Американская криптология. История спецсвязи

В 1790-х годах американская криптология обогатилась замечательным изобретением. Его автором был государственный деятель, первый госсекретарь, а затем и президент США Томас Джефферсон (Thomas Jefferson). Свою систему шифрования он назвал «дисковым шифром». Этот шифр реализовывался с помощью специального устройства, впоследствии названным «шифратором Джефферсона». Конструкция шифратора может быть кратко описана таким образом.

Деревянный цилиндр разрезался на 36 дисков (в принципе, общее количество дисков может быть и другим). Эти диски насаживались на одну общую ось так, чтобы они могли независимо вращаться на ней. На окружности каждого из дисков выписывались все буквы английского алфавита в произвольном порядке. Порядок следования букв на разных дисках был различным. На поверхности цилиндра выделялась линия, параллельная его оси.

При шифровании открытый текст разбивался на группы по 36 знаков, затем первая буква группы фиксировалась положением первого диска по выделенной линии, вторая – положением второго диска и т. д. Шифрованный текст получался путём считывания последовательности букв по любой параллельно выделенной линии.

Обратный процесс осуществлялся на аналогичном шифраторе: полученный шифротекст выписывался путём поворота дисков по выделенной линии, а открытый текст отыскивался среди параллельных ей линий путём прочтения возможного осмысленного варианта. Хотя теоретически этот метод позволял допустить появление разных вариантов открытого сообщения, но как показал накопленный к тому времени опыт, это было маловероятно: осмысленный текст читался только по одной из возможных линий.

Шифратор Джефферсона реализовывал ранее известный шифр многоалфавитной замены. Частями его ключа был порядок расположения букв на каждом диске и порядок расположения этих дисков на общей оси. Общее количество ключей было огромным.

Это изобретение стало предвестником появления так называемых дисковых шифраторов, которые нашли широкое применение в развитых странах в XX веке. Шифратор «М-94», который был аналогичен шифратору Джефферсона, использовался в армии США во время Второй Мировой войны. Однако при жизни Джефферсона судьба его изобретения сложилась неудачно.

Будучи госсекретарём, сам Джефферсон продолжал использовать традиционные коды (номенклаторы) и шифры Виженера. Он очень осторожно относился к своему изобретению и считал, что его нужно обстоятельно проанализировать. С этой целью он длительное время поддерживал связь с математиком Робертом Паттерсоном (Robert Patterson).

В результате обмена информацией Паттерсон предложил свой собственный шифр, который, по его мнению, был надёжнее, чем шифр Джефферсона. Он представлял собой шифр вертикальной перестановки с введением «пустышек». По своей стойкости он значительно уступал шифру Джефферсона, тем не менее тот принял доводы своего оппонента и признал его шифр более приемлимым для использования. Таким образом, Джефферсон сам не оценил всю значимость своего собственного изобретения.

В 1817 году полковник американской армии, начальник артиллерийско-технической службы армии США Джеймс Уодсворт (James Wadsworth) также предложил свой механический шифратор. Основными элементами устройства были два шифровальных диска. По окружности первого из них (верхнего), реализовывавшего алфавит открытого текста, по алфавиту были расположены 26 букв английского алфавита. На втором (нижнем) диске с алфавитом шифротекста в произвольном порядке располагались эти же буквы и цифры от 2 до 8. Таким образом, он содержал 33 знака. Буквы на диске были съёмными, что позволяло изменять алфавит шифротекста. Диски были соединены между собой шестерёнчатой передачей с количеством зубцов 26х33.

При вращении первого диска (с помощью кнопки) на один шаг второй диск вращался также на один шаг в другую сторону. Поскольку числа 26 и 33 были взаимно простыми, то при пошаговом вращении первого диска оба диска возвращались в изначальное состояние через 26х33=858 шагов. Диск открытого текста вращался только в одну сторону. Диски содержались в футляре, в котором были прорезаны окна.

С помощью специальной кнопки шестерни разъединялись, что позволяло независимо друг от друга возвращать диски в изначальное для шифрования положение (с помощью дополнительных кнопок). Долгосрочным ключом был алфавит шифротекста (их количество было 33), а разовый ключ состоял из двух букв (верхнего и нижнего диска) и устанавливался в окнах при независимом повороте дисков. Количество разовых ключей было: 26х33=858.

