Саммари книги Книга шифров: краткое содержание

Введение

Любое отправленное сообщение потенциально уязвимо. С древнейших времен люди стремились передавать информацию так, чтобы она оставалась скрытой от посторонних глаз, но каждый новый метод защиты неизбежно привлекал тех, кто пытался его взломать.

Криптография занимается созданием секретных кодов, а криптоанализ изучает методы их преодоления. История секретной связи представляет собой непрерывную гонку вооружений между создателями шифров и дешифровщиками, где победа одной стороны меняла ход войн и судьбы государств.

Вам предстоит проследить эволюцию тайных посланий от примитивных методологий древности до сложных математических алгоритмов современности. Книга раскрывает закулисную борьбу разумов, технологические прорывы и человеческие ошибки, которые приводили к раскрытию самых охраняемых тайн.

В издании подробно рассматриваются следующие вопросы:

• Как простые буквенные замены уступили место сложным механическим машинам?
• Почему гениальные шифры оказывались уязвимы перед лицом математического анализа?
• Какую роль шпионаж и дипломатия играли в противостоянии криптографов?
• Как перехват секретных радиограмм повлиял на исход мировых войн?
• Каким образом математика смогла решить вечную проблему безопасной передачи ключей?
• Что ждет конфиденциальность данных в эпоху квантовых компьютеров?

1. Развитие тайнописи и методы классической криптографии

История шифров представляет собой непрекращающуюся интеллектуальную гонку вооружений между создателями шифров и взломщиками.

Развитие криптографии описывается как эволюционный процесс. Шифр используется до тех пор, пока криптоаналитики не находят его слабое место, после чего он либо заменяется, либо совершенствуется. Процесс напоминает то, как бактерии вырабатывают устойчивость к антибиотикам.

Стеганография против криптографии

Стеганография скрывает само существование сообщения путем его маскировки, тогда как криптография скрывает его смысл с помощью шифрования. Стеганография прячет послания, но при перехвате курьера секрет раскрывается полностью. Криптография оставляет сообщение видимым, но делает его непонятным без ключа.

Греческий изгнанник Демарат предупредил спартанцев о планах Ксеркса в 480 году до н. э. Он написал сообщение на деревянных дощечках и замазал их сверху воском. Для защиты секретов также применялись микроточки диаметром меньше 1 миллиметра.

Перестановка и замена

Основные методы классической криптографии делятся на два типа.

• Перестановка — когда исходные буквы образуют сложную анаграмму.
• Замена — когда буквы заменяются другими символами по определенному правилу.

При перестановке буквы перемещаются, создавая колоссальное количество комбинаций. Предложение из 35 букв дает 50 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 возможных перестановок. Шифр замены предлагает до 400 000 000 000 000 000 000 000 000 возможных вариантов.

Спартанский полководец Лисандр получил предупреждение о нападении Фарнабаза с помощью полоски кожи, намотанной на деревянный цилиндр — скиталу. Юлий Цезарь использовал шифр замены со сдвигом алфавита на 1–25 позиций.

Правило Керкхоффа

Надежность криптосистемы должна зависеть исключительно от секретности ключа, а не от секретности самого алгоритма шифрования. Огюст Керкхофф сформулировал это правило в 1883 году. Алгоритм шифрования может быть известным или угаданным противником. Если ключ хранится в тайне и имеет достаточное количество вариантов, прямой перебор становится невозможным за разумное время.

2. Арабские криптоаналитики и рождение частотного анализа

Арабские ученые совершили прорыв в криптоанализе, применив статистический частотный анализ для взлома одноалфавитных шифров замены.

Труды аль-Кинди

Изучая тексты Корана и подсчитывая частотность появления букв и слов для установления хронологии, ученые поняли, что зашифрованный текст можно взломать без перебора всех ключей. Вы можете сопоставить частоту появления символов в шифротексте со стандартной частотой конкретного языка.

Абу Юсуф Якуб ибн Исхак аль-Кинди описал метод частотного анализа в своем труде по дешифрованию, написанном в IX веке и найденном в Стамбуле.

Расцвет дипломатической криптографии

В эпоху Возрождения в европейских государствах и итальянских городах-государствах расцвела дипломатическая криптография и появились первые профессиональные дешифровальщики. Интенсивные политические интриги потребовали надежной защиты дипломатической переписки. Одновременно с этим возникли службы криптоанализа, сотрудники которых успешно взламывали чужие секреты.

Джованни Соро служил венецианским секретарем-шифровальщиком и успешно дешифровал секретные послания для европейских правителей и Папы Римского. В 1506 году состоялось назначение Джованни Соро в Венеции, а в 1526 году Папа Климент VII направил Соро зашифрованные письма.

Коды и номенклаторы

Коды осуществляют замену на уровне целых слов или фраз, в то время как шифры работают на уровне отдельных букв.

