившей такие технологии, может легко превратиться в еще одну технологическую гонку, похожую на гонки второй половины XX в.: за выход в космос и гонку вооружений. Логично предположить, что любой прогресс в этой области будет держаться в тайне из соображений национальной безопасности. Может, в каком-то уголке мира, в холодных подземных туннелях, уже готов к запуску квантовый компьютер, который навсегда изменит нашу жизнь?

ПРОЩАЙ, DES, ПРОЩАЙ

Через два года после того, как Шор продемонстрировал, что квантовый компьютер может взломать шифр RSA, другой американец, Лов Гровер, сделал то же самое с еще одним столпом современной криптографии, алгоритмом DES. Гровер разработал программу, которая позволила квантовому компьютеру найти правильное числовое значение из списка возможных значений за время, равное квадратному корню из времени, которое нужно для этого обычному компьютеру. Другой широко используемый алгоритм, который станет жертвой квантового компьютера, — это RC5, стандарт, используемый в браузерах компании Microsoft.

Конец криптографии?

Квантовые вычисления приведут к смерти современной криптографии. Возьмем в качестве примера звезду современных алгоритмов шифрования — RSA. Напомним, чтобы взломать шифр RSA методом перебора всех возможных вариантов, нужно разложить на множители произведение двух очень больших простых чисел.

Эта операция чрезвычайно трудоемкая, и пока не существует математической лазейки для ее решения. Может ли квантовой компьютер взять на себя задачу разложения числа на простые числа, которые использует шифр RSA? Американский ученый Питер Шор в 1994 г. дал на этот вопрос утвердительный ответ. Шор разработал алгоритм для квантового компьютера, способный разложить большие числа на множители за намного меньшее время, чем самый мощный обычный компьютер.

Если это поразительное устройство когда-либо будет построено, алгоритм Шора кирпичик за кирпичиком разрушит мощное криптографическое здание, построенное на RSA, и наступит день, когда вся самая тайная информация на планете станет явной. Все современные системы шифрования постигнет та же участь. Но, перефразируя Марка Твена, мы можем сказать, что слухи о смерти криптоанализа «сильно преувеличены».

Квантовая механика взяла, квантовая механика дала

Одной из основ квантовой механики является принцип неопределенности, открытый Вернером Гейзенбергом в 1927 г. Хотя его точная формулировка очень сложна, сам Гейзенберг обобщил его следующим образом: «Мы в принципе не можем знать настоящее во всех подробностях». Более точно: невозможно определить с любой степенью точности те или иные свойства частицы в любой момент времени. Возьмем, например, частицы света (фотоны). Одной из их основных характеристик является поляризация — технический термин, связанный с колебаниями электромагнитных волн. [Хотя фотоны поляризованы во всех направлениях, в нашем примере мы будем считать, что они имеют поляризацию четырех типов: вертикальную , горизонтальную , по диагонали слева направо вниз , по диагонали слева направо вверх . Принцип Гейзенберга утверждает, что для определения поляризации фотона нужно пропустить его через фильтр, или «щель», которая, в свою очередь, может быть горизонтальной, вертикальной и диагональной: слева направо вниз или слева направо вверх. Фотоны, поляризованные горизонтально, пройдут горизонтальный фильтр без изменений, а поляризованные вертикально этот фильтр не пройдут. Что касается фотонов, которые поляризованы по диагонали, то половина из них пройдет через этот фильтр, поменяв поляризацию с диагональной на горизонтальную, а другая половина этот фильтр не пройдет. Это будет происходить случайным образом. Более того, после того как фотон пройдет фильтр, невозможно будет с уверенностью сказать, какова была его первоначальная поляризация.

Если мы пропустим ряд фотонов с различной поляризацией через горизонтальный фильтр, то увидим, что половина фотонов, поляризованных по диагонали, пройдет через фильтр, поменяв поляризацию на горизонтальную.

