Представляется соблазнительным сократить усилия на подготовку и распределение ключей путем повторного использования одноразовых шифрблокнотов, но это смертный грех криптографии.
Повторное использование одноразового шифрблокнота позволит криптоаналитику противника легко дешифровать сообщения. Принцип, с помощью которого вскрываются два фрагмента шифртекста, зашифрованного одним и тем же криптографическим ключом одноразового использования, объясняется в Приложении G, но пока следует запомнить, что в использовании одноразового шифрблокнота нельзя делать никаких упрощений. Для каждого сообщения отправитель и получатель должны использовать новый ключ.
Одноразовый шифрблокнот полезен только тем, кому нужна сверхнадежная связь и кто может позволить себе заплатить огромную цену за создание и надежное распределение ключей. Например, безопасность телефонной «горячей линии» между президентами России и Америки обеспечивается посредством использования одноразового шифрблокнота.
Практические недостатки теоретически совершенного одноразового шифрблокнота означали, что идею Моборна никогда не удастся применить в разгаре сражения. По окончании Первой мировой войны и всех криптографических неудач продолжался поиск практичной системы, которую можно было бы применить в следующем конфликте. К радости криптографов это продолжалось недолго; вскоре они совершили прорыв, благодаря которому была восстановлена надежность связи на поле сражения. Чтобы упрочить свои шифры, криптографы, для обеспечения криптостойкости при зашифровывали сообщений, были вынуждены отказаться от использования бумаги и карандаша и применять самые последние достижения.
Усовершенствование шифровальных машин — от шифровальных дисков до «Энигмы»Самым первым криптографическим устройством был шифровальный диск, придуманный в пятнадцатом веке итальянским архитектором Леоном Альберти, одним из отцов многоалфавитного шифра. Он взял два медных диска, один чуть шире другого, и нанес алфавит по краям обоих дисков. Поместив меньший диск сверху диска большего размера и скрепив их иглой, действующей как ось, он получил шифровальный диск, который показан на рисунке 31. Оба эти диска могут вращаться независимо друг от друга, так что оба алфавита могут занимать различное положение друг относительно друга и тем самым использоваться для зашифровывания сообщения с помощью простого шифра Цезаря. Например, чтобы зашифровать сообщение шифром Цезаря со сдвигом на одну позицию, установите А на наружном диске напротив В на внутреннем; наружный диск будет алфавитом открытого текста, а внутренний диск будет представлять шифралфавит. На наружном диске ищется буква из открытого текста сообщения, а соответствующая буква с внутреннего диска записывается как часть шифртекста. Чтобы зашифровать сообщение шифром Цезаря со сдвигом на пять позиций, просто поверните диски так, чтобы А на наружном диске стояла напротив Р на внутреннем, а затем пользуйтесь шифровальным диском в этом новом положении.
Рис. 31 Шифровальный диск, применявшийся конфедератами во время Гражданской войны в США.
Даже при том, что шифровальный диск был исключительно простым приспособлением, он существенно облегчил процесс шифрования и широко использовался целых пять столетий. На рисунке 31 приведен вариант конструкции шифровального диска, который применялся в Гражданской войне в США. На рисунке 32 показан кодограф — шифровальный диск капитана Миднайта, одноименного героя одной из первых американских радиопостановок. Слушатели программы могли получить собственный кодограф, написав организаторам программы — компании Ovaltine — и приложив этикетку от одной из упаковок. Время от времени программы заканчивались секретным сообщением от капитана Миднайта, которое могло быть расшифровано радиослушателями с помощью кодографа.
Рис. 32 Кодограф Капитана Миднайта, который зашифровывал каждую букву открытого текста (наружный диск) в виде числа (внутренний диск), а не буквы.