Создание кодовых книг требует огромной работы и неудобно в использовании. Если противник захватит вашу кодовую книгу, это полностью компрометирует всю систему связи. Поэтому на практике шифры и номенклаторы применялись гораздо чаще.

3. Заговор Бабингтона и падение одноалфавитного шифра

Использование слабых одноалфавитных шифров и номенклаторов в тайной переписке привело к раскрытию заговора и казни Марии Стюарт.

Крах переписки Марии Стюарт

Мария Стюарт и Энтони Бабингтон вели тайную переписку, используя номенклатор с заменой букв и кодовыми словами. Государственный секретарь Елизаветы I Фрэнсис Уолсингем перехватывал послания, а криптоаналитик Томас Фелиппес легко взломал шифр с помощью частотного анализа и даже подделывал приписки, что позволило собрать доказательства для смертного приговора.

Гилберт Гиффорд тайно доставлял письма Марии Стюарт в Чартли Холл в затычках пивных бочонков, работая двойным агентом на министра Фрэнсиса Уолсингема.

В 1586 году отправлялись ключевые письма заговора Бабингтона. Перед казнью Мария Стюарт провела 18 лет заключения.

Идеи Альберти и Виженера

Леон Баттиста Альберти предложил использовать несколько шифралфавитов и переходить от одного к другому, чтобы защитить сообщение от частотного анализа. Одинаковые буквы открытого текста при зашифровывании превращаются в разные символы шифртекста, что делает невозможным применение классического частотного анализа. Эту концепцию позже развили Тритемий, Порта и Блез де Виженер.

Альбус Альберти придумал эту идею после случайного разговора в саду Ватикана с папским секретарем Леонардо Дато в 1560-х годах. В 1586 году был опубликован «Трактат о шифрах» Блеза де Виженера.

Омофоны и Великий шифр

Омофонический шифр маскирует частотность букв, выделяя для частых символов большее количество вариантов замены. Часто встречающиеся буквы английского алфавита заменяются на несколько разных символов пропорционально их реальной частоте, выравнивая частотность элементов в шифртексте и усложняя прямой частотный анализ. Например, букве a с частотностью 8 процентов в таблице омофонов может соответствовать восемь различных двузначных чисел, тогда как букве b с частотностью 2 процента достанется меньше вариантов.

«Великий шифр» семьи Россиньолей использовал числа для обозначения целых слогов, а не отдельных букв, что долгое время защищало тайны Людовика XIV. Антуан и Бонавентур Россиньоли создали шифр, оперирующий сотнями чисел: часть из них обозначала слоги, часть — отдельные буквы, а некоторые служили ловушками. Система сопротивлялась дешифровке два столетия, пока в 1890 году Этьен Базери не раскрыл ее через слоговой анализ.

В «Великом шифре» использовалось 587 различных чисел. Этьен Базери расшифровал военные письма Людовика XIV и нашел указание на заключение генерала Вивьена де Булона, которого историки связывали с «Человеком в железной маске».

4. Черные кабинеты и телеграфный кризис секретности

Появление государственных служб перехвата почты и электрического телеграфа создало новые угрозы конфиденциальности.

Работа европейских черных кабинетов

Европейские государства создали специализированные государственные структуры — «черные кабинеты» — для перехвата, вскрытия и копирования дипломатической почты.

Государственные перехватчики почты работали по строгим временным графикам, незаметно распечатывая письма, копируя их для криптоаналитиков и возвращая в почтовые каналы так, чтобы не вызывать подозрений у адресатов.

В венском Geheime Kabinets-Kanzlei секретари растапливали печати писем, поступавших в 7 часов утра, и возвращали их в почту в течение трех часов.

В 1774 году аббат Жоржель заплатил 1000 дукатов за доступ к секретным сведениям.

Угрозы безопасности телеграфной связи

Появление электрического телеграфа и кода Морзе ускорило передачу информации, но создало угрозу конфиденциальности из-за доступа телеграфистов к открытому тексту.

Поскольку текст передавался операторами, вы рисковали столкнуться с утечкой или подкупом сотрудников для чтения вашей деловой и частной переписки.

Единственным надежным решением проблемы стало предварительное шифрование сообщений надежными методами вроде шифра Виженера перед отправкой на телеграф.

Первая опытная линия Уитстона-Кука протянулась в 1839 году на 29 километров. В 1844 году новость о рождении принца Альфреда дошла до газет всего за 1 час.

В 1845 году с помощью телеграфа в Лондоне был задержан убийца Джон Тейвел, описанный полицией в сообщении из Слау.

5. Бэббидж, Касиски и взлом многоалфавитного шифра

Математические методы анализа повторяющихся последовательностей позволили преодолеть стойкость шифра Виженера.

Аналитическая машина Бэббиджа

Помимо взлома шифров, британский изобретатель Чарльз Бэббидж заложил основы компьютерной архитектуры. Он разработал аналитическую машину, которая стала прообразом современных компьютеров.