Какова связь между поляризацией фотонов и криптографией? Очень существенная, как мы увидим ниже. Для начала представим себе исследователя, который хочет определить поляризацию ряда фотонов. Для этого он выбирает фильтр с фиксированной ориентацией, например, горизонтальный. Предположим, что фотон прошел через фильтр. Какой вывод может сделать наш исследователь? Конечно, он может сказать, что исходная поляризация фотона не была вертикальной. А может он сделать другие предположения? Нет. Казалось бы, можно подумать, что более вероятно, что этот фотон был поляризован по горизонтали, а не по диагонали, потому что половина фотонов, поляризованных по диагонали, не проходит через фильтр.

Но зато число фотонов, поляризованных по диагонали, в два раза больше, чем с горизонтальной поляризацией. Важно подчеркнуть, что трудность определения поляризации фотона заключается не в каких-то технологических или теоретических проблемах, которые могут быть устранены в будущем; трудность является следствием самой природы мира частиц. Если использовать этот эффект надлежащим образом, то можно создать совершенно неуязвимый шифр, «святой грааль» криптографии.

Неуязвимый шифр

В 1984 г. американец Чарльз Беннет и канадец Жиль Брассар выдвинули идею системы шифрования на основе передачи поляризованных фотонов. Сначала отправитель и получатель договариваются, как разным поляризациям поставить в соответствие 0 или 1. В нашем примере это будет функцией двух видов поляризации: первый вид, называемый прямолинейной поляризацией и обозначаемый символом +, где 1 соответствует вертикальной поляризации , а 0 — горизонтальной , второй вид, называемый диагональной поляризацией и обозначаемый символом х, ставит в соответствие 1 диагональную поляризацию слева направо вверх , а 0 — диагональную поляризацию слева направо вниз .

Например, сообщение 0100101011 будет передано следующим образом:

Если шпион перехватит передачу, ему придется использовать фильтр с фиксированной ориентацией х:

Как мы видим, не зная изначального вида поляризации, шпион не может извлечь полезную информацию из поляризации, определенной фильтром. Даже зная правило соответствия 0 и 1, используемое отправителем и получателем, шпион будет ошибаться в трети из случаев, в которых вид поляризации выбирается случайным образом (в таблице показаны все возможные комбинации при описанных условиях). Однако проблема заключается в том, что получатель находится не в лучшем положении, чем шпион.

Хотя отправитель и получатель могут обойти эту проблему, послав друг другу последовательность видов поляризаций с помощью какого-то защищенного метода, например, RSA шифрования, но тогда шифр будет уязвим для гипотетических квантовых компьютеров.

Чтобы преодолеть это последнее препятствие, Брассару и Беннету пришлось усовершенствовать свой метод. Если читатель помнит, ахиллесовой пятой полиалфавитных шифров, таких как квадрат Виженера, являлось использование коротких повторяющихся ключей, из-за которых в шифре возникали закономерности, что создавало небольшую, но достаточную возможность для криптоаналитика взломать шифр. Но что было бы, если бы ключ представлял собой случайный набор символов и был длиннее, чем само послание, а каждое сообщение, даже самое незначительное, для большей безопасности было бы зашифровано другим ключом? Тогда бы у нас получился неуязвимый шифр.

Первым человеком, предложившим использовать полиалфавитный шифр с уникальным ключом, был Джозеф Моборн. Вскоре после Первой мировой войны, будучи начальником службы связи американского криптографического отдела, Моборн придумал блокнот с ключами, каждый из которых содержал более 100 случайных символов. Такие блокноты выдавались отправителю и получателю с инструкцией уничтожать использованный ключ и переходить к следующему. Эта система, известная как шифрблокнот одноразового назначения, является, как мы уже говорили, неуязвимой, и это можно доказать математически. И действительно, самые секретные послания между главами государств шифруются с помощью этого метода.

Если одноразовые шифры блокнота так безопасны, почему же они не используются повсеместно? Почему же мы так беспокоимся из-за квантовых компьютеров и даже занимаемся манипуляциями с фотонами?

Оставив в стороне технические трудности генерации тысяч случайных одноразовых ключей для шифрования такого же количества сообщений, шифрблокнот одноразового назначения имеет такой же недостаток, как и другие классические алгоритмы шифрования: проблему распределения ключей, которую пытается решить современная криптография.

Однако передача информации с помощью поляризованных фотонов является идеальным способом безопасного обмена уникальными ключами. Но прежде чем передавать сообщение, необходимо сделать следующее.

