От манускриптов до шифровальных машин: история криптографии — Naked Science
4 октября
26 минут
Ростех

От манускриптов до шифровальных машин: история криптографии

Когда мы вводим пароль или узнаем происхождение покупки благодаря маркировке товаров, мы используем методы криптографии. Специалисты Ростеха рассказали об эволюции этой науки и том, как она стала частью нашей повседневной жизни.

Фрагмент восточной стены гробницы Хнумхотепа II «Ловля птиц сетью». Пытаясь прославить вельможу, писцы использовали необычные для того времени иероглифы, которые могли прочесть не все египтяне
Фрагмент восточной стены гробницы Хнумхотепа II «Ловля птиц сетью». Пытаясь прославить вельможу, писцы использовали необычные для того времени иероглифы, которые могли прочесть не все египтяне / ©Пресс-служба Ростеха

В древности криптографию использовали, чтобы сохранить секретность сообщения. Эта задача появилась после того, как человек изобрел письменность. Саму письменность тогда можно было уже считать криптографической системой. Но вскоре ее стали понимать многие и потребовался другой, секретный канал передачи сообщений — прежде всего, в военных целях. С тех пор люди соревнуются в изобретении самых защищенных способов шифрования информации.

Криптография — это наука, которая изучает методы сохранения конфиденциальности и целостности данных при передаче сообщения, проверку подлинности авторства и не только. Сначала криптография изучала методы шифрования, но ушла далеко вперед. Настолько, что в 2019 году трудно представить, как без криптографии проходили бы банковские транзакции и общение в мессенджерах.

Древний мир

Свои послания пытались шифровать еще в древних цивилизациях: Индии, Египте, Месопотамии. Чтобы запутать читателя, использовали методы кодирования и стенографии, которые лишь косвенно относятся к криптографии. Шифрование обычно сводилось к перестановке и замене символов.

Иероглифы, приблизительно 4 тысячелетие до нашей эры. Ученые считают первым применением криптографии использование специальных иероглифов в Древнем Египте. Тогда у египтян была другая задача — не затруднить чтение, а превзойти друг друга в изобретательности передачи послания. Прежде всего, писцы хотели привлечь внимание к своим текстам, используя более редкие иероглифы для красноречия.

Атбаш, около 600 года до нашей эры. Примеры шифрования можно найти и в древнесемитской литературе. Так, шифр «Атбаш», один из простейших, использовался в книге пророка Иеремии. Происхождение этого слова объясняет принцип работы шифра — простая подмена букв. Оно было составлено из букв Алеф, Бет, Тае, Шин — четырех букв древнесемитского языка — двух первых и последних.


Пример использования шифра «Атбаш» с алфавитом русского языка. Шифр можно разгадать с помощью формулы n−i+1, где n — число букв в алфавите, i — номер конкретной буквы в азбуке / ©Пресс-служба Ростеха

Сциталла, около 400 года до нашей эры. Название в других источниках — «шифр древней Спарты». Но Сциталла — не шифр, а, по сути – устройство, наиболее старый криптографический механизм о котором мы знаем. Это длинный стержень, на который наматывали ленту из пергамента по спирали. Шифруемый текст писали в строки по длине стержня, разматывали и передавали адресату. После разматывания текст становился нечитаемым. Чтобы расшифровать послание, адресату нужен был стержень точно такого же диаметра.


Так выглядит Сциталла

Шифр Цезаря, около 100 лет до нашей эры. Гай Юлий Цезарь изобрел и использовал шрифт на основе одного алфавита, этот шрифт назвали его именем. Принцип шифра прост: каждая буква сдвигалась по алфавиту вправо на одно и то же число позиций. Адресату нужно было только знать, насколько — это и был ключ шифрования. Сам диктатор использовал сдвиг на три символа.


Пример использования шифра Цезаря с алфавитом русского языка. Каждая буква сдвинута вправо на три позиции. Неизвестно, кто первый в истории разгадал принцип работы шифра / ©Пресс-служба Ростеха

«Древние приспособления и шифры больше напоминали загадки, чем методы криптографии — период приблизительно до XVI века еще называют наивной криптографией. К примеру, шифр Сциталлы взломал Аристотель. Вместо стержня он взял конус и наматывал ленту с посланием на разной высоте, пока текст не становился читаемым.