Его несостоявшаяся разностная машина уступила место сложной конструкции. Аналитическая машина имела хранилище для памяти и мельницу для процессора, позволяя выполнять условные переходы и циклы.

Бэббидж разработал разностную машину № 1, состоящую из 25 000 деталей. Правительство потратило на проект 17 470 фунтов, но из-за споров и переключения на новую конструкцию Бэббидж так и не завершил работу. Помимо разностной машины № 1, он проектировал разностную машину № 2.

Тест Касиски

Сложнейший многоалфавитный шифр Виженера долгое время считался несокрушимым, так как он скрывал привычные статистические закономерности языка. Однако вы можете заметить уязвимость, если одинаковые слова исходного текста накладываются на ту же самую часть ключа.

В этом случае в шифртексте возникают повторяющиеся последовательности. Измерив интервалы между ними и найдя их общие множители, вы определяете длину ключа, а затем применяете частотный анализ к каждому отдельному одноалфавитному срезу.

Бэббидж успешно дешифровал поэму Альфреда Теннисона «Видение греха», зашифрованную с ключом EMILY, который состоял из имени жены поэта. В ходе анализа он зафиксировал интервал в 95 букв между повторениями последовательности E-F-I-Q и интервал в 20 букв для последовательности W-C-X-Y-M.

Поскольку Бэббидж не опубликовал свое открытие, аналогичный алгоритм нахождения длины ключа по повторяющимся фрагментам текста был обнародован позже. Метод вошел в историю под названием теста Касиски.

Фридрих Вильгельм Касиски опубликовал свою работу в 1863 году в книге «Тайнопись и искусство дешифрования».

6. Шифрование для масс, литература и исторические загадки

Во второй половине XIX века среди широкой публики возник огромный интерес к использованию простейших шифров и тайнописи.

Развитие телеграфа и почтовых расходов стимулировало людей защищать личную переписку. Влюбленные переписывались через зашифрованные газетные объявления, а для экономии почтовых сборов использовали незаметные булавочные проколы на газетах. Стоимость отправки обычного письма до реформы составляла 1 шиллинг на 100 миль, в то время как телеграфисты работали со скоростью 35 слов в минуту с открытым текстом.

Чарльз Уитстон расшифровал объявление в газете «Таймс» от оксфордского студента, планировавшего тайный побег с возлюбленной, и опубликовал в ответ предупреждающее сообщение.

Викторианские объявления и шифры

• Объявления о розыске родных
• Шифр Плейфера

Криптография в классических романах

Писатели XIX века активно использовали шифры, тайные коды и криптоанализ как сюжетные элементы художественных произведений.

Появление шифров в популярной литературе подстегнуло интерес читателей к дешифрованию. Авторы внедряли рунические письмена, рисунки человечков и газетные шифры в приключенческие и детективные сюжеты.

Эдгар Аллан По написал рассказ «Золотой жук» с использованием частотного анализа, Жюль Верн задействовал рунический шифр в романе «Путешествие к центру Земли», а Артур Конан Дойль создал рассказ «Пляшущие человечки» о Шерлоке Холмсе, который написал научный труд объемом 160 различных шифров.

Тайна шифров Биля

Загадка шифров Биля представляет собой нерешенную историческую головоломку о спрятанных сокровищах стоимостью в миллионы долларов. Томас Биль прибыл в Линчберг в 1820 году и оставил гостиничному владельцу Роберту Моррису запертую коробку с тремя зашифрованными листами.

Документы содержали описание огромного клада золота и серебра, добытого на Диком Западе, оценка которого в современном эквиваленте составляет 20 миллионов долларов. Второй шифр удалось раскрыть с помощью Декларации Независимости в качестве ключа, но первый и третий листы остались неразгаданными.

Изданная в 1885 году брошюра «Документы Биля» привлекла поколения кладоискателей и криптоаналитиков, включая братьев Харт и руководителя компьютерного криптоанализа Карла Хаммера, безуспешно пытавшихся найти сокровища.

7. Радиосвязь и криптоанализ Первой мировой войны

Массовый переход на радиосвязь сделал перехват сообщений тотальным, а телеграмма Циммермана и шифр ADFGVX решили исход кампаний.

Перехват в эфире

Появление радиосвязи в Первой мировой войне сделало перехват сообщений массовым, что резко обострило потребность в стойких шифрах.

Радиоволны распространяются во всех направлениях и легко перехватываются противником. Каждый перехваченный шифртекст превращался в задачу для криптоаналитиков. При этом военные не могли отказаться от радио из-за тактических преимуществ перед проводной связью.

Французские войска перехватили около сто миллионов слов, переданных по немецким линиям связи во время Первой мировой войны.

Взлом шифра ADFGVX Пэйнвином

Французский криптоаналитик Жорж Пэйнвин взломал сложный немецкий шифр ADFGVX накануне наступления, сорвав план германской армии.

