ref-17947 (Криптология: подстановочно-перестановочный шифр и его применение), страница 2

16 3 2 13

5 10 11 8

9 6 7 12

4 15 14 1

О И Р Т

З Ш Е Ю

Ж А С

Е Г О П

Полученная из ПРИЕЗЖАЮ ШЕСТОГО, шифровка ОИРТЗШЕЮ ЖАСЕГОП представляется довольно основательной. На первый взгляд кажется, будто магических квадратов очень мало. Тем не менее их число очень быстро возрастает с увеличением размера квадрата. Так, существует лишь один магический квадрат размером 3 х 3, если не принимать во внимание его повороты. Магических квадратов 4 х 4 насчитывается уже 880, а число магических квадратов размером 5 х 5 около 250000. Поэтому магические квадраты больших размеров могли быть хорошей основой для надежной системы шифрования того времени, потому что ручной перебор всех вариантов ключа для этого шифра был немыслим.

Широкое развитие торговли в средние века потребовало специфических шифров, предельно простых и удобных, которыми могли бы пользоваться купцы для передачи, например, даты приезда или цены товара. Это были простые шифры замены цифр на буквы, основанные на ключевом слове. Собственно, это коды, а не шифры - вспомните обозначение месяцев на банках консервов, но код, примененный единожды с неизвестной таблицей кодирования, схож по свойствам с шифром. Торговцы заранее договаривались использовать общее ключевое слово, буквы которого соответствовали бы цифрам. Например, для ключа РЕСПУБЛИКА цифра 0 означает букву Р, цифра 1 означает Е, 2 - С, 3-Н и так далее. Поэтому, получив от корреспондента сообщение, ПРИБЫВАЮ ЕЛРПАС, они его читали, как ПРИБЫВАЮ 16/03/92. Простота и удобство этой системы шифрования позволили ей дожить до начала этого века без всяких изменений.

Другой шифр, обычно называемый шифром Гронсфельда, состоит в модификации шифра Цезаря числовым ключом. Для этого под сообщением пишут ключ. Если ключ короче сообщения, то его повторяют циклически. Шифровку получают будто в шифре Цезаря, но отсчитывая необязательно только третью букву по алфавиту, а ту, которая сдвинута на соответствующую цифру ключа. Так, применяя в качестве ключа группу из трех начальных цифр числа "пи", а именно 314, получаем шифровку:

сообщение СОВЕРШЕННО СЕКРЕТНО

ключ 3143143143143143143

шифровка ФПЖИСЬИОССАХИЛФИУСС

Чтобы зашифровать первую букву сообщения С используя первую цифру ключа 3, отсчитывается третья по порядку от С в алфавите буква С-Т-У-Ф и получается буква шифровки Ф. Разновидность этого шифра была применена в резидентном англо-русском словаре, составленном студентами МВТУ, и взломка его доставила слушателям лекций по программированию не меньше удовольствия, чем разгадывание кроссворда. Шифр Гронсфелвда имеет массу модификаций, претендующих на его улучшение, от курьезных, вроде записи текста шифровки буквами другого алфавита, до нешуточных, как двойное шифрование разными ключами. Кроме этих шифров, зачастую использовался шифр простой замены, заключающийся в замене каждой буквы сообщения на соответствующую ей букву шифра. Такой шифр, популярный среди школьников, является простым кодом и вскрытие его возможно при длине шифровки всего в 20-30 букв, а при длинах текста свыше 100 символов представляет собой очень простую, но весьма увлекательную задачу приведенную ниже. А сейчас рассмотрим рождение шифра сложной замены, шифры сложной замены называют многоалфавитными, так как для шифрования каждого символа исходного сообщения применяется свой шифр простой замены. Шифр Гронсфельда тоже многоалфавитный шифр (в нем 10 вариантов замены), который используется по сей день.

Архитекторы и исследователи Италии эпохи Возрождения считают, что один из самых важных этапов ренессансной архитектуры связан с именем Леона Батиста Альберти, написавшем десять книг о зодчестве, построившим палаццо Ручеллаи, церковь Иль Джезу и ряд других замечательных произведений зодчества средневековой Италии. Будучи теоретиком искусства, он обобщил опыт гуманистической науки в изучении античного наследия, написав ряд трактатов: "О статуе", "О живописи", "О зодчестве". С другой стороны, криптологи всего мира почитают его отцом своей науки. Главным достижением Альберти в криптологии было изобретение многоалфавитной замены, сделавших шифровку очень устойчивой к вскрытию. Кроме самого шифра он еще подробно описал устройства из вращающихся колес для его реализации. Этот шифр можно описать таблицей шифрования, иногда называемой таблицей Виженера, по имени Блеза Виженера, дипломата XVI века, который развивал и совершенствовал криптографические системы:

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЬЫЪЭЮЯ

А АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЬЫЪЭЮЯ

Б _АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЬЫЪЭЮЯ

В Я_АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЬЫЪЭЮ

Г ЮЯ_АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЬЫЪЭ

.......

