Тема История криптологии. 1 Об истории криптологии

7.2 Криптология в Древнем мире

Большинство современных исследователей связывают появление криптографии с появлением письменности, указывая, что эти процессы произошли почти одновременно. Методы секретной переписки были изобретены независимо в различных государствах древнего Востока, таких как Египет, Китай и Шумер, хотя сегодня очень трудно судить об уровне развития криптологии в этих обществах. Клинопись, рисуночное и иероглифическое письмо само по себе было крайне сложно и требовало длительного обучения, так что вопрос о шифровании сообщений часто попросту не поднимался, так как круг грамотных лиц был весьма ограничен. Нельзя судить и о широте распространения различных криптографических систем и тайнописи, так как число дошедших до нас памятников очень невелико. Всю сложность данного вопроса иллюстрирует один пример: найдено множество глиняных табличек с клинописными знаками, записанными в несколько слоев (первоначальная запись замазывалась глиной и поверх нее наносилась новая). Подобные действия могли быть вызваны как применением тайнописи, так и просто удобством использования. Так или иначе, в древневосточных государствах, основу письменности которых составляли сложные системы клинописи, иероглифов и других условных обозначений, а круг грамотных лиц был ограничен, применение криптографии если и было, то скорее всего на весьма примитивном уровне. Однако с развитием фонетического письма и значительным упрощением письменности, криптология получает значительный стимул к развитию. Развитию этой области знаний способствовали и развитие торговли, военного дела и дипломатической деятельности, которые создавали необходимый спрос на «продукцию» криптографов. Наибольшее развитие в это время криптография получает в полисах Древней Греции, а позже в Риме. Это было обусловлено и своеобразным общественно-политическим строем этих обществ, так как при тирании любое сообщение, которое попытались бы скрыть криптографическими методами негосударственные органы, само по себе могло рассматриваться как преступление против государства, от которого ничто не должно скрыться. В Греции и Риме с их уважением к частным правам граждан, развитием коммерции и торговли и активным, как внешне так и внутриполитическим противостоянием, создавались наиболее благоприятные условия для развития криптологии. Основные криптографические системы, многие из которых используются вплоть до наших дней были разработаны в Древней Греции и получили широкое практическое применение в Риме. В Древней Греции использовались как шифры замены, так и шифры перестановки. Так наиболее распространенным и получившим широкую известность в античном мире шифром замены является т.н. шифр Цезаря, описанный Светонием. Для того чтобы зашифровать сообщение, каждую его букву заменяли на другую букву латинского алфавита, но со сдвигом влево или вправо. Цезарь в своих посланиях к сенату заменял все буквы на три отстоящие слева, Август применял тот же шифр, но со сдвигом в четыре знака.

Наибольших успехов в криптографии в античный период добилась Спарта, где активно использовались все известные виды шифров и были созданы первые дошедшие до нас шифровальные устройство. Первым таким прибором, реализующим шифр перестановки была т.н. «сциталла» (ококо VI-V вв. до н.э.), созданная в Спарте и позже активно использовавшаяся в большинстве античных государств. На цилиндр определенного диаметра по спирали наматывался ремень, на который наносили буквы вдоль оси цилиндра. В результате в развернутом виде все буквы смешивались, а если намотать ремень на цилиндр того же диаметра, то сообщение вновь становилось понятным. Этот нехитрый способ часто использовался из-за своей простоты и возможности оперативного расшифрования сообщения. В то же время стойкость данного шифра была невелика, а позже Архимед предложил устройство (т.н. антисциталла) , с помощью которого расшифровка подобного сообщения без нужного цилиндра была весьма простой и быстрой. Ремень наматывали на коническое «копье» и сдвигали вверх и вниз до тех пор, пока не находили нужный диаметр и текст сообщения становился понятным.

Существовали и другие способы «механизации» криптографического дела, связанные прежде всего с именем древнегреческого полководца Энея Тактики. Он создал т.н. «диск Энея» , получивший в Древней Греции широкое применение. В небольшом диске высверливались отверстия, соответствующие буквам алфавита, через которые продевалась нить, в соответствии с буквами шифруемого текста. Для расшифровки нить вытягивали, получая обратную последовательность букв. Этот крайне примитивный на первый взгляд способ шифрования, был весьма эффективен, так как противнику, перехватившему сообщение было неизвестно, какая буква соответствует каждому отверстию. Кроме того, если возникала опасность перехвата сообщения, нить можно было легко порвать, тем самым уничтожив его. Существовала также и «линейка Энея», использовавшая тот же принцип, что и диск. Значительным вкладом Энея стал и изобретенный им т.н. «книжный шифр», активно использовавшийся вплоть до ХХ века. В своем трактате «Об обороне укрепленных мест», Эней предлагал прокалывать малозаметные дырки над буквами текста какой-либо книги. Сложив вместе отмеченные буквы адресат получал исходное сообщение. Римляне усовершенствовали диск Энея, создав первую многодисковую шифрующую систему. На общую ось одевали два диска с хаотичным расположением букв. Каждой букве первого диска соответствовала буква второго, что и составляло шифр.