Шифр ADFGVX сочетал замену и перестановку и считался немцами невзламываемым. Пэйнвин круглосуточно работал над его дешифрованием, определил место отправки приказа о подвозе боеприпасов и позволил союзникам перебросить войска для отражения атаки. В начале июня 1918 года немецкая артиллерия находилась на расстоянии 100 км от Парижа. Пять дней длилось жестокое сражение, в котором немецкая атака была отбита.

Жорж Пэйнвин в ходе работы над дешифрованием шифра ADFGVX похудел на 15 кг.

Телеграмма Циммермана

Перехват и расшифровка британской «комнатой 40» секретной телеграммы Циммермана заставили США отказаться от нейтралитета и вступить в Первую мировую войну.

Германский дипломат Артур Циммерман предложил Мексике военный союз и нападение на США при условии возвращения потерянных территорий. Британская разведка скрыла факт перехвата, добыв мексиканский вариант телеграммы через агента, чтобы не выдать раскрытие немецкого шифра. В 1915 году германская подводная лодка потопила лайнер «Лузитания», при этом утонуло 1198 пассажиров, включая 128 граждан США.

Артур Циммерман направил секретную телеграмму немецкому послу в Вашингтоне 16 января 1917 года с предложением союза Мексике и Японии против США.

8. Святой Грааль криптографии и рождение Энигмы

Изобретение одноразового шифрблокнота обеспечило абсолютную математическую стойкость, а Энигма изменила стандарты механического шифрования.

Математика одноразового блокнота

Одноразовый шифрблокнот, использующий случайный ключ длиной с сообщение, обеспечивает абсолютную математическую стойкость.

Идея майора Джозефа Моборна исключает любую периодичность и структуру ключа. Поскольку каждый случайный ключ применяется ровно один раз и затем уничтожается, криптоаналитик при переборе вариантов получает все возможные смысловые сообщения и не может отличить истинное.

Для 21-буквенного сообщения методом полного перебора необходимо было бы проверить 500 000 000 000 000 000 000 000 000 000 возможных ключей.

Президенты России и Америки используют одноразовый шифрблокнот для обеспечения безопасности телефонной горячей линии.

Создание машины Энигма

Артур Шербиус создал электромеханическую шифровальную машину «Энигма», объединив вращающиеся роторы и штепсельную коммутационную панель.

Машина использует электрический сигнал, который проходит через роторы, отражатель и коммутационную панель, меняя шифралфавит после каждого нажатия клавиши. Это создало астрономическое количество возможных ключей и защитило текст от частотного анализа. В армейской «Энигме» полное число комбинаций достигало 10 000 000 000 000 000.

Артур Шербиус получил первый патент на шифровальную машину в 1918 году, а к 1925 году наладил их массовое производство для немецких вооруженных сил. За два десятилетия немецкая армия приобрела 30 000 машин. Эдвард Хеберн вложил 380 000 долларов в строительство завода по производству конкурирующих устройств в США.

9. Взлом Энигмы: от шпионажа до британских бомб

Усилиями разведки, польских математиков и Алана Тьюринга союзники смогли взломать код Энигмы.

Кризис безопасности Энигмы

Появление коммерческих и армейских моделей «Энигмы» после Первой мировой войны лишило союзников возможности читать немецкую переписку. Германо-фашистская связь стала самой безопасной в мире. Британские и французские криптоаналитики быстро оставили попытки взломать шифр, столкнувшись с незнакомым устройством. Успех зависел от секретности начальных установок ключа, а не самой машины.

Капитан Максимилиан Чецкий из польского Бюро шифров безуспешно пытался расшифровать армейские депеши и привлекал к работе ясновидящего. Ситуация изменилась только тогда, когда поляки получили помощь от немецкого шпиона.

Предательство Шмидта

Предательство разоренного немецкого финансиста Ханса-Тило Шмидта позволило французской и польской разведкам получить инструкции по пользованию «Энигмой» и данные о внутренней проводке. Шмидт продавал французскому агенту секретные документы и ежемесячные шифровальные книги на протяжении 38 месяцев.

8 ноября 1931 года в бельгийском Вервье Шмидт передал французскому агенту Рексу инструкции по «Энигме» за 10 000 марок (20 000 фунтов стерлингов). Полученные материалы помогли польским математикам начать системную работу против немецкого шифра.

Методы Реевского и Тьюринга

Польский математик Мариан Реевский разработал математический метод атаки на «Энигму», используя закономерности в повторах зашифрованных разовых ключей. Двойное шифрование разового ключа в начале сообщения создавало уязвимость. Реевский выделил свойства цепочек букв, зависящие исключительно от установок шифраторов и не зависящие от штепсельной коммутационной панели.

