Чтение онлайн

Применение компьютера для зашифровывания сообщения во многом напоминает обычные способы шифрования. И в самом деле, между шифрованием с использованием компьютеров и шифрованием с использованием механических устройств, как, например, «Энигмы», существует всего лишь три основных отличия. Первое отличие состоит в том, что на деле можно построить механическую шифровальную машину только ограниченных размеров, в то время как компьютер может имитировать гипотетическую шифровальную машину огромной сложности. К примеру, компьютер мог бы быть запрограммирован так, чтобы воспроизвести действие сотен шифраторов, часть из которых вращается по часовой стрелке, а часть — против, некоторые шифраторы исчезают после каждой десятой буквы, а другие по ходу шифрования вращаются все быстрее и быстрее. Такую механическую машину в реальности изготовить невозможно, но ее виртуальный компьютеризованный аналог давал бы исключительно стойкий шифр.

Второе отличие заключается просто в быстродействии. Электроника может работать гораздо быстрее механических шифраторов; компьютер, запрограммированный для имитирования шифра «Энигмы», может вмиг зашифровать длинное сообщение. С другой стороны, компьютер, запрограммированный на использование существенно более сложного способа шифрования, по-прежнему способен выполнить свою задачу за приемлемое время.

Третье, и, пожалуй, наиболее существенное отличие — это то, что компьютер выполняет зашифровывание чисел, а не букв алфавита. Компьютеры работают только с двоичными числами — последовательностями единиц и нулей, которые называются двоичными знаками, или, для краткости, битами. Поэтому любое сообщение перед зашифровыванием должно быть преобразовано в двоичные знаки. Такое преобразование может выполняться в соответствии с различными протоколами, например, американским стандартным кодом для обмена информацией, широко известным как ASCII. В ASCII каждой букве алфавита сопоставляется число длиной 7 бит. Будем пока рассматривать двоичное число просто как последовательность единиц и нулей, которая однозначно определяет каждую букву (таблица 24), подобно тому, как в коде Морзе каждая буква обозначается своей последовательностью точек и тире. Существует 128 (27) способов расположения 7 двоичных знаков, поэтому в ASCII можно определить до 128 различных символов. Этого вполне достаточно, чтобы задать все строчные буквы (например, а = 1100001), все необходимые знаки пунктуации (например, ! = 0100001), а также другие символы (например, & = 0100110). После того как сообщение будет переведено в двоичный вид, можно приступать к его зашифровыванию.

Хотя мы имеем дело с компьютерами и числами, а не с машинами и буквами, зашифровывание по-прежнему выполняется с помощью традиционных способов замены и перестановки, при которых элементы сообщения заменяются другими элементами, либо элементы сообщения меняются местами, либо оба эти способа применяются совместно. Любой процесс зашифровывания — неважно, насколько он сложен — можно представить как сочетание этих двух простых операций. В следующих двух примерах наглядно показывается, насколько просто можно осуществить компьютерное шифрование с помощью элементарного шифра замены и элементарного шифра перестановки.

Допустим, что мы хотим зашифровать сообщение HELLO с использованием простой компьютерной версии шифра перестановки. Перед тем как начать зашифровывание, мы должны вначале преобразовать сообщение в ASCII-код в соответствии с таблицей 24:

Открытый текст = HELLO = 1001000 1000101 1001100 1001100 1001111

Здесь можно было бы воспользоваться одним из простейших видов шифра перестановки и поменять местами первую и вторую цифры, третью и четвертую цифры, и так далее. В этом случае последняя цифра останется на своем месте, поскольку их количество нечетно. Чтобы было более понятно, я убрал пробелы между группами чисел, представляющих собой ASCII-код исходного открытого текста, записал их сплошной строкой, а затем, для наглядности, выровнял относительно получившегося шифртекста:

При выполнении перестановок на уровне двоичных цифр возникает интересный аспект, заключающийся в том, что перестановки можно осуществлять внутри буквы. Более того, биты одной буквы можно менять местами с битами соседней буквы.

Так, например, если переставить седьмую и восьмую цифры, то поменяются местами последний 0 буквы Н и первая 1 буквы Е. Зашифрованное сообщение представляет собой сплошную строку из 35 двоичных цифр, которую можно передать получателю и из которой затем, путем обратной перестановки, можно воссоздать исходную строку двоичных цифр. После чего получатель преобразует двоичные цифры ASCII-кода и восстановит сообщение HELLO.

Таблица 24. ASCII-код двоичного представления заглавных букв

Допустим, что теперь мы хотим зашифровать это же сообщение, HELLO, только на этот раз с помощью простой компьютерной версии шифра замены. Перед тем как приступить к зашифровыванию, мы вначале опять-таки преобразуем сообщение в ASCII-код. Как обычно, при замене используется ключ, который был согласован между отправителем и получателем. В нашем случае ключом будет слово DAVID, преобразованное в ASCII-код, которое используется следующим образом. Каждый элемент открытого текста «добавляется» к соответствующему элементу ключа. «Добавление» двоичных цифр может выполняться, исходя из двух простых правил. Если элементы в открытом тексте и в ключе одинаковы, то элемент в открытом тексте заменяется на 0 в шифртексте. Если же элементы в сообщении и в ключе различны, то элемент в открытом тексте заменяется на 1 в шифртексте:

Получающееся зашифрованное сообщение представляет собой сплошную строку из 35 двоичных цифр, которую можно передать получателю, а тот уже с помощью этого же ключа проведет обратную замену, вновь воссоздав исходную строку двоичных цифр. После чего получатель преобразует двоичные цифры ASCII-кода и восстановит сообщение HELLO.