Значительным шагом вперед, по сравнению с предыдущими системами шифрования представлял шифр, предложенный Полибием (ок. II в. до н.э.) . Механизм его состоял в следующем: в квадрат определенных размеров (в соответствии с количеством букв алфавита – для латинского 5Х5, для русского 5Х6, при этом некоторые буквы редуцируются) вписываются буквы алфавита. Каждая клетка квадрата имеет двузначные координаты, на которые и заменяется при шифровании. Первоначально буквы записывались в естественном порядке, что значительно снижало стойкость шифра. Позднее буквы стали располагать хаотично, но это требовало наличие записанного ключа, что также было небезопасно. Выход был найден в применении т.н. ключевого слова. Берется какое-либо слово, из него убираются повторяющиеся буквы, а оставшиеся записываются в первые клетки квадрата. Пустые клетки заполняются буквами алфавита в естественном порядке. Полибианский квадрат стал одной из наиболее широко распространенных криптографических систем, когда-либо употреблявшихся. Этому способствовала его достаточно высокая стойкость (во всяком случае до автоматизации дешифрующих систем) – так квадрат 5Х5 для латинского алфавита содержит 15511210043331000000000000 (расчет весьма приблизителен) возможных положений, что практически исключает его дешифрование без знания ключа.

Интересно отметить, что полибианский квадрат дожил до наших дней и лег в основу т.н. «тюремного шифра», используемого заключенными при перестукивании. В нем буквы расположены в естественном порядке, а число ударов обозначает координату каждой буквы. Но так как используется естественное расположение букв, т.е секретного ключа нет, «тюремный шифр» является скорее способом кодировки сообщения, чем способом ее засекречивания.

Эти криптографические системы активно применялись в Древней Греции и Риме и надолго определили характер криптографии. В условиях необходимости ручного расшифрования, полибианский квадрат был практически неуязвимым шифром, а сциталла и диск Энея, достаточно простые, тем не менее, позволяли оперативно шифровать и расшифровывать информацию, что делало их применимыми, скажем в полевых условиях для оперативной передачи приказов.

7.3 Криптология в Средние века

С упадком античной цивилизации и образованием в Европе варварских государств, криптография пришла в упадок. В условиях, когда грамотность была крайне низка, зашифровывать сообщения не было необходимости, да и самих письменных сообщений практически не было. Только в период позднего средневековья криптография начинает постепенно возрождаться, становясь одним из важнейших инструментов политики, дипломатии и военного дела в раннее Новое время .

Не таким сильным был упадок криптографии в Византии, сохранившей многие античные традиции. Но и здесь криптографические системы предельно упростились и были легко уязвимы . Чаще всего сообщение просто писали в обратном порядке или заменяли каждую букву на следующую по алфавиту. Для засекречивания сообщений использовали малораспространенные иностранные языки, чаще всего армянский или древнееврейский. Но в целом, по сравнению с эпохой античности, криптография находилась на крайне низком уровне.

Помимо вышеперечисленных причин, криптография находилась в упадке еще и потому, что в ней видели элементы колдовства . Набор непонятных букв или символов, сам по себе похожий на заклинание, воспринимался как нечто магическое, а люди, извлекающие из этого набора символов смысл, расценивались как колдуны или гадатели, что не могло не наложить свой отпечаток на отношение к ним в христианской Европе.

В отличие от Европы, в арабском мире криптография не только не пришла в упадок, но продолжала успешно развиваться, достигнув значительных успехов. Первым дошедшим до нас источником арабского происхождения по криптологии можно считать книгу Абу-Бакра Набати «О большом стремлении человека разгадать загадки древней письменности» (ок. 855 года), в которой автор изложил несколько известных ему шифралфавитов. Но по-настоящему характеризует познания арабов в области криптографии 14-ти томная энциклопедия Шебаха Калкашанди написанную в 1412 году. В разделе «Относительно сокрытия букв тайных сообщений», автор изложил все известные ему на тот момент существовавшие в арабском мире криптографические системы. Приводились примеры как шифров перестановки, так и замены. Упоминались и шифры, использовавшие несколько символов для замены одной буквы текста.