1. Сначала получателю посылают случайную последовательность нулей и единиц через различные, случайным образом выбранные фильтры: вертикальные , горизонтальные , и диагональные .

2. Затем получатель измеряет поляризацию полученных фотонов, случайным образом чередуя прямолинейный (+) и диагональный (х) виды поляризации. Так как он не знает последовательности фильтров, используемых отправителем, большая часть нулей и единиц будет определена неправильно.

3. Наконец, отправитель и получатель связываются друг с другом в любой удобной им форме, не беспокоясь о безопасности канала, и обмениваются следующей информацией: во-первых, отправитель объясняет, какой вид поляризации — прямолинейный или диагональный — нужно использовать для каждого фотона, не раскрывая самой поляризации фотона (то есть не говоря, какой именно использовался фильтр). Со своей стороны получатель сообщает, в каких случаях он правильно определил вид. Как видно из предыдущей таблицы, если у отправителя и получателя виды поляризации совпали, можно быть уверенным, что нули и единицы переданы правильно. Наконец, уже в частном порядке каждый из них отбрасывает биты, соответствующие фотонам, для которых получатель неправильно определил вид поляризации.

* * *

ВАВИЛОНСКОЕ ПОСЛАНИЕ

Аргентинский писатель Хорхе Луис Борхес в коротком рассказе «Вавилонская библиотека» описал библиотеку, настолько большую, что на ее полках были все возможные книги: все романы, стихотворения и диссертации, опровержения этих диссертаций, а также опровержения опровержений, и так далее до бесконечности. Криптоаналитик, пытающийся расшифровать методом проб и ошибок послание, зашифрованное с помощью шифрблокнота одноразового назначения, окажется в подобном положении. Так как шифр выбран совершенно случайно, возможные расшифровки будут представлять из себя всевозможные тексты одинаковой длины: реальное сообщение, опровержение этого сообщения, то же сообщение со всеми существительными, замененными на другие той же длины, и так далее до бесконечности.

* * *

В результате этого процесса и отправитель, и получатель будут иметь одну и ту же совершенно случайно сгенерированную последовательность нулей и единиц, так как отправитель случайным образом выбирал поляризационные фильтры, а получатель тоже случайным образом выбирал виды поляризации. На следующем рисунке изображен простой 12-битовый пример описанного процесса.

Обратите внимание, что некоторые окончательные биты отброшены, хотя они были правильно определены. Это потому, что получатель не был твердо уверен в их правильности, так как в тех случаях использовал неправильный вид поляризации.

Если передача содержит необходимое число фотонов, последовательность нулей и единиц будет достаточно длинной, чтобы служить одноразовым ключом шифр-блокнота для шифрования сообщений нормальной длины.

Теперь представим себе шпиона, который перехватил и отправленные фотоны, и открытый разговор отправителя и получателя. Мы уже видели, что, не зная точно, какой поляризационный фильтр был использован отправителем сообщения, невозможно определить, когда поляризация была определена правильно. Открытый разговор отправителя и получателя также бесполезен, потому что в нем никогда не говорится о конкретных фильтрах.

Но самое главное, если шпион ошибется в выборе фильтра и тем самым изменит поляризацию фотонов, его вмешательство сразу будет раскрыто, и он уже ничего не сможет сделать, чтобы остаться незамеченным. Отправителю и получателю стоит только проверить достаточно длинную часть ключа, чтобы обнаружить любые манипуляции с поляризацией фотонов со стороны злоумышленников.

В конце процесса отправитель и получатель договариваются о простой проверке.

Выполнив три предварительных шага, описанных выше, и имея достаточное количество сохраненных битов, отправитель и получатель связываются друг с другом любым удобным способом и вместе проверяют группу битов (скажем, 100), выбранных из общего числа случайным образом. Если все 100 битов совпали, отправитель и получатель могут быть полностью уверены, что ни один шпион не перехватил их передачу, и выбирают некоторую последовательность в качестве одноразового шифра. В противном случае им придется повторить процесс.

32 сантиметра абсолютной секретности

Метод Брассара и Беннета безупречен с точки зрения теории, но когда эту теорию попытались применить на практике, она была встречена очень скептически.