Использовали и другие способы засекретить послания, которые нетрудно расшифровать: специальные диски и линейки, шифрование при помощи книг и другие. Но в то время и этих способов было достаточно, а на их основе изобрели новые», – рассказывает заместитель генерального директора по науке Концерна «Автоматика» Госкорпорации Ростех, специалист в области информационной безопасности Евгений Жданов.

Средние века

В средневековье люди продолжили использовать моноалфавитные шифры, хотя в некоторых странах изобретали и другие способы криптографии. Но если раньше шифровали в основном военные послания, то теперь засекречивать сообщения стали дипломаты, купцы и простые граждане.

«Шифры усложнялись по мере распространения техники частотного криптоанализа — когда шифр смогли разгадать без ключа, анализируя, как часто в засекреченном тексте встречаются разные буквы. Впервые эта технология появилась в арабских странах. Ее развитие привело к появлению полиалфавитных шифров – это тот же самый шифр простой замены, но на основе нескольких алфавитов, и шифров – замены букв по определенным правилам», – отмечает Евгений Жданов.

Манускрипт аль-Кинди, IX век. С VIII столетия нашей эры криптография быстрее развивается в арабских странах. Одни из первых трудов, в которых говорится о дешифровке моноалфавитных и полиалфавитных шифров написаны арабскими учеными. Важный труд того времени — «Манускрипт о дешифровке криптографических сообщений» ученого аль-Кинди. Именно он первым упомянул о частотном анализе шифров.


Первая страница манускрипта аль-Кинди / ©Википедия

Литорея, 1300 год. «Удивительно, но криптография существовала и в Древней Руси – факт малоизвестный, но крайне интересный. В древнерусской литературе использовалось тайнописание, называемое Литорея. Она могла быть простой и мудрой. Простая напоминала тарабарскую грамоту, мудрая — шифр простой замены некоторых букв точками, палками, кругами, которые означали разряд числа», – говорит эксперт.


Пример использования простой литореи с алфавитом русского языка. Согласные буквы располагали в два ряда, гласные оставались на своих местах / ©Пресс-служба Ростеха

Чтобы зашифровать послание, в исходном слове нужно заменить только согласные по двурядной таблице выше: букве «Б» соответствует «Щ», «Ш» — «В» и так далее / ©Пресс-служба Ростеха

Криптография Византии. Историкам известно о нескольких способах засекретить послания, которые использовали в Византии. В основном, это были простые приемы: скоропись, замена алфавита, неправильное написание букв, лигатурное письмо. Встречались и усложненные, которые назвали цифровой тайнописью: когда буквам присваивали числовое значение и шифровали текст с помощью арифметических действий: числа раскладывали на слагаемые, прибавляли и вычитали.

«В Средние века прорыва в шифровании не произошло. Новые и более сложные методы шифрования появлялись редко – старых было вполне достаточно. Тем не менее, Средневековье внесло свой вклад в науку о криптографии», – резюмирует Евгений Жданов. 

Эпоха Возрождения

1400—1700-е годы дали криптографии намного больше, чем Средние века. В эпоху Возрождения люди сосредоточились на изобретении шифров, а не шифровальных инструментов. Хотя именно этот инструмент и дал начало новому периоду в криптографии.

Диск Альберти, 1466 год. Шифровальный диск итальянского ученого Леона Альберти состоял из двух частей: внешней, которая двигаться не могла, и внутренней, которая двигалась. Диски делились на 24 клетки, в них были разные символы в разной последовательности. Для шифрования, нужно было вращать внутренний диск через несколько слов. С каждым поворотом образовывалась новая комбинация — в своей книге «Основы современной криптографии» историки С. Баричев, В. Гончаров и Р. Серов говорят о том, что Альберти первым выдвинул идею двойного шифрования.


