Криптография – искусство тайного письма

Каждый человек в своей жизни сталкивается с тайнами — большими и малыми, имеющими личный характер или общегосударственное значение. С тайнами, часть которых надо разгадать, — а часть сохранить в секрете. В этом людям помогает особая наука — криптография.

НА ЗАРЕ ИСТОРИИ

Криптография — или, если использовать русскоязычный аналог, «тайнопись» — существует по меньшей мере четыре тысячи лет. Первыми, кто придумал способы шифровки текста, были древние египтяне. Самые ранние закодированные сообщения относятся ещё к периоду Древнего царства. Ко времени правления XVIII династии фараонов, занимавшей трон Египта в период с 1550 по 1292 год до нашей эры, тайнопись получила широчайшее распространение, шифровке подвергались значительные объёмы текста. Для этого писцы использовали специальные символы, не входившие в перечень стандартных древнеегипетских иероглифов и потому понятные только избранным.

Древние греки использовали тайнопись для засекречивания дипломатической переписки и передачи приказов войскам. Жителями Спарты был изобретён первый в истории человечества прибор для шифровки и дешифровки посланий — скитала. Это был цилиндр или шестигранный брусок определённого размера, на который по спирали наматывались тонкие полоски пергамента. Шифруемый текст писался на этих полосках по длине цилиндра. В случае нехватки места на пергаменте, могли использовать дополнительные ленты. Таким образом, шифрование заключалось в перестановке символов исходного текста в соответствии с длиной окружности прибора. Прочесть, что именно было написано в послании, мог только тот человек, у кого имелась точная копия скиталы, используемой для кодирования. Если же диаметр цилиндра отличался от исходного, то буквы разъезжались и текст становился неразборчивым.

К преимуществам разработанной спартанцами методики тайнописи относится её простота, скорость создания шифрограмм, отсутствие в них ошибок — что крайне важно в условиях войны. Однако такой код довольно легко взломать, и потому, актуальный в древние времена, он довольно быстро исчерпал свой потенциал.

Важность шифровки приказов войскам и политическим союзникам понимал и один из величайших полководцев древнего мира — Гай Юлий Цезарь. Ему приписывают изобретение простого подстановочного шифра, в котором каждый символ в открытом тексте заменяется символом, находящимся в алфавите на некотором постоянном числе позиций левее или правее от него. Классическим является сдвигом вправо на 3, при котором латинская буква А заменялась на D, В на Е, С на F и так далее. В более поздние времена идея Цезаря получила своё логичное развитие в виде более сложных кодов, изобретённых мыслителями Средневековья.

ШИФРЫ СРЕДНИХ ВЕКОВ

Спадением государств древнего мира криптография не только не потеряла своего значения, но и в условиях средневекового общества, постоянно сотрясаемого феодальными войнами и интригами аристократии, становилась всё более актуальной. Люди вплотную задумываются не только о том, как сокрыть смысл текста, но и как расшифровать код, созданный противником. В девятом веке нашей эры арабский учёный Аль-Кинди выпускает «Манускрипт о дешифровке криптографических сообщений», где разрабатывает теорию частотного криптоанализа. Этот метод, успешно применяемый по сей день, основывается на интересной закономерности: частота появления любой буквы алфавита в достаточно длинных текстах одна и та же для одного языка. Зная её, можно взломать любой подстановочный шифр.

Не менее впечатляющи были достижения христианских тайнописцев. Поиски новых способов засекречивания информации привели немецкого аббата Иоганна Тритемия к изобретению шифра, в котором каждая последующая буква кодируется своим собственным шифром сдвига. Несмотря на то что в одной из своих книг аббат описал общий принцип работы созданной им криптографической системы, она оказалась столь совершенна для своего времени, что труд «Стеганография», полностью закодированный, дешифровать удалось только спустя пять веков после его создания!

Кроме того, Тритемий первым придумал шифровать по две буквы за раз, так называемыми биграммами, и выдвинул идею создания кода на нескольких языках одновременно. Обе эти идеи опередили своё время, оказавшись реализованными лишь столетия спустя, а заодно принеся немецкому аббату заслуженную славу одного из отцов современной криптографии.

Шифрами ещё со времён Киевской Руси пользовались и наши предки. Самым ранним и простым способом кодирования информации считаются полусловица (текст записывался неузнаваемыми частями букв) и замена в тексте гласных на согласные. Первая специализированная государственная шифровальная служба в России была учреждена Иваном Грозным в 1549 году — это было «циферное отделение» Посольского приказа, ведавшего иностранными отношениями страны. Для дипломатической переписки сотрудники приказа разработали «тарабарскую азбуку», или «тарабарщину». Она основывалась на написании в обратном порядке согласных букв: «б» заменялась на «щ», «в» на «ш» и так далее. Дьяки настолько поднаторели в тарабарщине, что могли даже говорить на ней, понимая друг друга — и делая своё общение совершенно непереводимым для любого постороннего слушателя.

В Средние века криптографами стали повсеместно использоваться симпатические — или, попросту, невидимые чернила. Шпионы и алхимики знали десятки рецептур подобных чернил и особых мазей-проявителей. Вне зависимости от рецепта, симпатические чернила работают на одном и том же простом химическом явлении — качественной цветной реакции между чернилами и проявителем. В случае, если невидимыми чернилами служило молоко, надпись проявлялась при термическом воздействии на бумагу. Другой распространённый способ — растворение в воде медного купороса с последующим использованием в качестве проявителя нашатырного спирта или аммиака.

ТЕХНИКА НА СЛУЖБЕ СЕКРЕТНОСТИ

И всё же настоящий прорыв в деле криптографии произошел благодаря применению технических средств. В конце XVIII века Томас Джефферсон, видный деятель эпохи Просвещения и будущий третий президент США, изобрёл одну из первых эффективно действовавших механических роторных машин, с помощью которой можно было быстро и легко использовать шифры, основанные на применении множества разных алфавитов.

Однако только в двадцатом столетии появились по-настоящему сложные шифровальные устройства. Пионером в их создании считается американский изобретатель Эдвард Хеберн, в 1917 году собравший систему из двух электрических печатных машинок и шифровального устройства. Этот аппарат позволял набирать на одной машинке открытый текст, а на второй получать уже его закодированный вариант благодаря роторному колесу — небольшому диску, сделанному из электроизоляционного материала. На каждой стороне этого диска располагались 26 электрических контактов, соответствовавших буквам латинского алфавита. При нажатии; к примеру, кнопки «а» электрический сигнал поступал на контакт ротора, а затем отправлялся на вторую печатную машинку, по принципу подстановочного шифра печатавшую, скажем, букву «х». После этого ротор проворачивался на один шаг от своей начальной позиции, и вторая буква кодировалась по иному алгоритму. В дальнейшем, чтобы сделать шифр ещё сложнее, несколько роторов стали соединять в ряд.

Машина Хеберна стала прототипом для создания целого семейства роторных устройств, наиболее успешным из которых оказалась немецкая «Энигма». Широкую известность она получила в ходе Второй мировой войны благодаря тому, что долгое время криптоаналитикам не удавалось взломать её шифр. Лишь благодаря тому, что англичанам удалось раздобыть два неповреждённых аппарата вместе с шифровальными книгами, они смогли разгадать код. Тем не менее многие эксперты признают, что «Энигма» имела самый совершенный код времён Второй мировой войны.

После войны, с распространением компьютеров, криптография сделала очередной качественный скачок — она превратилась в математическую дисциплину, основанную на достижениях алгебры, теории чисел, теории вероятности и статистики. Новые шифры, созданные на основе специализированных вычислений, было уже невозможно расшифровать по старинке, с карандашом и бумагой в руке. Они оказались сложнее всего, что было создано в предыдущие эпохи, и требовали солидных вычислительных мощностей. В настоящее время подобные шифры можно разделить на две категории: открытые, стандарты которых используются в гражданской сфере, и закрытые, полностью засекреченные и развивающиеся для нужд военных.

В наши дни развитие тайнописи не замерло на месте. Наиболее перспективным направлением видится квантовая криптография, основанная на принципах квантовой физики. В этом направлении уже разработано множество алгоритмов — работа через защищенные квантовые каналы, квантовое шифрование с открытым ключом, квантовые вычисления и прочее. Проблема состоит лишь в том, что реализация большинства из них требует полноценного квантового компьютера, задача создания которого до сих пор не решена.

Тем не менее уже сейчас реально использовать так называемое квантовое распределение ключей (КРК), благодаря которому возможна передача информации по открытому каналу с уверенностью, что её никто не перехватит. В основе этого метода лежит научный факт: состояние кванта — объекта очень малой массы и размеров — может быть определено измерением. Однако сразу после этого квантовый объект неизбежно переходит в другое состояние, предсказать которое заранее невозможно. Следовательно, если в качестве носителей информации использовать квантовые частицы, то попытка перехватить сообщение приведет к изменению состояния частиц, что позволит обнаружить нарушение секретности передачи. Кроме того, квантовый объект невозможно скопировать.

Впервые такой способ передачи информации был экспериментально продемонстрирован в 1989 году в Уотсоновском исследовательском центре компании IBM. Сегодня разработкой квантовых криптографических систем занимается американская Национальная лаборатория в Лос-Аламосе. До их практической реализации ещё должно пройти немало времени, однако их создание не за горами.