В 1989 г., после более чем года напряженной работы, Беннет построил систему, состоящую из двух компьютеров, расположенных на расстоянии 32 сантиметра друг от друга, один из которых выступал в роли отправителя, а другой — получателя.

После нескольких часов проб и поправок эксперимент был признан успешным. Отправитель и получатель выполнили все этапы процесса, включая проверку шифра. Возможность квантовой криптографии была доказана.

Исторический эксперимент Беннета имел один очевидный недостаток: секрет посылался на расстояние менее шага. Передача шепотом была бы, наверное, столь же эффективна. Однако в последующие годы другие исследовательские группы увеличили это расстояние. В 1995 г. ученые из Университета Женевы использовали оптоволокно для передачи сообщений на 23 километра. В 2006 г. команда из Лос-Аламосской национальной лаборатории в США повторила этот процесс на расстоянии 107 километров. Хотя такие расстояния недостаточны для обычной связи, этот метод уже может быть использован в местах, где строжайшая тайна имеет первостепенное значение, например, в правительственных зданиях и офисах компаний.

Если не брать во внимание соображения, связанные с техническими ограничениями для отправки сообщений, возможность того, что передача будет подслушана, совершенно исключена даже на квантовом уровне. Этот квантовый шифр представляет собой окончательную победу тайны над ее разглашением, криптографов над криптоаналитиками. Все, о чем нам осталось теперь позаботиться — вопрос, во всяком случае, немаловажный — как применять этот мощный инструмент и кто в результате получит наибольшую выгоду.

Приложение

Различные классические шифры и спрятанные сокровища

В этом приложении мы расскажем о различных классических криптографических шифрах, упоминаемых в предыдущих главах, но не описанных там достаточно подробно. Все они представляют различные криптографические методы и интересны даже в качестве развлечения. В завершении мы приведем процесс расшифровки из рассказа американского писателя Эдгара Аллана По, в котором блестяще проиллюстрировано применение частотного криптоанализа.

Шифр Полибия

Этот шифр, один из древнейших, о котором у нас имеется подробная информация, основан на выборе пяти букв алфавита, служащих заголовками строк и столбцов таблицы размером 5 x 5, которая затем заполняется буквами алфавита. Шифр заменяет каждую букву алфавита парой букв, являющихся заголовками соответствующих столбца и строки. Первоначально использовался греческий алфавит из 24 букв, поэтому английские буквы I и J, как правило, комбинируются (см. таблицу, приведенную ниже, где для простоты в качестве заголовков используются буквы А — Е).

Таблица заполняется по правилу, о котором договорились отправитель и получатель.

Рассмотрим, например, следующую таблицу:

Заметим, что шифроалфавит состоит из 25 букв (5 х 5). В качестве заголовков можно использовать и цифры (например, 1, 2, 3, 4 и 5). В этом случае таблица имеет вид:

Рассмотрим шифр Полибия на примере этих двух таблиц. Мы будем шифровать сообщение BLANKS («пробелы»). По первой таблице мы получим:

В заменяется парой АВ.

L заменяется парой СА.

А заменяется парой АА.

N заменяется парой СС.

К заменяется парой BE.

S заменяется парой DC.

Зашифрованное сообщение имеет вид ABCAAACCBEDC. Если мы используем таблицу с цифрами, то получим: «123111332543».

Шифр Гронсфельда

Этот шифр, изобретенный голландцем Мостом Максимилианом Бронкхорстом, графом Гронсфельд, использовался в Европе в XVII в. Это полиалфавитный шифр, аналогичный квадрату Виженера, но менее сложный (и менее надежный). Чтобы зашифровать сообщение, рассмотрим следующую таблицу.

Далее, для каждой буквы в нашем сообщении мы выбираем случайным образом число от 0 до 9. Для сообщения MATHEMATICAL («математический») мы выбираем случайным образом 12 чисел, например: 1, 2, 3, 4, 3, 6, 7, 8, 9, 0, 1, 2. Этот набор чисел и будет ключом шифра. Теперь вместо каждой буквы сообщения мы поставим букву из строки с соответствующим номером (см. таблицу на предыдущей странице).

