Криптография в XX веке

XX век - век двух мировых войн, век научно-технического прогресса, век социальных потрясений и передела государственных границ. В этом веке криптография стала электромеханической, затем электронной. Это означает, что основными средствами передачи информации стали электромеханические и электронные устройства. Это преобразило всю криптографию, поскольку расширились возможности доступа к шифрованному тексту и появились возможности влияния на открытый текст.

Поскольку главным шифрсредством во время первой мировой войны были коды, которые не удавалось сохранить от компрометации, то участники военных действий взаимно читали переписку друг друга. В полевых условиях применялись: решетка Кардано (Германия и Австро-Венгрия), шифр Плейфер (Англия), шифр двойной перестановки (Франция), шифр гаммирования цифровой гаммой (Россия). С применением шифров связан ряд трагических событий, из которых упомянем лишь разгром двух русских армий - Ранненкампа и Самсонова в Восточной Пруссии в августе 1914 года, которое произошло из-за плохой организации шифрсвязи и вынужденной связи между этими армиями по радио без всякого шифра.

Война преобразила криптографию: В связи с применением радио для управления войсками расширились возможности добычи шифртекста. В этот период получили развитие методы дешифрования, основанные на парах открытых и шифрованных текстов, на шифртекстах, полученных на одном ключе, на использовании вероятных ключей. Находкой для криптографов было использование в качестве лозунгов пословиц, поговорок, патриотических призывов. В математическом плане получили развитие вероятностно-статистические методы, использующие частоту знаков, биграмм, триграмм и т.д.

Другое новшество этого периода - появление специализации в криптографической деятельности. Появляются группы по дешифрованию кодов и по дешифрованию полевых шифров, по добыче перехвата, по обработке информации, полученной из открытых и агентурных источников и т. д.

Между мировыми войнами появляются во всех ведущих странах электромеханические шифраторы. Они были двух типов - на коммутационных дисках или роторах и на цевочных дисках. Примером первого типа является известная шифрмашина "Энигма", которой были оснащены германские сухопутные войска. Примером второго типа является американская шифрмашина М-209. Коммутационный диск представляет собой полый диск с нанесенными с двух сторон контактами, соответствующими алфавитам открытого и шифрованного текста, причем они соединены между собой по некоторой подстановке, называемой коммутацией диска. Эта коммутация определяет замену букв в начальном угловом положении. При изменении углового положения диска изменяется соответствующая замена на сопряженную подстановку. Шифратор представляет собой устройство из коммутационных дисков и механизма изменения их угловых положений. Шифратор "Энигма" состоял из 4-х коммутационных дисков, которые изменяли свои угловые положения по принципу "счетчика". Она имела несколько модификаций. Одну идею в криптографическом отношении можно считать революционной - каждый диск дважды участвовал в шифровании, что усложняло анализ шифра. Шифрмашина М-209 состояла из 6 колес размера 26, 25, 23, 21, 19, 17, каждое из которых имело выступы и по окружности. Эта 6-мерная. комбинация выступов (их число 64) с помощью механического устройства превращалась в число, на которое сдвигается буква открытого текста. Изменение угловых положений дисков осуществлялось равномерным их вращением. Ясно, что шифратор реализует шифр гаммирования. Советский Союз производил шифрмашины обоих названных типов.

Таким образом, перед второй мировой войной все ведущие страны имели на вооружении электромеханические шифрсистемы, обладающие высо кой скоростью обработки информации и высокой стойкостью. Считалось, что применяемые системы недешифруемы и наступил конец криптографии. Впоследствии в ходе войны это мнение было опровергнуто и все участники военных действий имели криптографические успехи, а шифровальные службы были непосредственным участником военных действий. Поучительная история дешифрования "Энигмы" описана у Д. Кана и других авторов.