Помимо простого описания существующих шифрсистем, довольно эффективных и современных в то время, в произведении Калкандаши впервые за всю историю встречается упоминание о криптоанализе, что ознаменовало новую эпоху в развитии криптологии. Многочисленные школы арабских грамматиков и религиозных деятелей на протяжении многих веков изучали Коран, в том числе обращая внимание и на частоту встречаемости тех или иных символов, фонетику слов, употребляемость букв, различные лингвистические закономерности и т.д. Калкандаши впервые предлагает расшифровывать сообщения на основе статистики использования букв и их сочетаний в арабском алфавите, полученной в результате изучения Корана. Для расшифровки сообщения автор предлагал пересчитать все знаки сообщения и составить их статистику. Затем, соотнести ее со статистикой Корана и начать подстановку букв с наиболее часто встречающегося символа. На основе предположений выделяются сначала возможные двухбуквенные слова, затем трехбуквенные и т.д. Этот метод лежит в основе всей современной криптоаналитики. При этом Калкандаши отмечает необходимость знания языка сообщения, так как без этого невозможно понять его смысл.

Проблема использования криптографии и криптоаналитических методов арабами до сих пор остается неизученной, однако примерно с XV века уровень ее постепенно падает, а со временем наследие Калкандаши было почти полностью утрачено.

7.4 Криптология в позднее средневековье и эпоху Возрождения

В эпоху позднего средневековья, с началом возрождения античного наследия и просвещения, криптография в Европе обретает «второе рождение», прежде всего в среде интеллектуальной элиты того времени. Многие ученые средневекового периода стремились скрыть сделанные ими изобретения и открытия. Так современные исследователи установили, что состав черного пороха был открыт известным английским ученым середины XIII века – Роджером Бэконом (самое известное его изобретение – очки), почти за сто лет до «официальной» даты создания пороха Бертольдом Шварцем . В одном из его трудов присутствовало незашифрованное описание свойств этого вещества, но сам состав был зашифрован таким сложным шифром перестановки, что вскрыть его удалось лишь в наши дни с применением ЭВМ.

Однако проблема использования средневековыми учеными криптографии в своих произведениях, в особенности шифров перестановки, весьма неоднозначна. Примером может служить приписываемое Галилею открытие спутников Марса – Фобоса и Деймоса . Долгое время одна из его анаграмм, посвященная наблюдениям Марса читалась как «Высочайшую планету двойную наблюдал», но в 1960-х годах был получен другой вариант: «Привет вам, близнецы, Марса порождение». Таким образом шифр перестановки может давать два и более варианта прочтения, в корне меняющих смысл текста и без знания ключа невозможно определить, какой из них правильный.

И все же развитие криптологии в позднее средневековье и раннее Новое время было напрямую связано с расцветом дипломатии. Неудивительно, что лидерство в области криптографии долгое время принадлежало папской курии, имевшей активные дипломатические связи и привлекавшей к своей работе образованнейших людей того времени. Так старейшим ключом в Западной европе, дошедшим до нас, является ключ для корреспондентов антипапы Климентия VII, изготовленный его секретарем Габриэли Лавинде . Этот ключ является типичным примером номенклатора – криптографической системы, которая до середины XIX века доминировала в Европе. Номенклатор сочетал в себе шифралфавит и кодовые обозначения для отдельных слов или выражений.

Судя по всему, несмотря на упадок в средневековый период, к началу XV века криптология в Европе достигла значительных успехов и сравнялась, если не обогнала арабский уровень. Так в 1401 году в герцогстве Мантуя был создан первый, дошедший до нас шифр многозначной замены , причем по несколько обозначений имели лишь гласные буквы, что может свидетельствовать о знакомстве составителя шифра с методами криптоанализа, основанными на частоте встречающихся в тексте гласных букв.

Неизвестно, была ли тесная связь между развитием европейской и восточной криптографии. Безусловно подобного рода контакты могли происходить в Испании и во время Крестовых походов, но утверждать, что европейская криптология в то время использовала арабский опыт нельзя. Труды Калкандаши не были переведены с арабского языка и по всей видимости прямой связи европейской криптографии с восточной нет. Кроме того, если на востоке криптография была скорее частью лингвистики, то в Европе она была ближе к математике и естественным наукам, что также определило ее специфику.