Буква М будет заменена буквой Р (взятой из строки номер 1 в столбце М), и так далее. Мы получим сообщение PFASRDTQKEDQ. Буква А исходного сообщения будет зашифрована как F, Т, и D. Как и для всех полиалфавитных шифров, эта система шифрования устойчива к методу перебора всех возможных вариантов и к частотному анализу. Количество ключей в шифре Гронсфельда для алфавита из 26 букв составляет 26! х 10 = 4,03 х 10 26.

Шифр Плейфера

Создатели этого шифра лорд Лайон Плейфер и сэр Чарльз Уитстон (также изобретатель электромагнитного телеграфа) были друзьями и соседями и разделяли любовь к криптографии. Их метод напоминает знаменитый шифр Полибия и тоже использует таблицу из пяти строк и пяти столбцов. В качестве первого шага каждая буква сообщения заменяется на пару букв в соответствии с ключом из пяти различных букв. В нашем примере эти пять букв будут JAMES. В случае алфавита с 26 символами мы получаем следующую таблицу:

Далее текст сообщения разбивается на пары букв или биграммы. Две буквы каждой биграммы должны быть разными. Чтобы избежать возможных совпадений, мы используем букву X. Мы также используем эту букву, чтобы завершить биграмму в случае, если последняя буква не имеет пары.

Например, сообщение TRILL будет разбито на биграммы следующим образом:

TR IL LX.

А слово TOY — так:

ТО YX.

Разбив текст на биграммы, мы можем начать шифрование, обращая внимание на следующие условия:

а) две буквы биграммы расположены в одной и той же строке;

б) две буквы биграммы расположены в одном и том же столбце;

в) ни одно из вышеперечисленных.

В случае (а) буквы биграммы заменяются буквами, расположенными справа от каждой из них («следующими» в таблице в естественном порядке). Таким образом, пара JE будет зашифрована как AS:

В случае (б) буквы биграммы заменяются буквами, которые находятся следом ниже по таблице. Например, биграмма ЕТ будет зашифрована, как FY, a TY — как YE:

В случае (с), чтобы зашифровать первую букву биграммы, мы смотрим на ее строку, пока не дойдем до столбца, содержащего вторую букву. Результат расположен на пересечении этой строки и этого столбца. Чтобы зашифровать вторую букву, мы смотрим на ее строку, пока не дойдем до столбца, содержащего первую букву.

Результат опять расположен на пересечении этой строки и этого столбца.

Например, в биграмме СО буква С будет заменена буквой G, а буква О — буквой I или К.

Чтобы зашифровать сообщение TEA («чай») с помощью ключевого слова JAMES, мы сделаем следующее.

• Разобьем слово на биграммы: ТЕ АХ.

• Букву Т заменим буквой Y.

• Букву Е — F.

• Букву А — М.

• Букву X — W.

Мы получим зашифрованное сообщение YFMW.

Криптограмма «Золотого жука»

Уильям Легран, главный герой рассказа Эдгара Аллана По «Золотой жук» (1843), определяет, где зарыт клад с сокровищами, расшифровав криптограмму, написанную на куске пергамента. Легран использовал статистический метод, основанный на частоте, с которой буквы алфавита встречаются в английских текстах. Зашифрованное послание выглядело следующим образом:

Легран начал с предположения, что оригинальный текст был написан на английском языке. В английских текстах наиболее часто встречается буква «е». Далее, в порядке уменьшения частоты, идут остальные буквы: а, о, i, d, h, n, r, s, t, u, y, c, f, g, 1, m, w, b, k, p, q, x, z.

Герой рассказа строит по криптограмме таблицу, в первой строке которой расположены символы зашифрованного сообщения, а во второй — частота их появления.

Таким образом, символ «8» скорее всего соответствует букве «е». Затем он ищет повторяющиеся тройки символов, заменившие также довольно распространенное слово «the», что позволяет ему расшифровать символы «;», «,», «4» и «8».

Группа символов «; (88», теперь, когда он знает, что она соответствует «t (ее», позволяет ему определить отсутствующую букву. Это может быть только «r», учитывая, что tree — «дерево» — наиболее вероятное слово в словаре. Наконец, благодаря подобным хитроумным криптографическим допущениям и большому терпению, он получает следующую таблицу с частично расшифрованным алфавитом:

Этого достаточно, чтобы расшифровать сообщение:

«Хорошее стекло в трактире епископа на чёртовом стуле двадцать один градус и тринадцать минут север-северо-восток главный сук седьмая ветвь восточная сторона стреляй из левого глаза мертвой головы прямая от дерева через выстрел на пятнадцать футов».

Простые числа и их значение в криптографии

Настоящая математика не оказывает влияния на войну. Никому еще не удалось обнаружить ни одну военную задачу, которой бы служила теория чисел.

Годфри Харолд Харди, «Апология математика» (1940)

Для расшифровки сообщения важно, чтобы шифр был обратим. Как мы уже видели в случае аффинного шифра, это можно гарантировать, лишь используя простое число в качестве модуля. Более того, произведение простых чисел является практически необратимой функцией, то есть после выполнения умножения разложить произведение на исходные множители является очень трудоемкой задачей.

Такое свойство превращает эту операцию в очень полезный инструмент для систем шифрования, основанных на асимметричных ключах, как, например, RSA-алгоритм, который, в свою очередь, является основой криптографии с открытым ключом. Далее мы более подробно расскажем о связи простых чисел с криптографией и о формальной математической основе алгоритма RSA.

Простые числа и «другая» теорема Ферма

Простые числа — это подмножество натуральных чисел, больших единицы, которые делятся только на единицу и на само себя. Основная теорема арифметики утверждает, что любое натуральное число, большее единицы, всегда можно представить в виде произведения степеней простых чисел, и это представление (факторизация) является единственным. Например:

20 = 2^2∙5

63 = З^2 ∙7

1050 = 2∙3∙5^2∙7.

Все простые числа, кроме числа 2, нечетные. Единственные два последовательных простых числа — это 2 и 3. Нечетные последовательные простые числа — т. е. пары простых чисел, отличающихся на 2 (например, 17 и 19), — называются простыми числами-близнецами. Простые числа Мерсенна и числа Ферма также представляют особый интерес.

Простое число называется числом Мерсенна, если при добавлении единицы получается степень двойки. Например, 7 — число Мерсенна, так как 7 + 1 = 8 = 2^3.

Первые восемь простых чисел Мерсенна выглядят так:

3, 7, 31,127, 8191,131071, 524287, 2147483647.

В настоящее время известно чуть более 40 простых чисел Мерсенна. Самым большим из них является гигантское число: 243112609—1, найденное в 2008 г. Для сравнения, примерное число элементарных частиц во Вселенной меньше, чем 2^300.

Простые числа Ферма — это простые числа вида Fn = 22n + 1, где n — натуральное число.

В настоящее время известно пять простых чисел Ферма: 3 (n = 0), 5 (n = 1), 17 (n = 2), 257 (n = 3) и 65537 (n = 4).

Простые числа Ферма носят имя прославленного французского юриста и математика Пьера де Ферма (1601–1665), который их открыл. Он сделал также другие важные открытия в теории простых чисел. Классической является малая теорема Ферма, которая утверждает: «Если р — простое число, и целое а не делится на р, тоар  a (mod р).»

Этот результат имеет большое значение для современной криптографии, как мы сейчас увидим.

От Эйлера к RSA

Еще один важный результат в модульной арифметике известен как соотношение Везу. Это утверждение гласит, что если а и b — целые положительные числа, тогда уравнение НОД (a, b) = к эквивалентно существованию двух целых чисел р, q, таких что:

pa + qb = k.

В частности, если НОД (a, b) = 1, это соотношение гарантирует существование целых чисел р и q, таких что

pa + qb = 1.

Работая по модулю n, возьмем НОД (а, n) = 1, тогда обязательно существуют целые числа р и q, такие что pa + qn = 1. Так как n — модуль, то qn = 0, следовательно, существует такое р, что pa = 1, то есть существует число, обратное числу а по модулю n, а именно р.

Элементы, имеющие обратный элемент по модулю n, являются натуральными числами, которые меньше, чем n, и удовлетворяют условию НОД (а, n) = 1. Количество таких чисел называется функцией Эйлера и обозначается как ф(n).

Если число n представлено в виде произведения степеней простых чисел следующим образом

Например, если n = 1600 = 26∙5^2, то

Более того, в случае, если n — простое число, то для любого значения а выполняется НОД (а, n) = 1, и, следовательно, любое число а будет иметь обратное по модулю n, значит ф(n) = n — 1.

Итак, подведем итог самым важным фактам.

1. ф(n) называется функцией Эйлера и обозначает количество натуральных чисел, меньших n и взаимно простых с ним.

2. Если n = рq, где р и q простые числа, то

a(n) = (p — 1)(q — 1).

3. Из малой теоремы Ферма мы знаем, что если а — целое число, большее нуля, и р — простое число, то а р   a (mod р), что эквивалентно ар — 1  1 (mod р).

4. Если НОД (а, n) = 1, тогда имеем аф(n)  1 (mod n).

Почему работает RSA-алгоритм?

Математические факты, изложенные выше, лежат в основе алгоритма шифрования RSA.

RSA-алгоритм зашифровывает численное представление m некоторого сообщения с помощью двух простых чисел р и q. Возьмем n = pq. Обозначим за е любое значение, такое что НОД (е, ф(n)) = 1, и пусть d будет обратный элемент числа е по модулю ф(n). [Мы знаем, что он существует, так как НОД (е, ф(n)) = 1]. Тогда:

d∙е = 1 по модулю ф(n).

Зашифрованное послание М шифруется следующим образом: М = mе (mod n).

Алгоритм подразумевает, что исходное сообщение m может быть получено как m = Md = (me)d (mod n). Проверка этого уравнения как раз и демонстрирует работу алгоритма RSA. Мы воспользуемся теоремой Ферма и функцией Эйлера.

Рассмотрим два случая.

1. Если (m, n) = 1, то с функцией Эйлера имеем: mф(n) 1 (mod n).

Начнем с того, что d∙е = 1 по модулю ф(n) эквивалентно соотношению е∙d — 1 = 0 (mod ф(n)) то есть существует целое значение k, такое, что е∙d — 1 = k∙ф(n) или е∙d = k∙ф(n) + 1. Используя это и формулу Эйлера, получим:

(me)d = med = m kф(n)+1= m kф(n)∙m = (m ф(n))k∙m  1km (mod n) = m (mod n).

Это и есть нужный нам результат.

2. Если НОД (m,n) 1 и n = р∙q, тот содержит или только множитель р, или только q, или оба одновременно.

Пусть m содержит только множитель р. Тогда, во-первых, m кратно р, то есть существует целое число r, такое, что m = rр. Поэтому mde  0 (mod р) или mde = m (mod р), другими словами, существует значение А, такое, что:

mde — m = Ар. (1)

Во-вторых, мы имеем:

(me)d = med = mk ф(n)+1 = m k ф(n)∙m = (mф(n))k∙m = (m(q-1))k(p-1)∙m.

Так как НОД (m, n) = р, НОД (m, q) = 1, то по теореме Ферма m(q-1)  1 (mod q).

Подставим это в предыдущее выражение.

(me)d = med = mk ф(n)+1 = m k ф(n)∙m = (mф(n))k∙m = (m(q-1))k(p-1)∙m  1k (р-1)∙m  m (mod q).

Откуда мы заключаем, что существует значение В, такое что:

mde — m = Вq. (2)

Из (1) и (2) следует, что разность (mde — m) делится на n = рq, поэтому

mde — m  0 (mod n).

Аналогично это доказывается для случая, когда m содержит только множитель q.

В случае, когда m кратно и р, и q одновременно, результат тривиален. Следовательно,

(mе)d  m (mod n).

Таким образом, мы продемонстрировали математическую основу алгоритма RSA.

Список литературы

Fernandez, S., Classical Cryptography. Sigma Review No. 24, April 2004.

Garfunkel, S., Mathematics in Daily Life, Madrid, COMAP, Addison-Wesley, UAM, 1998.

Gomez, J., From the Teaching to the Practice of Mathematics Barcelona, Paidos, 2002.

Kahn, D., The Codebreakers: The Story of Secret Writing, New York, Scribner, 1996.

Издание на русском языке: Кан Д. Взломщики кодов. — М.: Центрполиграф, 2000.

Singh, S., The Secret Codes, Madrid, Editorial Debate, 2000.

