Зарождение криптографии

Материалы к лекции по теме “Криптография в древние времена”

 

“Тайна головы раба”

Понятие "Безопасность" охватывает широкий круг интересов как отдельных лиц, так и целых государств. В наше мобильное время видное место отводится проблеме информированной безопасности, обеспечению защиты конфиденциальной информации от ознакомления с ней конкурирующих групп Недаром великий психолог Вильям Шекспир в "Короле Лире" изрек: "Чтоб мысль врага узнать, сердца вскрывают, а не то что письма".

О важности сохранения информации в тайне знали уже в древние времена, когда с появлением письменности появилась и опасность прочтения ее нежелательными лицами.

Существовали три основных способа защиты информации. Один из них предполагал защиту ее чисто силовыми методами: охрана документа - носителя информации - физическими лицами, передача его специальным курьером и т.д. Второй способ получил название "стеганография" латино-греческое сочетание слов, означающих в совокупности "тайнопись"). Он заключался в сокрытии самого факта наличия информации. В данном случае использовались так называемые симпатические чернила. При соответствующем "проявлении" бумаги текст становится видимым. Один из примеров сокрытия информации приведен в трудах древнегреческого историка Геродота. На голове раба, которая брилась наголо, записывалось нужное сообщение. И когда волосы его достаточно отрастали, раба отправляли к адресату, который снова брил его голову и считывал полученное сообщение.

Третий способ защиты информации заключался в преобразовании смыслового текста в некий набор хаотических знаков (или букв алфавита). Получатель данного донесения имел возможность преобразовать его в то же самое осмысленное сообщение, если обладал ключом к его построению. Этот способ защиты информации называется криптографическим. Криптография - слово греческое и в переводе означает "тайнопись". По утверждению ряда специалистов криптография по возрасту - ровесник египетских пирамид. В документах древних цивилизаций - Индии, Египта, Месопотамии - есть сведения о системах и способах составления шифрованных писем.

В древнеиндийских рукописях описаны 64 способа письма. Один из самых старых шифрованных текстов из Месопотамиипредставляет собой табличку, написанную клинописью и содержащую рецепт для изготовления глазури для гончарных изделий. Для написания его были использованы редко употребляемые клинописные знаки, игнорировались некоторые гласные и согласные и употреблялись числа вместо имен.

Шифрованные тексты Древнего Египта - это чаще всего религиозные тексты и медицинские рецепты.

Совершенно отсутствуют сведения об использовании шифров в Древнем Китае, что объясняется, по-видимому, сложностью употреблявшегося иероглифического письма.

Наиболее полные и достоверные сведения о шифрах относятся к Древней Греции.

Основные понятия криптографии - шифр (от арабского "цифра"; арабы первыми стали заменять буквы на цифры с целью защиты исходного текста). Секретный элемент шифра, недоступный посторонним, называется ключом шифра. Как правило, в древние времена использовались так называемые шифры замены и шифры перестановки.

Историческим примером шифра замены является шифр Цезаря (1 век до н.э.), описанный историком Древнего Рима Светонием. Гай Юлий Цезарь использовал в своей переписке шифр собственного изобретения. Применительно к современному русскому языку он состоял в следующем. Выписывался алфавит: А, Б, В, Г, Д, Е,...,; затем под ним выписывался тот же алфавит, но со сдвигом на 3 буквы влево:

А

Б

В

Г

Д

Е

Е

Ж

З

И

Й

К

Л

М

Н

О

П

Р

С

Т

У

Ф

Х

Ц

Ч

Ш

Щ

Ы

Ь

Ъ

Э

Ю

Я

Г

Д

Е

Е

Ж

3

И

И

К

Л

М

Н

О

П

Р

С

Т

У

Ф

Х

Ц

Ч

Ш

Щ

Ы

Ь

Ъ

Э

Ю

Я

А

Б

В

При зашифровке буква А заменялась буквой Г Б заменялась на Д, Б-Ей так далее. Так, например, слово "РИМ" превращалось в слово "УЛП". Получатель сообщения "УЛП" искал эти буквы в нижней строке и по буквам над ними восстанавливал исходное слово "РИМ". Ключом в шифре Цезаря является величина сдвига 3-й нижней строки алфавита. Преемник Юлия Цезаря - Цезарь Август - использовал тот же шифр, но с ключом - сдвиг 4. Слово "РИМ" он в этом случае зашифровал бы в буквосочетание "ФМР".

В художественной литературе классическим примером шифра замены является известный шифр "Пляшущие человечки" (К. Дойля). В нем буквы текста заменялись на символические фигурки людей. Ключом такого шифра являлись позы человечков,, заменяющих буквы...