Мариан Реевский целый год составлял каталог длин цепочек для всех 105 456 установок шифраторов, чтобы поймать шифр за отпечатки пальцев. Когда немцы изменили протокол передачи, каталог устарел. Тогда Реевский изобрел электромеханическую бомбу, перебиравшую 17 576 ориентаций шифраторов менее чем за два часа.

Организация Блечли-Парка

Угроза войны и достижения польских криптоаналитиков побудили британские власти создать в Блечли-Парке правительственную школу кодов и шифров. Сюда стали массово привлекать математиков и ученых. Численность сотрудников выросла от 200 до 7 000 человек за пять лет.

Ведущие британские дешифровальщики в августе 1939 года приехали в Блечли-Парк, маскируясь под группу охотников капитана Ридли. Дополнительные уязвимости в систему привносил человеческий фактор. Усталость операторов приводила к появлению «силей»:

• операторы набирали три последовательно идущие буквы вроде QWE или BNM;
• составители шифровальных книг запрещали оставлять шифратор на том же месте два дня подряд.

Алан Тьюринг разработал новый метод атаки с помощью крибов и внутренних петель, связавших буквы электрической цепью. Группа Тьюринга написала письмо Уинстону Черчиллю в обход руководства. Премьер-министр выделил 100 000 фунтов стерлингов, и к концу 1942 года работало уже 49 британских бомб.

10. Операция Ультра, древние языки и новые стандарты

Разведданные Ультра переломили ход войны, дешифровщики раскрыли древние письмена, а компьютеры изменили криптографию.

Влияние Ультра и шифр навахо

Морская модификация «Энигмы» немецкого военно-морского флота долгое время оставалась неприступной для криптоаналитиков Блечли-Парка. Стойкость морской «Энигмы» обеспечивалась использованием восьми шифраторов вместо пяти, подвижным отражателем с 26 положениями, дисциплиной операторов и надежной системой передачи разовых ключей.

Немецкие подлодки под руководством адмирала Карла Деница успешно потопляли караваны судов союзников в Атлантике, нанося огромный урон. Между июнем 1940 и июнем 1941 года союзники теряли по 50 кораблей ежемесячно, а за годы войны погибло 50 000 моряков союзнических войск.

Перехват и расшифровка сообщений союзниками под кодовым наименованием Ультра кардинально изменили ход Второй мировой войны. Разведданные Ультра позволили точно узнать расположение 58 дивизий противника на западе, спланировать высадку в Нормандии и сорвать планы противника. Сэр Гарри Хинсли и Дэвид Кан отмечали, что без системы Ультра война в Европе завершилась бы не в 1945, а в 1948 году.

Правильно используемые сложные электромеханические шифровальные машины оказались абсолютно надежными и не были взломаны за всю войну. Машины SIGABA и Турех обладали высокой стойкостью, но имели существенный недостаток для полевых условий — медленную скорость ручного ввода и вывода зашифрованного текста. Американские военные на островах Тихого океана столкнулись с тем, что машинное шифрование занимало слишком много времени в условиях динамичного боя.

Использование редкого языка индейцев навахо в качестве военного кода обеспечило абсолютно надежную и быструю связь на Тихоокеанском театре военных действий. Филипп Джонстон предложил привлекать индейцев навахо радистами, так как их сложный язык не имел письменности и был совершенно непонятен противнику, а специальный словарь заменил военные термины. К обучению на курсах связи приступили 29 индейцев навахо, а всего было подготовлено 420 радистов-навахо при том, что полный словарь кода насчитывал 274 слова. Генерал-майор Говард Коннер заявлял, что без индейцев навахо морские пехотинцы никогда не взяли бы остров Иводзима.

Дешифрование иероглифов и Линейного письма В

Обнаружение Розеттского камня с тремя вариантами текста стало ключевым криптографическим ключом для дешифровки египетских иероглифов. Наличие идентичного текста на греческом языке, демотическом письме и в виде иероглифов позволило сопоставить знаки и доказать фонетическую природу египетской письменности. Французские солдаты нашли плиту размером 118 см в высоту, 77 см в ширину и 30 см в толщину весом в 3/4 тонны в форте Жюльен близ города Розетта в дельте Нила в 1799 году. На камне было принято постановление в 196 году до н. э.

Жан-Франсуа Шампольон полностью расшифровал египетские иероглифы, доказав их фонетическую основу с помощью глубоких знаний коптского языка. Изучая картуши с именами фараонов и сопоставляя их со знаками, Шампольон понял, что писцы использовали комбинацию семаграмм, ребусов и простого фонетического алфавита. Он проанализировал картуш с именем Рамзеса в 1822 году и с триумфом объявил об открытии, а в 1824 году опубликовал книгу «Очерки иероглифической системы».

