В мир информатики # 87 (1–15 марта).
Криптография

Первые криптографические машины

М.Э. Смолевицкая,
Москва

В газете-вкладке “В мир информатики” был описан ряд методов шифрования текста [1–4]. Думаю, читателей не нужно убеждать в том, что существовали и существуют другие, более сложные (и очень сложные) методы. Ясно также, что чем сложнее шифр, тем труднее отправителю секретного сообщения и его получателю пользоваться им (но зато, конечно, такое сообщение труднее и расшифровать). Поэтому, естественно, были созданы специальные устройства для шифрования и расшифровки текста.

В XVI веке итальянец Альберти впервые выдвинул идею “двойного шифрования” — текст, полученный в результате первого шифрования, подвергался повторному. Реализация такого шифра осуществлялась с помощью шифровального диска, положившего начало целой серии так называемых “многоалфавитных шифров”. Пять подобных шифровальных дисков использовались правительством и армией конфедератов во время гражданской войны в Северной Америке (рис. 1).

Рис. 1

В начале XIX века криптография обогатилась замечательным изобретением. Его автор — первый государственный секретарь, а затем и президент Соединенных Штатов Америки Томас Джефферсон. Шифр реализовывался с помощью специального устройства в виде цилиндра (см. рис. 2), которое впоследствии назвали “шифратором Джефферсона”. В XX веке криптоаналитики США признали высокую стойкость шифра Джефферсона. Они даже назвали его автора “отцом американского шифровального дела”.

Идея Джефферсона возродилась и в России. В 1916 году подпоручиком Попазовым было изготовлено шифровальное устройство, впоследствии названное “Прибор Вави”. Устройство по своей идее было адекватно цилиндру Джефферсона, но вместо дисков на оси имелись 20 колец, надетых на цилиндр вплотную друг к другу, которые могли вращаться на нем.

Рис. 2

В конце XIX века криптография начинает приобретать черты точной науки, ее начинают изучать в военных академиях. Здесь следует отметить роль французской военной академии Сен-Сир, в которой к этому времени был разработан свой собственный военно-полевой шифр и шифровальное устройство, получившее название “Линейка Сен-Сира” (рис. 3).

Рис. 3

Линейка Сен-Сира позволила существенно повысить эффективность труда шифровальщика, облегчить алгоритм реализации шифра. Именно в этой механизации процессов шифрования-дешифрования и заключается вклад авторов линейки в практическую криптографию. Это изобретение получило достаточно широкое распространение.

Яркой фигурой в криптографии XIX века является англичанин Чарльз Бэббидж. Потомкам он известен как “изобретатель вычислительных машин”. Бэббидж еще в юности увлекся криптографией. С годами он приобрел славу лучшего в Англии эксперта по тайнописи. К нему обращались с просьбой о дешифровании самых разных документов: от записок первого британского придворного астронома Дж. Флэмстида и жены короля Карла I Генриетты до писем, фигурировавших в уголовных делах. По каким-то причинам Чарльз Бэббидж не публиковал своих работ ни по криптографии, ни по созданию вычислительных машин. Ученый мир об успехах Бэббиджа узнал только в XX веке, когда исследователи принялись разбирать его обширные архивы. Чарльз Бэббидж впервые дал строгую математическую формализацию основных понятий криптографии. Он предложил алгоритм решения многоалфавитных шифров, многие из которых до этого времени считались “нераскрываемыми”. Ему же принадлежит одна из идей раскрытия систем с использованием “самоключа”, т.е. ключ зависит от открытого текста. Также Бэббидж одним из первых математиков начал применять алгебру в области криптографии.

В XIX веке значительный вклад в криптографию внесла целая плеяда французских специалистов. Офицер французской армии маркиз де Виари изобрел шифровальное устройство с печатающим механизмом. Этьен Базери увлекался историческими шифрами. Ему удалось почти полностью восстановить несложный код Наполеона I, который тот использовал в низовых звеньях своей армии (рис. 4). Также этот код был раскрыт и русскими специалистами.

Рис. 4

В 1924 году изобретатель Александр фон Крыха создал механическую криптографическую машину (рис. 5). Она широко использовалась дипломатами и банкирами разных стран до 1950-х годов. Выпускались три модели: стандартная, карманная, названная “Лилипут”, и электрическая “Крыха” (рис. 6), которая могла кодировать 360 символов в минуту.

Рис. 5

Рис. 6

К ней можно было подключать и телеграфное оборудование фирмы Siemens. Непосредственной предшественницей современных криптографических машин была роторная машина, изобретенная американцем Эдвардом Хепберном в 1917 году и названная впоследствии “Энигмой” (в переводе “загадка”) (рис. 7). “Энигма” работала совместно с электрической пишущей машинкой. Э.Хепберн продолжал проектировать и строить подобные электромеханические роторные машины до окончания Второй мировой войны.

Рис. 7

Независимая промышленная версия “Энигмы” создана чуть позже (в 1923 г.) берлинским инженером Артуром Шербиусом (рис. 8). Поразившись ее надежности, которая основывалась на статистических исследованиях, германское правительство сохранило все права на нее за собой и начало использовать для нужд своих вооруженных сил. Она стала стандартной шифровальной машиной немецкой армии, разведки и полиции. Также она использовалась в высших эшелонах командования армией.

Рис. 8

Иногда для “Энигмы” использовалась отдельная ламповая индикаторная панель, что создавало дополнительный уровень секретности. “Энигма М 4” имела дополнительное устройство печати. Оно представляло собой принтер с печатающим колесом, на котором размещалось 26 букв.

Во время Второй мировой войны было построено около 100 000 машин “Энигма”, которые использовались вооруженными силами Германии для шифрования секретнейших приказов верховного главнокомандования и аппарата полиции. Германские эксперты объявили криптографическую машину “Энигма” верхом совершенства, а закодированные ею тексты — не поддающимися расшифровке разведкой противника.

Однако, как показала практика, они все-таки поспешили с этим заявлением. В канун Второй мировой войны с помощью разведки англичане сумели заполучить ключевую информацию о секретах “Энигмы” и создали ЭВМ “Колосс”. С ее помощью только в период с 1941 по 1945 годы английская разведка расшифровала 338 тысяч перехваченных немецких радиограмм.

Литература

1. Шифр Цезаря. / “В мир информатики” № 2 (“Информатика” № 34/2003).

2. Васильков А.В. Переписка тет-а-тет. / “В мир информатики” № 35 (“Информатика” № 36/2004).

3. Шифр Вижинера. / “В мир информатики” № 53 (“Информатика” № 6/2005).

4. Ярцева О.В. Шифрование табличками. / “В мир информатики” № 63 (“Информатика” № 22/2005).