Я ВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЬЫЪЭЮЯ_АБ

_ БВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЬЫЪЭЮЯ_А

Каждая строка в этой таблице соответствует одному шифру замены вроде шифра Юлия Цезаря для алфавита, дополненного пробелом. При шифровании сообщения его выписывают в строку, а под ним ключ. Если ключ оказался короче сообщения, то его циклически повторяют. Шифровку получают, находя символ в колонке таблицы по букве текста и строке, соответствующей букве ключа. Этот очень распространенный вид шифра сохранился до наших дней. Например, используя ключ АГАВА, из сообщения ПРИЕЗЖАЮ ШЕСТОГО получаем следующую шифровку:

сообщение: ПРИЕЗЖАЮ ШЕСТОГО

ключ: АГАВААГАВААГАВАА

шифровка: ПНИГЗЖЮЮЮАЕОТМГО

В компьютере такая операция соответствует сложению кодов ASCII символов сообщения и ключа по некоторому модулю. Кажется, что если таблица будет более сложной, чем циклическое смещение строк, то шифр станет надежнее. Это действительно так, если ее менять почаще, например, от слова к слову. Но составление таких таблиц, представляющих собой латинские квадраты, где любая буква встречается в строке или столбце один раз, трудоемко и его стоит делать лишь на ЭВМ. Для ручного же многоалфавитного шифра полагаются лишь на длину и сложность ключа, используя приведенную таблицу, которую можно не держать в тайне, а это упрощает шифрование и расшифровывание. Итак, помимо ряда строений в античной манере, являющихся шедеврами архитектуры итальянского Возрождения, Альберти еще ввел в практику криптографии многоалфавитные шифры замены. Его книга "Трактат о шифре", написанная в 1466 году, представляла собой первый в мире научный труд по криптологии, если не считать арабских рукописей, с которыми Европа в это время вряд ли была хорошо знакома.

Многие историки считают Иоганна Трисемуса, аббата из Германии, вторым отцом современной криптологии. В 1508 году Трисемус написал "Полиграфию", первую печатную работу по криптологии. В ней он первым систематически описал применение шифрующих таблиц, заполненных алфавитом в случайном порядке. Для получения такого шифра обычно использовались ключевое слово или фраза и таблица, которая для русского языка может иметь размер 5 х 6. Ключевое слово вписывалось в таблицу по строкам, а повторяющиеся буквы отбрасывались. Таблица дозаполнялась не вошедшими в нее буквами алфавита по порядку. Поскольку ключевое слово легко хранить в памяти, то такой подход упрощал процессы шифрования и дешифрования. Для ключа РЕСПУБЛИКА таблица будет иметь следующий вид:

Р Е С П У Б

Л И К А В Г

Д Ж 3 М Н О

Т Ф Х Ц Ч Ш

Щ Ь Ы Э Ю Я

Для описанного выше шифра Полибия с данной таблицей сообщение ОТПЛЫВАЕМ давало шифровку ШЩАДСНМИЦ. Такие табличные шифры называются монограммными, так как шифрование ведется по одной букве. Трисемус первым заметил, что можно шифровать по две буквы за раз. Такие шифры были названы биграммными. Наиболее известный шифр биграммами называется Playfair. Он применялся Великобританией в Первую мировую войну. Опишем его на примере той же самой таблицы. Открытый текст разбивался на пары букв (биграммы) и текст шифровки строился из него по следующим двум очень простым правилам.

1. Если обе буквы биграммы исходного текста принадлежали одной колонке таблицы, то буквами шифра считались буквы, которые лежали под ними. Так биграмма УН давала текст шифровки ВЧ. Если буква открытого текста находилась в нижнем ряду, то для шифра бралась соответствующая буква из верхнего ряда и биграмма ОЯ давала шифр ШБ. (Биграмма из одной буквы или пары одинаковых букв тоже подчинялась этому правилу и текст ЕЕ давал шифр ИИ).

2. Если обе буквы биграммы исходного текста принадлежали одной строке таблицы, то буквами шифра считались буквы, которые лежали справа от них. Так биграмма ИВ давала текст шифровки КГ. Если буква открытого текста находилась в правой колонке, то для шифра бралась соответствующая буква из левой колонки и биграмма ОМ давала шифр ДН.