Линейное письмо В было расшифровано без помощи древних двуязычных ключей исключительно за счет логики и работы с внутренней структурой текста. Алиса Кобер выявила флективную природу языка и соединительные слоги, а Майкл Вентрис построил решетку соответствий и доказал, что язык табличек является архаичным греческим, после чего филолог Джон Чедвик подтвердил это выводами исторического развития языка. Письменность содержала 90 различных символов, указывавших на ее слоговый характер, а расширенная решетка Вентриса состояла из 75 ячеек. Вентрис успешно сопоставил неизвестные знаки с названиями древних критских городов Амнис, Кносс и Тулисс, а также нашел слова, обозначающие профессии вроде пастуха и гончара, увлекшись этой загадкой в 14 лет после лекции Артура Эванса.

Появление Колосса и стандарта DES

Британская дешифровальная машина Колосс стала первым в мире программируемым цифровым компьютером, хотя ее чертежи были уничтожены из-за строгой секретности. Для взлома сложного немецкого шифра Лоренца математик Макс Ньюмен и инженер Томми Флауэрс создали электронно-ламповую машину, способную настраиваться на разные задачи, но после войны проект рассекретили и сожгли, отдав первенство американскому ЭНИАКу. Томми Флауэрс за десять месяцев построил в Доллис Хилл машину Колосс на 1500 электронных ламп и доставил ее в Блечли-Парк 8 декабря 1943 года, тогда как созданный в 1945 году ЭНИАК использовал 18 000 ламп и выполнял 5000 вычислений в секунду.

Компьютерное шифрование сводится к операциям замены и перестановки над двоичными данными после предварительного перевода текста в биты. Любое сообщение переводится в последовательность нулей и единиц по стандартам вроде ASCII, где предусмотрено 128 способов расположения 7 двоичных знаков, после чего с помощью ключей выполняются побитовые замены и перестановки. Автор демонстрирует шифрование слова HELLO на уровне 35 двоичных цифр, составляющих законченную строку при кодировании слова из пяти букв, с помощью перестановки битов или сложения с ключом DAVID по правилам двоичного сложения.

Разработанная Хорстом Файстелем система Люцифер легла в основу американского стандарта шифрования данных DES с урезанной длиной ключа. Алгоритм многократно перемешивает блоки данных через раунды замены и функции обжима с использованием секретного числового ключа, причем Агентство национальной безопасности настояло на сокращении ключа до 56 бит для возможности собственного взлома. Хорст Файстель после преследований со стороны спецслужб создал Люцифер в лаборатории IBM с размером блока в 64 цифры и прохождением каждого блока через 16 раундов замешивания, после чего на его основе 23 ноября 1976 года был принят стандарт DES, содержащий 100 000 000 000 000 000 возможных ключей.

Проблема безопасного распределения ключей между отправителем и получателем остается главным уязвимым звеном в любой системе симметричного шифрования. Даже самый надежный математический шифр теряет смысл, если секретный ключ невозможно передать по защищенному каналу связи, из-за чего организации вынуждены тратить огромные ресурсы на физическую доставку ключей курьерами. В 1970-х годах коммерческие банки нанимали специальных доверенных связных с запертыми портфелями для личной доставки ключей на следующую неделю.

11. Революция асимметричного шифрования и алгоритм RSA

Проблема распределения ключей веками оставалась неразрешимым парадоксом криптографии.

Долгое время считалось аксиомой, что для отправки секретного зашифрованного сообщения получателю необходимо заранее передать ему секретный ключ по защищенному каналу. Если безопасного канала нет, то передать ключ невозможно, что лишало людей возможности приватной переписки на протяжении почти 2000 лет. В этой классической схеме коммуникации участвуют стандартные персонажи: отправитель Алиса, получатель Боб и перехватчик Ева.

Парадокс распределения ключей

Организации были вынуждены тратить огромные ресурсы на физическую доставку ключей курьерами, так как любая пересылка по открытой связи несла риск перехвата. Без решения этой проблемы вся криптография упиралась в тупик.

Алгоритм Диффи-Хеллмана

В 1976 году исследователи применили односторонние функции из области модулярной арифметики. Стороны обмениваются публичными параметрами и своими промежуточными результатами вычислений, на основе которых независимо друг от друга вычисляют одинаковый секретный ключ, в то время как перехвативший данные противник не может восстановить этот ключ, так как обращение односторонней функции требует слишком много времени.

Представьте смешивание базовой желтой краски с секретными цветами Алисы и Боба с последующим обменом и повторным добавлением секретной краски. Такой процесс дает одинаковый итоговый цвет для обоих, который невозможно разложить на исходные компоненты.

Уитфилд Диффи предложил концепцию асимметричного шифра с раздельными ключами для зашифровывания и расшифровывания. В отличие от традиционных симметричных шифров, где один и тот же ключ используется для обеих операций, в асимметричной системе любой человек может зашифровать сообщение с помощью общедоступного открытого ключа, но прочитать его способна только та сторона, у которой есть секретный ключ.

Здесь работает аналогия с почтовым ящиком и замками: каждый может защелкнуть замок на коробке, отправляя сообщение владельцу, но открыть его может только обладатель уникального ключа.

Создание RSA

Рон Ривест, Ади Шамир и Леонард Адлеман создали первый рабочий алгоритм асимметричного шифрования RSA. После ночных раздумий в апреле 1977 года в Массачусетском технологическом институте Рон Ривест во сне придумал использовать в качестве односторонней функции операцию умножения двух больших простых чисел. Полученное составное число используется как открытый ключ для шифрования, а исходные простые числа — как секретный ключ для расшифровки.

Надежность шифра RSA основывается на сложной задаче разложения большого числа на простые множители. Перемножить два больших простых числа компьютер может за секунду, но восстановить эти простые множители из известного произведения путем открытого перебора требует невероятных вычислительных затрат, и при выборе достаточно больших чисел на взлом ушли бы тысячелетия.

Мартин Гарднер опубликовал в журнале Scientific American задачу с призом в 100 долларов по расшифровке сообщения, зашифрованного с помощью RSA. На решение этой задачи у команды из 600 добровольцев ушло 17 лет.

12. Секретная история открытого ключа и программы PGP

Спецслужбы открыли асимметричное шифрование раньше гражданских ученых, а появление PGP сделало криптографию массовой.

Открытия Эллиса и Кокса

Джеймс Эллис из Отделения обеспечения скрытности работы средств связи в британском центре ШКПС в Челтенхем в конце 1960-х годов разработал концепцию, которую назвал несекретным шифрованием. Он теоретически доказал возможность шифрования без предварительного обмена секретными ключами.

Эллис отбросил догмы и сформулировал теорему существования, опираясь на старый отчет о создании искусственного шума в линии связи. Получатель использует одностороннюю функцию, обратимую только для него, что позволяет отказаться от передачи симметричных ключей.

Клиффорд Кокс в ШКПС в 1973 году разработал алгоритм шифрования с открытым ключом, опередив Ривеста, Шамира и Адлемана. Молодой математик за полчаса решил задачу по поиску односторонней функции, применив простые числа и разложение на множители. Его алгоритм предвосхитил будущий шифр RSA, но из-за секретности работы и примитивности тогдашних компьютеров система не могла быть внедрена на практике.

Малькольм Уильямсон в ШКПС повторно открыл алгоритм обмена ключами Диффи-Хеллмана-Меркля в начале 1970-х годов. Изучая дома вопреки инструкциям математические выкладки Клиффорда Кокса в течение пяти часов, он потратил время на поиски ошибок в теории Кокса, но разработал собственный метод. Руководство ШКПС отказалось патентовать эти открытия из-за соображений секретности.

Программа PGP Фила Циммермана

Фил Циммерман разработал и бесплатно выложил в Интернет в 1991 году программный пакет Pretty Good Privacy для защиты частной переписки граждан. Чтобы преодолеть проблему низкой производительности чистого RSA на обычных ПК, он объединил его со скоростным симметричным шифром IDEA.

Сообщение шифровалось случайным симметричным ключом, а сам этот ключ защищался открытым ключом RSA получателя.

В программе PGP реализована автоматическая проверка подлинности цифровых сообщений через обратное использование ключей. Если вы зашифруете сообщение секретным ключом отправителя, любой человек сможет расшифровать его открытым ключом, удостоверившись в подлинности источника.

Конфликт гражданской свободы и спецслужб

Распространение стойкого шифрования породило жесткий конфликт между правом граждан на неприкосновенность частной жизни и интересами спецслужб. Правоохранительные органы утверждают, что тотальное шифрование лишает их возможности вести законное прослушивание телефонных разговоров.

В дискуссиях упоминаются следующие аргументы сторон:

• официальная французская оценка фиксирует 100 000 незаконных прослушиваний телефонов ежегодно;
• исследование 1997 года показывает использование шифрования преступниками всего в 500 преступлениях;
• спецслужбы классифицируют стойкие программы как «Четыре всадника Инфокалипсиса» и преследуют создателей.

Правительство США в 1994 году попыталось ввести стандарт шифрования с депонированием ключей через микросхемы «Клиппер», но инициатива не нашла поддержки.

Для обеспечения доверия в электронной коммерции и интернете используются органы по сертификации и доверенные третьи стороны. Компании «Верисигн» и «Балтимор Текнолоджис» предоставляли услуги сертификации и аутентификации цифровых подписей мировых лидеров в конце 1990-х годов, причем оборот компании «Верисигн» за четыре года к 1998 году составил 30 миллионов долларов.

13. Квантовая криптография и криптоанализ будущего

Квантовая механика и квантовые компьютеры открывают новую эру абсолютной защиты и угрожают существующим алгоритмам.

Судебное преследование Циммермана

Создатель программы PGP Фил Циммерман столкнулся с трехлетним расследованием ФБР из-за обвинений в незаконном экспорте военного снаряжения. ФБР утверждало, что распространение криптостойкой программы PGP через интернет равносильно экспорту оружия.

Фил Циммерман передал копию PGP другу, который установил ее на американский компьютер, подключенный к интернету. Из-за правовой неопределенности в начале 90-х, поддержки академических издательств и урегулирования патентов с RSA обвинения были сняты, а сама программа стала глобальным бесплатным стандартом для обеспечения конфиденциальности частной переписки. В 1996 году Генеральная прокуратура США сняла обвинения, а в 1997 году Циммерман продал PGP компании Network Associates.

Угроза квантового компьютера

Потенциальное появление квантового компьютера способно мгновенно разрушить стойкость всех современных систем шифрования, включая RSA и DES. Обычные компьютеры перебирают варианты последовательно, тогда как квантовый компьютер задействует суперпозицию состояний и кубиты для одновременного выполнения колоссального числа вычислений.

Мартин Гарднер опубликовал задачу по RSA, для решения которой шестистам компьютерам потребовалось несколько месяцев. Алгоритм Шора теоретически мог бы справиться с числом в миллион раз большим за меньшее время.

Протокол квантового распределения ключей BB84

Чарльз Беннет и Жиль Брассар разработали протокол квантовой криптографии, обеспечивающий абсолютно надежный обмен ключами. Используя случайное чередование ортогональных и диагональных схем поляризации фотонов, Алиса и Боб формируют общий секретный ключ.

Чарльз Беннет и Жиль Брассар придумали протокол квантовой криптографии в 1984 году на железнодорожной станции Кротон-Хармон, ожидая поезд до Монреаля. Попытка перехвата со стороны Евы неизбежно вносит ошибки в измерения, которые обнаруживаются при сверке контрольных цифр, выдавая присутствие злоумышленника. Стивен Виснер в конце 1960-х годов разработал идею квантовых денег, предложив встраивать в банкноты ловушки для фотонов с секретной последовательностью поляризаций.

Заключение

Тысячелетняя история криптографии показывает, что безопасность информации никогда не бывает абсолютной. Гонка вооружений между создателями секретов и взломщиками продолжается с античных времен, и каждое технологическое открытие лишь переносит это противостояние на новый уровень.

Современный мир держится на зашифрованных данных. То, что начиналось как инструмент дипломатов и полководцев, превратилось в фундамент глобальной экономики, где каждый платеж, сообщение и персональный файл защищены сложнейшими математическими алгоритмами.

Цифровая эпоха сделала криптографию доступной каждому, но одновременно создала новые угрозы для приватности. В этих условиях понимание базовых принципов защиты информации перестает быть уделом математиков и спецслужб.

1. Используйте проверенные стандарты шифрования для защиты личных данных и коммуникаций.
2. Помните, что абсолютной безопасности не существует, а самым уязвимым звеном в любой системе остаетесь вы сами.
3. Отказывайтесь от компромиссных или устаревших методов защиты ради иллюзии удобства.
4. Следите за развитием технологий, поскольку появление квантовых компьютеров обесценит привычные цифровые замки.
5. Защищайте свое право на тайну частной жизни как неотъемлемый элемент свободы в цифровом обществе.

10 лучших мыслей

1. Арабский ученый аль-Кинди совершил прорыв в криптоанализе, применив статистический частотный анализ для взлома одноалфавитных шифров замены без перебора всех ключей.
2. Использование слабых одноалфавитных шифров и номенклаторов в тайной переписке Марии Стюарт привело к ее раскрытию и смертному приговору.
3. Появление электрического телеграфа и кода Морзе ускорило передачу информации, но создало угрозу конфиденциальности из-за доступа телеграфистов к открытому тексту.
4. Французский криптоаналитик Жорж Пэйнвин круглосуточно работал над дешифрованием сложного немецкого шифра ADFGVX и сорвал план германской армии накануне наступления.
5. Изобретение одноразового шифрблокнота, использующего случайный ключ длиной с сообщение, обеспечивает абсолютную математическую стойкость.
6. Усилиями разведки, польских математиков и Алан Тьюринг союзники смогли взломать код шифровальной машины «Энигма», что переломило ход Второй мировой войны.
7. Проблема распределения ключей веками оставалась неразрешимым парадоксом криптографии, пока исследователи не применили односторонние функции.
8. Первый рабочий алгоритм асимметричного шифрования RSA основывается на сложной математической задаче разложения большого числа на простые множители.
9. Распространение созданной Филом Циммерманом программы PGP для защиты частной переписки граждан породило жесткий конфликт между правом на неприкосновенность частной жизни и интересами спецслужб.
10. Квантовая механика и квантовые компьютеры открывают новую эру абсолютной защиты через квантовое распределение ключей, но одновременно несут угрозу существующим алгоритмам.