Схематическое изображение шифровального диска Альберти. Чтобы вскрыть код, адресату нужен был внутренний диск с соответствующим алфавитом. Считается, что с помощью диска Альберти открыл шифры многоалфавитной замены

Техника перестановки Порта, 1563 год. Можно сказать, что итальянский врач и философ Джованни Баттиста делла Порта изменил изобретение Альберти и придумал способ ключевых слов. Его технику можно представить в формате таблицы. Из двух слов одно нужно для перестановки алфавита, другое — чтобы определить конкретный алфавит. Эту технику также считают двойным шифрованием.


Одна из таблиц Джованни Порта. Техника позволяет заменить любой знак открытого текста шифробуквой одиннадцатью различными способами

Шифр Виженера, 1586 год. Французского дипломата и алхимика Блеза де Виженера историки называют самым известным криптографом XVI века. Виженер изобрел абсолютно стойкий шифр. Его можно представить как последовательность нескольких шифров Цезаря с различными значениями сдвига. Для зашифровывания нужна таблица алфавитов.


Таблица Виженера для алфавита русского языка. В таблице — строки по 33 буквы, причем каждая следующая строка сдвигается на несколько позиций. Получается, что в такой таблице Виженера 33 различных шифра Цезаря

Пример шифрования с помощью таблицы Виженера. К исходному слову «Виженер» выбран ключ «Цезарь». Ключ короче исходного слова, поэтому его нужно повторять, пока количество букв не сравняется — «ЦезарьЦезарь…» — в примере достаточно добавить «Ц». Слово шифруется по принципу: буква ключа — строка в таблице, буква исходного слова — столбец. Шифробуква находится на их пересечении / ©Пресс-служба Ростеха

Великий шифр Россиньолей. Французский криптограф Антуан Россиньоль и его сын Бонавентур изобрели шифр, который использовал 587 различных чисел, большая часть из которых обозначала слоги.

«Это был очень надежный шифр, который не могли взломать столетиями. Некоторые числа в шифре — ловушки, которые ничего не заменяют. Ловушки понадобились, чтобы бороться с частотным анализом», – говорит Евгений Жданов.


Одна из номенклатур для расшифровки великого шифра Россиньолей. Шифр взломал эксперт шифровального отдела французской армии Этьен Базери. Базери заметил часто повторяющуюся последовательность чисел 124-22-125-46-345 и предположил, что она означает «les-en-ne-mi-s» или «les ennemis» (враги). Отталкиваясь от этой информации, он смог распутать весь шифр / ©Википедия.

В эпоху Возрождения были открыты шифры многоалфавитной замены, впервые использовали метод двойного шифрования. Над разгадкой некоторых шифров того времени криптографы размышляли столетиями. Многие из этих шифров стали основой новых методов в будущем.

Мировые войны

К началу Первой мировой войны криптографию уже считали полноценным боевым инструментом в США, России, Англии, Германии и не только. Страны перехватывали засекреченные сообщения друг друга, а криптоаналитики рушили планы сохранить политические шаги в секрете. Так, расшифровка перехваченной телеграммы немецкого посла Артура Циммермана подтолкнула США вступить в войну на стороне Антанты.


Слева — телеграмма Циммермана, справа — расшифрованный текст. Телеграмму перехватила британская разведка, а дешифровала криптографическая служба адмиралтейства — «Комната 40». После публикации в газетах расшифрованного послания в США резко выросли антигерманские настроения / ©KhanAcademyRussian

Ко Второй мировой войне крупные державы использовали электромеханические шифраторы. Шифры устройств в то время считали невскрываемыми. Сами устройства были роторными, как шифровальная машина «Энигма», и на цевочных дисках, как M-209. С помощью «Энигмы» сообщения шифровали войска Германии и ее союзники, при помощи M-209 — армия США. В СССР производили оба типа устройств.


Слева — шифровальная машина «Энигма M-4», справа — M-209. Сначала «Энигму» использовали разные страны в коммерческих целях, но наибольшее распространение машина получила в нацистской Германии. M-209 сразу использовали во время Второй мировой войны в военных целях. Оба устройства — портативные: их мог переносить с собой один человек / ©New Atlas / eGFI

Самыми стойкими ко взлому во Второй мировой войне считали коды, которые создавала «Энигма». Принцип работы устройства был такой: при каждом нажатии на клавишу правый ротор сдвигается на одну позицию, а при определенных условиях сдвигаются и другие роторы. Движение роторов каждый раз приводило к разным криптографическим преобразованиям.