Шифровальный диск может рассматриваться как «скремблер», который берет каждую букву открытого текста и преобразует ее в некую другую букву. При том способе применения шифровального диска, который мы рассматривали до сих пор, взломать получающийся шифр довольно просто, однако существует возможность использования шифровального диска и более сложным образом. Его изобретатель, Альберти, предложил менять установку диска во время подготовки сообщения, что фактически означает применение многоалфавитного шифра вместо одноалфавитного. Так, чтобы зашифровать слово goodbye с помощью ключевого слова LEON, Альберти мог бы поступить следующим образом. Он бы начал с того, что установил диск по первой букве ключевого слова, совместив букву А на наружном диске с буквой L на внутреннем. Далее он бы зашифровал первую букву сообщения, g, отыскав ее на наружном диске и отметив соответствующую ей букву на внутреннем диске, R. Затем, чтобы зашифровать вторую букву сообщения, он бы установил диск по второй букве ключевого слова, совместив букву А на наружном диске с буквой Е на внутреннем. После чего зашифровал бы букву о, найдя ее на наружном диске и отметив соответствующую ей букву на внутреннем диске, S. Процесс шифрования продолжается: шифровальный диск последовательно устанавливается по буквам ключа — О, затем N, вслед за этим снова на L и так далее. Фактически Альберти зашифровал бы сообщение с помощью шифра Виженера, где в качестве ключевого слова использовалось его первое имя. Но если сравнивать с квадратом Виженера, то шифровальный диск ускоряет процесс зашифровывания и уменьшает количество ошибок.
При таком применении шифровального диска существенным является то, что способ шифрования меняется в процессе зашифровывания. Хотя из-за этого дополнительного усложнения взломать шифр труднее, но оно все же не делает его невзламываемым, поскольку здесь мы имеем дело просто с механизированным вариантом шифра Виженера; шифр же Виженера был взломан Бэббиджем и Касиски. Однако спустя пять столетий реинкарнация шифровального диска, придуманного Альберти, в более усложненном виде привела к появлению нового поколения шифров, взломать которые было на порядок сложнее, чем любой из ранее используемых.
В 1918 году немецкий изобретатель Артур Шербиус и его близкий друг Ричард Рйттер основали компанию Шербиус-энд-Риттер, конструкторскую фирму, которая занималась всем — от турбин до подушек с подогревом. Шербиус отвечал за проведение исследований и конструкторских работ и постоянно изыскивал новые возможности. Один из лелеемых им замыслов заключался в замене несовершенных систем криптографии, применявшихся в Первой мировой войне, когда обменивались шифрами, подготовленными вручную карандашом на бумаге, способом шифрования, в котором применялась бы технология двадцатого века. Изучив электротехнику в Ганновере и Мюнхене, он разработал криптографическое устройство, которое являлось по сути электрическим вариантом шифровального диска Альберти. Под названием «Энигма» изобретение Шербиуса станет самой грозной системой шифрования в истории.
«Энигма» Шербиуса состояла из ряда остроумно выполненных деталей, которые он соединил в огромную и сложную шифровальную машину. Однако если мы разберем машину на комплектующие и поэтапно станем воссоздавать ее заново, то станут понятны ее основные принципы. Основой изобретения Шербиуса являются три соединенных проводами узла: клавиатура для ввода каждой буквы открытого текста, шифратор, который зашифровывает каждую букву открытого текста в соответствующую букву шифртекста, и индикаторное табло, состоящее из различных ламп для высвечивания букв шифртекста. На рисунке 33 показана стилизованная конструкция машины, ограниченная, для простоты, алфавитом, содержащим шесть букв. Чтобы зашифровать букву открытого текста, оператор нажимает на клавиатуре клавишу с нужной буквой открытого текста, которая посылает электрический импульс через центральный шифратор на противоположную сторону, где на панели с лампочками высвечивается соответствующая буква шифртекста.
Рис. 33 Упрощенный вариант «Энигмы» с алфавитом, состоящим всего из шести букв. Самым важным элементом машины является шифратор. При наборе на клавиатуре буквы b ток поступает в шифратор, проходит по проводам внутри него, а затем зажигает лампочку А. Короче говоря, b зашифровывается как А. Справа в прямоугольнике показано, как зашифровывается каждая из шести букв.