Для примера шифра перестановки выберем целое положительное число, скажем 5; расположим числа от 1 до 5 в двустрочной записи

1	2	3	4	5
3	2	5	1	4

Зашифруем фразу "СВЯЩЕННАЯ РИМСКАЯ ИМПЕРИЯ". В этой фразе 23 буквы. Дополним ее двумя произвольными буквами (например,Ь.Э) до ближайшего числа, кратного 5, то есть 25. Выпишем эту дополненную фразу без пропусков, одновременно разбив ее на пятизначные группы:

СВЯЩЕ ННАЯР ИМСКА ЯИМПЕ РИЯЬЭ

Буквы каждой группы переставим в соответствии с указанной двухстрочной записью по следующему правилу: первая буква встает на третье место, вторая - на второе, третья на пятое, четвертая на первое и пятая на четвертое. Полученный текст выписывается без пропусков:

ЩВСЕЯЯННРАКМИАСПИЯЕМЬИРЭЯ

При расшифровании текст 1 разбивается на группы по 5 букв и буквы переставляются в обратном порядке: 1 на 4 место, 2 на 2,3 на 1, 4 на 5 и 5 на 3. Ключом шифра является выбранное число 5 и порядок расположения чисел в нижнем ряду двухстрочной записи.

Одним из первых приборов, реализующих шифр перестановки, является так называемый прибор СЦИТАЛЛА. Он был изобретен в древней "варварской" Спарте во времена Ликурга; Рим быстро воспользовался этим прибором. Для зашифрования текста использовался цилиндр заранее обусловленного диаметра. На цилиндр наматывался тонкий ремень из пергамента, и текст выписывался построчно по образующей цилиндра (вдоль его оси). Затем ремень сматывался и отправлялся - получателю сообщения. Последний наматывал его на цилиндр того же диаметра и читал текст по оси цилиндра. В этом примере ключом такого шифра являлся диаметр цилиндра и его длина, которые, по существу, порождают двухстрочную запись, указанную выше.

Интересно, что изобретение дешифровального устройства "АНТИСЦИТАЛЛА" приписывается великому Аристотелю. Он предложил для этого использовать конусообразное "копье", на которое наматывался перехваченный ремень, который передвигался по оси до того положения, пока не появлялся осмысленный текст.

Были и другие способы защиты информации, разработанные в античные времена. Древнегреческий полководец Эней Тактика в IV веке до н.э. предложил устройство, названное впоследствии "диском Энея". Принцип его был прост. На диске диаметром 10-15 см и толщиной 1-2 см высверливались отверстия по числу букв алфавита. В центре диска помещалась "катушка" с намотанной на ней ниткой достаточной длины. При зашифровании нитка "вытягивалась" с катушки и последовательно протягивалась через отверстия, в соответствии с буквами шифруемого текста. Диск и являлся посланием. Получатель послания последовательно вытягивал нитку из отверстий, что позволяло ему получать передаваемое сообщение, но в обратном порядке следования букв. При перехвате диска недоброжелатель имел возможность прочитать сообщение тем же образом, что и получатель. Но Эней предусмотрел возможность легкого уничтожения передаваемого сообщения при угрозе захвата диска. Для этого было достаточно выдернуть "катушку" с закрепленным на ней концом нити до полного выхода всей нити из всех отверстий диска.

Идея Энея была использована в создании и других оригинальных шифров замены. Скажем, в одном из вариантов вместо диска использовалась линейка с числом отверстий, равных количеству букв алфавита. Каждое отверстие обозначалось своей буквой; буквы по отверстиям располагались в произвольном порядке. К линейке была прикреплена катушка с намотанной на нее ниткой. Рядом с катушкой имелась прорезь. При шифровании нить протягивалась через прорезь, а затем через отверстие, соответствующее первой букве шифруемого текста, при этом на нити завязывался узелок в месте прохождения ее через отверстие; затем нить возвращалась в прорезь и аналогично зашифровывалась вторая буква текста и т.д. После окончания шифрования нить извлекалась и передавалась получателю сообщения. Тот, имея идентичную линейку, протягивал нить через прорезь до отверстий, определяемых узлами, и восстанавливал исходный текст по буквам отверстий.

Это устройство получило название "линейка Энея". Шифр, реализуемый линейкой Энея, является одним из примеров шифра замены: когда буквы заменяются на расстояния между узелками с учетом прохождения через прорезь. Ключом шифра являлся порядок расположения букв по отверстиям в линейке. Посторонний, получивший нить (даже имея линейку, но без нанесенных на ней букв), не сможет прочитать передаваемое сообщение.

Аналогичное "линейке Энея" "узелковое письмо" получило распространение у индейцев Центральной Америки. Свои сообщения они также передавали в виде нитки, на которой завязывались разноцветные узелки, определявшие содержание сообщения.

Заметным вкладом Энея в криптографию является предложенный им так называемый книжный шифр, описанный в сочинении "Об обороне укрепленных мест". Эней предложил прокалывать малозаметные дырки в книге или в другом документе над буквами (или под ними) секретного сообщения. Интересно отметить, что в первой мировой войне германские шпионы использовали аналогичный шифр, заменив дырки на точки, наносимые симпатическими чернилами на буквы газетного текста. Книжный шифр в современном его виде имеет несколько иной вид. Суть этого шифра состоит в замене букв на номер строки и номер этой буквы в строке и заранее оговоренной странице некоторой книги. Ключом такого шифра является книга и используемая страница в ней. Этот шифр оказался "долгожителем" и применялся даже во времена второй мировой войны.

