Щерба В.В. Криптографическая защита информации

12

происхождения. Одна из первых книг, специально посвященная описанию некоторых шифров, издана в 855 г.; она называлась «Книга о большом стремлении человека разгадать загадки древней письменности». В XV в. издается 14-томная энциклопедия «Шауба аль-Аша», содержащая систематический обзор всех важнейших областей человеческого знания, включающая раздел о криптографии, в котором, в частности, впервые как результат исследования Корана приводится перечень букв в порядке частоты их употребления в арабском языке и рассматриваются примеры раскрытия шифров методом частотного анализа встречаемости букв.

Значительный шаг в криптографии был сделан в XV в. благодаря исследованиям известного итальянского философа, живописца, архитектора Леона Альберти. В своих работах Альберти предложил шифр, основанный на использовании шифровального диска.

Шифровальный диск представлял собой конструкцию из двух соосных дисков разного диаметра, вложенных друг в друга. Больший из них – неподвижный – был разделен на 24 сектора, в которые вписаны 20 букв латинского алфавита в естественном порядке и 4 цифры. При этом из 24-буквенного алфавита удалены 4 буквы, без которых, подобно русским буквам Ё, Й, Ь, Ъ, можно обойтись. Меньший диск – подвижный – был также разбит на 24 сектора, в которые вписаны все буквы, но смешанного латинского алфавита.

Имея два таких прибора, корреспонденты договаривались о первой индексной букве подвижного диска. При шифровании сообщения отправитель устанавливал индексную букву против любой буквы алфавита большого диска. Он информировал получателя сообщения о взаимоположении дисков, записывая выбранную букву в качестве первой буквы шифрованного текста. Очередная буква открытого текста отыскивалась на неподвижном диске, и стоящая напротив нее буква меньшего диска являлась результатом ее зашифрования. После того как зашифровывалось несколько букв открытого текста положение индексной буквы изменялось, что также различными способами передавалось получателю.

Этот шифр имел существенную особенность, которая делает изобретение Альберти событием в криптографии. В отличие от ранее известных шифров простой замены впервые для преобразования открытого текста, по существу, использовался не один, а несколько алфавитов. Впоследствии такие шифры получили название многоалфавитных.

14

А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ы Э Ю Я А В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш ЩЫ Э Ю Я А Б

Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р

Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю

Рис. 1.2. Таблица Трикемия

Несколько позже Джованни Белазо предложил некоторое усложнение многоалфавитного шифра за счет использования буквенного, легко запоминаемого ключа, который он назвал паролем. Паролем могли служить какое-либо слово или целая фраза. Пароль записывался над строками открытого текста и определял выбор алфавита для очередной замены, а именно: символ пароля, расположенный над символом открытого текста, рассматривался в качестве первого символа алфавита таблицы Трикемия.

Идеи Альберти об использовании смешанных алфавитов, Трикемия о посимвольной замене, предложения Белазо о применении паролей объединил в достаточно современной концепции шифров мно-

15

гоалфавитной замены итальянец Джованни де ла Порта. В 1563 г. он опубликовал, по существу, учебник по криптографии «О тайной переписке». Де Порта, в частности, предложил использовать квадратную таблицу с периодически сдвигаемым смешанным алфавитом и паролем (ключом), который он рекомендовал выбирать достаточно длинным (рис. 1.3. Таблица де Порта).

Преобразование открытого текста с помощью предложенного шифра осуществляется следующим образом. Над строками открытого текста записывается выбранный пароль. Каждый символ пароля используется как первый символ алфавита таблицы (заглавные символы первого столбца) и тем самым определяет текущий алфавит замены. Символ открытого текста, расположенный под символом пароля, отыскивается в верхнем или нижнем полуалфавите выбранного алфавита и заменяется соответствующим ему символом второго полуалфавита.

16

Рис. 1.3. Таблица де Порта

Если в качестве пароля (ключа) использовать имя создателя шиф-

ра «Джованни де ла Порта», а открытого текста – «УНИВЕРСИТЕТ МВД РОССИИ», имеем:

Применяя правило преобразования, получаем следующий шифро-

ванный текст: «ВРПТФКЛЭБЦН ЭШЫ ИЧВАЫП».

Следует упомянуть и о том, что де Порта впервые предложил шифр простой биграммной замены, в котором пары букв (биграммы) открытого текста представлялись в шифрованном тексте одним специальным графическим символом для каждой биграммы. Для выполнения преобразований специальные символы размещались в квадратной таблице, строки и столбцы которой были отмечены символами алфавита открытого текста. В зависимости от вида очередной биграммы специальный символ для ее замены отыскивался на пересечении строки и столбца, отмеченными соответствующими значениями первого и второго символа открытого текста. Например, биграмма ЕА заменялась специальным символом – ∆, биграмма LF – ♀ и т. д.