Шифрование производилась таким образом. Перед его началом диски устанавливались в начальные условные положения (например, LB). Потом шестерни соединялись, и с помощью кнопки диск вращался до тех пор, пока в верхнем окне не появлялась первая буква открытого текста. С окна под ним выписывалась первая буква шифрованного текста. Другие буквы шифровались аналогичным способом. Если буквы повторялись (например, АА), то диск делал полный оборот, поэтому в шифротексте этой паре отвечали пары из разных знаков (например, 8В).

Расшифрование осуществлялось в обратном порядке. Буквы шифрованного текста устанавливались по нижнему окну, а с верхнего выписывалась соответствующая буква открытого текста. Данный шифр имел такие особенности:

– количество знаков в алфавите шифротекста (33) было больше количества букв в алфавите открытого текста (26);

– шифрование буквы открытого текста зависела от того, какой была предыдущая ей шифруемая буква.

Предложение Уодсворта заслуживало внимания, несмотря на то, что недостатком шифра была его особая чувствительность к неточностям (типа замены и пропуска знаков в шифротексте). Искажённая или пропущенная буква делала весь последующий текст при дешифровке непонятным. Однако исторический отказ от предложенной системы шифрования был связан с другими обстоятельствами.

В эти годы господствовали так называемые «ручные шифры», применение которых не требовало специальных приспособлений. Эти шифры были хорошо усвоены, им верили и их хорошо знали, в связи с чем предложение Уодсворта порождало лишние «заботы».

В начале XIX века американец Плини Чейз (Pliny Chase) предложил модификацию известного шифра Полибия (см. таблицу).

Ключом шифра был порядок расположения букв в таблице. При шифровании координаты букв выписывались вертикально. Например, слово «UKRAINE» можно записать как двухстрочный цифровой шифротекст:

1 3 3 1 3 1 2

2 2 6 3 9 6 6

Чейз предложил ввести еще один ключ: заранее оговоренное правило преобразования нижней строки цифр. Например, число, определённое строкой, умножалось на 9: 2263966х9=20375694, после чего получался новый шифротекст:

1 3 3 1 3 1 2

2 0 3 7 5 6 9 4

Эта двухстрочная запись опять превращалась в буквы по указанной выше таблице, при этом первое число «2» определяло букву первой строки «U», затем «10» превращалось в «φ» и т. д. В результате получаем такой шифротекст: UφSWORPM.

Шифр Чейза был более стойким, чем шифр Полибия, однако распространения он не получил. Его недостатками были значительное осложнение процесса зашифрования-расшифрования и особая чувствительность к ошибкам (искажение в шифротексте).

Во второй половине XIX века произошла революция в военном деле. Появились новые средства вооружённой борьбы (паровые корабли, нарезные артиллерия и стрелковое оружие), коммуникаций (железная дорога) и связи (телеграф). Появление телеграфа заметно повлияло на развитие криптологии.

Одной из войн, в которой были широко применены перечисленные новинки, стала гражданская война в США (1861–1865) между жителями Севера (далее – федералы) и Юга (далее – конфедераты). Победу в этой войне одержали федералы, что в результате привело к созданию США в их современном виде. В этой победе заметную роль сыграло преимущество федералов в криптологических методах. При этом федералы временами «изобретали» заново шифры, которые уже были хорошо известны в Европе.

В то время для передачи сообщений уже широко использовался телеграф. Чтобы телеграфист мог легко читать передаваемый текст, шифротексты должны были быть максимально приближены к обычным открытым текстам. При передаче шифротекстов, представлявших собой хаотический набор букв, телеграфисты делали многочисленные ошибки, что существенно осложняло последующую дешифровку.

Кроме того, ошибки возникали из-за сбоев в работе телеграфных аппаратов. Например, американскому аппарату «Морзе» были свойственны ошибки при передаче, в результате которых в тексте одна буква оказывалась лишней, или наоборот, одной буквы не хватало. В случае «хаотических» шифротекстов такие искажения нередко приводили к невозможности дешифровки.

Кроме телеграфа применялись и другие способы передачи информации, в частности, «флажковые» коды. В 1856 году офицер медицинской службы Альберт Майер (Albert Myer) (1828-80) предложил метод связи с использованием сигнальных флажков – флажковый семафор (англ. wig-wag).

Для обозначения разных букв использовались разные положения флажка, и таким способом солдаты передавали сообщение. «Флажковую» систему Майера применяли солдаты обоих сторон, как федералы, так и конфедераты. Для этого использовалась природная возвышенность. Если таких не оказывалось, то строились специальные вышки.

Теперь рассмотрим шифры, которыми пользовались федералы и конфедераты во время Гражданской войны в США. Наибольшее распространение у федералов имел шифр, включавший элементы кодирования и перестановки слов. Наиболее секретные слова текста заранее заменялись с помощью долгосрочного кода. Например, слово «COLONEL» заменялось на «VENUS». Аналогично, фраза «PRESIDENT OF USA» заменялась на слово «ADAM» и т. п. Замена на легко читаемые обозначения облегчала работу телеграфистов, передававших шифрованные сообщения.

Затем кодируемый текст выписывался по порядку слов в прямоугольник, содержавший определённое количество столбцов. Количество столбцов в открытом виде передавалось в зашифрованном тексте в виде какого-либо слова. Например, слово «GUARD», стоявшее в начале телеграммы, означало, что в прямоугольнике пять столбцов (количество букв в слове). Потом из полученного прямоугольника слова выписывались, например, по такому правилу: первый столбец – сверху вниз, второй – снизу вверх, третий – сверху вниз и т. п. В результате получался окончательный шифротекст, который и передавался телеграфом.

Этот шифр был предложен в 1861 году Ансоном Стейджером (Anson Stager), первым руководителем компании «Вестерн Юнион телеграф». После мобилизации он был назначен руководителем управления военного телеграфа в Огайо. Ещё до войны Стейджер предложил такой шифр для губернатора штата Огайо, который с успехом использовался последним в переписке со своими коллегами – губернаторами штатов Индиана и Иллинойс.

В 1862 году благодаря первому масштабному использованию телеграфа в военных целях шифр Стейджера начал применяться всей армией Севера. Опыт работы Стейджера на телеграфе, естественно, привёл его к системе, в которой шифротекст состоял, как и в новых телеграфных кодах, с обычных слов, гораздо менее поддавающимся искажениям, чем группы произвольно набранных букв.

В ходе войны в систему были введены некоторые элементарные усложнения, которые её заметно усилили. В написанный текст вставлялись «пустышки». Выписывание стало делаться по диагоналям и переменным столбцам в прямоугольниках, которые всё больше и больше увеличивались.

С.Бэквит (S.Beckwith), шифровальщик командующего войсками федералов Уиллиса Гранта (Willis Grant), предложил передавать важные термины тщательно отобранными кодовыми обозначениями, чтобы свести к минимуму телеграфную ошибку. Интересно отметить, что кроме военных этим шифром пользовался и руководитель разведки Алан Пинкертон (Allan Pinkerton), будущий основатель знаменитого детективного агентства.

В этом шифре использовались и простые словарные перестановки: слова открытого текста переставлялись по определённому закону (ключу). Тем не менее, этот шифр был достаточно слабым. Использовался ещё один вид шифров – многоалфавитные системы (относительно алфавита шифрованного текста), в котором строилась таблица размером 26х26 (число букв латинского алфавита).

Столбцы таблицы обозначались буквами латинского алфавита по порядку (A, B, C,…, Z). Строки таблицы были произвольными перестановками этих букв. Это был алфавит открытого текста, определявший верхнюю строку подстановки, по которой выбирались буквы открытого текста. Строки таблицы использовались в естественном порядке (первая, вторая и т. д.) и определяли нижнюю строку подстановки. Первая буква текста шифровалась по первой строке, вторая – по второй и т. д. Правило циклически повторялось (27-я буква текста шифровалась опять по первой строке, 28-я – по второй и т. д.).

В июле 1865 года сержант Э.Хоули предложил использовать для этого шифра веер, состоявший из 26 деревянных дощечек, на которых были записаны алфавиты шифротекста (строки таблицы). Этот веер оказался настолько эффективным в практическом применении, что впервые в истории США его автору был выдан патент на шифровальное устройство.

В то время как федералы внедрили централизованную организацию системы связи, конфедераты распространили принцип прав штатов и на сферу шифровального дела. Каждый командир мог по своему усмотрению выбирать собственные коды и шифры. Это привело к существенным негативным последствиям, поскольку местные командиры практически ничего не понимали в шифровальном деле.

Конфедераты использовали примитивные шифры вплоть до шифров простой замены. Например, перед битвой под Шайлоу 6 апреля 1862 года генерал Джонстон договорился со своим заместителем генералом Борегаром использовать в качестве военного шифра замену Цезаря. Изредка употреблялись книжные шифры. Книжным шифром пользовался президент конфедерации южных штатов Джефферсон Дэвис.