Появление постоянных дипломатических представительств и обострение политической борьбы стимулировало послов зашифровывать свои донесения, опасаясь, что они будут перехвачены противником. Во многих европейских государствах, начиная с XVI века, появляется должность «секретаря по шифрам», единственным занятием которого, было создание шифров для «своих» дипломатических служб и расшифровка «чужих» сообщений. Уже в XV веке закладываются теоретические основы европейской криптологии. Знаменитый итальянский архитектор Леон Батиста Альберти может быть назван «отцом» европейской криптологии. Именно он в своем труде «Трактат о шифрах» впервые предложил шифр многоалфавитной замены, который делал сообщение практически невскрываемым. Этот тип шифра часто называют таблицей Винджера – английского дипломата XVI века, активно применявшего его на практике. Все строки такой таблицы содержали буквы алфавита (в т.ч. и пробел) в естественном порядке, но на каждой последующей строке, он сдвигался на один символ назад. Количество строк таблицы равнялось количеству букв алфавита. Таблица имела сетку координат также по буквам алфавита. Для того, чтобы зашифровать сообщение под каждым символом ним записывался символ ключа (если ключ был короче, то он циклически повторялся). В результате, буква сообщения и соответствующая буква ключа составляли координаты символа, используемого для шифровки. Эта криптографическая система была крайне проста, удобна и практически неуязвима для ручного раскодирования, если не знать ключа.

Леон Альберти может считаться выдающимся криптографом и потому, что создал первый в европейской истории научный труд по криптологии – «Трактат о шифрах» 1466 года, в котором не только приводились примеры возможных вариантов шифрования, но и обосновывалась целесообразность применения криптографии на практике, как наиболее дешевого и надежного инструмента защиты информации.

Другой, не менее выдающийся труд по криптографии принадлежит германскому аббату Иоганну Трисемусу, внесшему значительный вклад в развитие этой науки. В 1508 году он написал трактат «Полиграфия» , где предложил улучшенный вариант «полибианского квадрата». Новшество заключалось в шифровании не каждой буквы, а биграмм – пар букв. Этот тип криптографических систем просуществовал до середины ХХ века, а наиболее широкое применение получил в английской армии в годы Первой мировой войны.

Основу данной системы составлял все тот же полибианский квадрат, однако шифровались не отдельные символы, а пары букв. Если обе буквы находились в одном столбце, то для их обозначения использовались нижестоящие, если буквы принадлежали к одной строке, то их меняли на следующие справа, если буквы принадлежали к разным столбцам и строкам, то брались такие символы, чтобы вместе они составляли квадрат. Однако несмотря на свою эффективность, эта криптографическая система не получила в то время широкое распространение и была применена лишь в XIX веке. Скорее всего это было связано с тем, что уже существовавшие системы шифрования были весьма устойчивы к дешифровке, а сам Трисемус не был профессиональным криптографом и не имел «имени» в их среде. Тем не менее, нельзя недооценивать вклад Трисемуса в развитие криптографической науки. Методы шифрования предложенные им были большим шагом вперед, а сам труд «Полиграфия» был первым печатным изданием по криптографии, что свидетельствовало о достаточно высоком развитии этой науки.

Общеевропейскую известность в начале XVI века приобрел венецианский криптоаналитик Джованни Соро, которого многие считают одним из самых успешных криптоаналитиков за всю историю . Он мог вскрыть практически любой шифр (только однажды он заявил, что не смог вскрыть шифр папы Клементия VII, однако есть все основания полагать, что шифр был скрыт, а папа таким образом введен в заблуждение) того времени и был автором трактата по криптоанализу, заложившего основу дальнейшего развития криптоанализа в Европе. Этот трактат не дошел до нас, но известно, что на протяжении всего XVI века он был «настольной книгой» криптоаналитиков Европы. Соро проработал на своем посту более 40 лет и к концу жизни сумел подготовить несколько учеников, продолживших его дело. В отличие от Трисемуса и Альберти, Соро был практиком криптографического дела, однако именно он стал первым, кто начал готовить профессиональные кадры для криптографии, и хоть это была весьма примитивная форма «ученичества», лишенная подчас всякой теоретической базы, она была преобладающей на протяжении долгого времени. Дело в том, что люди, работавшие с шифрами, были по тем временам отлично образованы, а успешно освоить криптографическое дело, постоянно эволюционировавшее и усложнявшееся, можно было только с помощью долгой практики, чем и занимался Соро со своими учениками.