Tocci, R., Digital Systems: Principles and Applications, Prentice Hall, 2003.

Издание на русском языке: Тончи Р. Цифровые системы. Теория и практика. — М.: Вильямс, 2004.

* * *

Научно-популярное издание

Выходит в свет отдельными томами с 2014 года

Мир математики

Том 2

Жуан Гомес

Математики, шпионы и хакеры.

Кодирование и криптография.

РОССИЯ

Издатель, учредитель, редакция:

ООО «Де Агостини», Россия

Юридический адрес: Россия, 105066,

г. Москва, ул. Александра Лукьянова, д. 3, стр. 1

Письма читателей по данному адресу не принимаются.

Генеральный директор: Николаос Скилакис

Главный редактор: Анастасия Жаркова

Старший редактор: Дарья Клинг

Финансовый директор: Наталия Василенко

Коммерческий директор: Александр Якутов

Менеджер по маркетингу: Михаил Ткачук

Менеджер по продукту: Яна Чухиль

Для заказа пропущенных книг и по всем вопросам, касающимся информации о коллекции, заходите на сайт www.deagostini.ru, по остальным вопросам обращайтесь по телефону бесплатной горячей линии в России:

© 8-800-200-02-01

Телефон горячей линии для читателей Москвы:

© 8-495-660-02-02

Адрес для писем читателей:

Россия, 170100, г. Тверь, Почтамт, а/я 245,

«Де Агостини», «Мир математики»

Пожалуйста, указывайте в письмах свои контактные данные для обратной связи (телефон или e-mail).

Распространение:

ООО «Бурда Дистрибьюшен Сервисиз»

УКРАИНА

Издатель и учредитель:

ООО «Де Агостини Паблишинг» Украина

Юридический адрес: 01032, Украина,

г. Киев, ул. Саксаганского, 119

Генеральный директор: Екатерина Клименко

Для заказа пропущенных книг и по всем вопросам, касающимся информации о коллекции, заходите на сайт www.deagostini.ua, по остальным вопросам обращайтесь по телефону бесплатной горячей линии в Украине:

© 0-800-500-8-40

Адрес для писем читателей:

Украина, 01033, г. Киев, a/я «Де Агостiнi»,

«Мир математики»

Украïна, 01033, м. Кiев, а/с «Де Агостiнi»

БЕЛАРУСЬ

Импортер и дистрибьютор в РБ:

ООО «Росчерк», 220037, г. Минск,

ул. Авангардная, 48а, литер 8/к,

тел./факс: +375 17 331 94 27

Телефон «горячей линии» в РБ:

© + 375 17 279-87-87 (пн-пт, 9.00–21.00)

Адрес для писем читателей:

Республика Беларусь, 220040, г. Минск,

а/я 224, ООО «Росчерк», «Де Агостини»,

«Мир математики»

КАЗАХСТАН

Распространение:

ТОО «КГП «Бурда-Алатау Пресс»

Издатель оставляет за собой право увеличить рекомендуемую розничную цену книг. Издатель оставляет за собой право изменять последовательность заявленных тем томов издания и их содержание.

Отпечатано в соответствии с предоставленными материалами в типографии:

Grafica Veneta S.p.A Via Malcanton 2

35010 Trebaseleghe (PD) Italy

Подписано в печать: 31.07.2013

Дата поступления в продажу на территории России: 28.01.2014

Формат 70 х 100 / 16. Гарнитура «Academy».

Печать офсетная. Бумага офсетная. Печ. л. 4,5.

Уел. печ. л. 5,832.

Тираж: 200 000 экз.

© Joan Gomez, 2010 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2010

© ООО «Де Агостини», 2014

ISBN 978-5-9774-0682-6

ISBN 978-5-9774-0639-0 (т. 2)

Content

Гомес Жуан
«Мир математики»
№ 2
«Математики, шпионы и хакеры. Кодирование и криптография»

Предисловие

Глава 1. Насколько защищена информация?

Глава 2. Криптография от античности до XIX века

Глава 3. Шифровальные машины

Глава 4. Процесс общения посредством нулей и единиц

Глава 5. Общедоступная тайна: криптография с открытым ключом

Глава 6. Квантовое будущее

Приложение

Список литературы