Компьютерное шифрование ограничивалось только тем кругом лиц, у кого имелись компьютеры; первоначально это означало правительство и военных. Однако ряд научных открытий, и технологических и инженерных достижений сделали компьютеры и компьютерное шифрование гораздо более широко доступными. В 1947 году в компании AT&T Bell Laboratories был создан транзистор — дешевая альтернатива электронной лампе. Использование компьютеров для решения промышленных и коммерческих задач стало реальностью в 1951 году, когда такие компании, как Ферранти, начали изготавливать компьютеры на заказ. В 1953 году IBM выпустила свой первый компьютер, четыре года спустя она же представила Фортран — язык программирования, который позволил «обычным» людям писать компьютерные программы. А создание в 1959 году интегральных схем провозгласило новую эру компьютеризации.

В 60-х годах двадцатого века компьютеры стали более мощными и в то же время более дешевыми. Все больше и больше коммерческих компаний и промышленных предприятий могли позволить себе приобрести компьютеры и использовать их для зашифровывания важной информации, например, переводов денег или проведения щекотливых торговых переговоров. Однако по мере роста количества таких компаний и предприятий и в связи с тем, что шифрование между ними распространялось во все большей степени криптографы столкнулись с новыми сложностями, которых не существовало, когда криптография являлась прерогативой правительств и военных. Одним из первоочередных вопросов был вопрос стандартизации. В компании, для обеспечения безопасности внутренней связи, могла использоваться специфическая система шифрования, но с ее помощью нельзя было отправить секретное сообщение ни в какую другую организацию, если только получатель не пользовался той же самой системой шифрования. В итоге 15 мая 1973 года Американское Национальное бюро стандартов США наметило разрешить эту проблему и официально запросило предложения по стандартной системе шифрования, которая бы позволила обеспечить секретность связи между различными компаниями.

Одним из наиболее известных и признанных алгоритмов шифрования и кандидатом в качестве стандарта был продукт компании IBM, известный как Люцифер. Он был создан Хорстом Файстелем, немецким эмигрантом, приехавшим в Америку в 1934 году. Файстель уже вот-вот должен был получить гражданство США, когда Америка вступила в войну, что означало, что он находился под домашним арестом вплоть до 1944 года. После этого он еще несколько лет умалчивал о своем интересе к криптографии, чтобы не возбудить подозрений у американских властей. Когда же он в конце концов начал заниматься изучением шифров в Кембриджском научно-исследовательском центре ВВС США, то вскоре оказался под пристальным вниманием Агентства национальной безопасности (АНБ) — организации, отвечающей за обеспечение безопасности военной и правительственной связи, которая занималась также перехватом и дешифровкой иностранных сообщений. В АНБ работало больше математиков, она приобретала больше компьютерной техники и перехватывала больше сообщений, чем любая другая организация в мире. В общем, что касается совать нос в чужие дела, то тут оно является мировым лидером.

АНБ выдвигало обвинения не против прошлого Файстеля, оно просто хотело обладать монополией в области криптографических исследований, и, по-видимому, именно оно устроило так, что исследовательский проект Файстеля был закрыт. В 60-х годах Файстель перешел в компанию Mitre Corporation, но АНБ продолжало оказывать на него давление и вторично вынудило его бросить работу.

В конце концов Файстель оказался в исследовательской лаборатории Томаса Дж. Уотсона компании IBM неподалеку от Нью-Йорка, где в течение нескольких лет он мог без помех продолжать свои исследования. Там-то в начале 70-х он и создал систему Люцифер.

Люцифер зашифровывает сообщения следующим образом. Вначале сообщение преобразуется в длинную строку двоичных цифр. Далее эта строка разбивается на блоки из 64 цифр, и зашифровывание производится отдельно для каждого блока. Затем берется только один блок, 64 цифры этого блока перетасовываются, после чего его делят на два полублока, состоящих из 32 цифр и обозначаемых как Left0 и Right0. Потом к цифрам в полублоке Right0 применяется «функция обжима», которая сложным образом заменяет цифры. Затем «обжатый» полублок Right0 добавляется к полублоку Left0, образуя новый полу-блок из 32 цифр, который обозначается как Right1. Производится переобозначение исходного полублока Right0 на Left1. Данная последовательность операций называется раундом. Процесс повторяется во втором раунде, но начинается с новых полублоков, Left1 и Right1, и заканчивается полублоками Left2 и Right2, и так продолжается до тех пор, пока не будет выполнено 16 раундов. Процесс зашифровывания немного напоминает замешивание теста. Представьте себе длинный кусок теста в виде бруска с написанным на нем сообщением. Вначале этот длинный кусок делится на блоки длиной 64 см. Затем половинка одного из блоков подцепляется, обжимается, складывается пополам, добавляется к другой половине и растягивается, образуя новый блок. После чего процесс повторяется снова и снова, пока сообщение не станет основательно перемешанным. По завершении 16 циклов «замешивания» шифртекст отсылается; его расшифровка получателем производится точно так же, как и зашифровывание, но в обратном порядке.