Еще одно изобретение древних греков - так называемый квадрат Полибия. Применительно к современному латинскому алфавиту из 26 букв шифрование по этому квадрату заключалось в следующем. В квадрат размером 5x6 клеток выписываются все буквы алфавита, при этом буквы I,J не различаются (J отождествляется с буквой I);

A	B	C	D	E
A	A	B	C	D	E
D	F	G	H	I	K
C	L	M	N	O	P
D	Q	R	S	T	U
E	V	W	X	Y	Z

Шифруемая буква заменялась на координаты квадрата, в котором она записана. Так, B заменялась на AB, F на BA, R на DB и т.д. При расшифровании каждая такая пара определяла соответствующую букву сообщения. Ключом такого шифра являлось расположение букв в таблице 5x5.

Интересно отметить, что в несколько измененном виде шифр Полибия дошел до наших дней и получил своеобразное название "тюремный шифр". Для его использования нужно только знать естественный порядок расположения букв алфавита (как в указанном выше примере для английского языка). Стороны квадрата обозначаются не буквами (ABCDE), а числами (12345). Число 3, например, передается путем тройного стука. При передаче буквы сначала "отстукивается число, соответствующее строке, в которой находится буква, а затем номер соответствующего столбца. Например, буква "F" передается двойным стуком (вторая строка) и затем одинарным (первый столбец).

С применением этого шифра связаны некоторые исторические казусы. Так. декабристы, посаженные в тюрьму после неудавшегося восстания, не смогли установить связь с находившимся в "одиночке" князем Одоевским. Оказалось, что этот князь (хорошо образованный по тем временам) не помнил естественный порядок расположения букв в русском и французском алфавитах (другими языками он не владел). Декабристы для русского алфавита использовали прямоугольник размера 5x6 (5 строк и 6 столбцов) и редуцированный до 30 букв алфавит.

"Тюремный шифр", строго говоря, не шифр, а способ перекодировки сообщения с целью его приведения к виду, удобному для передачи по каналу связи (через стенку). Дело в том, что в таблице использовался естественный порядок расположения букв алфавита. Отметим, что при произвольном расположении букв в квадрате возникает одно затруднение: либо нужно помнить отправителю и получателю сообщения заданный произвольный порядок следования букв в таблице (ключ шифра), что вообще говоря затруднительно, либо иметь при себе запись этих букв. Во втором случае появляется опасность ознакомления с ключом посторонних лиц. Поэтому в ряде случаев ключ составляется следующим образом. Берется некоторое "ключевое слово", которое легко запомнить, например, "CRYPTOLOGY", удаляют из него повторы букв (получают "CRYPTOLOG") и записывают его в начальных клетках квадрата. В оставшиеся клетки записываются остальные буквы алфавита в естественном порядке.

A B C D E A C R Y P T B O L G A B C D E F H I E U V W X Z

В таком шифре ключом является указанное "ключевое слово" ("пароль"). Заметим, кстати, что таким же образом можно легко запомнить порядок следования букв и в "линейке Энея".

Крах Священной Римской империи породил средневековье. Этот период в жизни человечества характеризуется и упадком интеллектуальной деятельности. Во времена, когда сама грамотность была доступна очень узкому кругу людей, необходимость в криптографической защите информации стояла не столь остро. Так, король франков и Священной Римской империи Карл Великий научился читать и писать в возрасте 50 лет, а "завоеватель Вселенной" Чингис-хан остался безграмотным на всю жизнь. Тем не менее Карл Великий уже знал и использовал некоторые шифры замены. Просвещение и грамотность в эти времена сосредоточились в церкви, и тайнопись стала ее монополией. Церковь постановила, что простым прихожанам нельзя скрывать тайны от "господа"; их тайнопись - это "ересь". За использование тайнописи предусматривались жесткие меры наказания, вплоть до смертной казни.

Тем не менее криптография не умерла. Серьезный вклад в ее развитие внесли арабы. Некоторые историки считают, что криптография как наука зародилась именно в арабском мире. Именно в арабских книгах впервые были описаны методы криптоанализа (дешифрования). О криптографии упоминается и в "Илиаде" Гомера.

ЛИТЕРАТУРА.

Kahn D. The Codebreakers. N-Y, 1967. Фролов Г. Тайна тайнописи. М., 1992. Kahn D. Kahn on codes. N-Y, 1983. Зима И. Расшифрованный Нострадамус, М., 1988. Зелинский Ф. Сказочная древность Эллады. М., 1993. Жельников В. Криптография от папируса до компьютера. М., 1996. Горбовский А. Загадки древнейшей истории М., 1971.