Дальнейшее усовершенствование многоалфавитных шифров простой замены было предложено Блезом Виженером в книге «Трактат о шифрах». В качестве пароля (ключа) Виженер предложил использовать открытое сообщение или его шифртекст. Такие шифры стали называться шифрами с самоключом. Основу шифра составляла таблица Трикемия с добавленными к ней в качестве первой строки и первого столбца алфавитов открытого текста. Позже такая таблица стала называться по имени своего автора (рис. 1.4. Таблица Виженера). В общем случае таблица Виженера состоит из циклически сдвигаемых алфавитов, причем ее первая строка может представлять произвольный смешанный алфавит.

18

З З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж И И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З К К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Л Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К М М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л Н Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М О О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н П П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О Р Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П С С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р Т Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С У У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т Ф Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Х Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Ц Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ч Ч Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ш Ш Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Щ Щ Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Ы Ы Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Ю Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Я Я А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю

Рис. 1.4. Таблица Виженера

Соавтором идеи шифров с самоключом история называет современника Виженера Джераломо Кардано. По всей видимости, Кардано является также изобретателем поворотной решетки как средства шифрования. Изначально поворотная решетка представляла собой лист достаточно плотного материала, в котором через произвольные интервалы были сделаны прямоугольные вырезы высотой в строку текста и различной длины. Размещая эту решетку на листе писчей бумаги, с помощью вырезов можно было вписывать секретное сообщение. После этого, удалив решетку, предлагалось заполнить оставшиеся свободные места некоторым текстом, маскировавшим секретное сообщение. Естественно, что получатель сообщения для преобразования шифрованного текста должен был иметь точно такую же решетку. Подобным средством шифрования пользовались многие известные исторические лица. История сохранила поворотные решетки русского дипломата и писателя Грибоедова, французского кардинала

19

Ришелье. Приведем пример1 секретного сообщения, замаскированного с помощью трафарета Ришелье под любовное послание (рис. 1.5. Трафарет кардинала Ришелье). На рисунке серым фоном выделены прорези поворотной решетки.

Преобразование шифртекста с помощью трафарета Ришелье позволяет получить текст такого секретного сообщения: YOU KILL AT ONCE.

Кардано использовал квадратную поворотную решетку, которая своими вырезами однократно покрывала площадь текста. Таким образом, предложенный им шифр можно определить как шифр перестановки.

Рис. 1.5. Трафарет кардинала Ришелье

В истории криптографии XVII–XVIII вв. называют эрой «черных кабинетов». В этот период во многих государствах Европы были созданы и получили развитие дешифровальные подразделения, названные «черными кабинетами». Первый из них был образован по инициативе кардинала Ришелье при дворе короля Людовика XIII. С именем Ришелье связаны некоторые оригинальные идеи, возникшие в криптографии в этот период. Например, для переписки с королем Ришелье использовал оригинальный шифр перестановки с переменным секретным ключом. Суть преобразований при зашифровании открытого текста становится ясной из следующего примера.

Открытый текст

1 Алфёров А. П., Зубов А. Ю., Кузьмин А. С., Черёмушкин А. В. Основы криптографии : учебное пособие. М. : «Гелиос АРВ», 2002.

20

Шифртекст

В У Р И С Е Н И Е М Т Т Р С И С В Д О

Много новых идей в криптографии принес XIX в. Изобретение в середине столетия телеграфа, других технических средств связи стимулировало развитие криптографии. Информация стала передаваться в форме электрических сигналов – токовых посылок, иными словами, представлялась в двоичном виде. В связи с этим возникла проблема рационального представления информации, которая решалась с помощью кодов. Одновременно появилась потребность в высокоскоростных способах шифрования.

Особое место в истории криптографии заняло изобретение дискового шифратора в 1800 г. первым государственным секретарем США Джефферсоном, позже ставшим третьим президентом страны.

Дисковый шифратор, который получил название шифратор Джефферсона, состоял из 25–36 деревянных дисков одинакового размера, насаженных на общую ось. На одном конце оси имелась неподвижная головка, на другом – резьба и гайка, с помощью которой все диски фиксировались в любом необходимом угловом положении. На боковой поверхности каждого диска, разделенной на 26 равных частей, были нанесены символы смешанных английских алфавитов. Вдоль образующей цилиндра системы дисков была закреплена прямолинейная рейка, способная вращаться относительно общей оси и выделять строку символов на дисках по образующей цилиндра. Для зашифрования части сообщения, объем которой соответствовал числу дисков, рейка фиксировалась в любом угловом положении. Под рейку подводился первый символ открытого текста, найденный в алфавите первого диска, затем – второй символ текста, найденный в алфавите второго диска и т. д. После этого положение дисков фиксировалось, а рейка подводилась под любую другую строку цилиндра, символы которой составляли шифрованный текст. При расшифровании символы шифрованного текста аналогично рассмотренной процедуре зашифрования «набирались» с помощью дисков, после чего с помощью перемещения рейки просматривались образовавшиеся строки цилиндра, среди которых было несложно обнаружить текст открытого сообщения.

Такая система шифрования имела огромное число ключевых элементов. К ним относятся: расположение символов алфавита на дисках, расстановка дисков на оси, выбор набора дисков из имеющегося