Ограничимся упоминанием теоретического открытия, оказавшего существенное влияние на развитие криптографии. Речь идет о работе американского инженера К. Шеннона "Теория связи в секретных системах", выполненной в 1945 году (опубликованной в 1949 году) и работе советского ученого-радиотехника В. А. Котельникова "Основные положения автоматической шифровки", датированной 19 июня 1941 года. В данных работах были сформулированы и доказаны математическими средствами необходимые и достаточные условия недешифруемости системы шифра. Они заключаются в том, что получение противником шифртекста не изменяет вероятностей используемых ключей. При этом было установлено, что единственным таким шифром является так называемая лента одноразового использования, когда открытый текст шифруется с помощью случайного ключа такой же длины. Это обстоятельство делает абсолютно стойкий шифр очень дорогим в эксплуатации. Упомянем также об участии математиков в этот период в криптографической работе. В Англии во время войны к криптографической работе был привлечен А. Тьюринг, известный работами по формализации концепции вычислимости и разрешимости, автор "машины Тьюринга". В США С. Куллбак - крупный специалист по математической статистике, в Советском Союзе крупные математики А. А. Марков и А. О. Гельфонд. А. А. Марков известен работами по теории алгоритмов, автор теории "нормальных алгоритмов", которые сейчас называются алгоритмами Маркова. А. О. Гельфонд - крупный специалист по теории чисел, известный решением проблемы Гильберта № 7 о трансцендентности степеней алгебраических чисел.

В 1930-е годы германские ученые создали шифровальную машину Enigma - фактически первый специализированный механический компьютер. Через три года после появление Enigma принцип действия этого устройства был разгадан специально созданной группой английских ученых.

В XIX веке, кроме развития криптанализа и изобретения новых шифров, криптографы озаботились «механизацией» шифрования и расшифровки, результатом чего стали «шифраторы»: ротор Джефферсона, диски Уодсворта и Уитстона - их «потомки» широко распространились к началу первой мировой войны и дальнейшее развитие получили в электромеханических шифраторах (роторных шифровальных машинах), использовавшихся военными и дипломатами до самого последнего времени.

В начале XX века инженеры попытались соединить шифровальные устройства с телеграфом. Интереснейшие результаты были получены американцем Гилбертом Вернамом: один из вариантов предложенного им шифра, как спустя полвека показал Клод Шеннон, был абсолютно стойким.

Заслуга формулирования основных принципов разработки криптосистем (1901 г.) принадлежит Огюсту Керкхоффу (фламандцу, работавшему во Франции), среди них - самый «контринтуитивный» принцип № 2: криптосистема «не должна требовать секретности, и доступ к ней противника не должен влечь неприятных последствий». Фактически Керкхофф отделил общеизвестную криптосистему (то, что сегодня мы называем криптоалгоритмами) от секретного компактного ключа - одного из параметров шифра.

Криптография и криптанализ стали особенно актуальными во время второй мировой войны. До сих пор известны не все детали истории разработки методов криптанализа, приведшей, в частности, к появлению первых компьютеров. Больших успехов добился американец Клод Шеннон, который разработал количественные теории коммуникации и секретности, введя дискретную меру информации - бит (подобные результаты были получены в Британии Аланом Тьюрингом и в СССР Алексеем Котельниковым, однако их работы в области криптологии остаются секретными и поныне). Казалось, криптология должна была окончательно стать на научную основу и превратиться в математическую дисциплину.

Однако вплоть до шестидесятых-семидесятых годов XX века рынок практических криптографических приложений был ограничен в основном военной и дипломатической сферами, а криптология, соответственно, оставалась «эзотерической» областью знаний - не только в том смысле, что ею занимался узкий круг людей, но и в смысле отсутствия нормальной ученой и академической среды (не случайно книготорговцы ставили криптологические и криптографические сочинения на полку «оккультных наук»).

Появление в середине ХХ столетия первых ЭВМ кардинально изменило ситуацию – практическая криптография сделала в своем развитии огромный скачок и термин «криптография» далеко ушел от своего первоначального значения – «тайнопись», «тайное письмо».

Сегодня эта дисциплина объединяет методы защиты информационных взаимодействий совершенно различного характера, опирающиеся на преобразование данных по секретным алгоритмам, включая алгоритмы, использующие секретные параметры. Термин «информационное взаимодействие» или «процесс информационного взаимодействия» здесь обозначает такой процесс взаимодействия двух и более субъектов, основным содержанием которого является передача и/или обработка информации. Базовых методов преобразования информации, которыми располагает современная криптография немного, но все они являются «кирпичами» для создания прикладных систем.

На сегодняшний день криптографические методы применяются для идентификации и аутентификации пользователей, защиты каналов передачи данных от навязывания ложных данных, защиты электронных документов от копирования и подделки.