Специальных учебных заведений, где обучали бы криптографической деятельности, в то время не существовало. Криптологов рекрутировали из наиболее образованных людей того времени, знающих математику и иностранные языки. Соро был первым, кто попытался специально обучать молодых криптографов этой науке, но опять же на практике. С другой стороны сама проблема кадров не стояла в то время так остро, а пост секретаря по шифрам был весьма желанным для многих одаренных людей того времени, так как давал славу, уважение и немалый материальный доход.

Вообще же криптографию в позднее средневековье и раннее Новое время использовали не только государственные деятели, но и многие образованные люди. Так Леонардо да Винчи шифровал свои работы с помощью зеркала, записывая слова задом наперед. Он использовал и другие, значительно более сложные шифры, некоторые из которых до сих пор не раскрыты.

С развитием естественных наук к криптографической деятельности все чаще привлекаются талантливые и способные математики. Одним из первых таких криптографов был Франсуа Виет – основоположник практически всей современной алгебры и выдающийся ученый своего времени. Он служил секретарем по шифрам при французском короле Генрихе IV, был членом тайного совета, занимался адвокатской практикой. Работая совместно с голландским криптоаналитиком Филлипом ван Марниксом (автором современного голландского гимна), они сумели примерно за год вскрыть шифр короля Испании Филиппа II, который до этого времени считали неуязвимым не только в Испании, но и в Ватикане – одном из крупнейших криптографических центров того времени. В Риме в середине XVI века работал другой выдающийся математик Джероламо Кардано, разработавший новый тип криптографической системы, названной впоследствии решеткой . В квадрате вырезались отверстия таким образом, чтобы при нескольких поворотах они покрывали всю его площадь. В эти отверстия и вписывался текст, в результате чего знаки перемешивались. Этот простейший на первый взгляд шифр перестановки сам по себе был неэффективен, но из-за своей простоты часто использовался для дополнительного усиления уже зашифрованного другим способом сообщения.

Вообще же в XVI–XVII веке криптографические службы складываются практически в каждом европейском государстве, причем в состав этих служб входила научная элита того времени: Франсуа Виет во Франции, Джероламо Кардано в Риме, Джон Валлис и Френсис Бекон в Англии, Лейбниц в Германии. Европейские правители нередко привлекали уже известных криптографов-иностранцев на службу, хотя это не всегда удавалось. Пожалуй самым неудачливым из таких криптографов был Лейбниц – выдающийся немецкий ученый, математик, основатель Берлинской академии наук. Английский король Георг I хотел пригласить Лейбница, чтобы тот возглавил британскую криптографическую службу, но натолкнулся на резкое противодействие в лице Валлиса, опасавшегося конкуренции со стороны своего немецкого коллеги и пригрозившего перейти на сторону Испании, выдав ей все английские секреты, которых Валлис, по характеру своей деятельности знал немало. Активно выступал против подобного назначения и Ньютон – председатель Королевского научного общества, оспаривавший авторство Лейбница в дифференциальном исчислении. Не повезло Лейбницу и во второй раз, когда его пригласил в Россию Петр I, для не только для организации Российской академии наук, но и для создания российской криптографической службы по европейскому образцу, однако смерть Лейбница не позволила осуществиться планам Петра, вынужденного воспользоваться услугами менее именитых криптологов.

В конце XVII века Френсису Бекону английскому криптологу и мыслителю удалось обобщить все накопленные до него знания в области криптологии и окончательно выделить эту область знаний как самостоятельную научную дисциплину. Именно он впервые предложил и осуществил на практике кодирование букв латинского алфавита с помощью двузначных цифр, и сделать систему числовых обозначений общепринятой (несмотря на то, что арабы использовали подобную систему более пяти веков назад, в Европе об этом практически ничего не знали). Посветив криптографии несколько специальных работ, он был не только теоретиком, но и искусно применял на практике свои знания, благодаря чему он занял почетное место в ряде выдающихся криптологов.

В целом же, к концу XVII века криптография окончательно складывается как научная дисциплина. Появляются профессиональные криптоаналитики, соответствующие службы практически в каждой европейской стране, некое подобие системы обучения профессиональных криптографов, появилось значительное количество работ по криптографии и криптоанализу. Хотя в данный период господствовали номенклаторы, которые не являются шифрами в чистом виде, тем не менее появление многоалфавитной замены, использование решеток, биграмм и цифровых обозначений стало огромным шагом вперед по сравнению с древнейшим периодом и олицетворяло наступление новой эры в развитии криптологии, вплотную приблизившейся к своему современному виду.

<< предыдущая страница следующая страница >>