Если обе буквы биграммы открытого текста лежали в разных рядах и колонках, то вместо них брались такие две буквы, чтобы вся четверка их представляла прямоугольник. При этом последовательность букв в шифре была зеркальной исходной паре. Например, СТ шифровалось как РХ, а ТБ шифровалось как ШР. При шифровании фразы ПУСТЬ КОНСУЛЫ БУДУТ БДИТЕЛЬНЫ по биграммам получается такая шифровка:

ПУ СТ ЬК ОН СУ ЛЫ БУ ДУ ТБ ДИ ТЕ ЛЬ НЫ

УБ РХ ЫИ ДО ПБ КЩ РБ HP ШР ЖЛ ФР ИЩ ЗЮ

Шифрование биграммами резко усилило стойкость шифров к вскрытию. При всем при том, что "Полиграфия" была довольно доступной печатной книгой, описанные в ней идеи получили признание лишь тремя веками позже. Скорее всего, это вызвано плохой известностью среди криптографов Трисемуса, который слыл богословом, библиофилом и основателем архивного дела. Среди шифров средневековья встречается много курьезов. Леонардо да Винчи шифровал большинство своих личных записей. Самый простой вид шифра, которым он пользовался, это обратное написание текста так, что прочесть его можно лишь в отражении зеркала. Однако Леонардо иногда использовал шифры и посерьезнее, поэтому далеко не все его заметки и записи расшифрованы и изучены. Люди, умеющие писать левой рукой справа налево зеркальный текст, нередки. Изумительно, но встречаются люди, которые умеют даже произносить фразы "наоборот" и понимать их на слух. Поистине, человеческим способностям нет и не будет предела. В средние века появляются профессиональные и даже потомственные криптографы, вроде семейства Ардженти, служившего у папы Римского.

Тем не менее папы Римские сами не чуждались услуг криптографов и выдающийся итальянский математик Джироламо Кардано, имя которого дошло до нас благодаря изобретенному им шарнирному механизму и первой публикации о методе решения уравнений третьей степени, состоял у них на службе. Его перу принадлежит несколько книг по криптографии и описание метода трафаретов, который будет рассмотрен ниже. Если учесть род занятий Кардано, становится понятным, почему, выведя гороскоп Христа, он остался недоступным инквизиции, сжегшей Бруно и судившей Галилея за куда меньшую ересь: эка, невидаль, что Земля вертится! Жизнь и смерть Джироламо полны легенд. Больше всего современников в Кардано поражал дар предвидения, благодаря которому он безмятежно перенес казнь своего сына и потерю крупного состояния. Вероятно, хотя бы отчасти его мистический талант знать будущее объясняется принадлежностью к криптографической службе, знающей все, что можно узнать. Но вот, предсказав продолжительность своей жизни в 75 лет, он в назначенный год покончил самоубийством, оставив записку: "Если и неверно, то неплохо придумано". Увлечение теорией магических квадратов привело Кардано к открытию нового класса шифров перестановок, названных решетками или трафаретами. Они представляют собой квадратные таблицы, где четверть ячеек прорезана так, что при четырех поворотах они покрывают весь квадрат. Вписывание в прорезанные ячейки текста и повороты решетки продолжаются до тех пор, пока весь квадрат не будет заполнен. Например, на рисунке ниже показан процесс шифровки решеткой 4 х 4. Черными квадратами обозначены непрорезанные ячейки, а повороты осуществляются по часовой стрелке на указанный ниже угол:

**П* З*** *** *Т** ЗТП

***Р *Ж** **Ш* О*** ОЖШР *И** ***А Е*** **Г* ЕИГА

Е*** **Ю* *C** ***О ЕСЮО

0' 90' 180' 270' шифp

В результате получается шифровка ЗТП ОЖШРЕИГАЕСЮО. Число подобных решеток быстро растет с их размером. Так, решетка 2 х 2 единственна, решеток 4 х 4 уже 256, а решеток размером 6 х 6 свыше ста тысяч. Несмотря на кажущуюся сложность, шифры типа решеток довольно просто вскрываются и не могут использоваться в виде самостоятельного шифра. Однако они очень удобны и еще долго использовались в практике для усиления шифров замены. Один мой знакомый, остановившись при чтении рукописи книги на этом месте, попытался высказать сомнение в том, что шифры подобного рода легко вскрываются. Поскольку это глубоко ошибочное и обидное для криптологов мнение широко распространилось из популярных математических книг или иных источников дезинформации, то в следующей главе специально приведен пример вскрытия шифровки, сделанной этой решеткой.