«Код «Энигмы» дважды был расшифрован. Впервые, до Второй мировой, — в польском Бюро шифров в декабре 1932 года. После этого немецкие ученые усложнили устройство. Шифры новой «Энигмы», которая вышла в 1938 году, можно было расшифровать только с помощью более сложного механизма — «Бомбы Тьюринга», первая версия которой появилась в 1940 году. При этом мало кто знает о нашей шифровальной технике 1940-1950-х годов, например, о советской шифровальной машине «Фиалка», которая так и не была никем взломана и являлась засекреченной до недавнего прошлого», – сообщает Евгений Жданов.

Криптологический дешифратор Алана Тьюринга, который назвали «Бомбой». Технически машина устроена сложно, но если упростить, Бомба — эквивалент 26 энигмам. Дешифратор Тьюринга мог одновременно работать над тремя ключами секретных сообщений, без которых было невозможно расшифровать коды «Энигмы» / ©Scanning WWII

Современная криптография: заботы спецслужб и инструменты для бизнеса

Исторически шифрование и расшифровку сообщений использовали и развивали, в первую очередь, военные, политики, дипломаты и ученые. На протяжении многих веков послания засекречивались вручную и лишь в XX веке появились шифровальные машины. «Но сфера применения шифров оставалась незначительной до компьютерной революции, которая ознаменовала новый этап в развитии криптографии. Шифрами перестали оперировать люди – ими стали обмениваться машины.

А из области интересов узкой прослойки общества шифрование перешло в нашу повседневную жизнь: оно используется в мессенджерах и мобильных приложениях, на его основе создаются и распознаются штрих- и QR-коды, используемые для того, чтобы каждый человек мог проследить подлинность купленного им товара», – говорит исполнительный директор Ростеха Олег Евтушенко. Подробнее о современной криптографии читайте во второй части материала.

Ростех
10 статей
10 часов назад
6 минут
Никита Шевцов

Ученые впервые воспроизвели в реальности парадокс друга Вигнера. В результате физики выяснили, что квантовые явления субъективны: каждый наблюдатель может иметь свои альтернативные факты насчет них, и все они будут правдивы.

Позавчера, 17:02
18 минут
Александр Березин

Гибель десятков человек от вейпинга объяснили витамином Е. Попробуем разобраться в странной истории о массовой болезни молодых вейперов.

Вчера, 22:47
4 минуты
Мария Азарова

Бостонские ученые обнаружили простой и доступный каждому способ улучшить свое психическое здоровье, наладить сон и вернуть душевное спокойствие.

12 ноября
4 минуты
Никита Шевцов

Ученые использовали современные методы анализа и создали тест, который может определить, принимал ли человек наркотики, даже после того, как он тщательно вымыл руки.

10 часов назад
6 минут
Никита Шевцов

Ученые впервые воспроизвели в реальности парадокс друга Вигнера. В результате физики выяснили, что квантовые явления субъективны: каждый наблюдатель может иметь свои альтернативные факты насчет них, и все они будут правдивы.

Позавчера, 17:02
18 минут
Александр Березин

Гибель десятков человек от вейпинга объяснили витамином Е. Попробуем разобраться в странной истории о массовой болезни молодых вейперов.

12 ноября
4 минуты
Никита Шевцов

Ученые использовали современные методы анализа и создали тест, который может определить, принимал ли человек наркотики, даже после того, как он тщательно вымыл руки.

10 часов назад
6 минут
Никита Шевцов

Ученые впервые воспроизвели в реальности парадокс друга Вигнера. В результате физики выяснили, что квантовые явления субъективны: каждый наблюдатель может иметь свои альтернативные факты насчет них, и все они будут правдивы.

Позавчера, 17:02
18 минут
Александр Березин

Гибель десятков человек от вейпинга объяснили витамином Е. Попробуем разобраться в странной истории о массовой болезни молодых вейперов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: