22.05.2019
История технологии шифрования

Технологии шифрования в период Второй мировой войны

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

Как известно, вторая мировая война отличалась внезапными маневрами и контрударами, быстрым переброской войск и огромной длиной фронтов.

Все это требовало надежной защищенной связи, которая бы предоставляла возможность оперативного обмена сообщениями. Именно поэтому в конце 1930-х ведущие государства мира начали массово производить электромеханические машины, которые были способны шифровать и дешифровать сообщения фактически в режиме реального времени. Наиболее известной и прогрессивной среди них была немецкая Enigma. Но другие государства, участвовавшие в самой кровавой войне прошлого века, также имели подобные устройства. И только СССР, отсталость технической базы в области коммуникаций которого общеизвестна, больше опиралась на ручные способы шифрования.

Краткий экскурс в историю криптографии

Тема защиты конфиденциальной информации от посторонних глаз актуальна для человечества уже несколько тысяч лет и все это время люди пытались придумать различные способы сокрытия секретных сведений, иногда — весьма экзотические. Чего стоит хотя бы первый задокументированный пример использования стеганографии в Древней Греции. Как описывает Геродот в своей «Истории», Гистиус, правитель города Милет в 5-м веке до нашей эры, побрил голову своему наиболее доверенному слуге и написал сообщение на его скальпе. Затем, когда у слуги снова отросли волосы, его отправили к вассалу Аристагору, где приказали еще раз побрить голову, чтобы прочитать сообщение.

Собственно, в древние века большинство населения было неграмотным, поэтому особо надежное шифрование не требовалось. К тому же, сложные криптоалгоритмы требовали много времени для кодирования и раскодирования — ведь никаких электронных или электромеханических систем тогда не существовало.

Впрочем, некий аналог механической системы был известен еще в Древней Греции, и это — скитала (от греч. Σκυτάλη «жезл»). В криптографии он известен как шифр Древней Спарты. Считается, что античные греки и спартанцы применяли такой шифр для обмена сообщениями во время военных кампаний.

Для шифрования сообщения брали пергаментную ленту и деревянный цилиндр фиксированной длины и диаметра. Пергаментную ленту наматывали на цилиндр так, чтобы не было просветов и нахлестов. Шифровальщик писал сообщения в строку по намотанной ленте. После того, как он достигал конца палочки, ее возвращали на часть оборота и писали следующую строку. Когда ленту разматывали, на ней оказывалось зашифрованное сообщение — по сути бессмысленный набор букв. Для дешифровки ленту нужно было намотать на цилиндр такого же диаметра и длины.

Подобные криптошифровки легко поддавались взлому. Считается, что одним из авторов быстрого взлома шифра скитали стал Аристотель, который наматывал ленту на конусообразную палку до тех пор, пока не появлялись читабельные отрывки текста.

Первые более менее стойкие криптоалгоритмы появились только в 15 веке нашей эры — это метод полиалфавитного шифрования текста с использованием ключевого слова. Впервые был изобретен Леоном Баттиста Альберти (Leon Battista Alberti), после чего несколько раз совершенствовался. В конце 16-го века посол Франции в Риме Блез де Виженер объединил все предыдущие изобретения и изложил их в своем «Трактате о шифр». Метод Виженера считается чрезвычайно устойчивым к "ручному" взлому, поэтому различные вариации полиалфавитных шифрований использовались в годы Второй мировой войны.

Однако изобретение полиалфавитного шифрования вряд ли было возможным без создания ранее метода моноалфавитной замены - так называемого шифра Цезаря. В этом методе каждая буква алфавита сдвигается на несколько позиций; например, Юлий Цезарь использовал сдвиг на 3 буквы: A становится D, B превращается в E, и так далее. Данный метод шифрования легко взламываются методом частотного криптоанализа, но поскольку большинство врагов Рима тогда были малограмотным, то воспринимали шифрованный текст за надпись на иностранном языке.

Геометрический шифр подставления Pigpen (известный также как масонский шифр или шифр крестики-нолики) по своей сути тоже использует метод моноалфавитной замены. Каждой букве алфавита соответствовало свое место в одной из четырех сеток, именно это и было ключом шифра. Как и шифр Цезаря, Pigpen легко взламываются методом частотного криптоанализа.

Полиалфавитное шифрование состоит из последовательности нескольких шифров Цезаря с различными значениями сдвига. То есть, для каждого следующего шифрованного символа используется новая таблица алфавитов, в зависимости от символа ключевого слова. Например, если ключевое слово состоит из 4 символов, значит в шифровании применяется 4 различных алфавита.

Есть также вариант шифра Виженера с динамическим ключом (running key), который считается исключительно криптостойким. Эта версия использует в качестве ключа блок текста, равный по длине открытом текста, то есть ключ не повторяется. Проблема в том, что при использовании метода шифрования с динамическим ключом все передаваемые сообщения должны быть либо такой же длины, как сам ключ, или меньше. В противном случае придется для каждого сообщения каким-то образом передавать и секретный ключ, что крайне усложняет процедуру пересылки кодировок.

Полиалфавитные методы были намного сложнее в использовании, поэтому шифровальщики пытались применять различные механические средства, чтобы упростить этот процесс. Например, «Диск Альберти» состоял из двух дисков — внешнего неподвижного (на нем были нанесены латинские буквы в алфавитном порядке и цифры 1, 2, 3, 4) и подвижного внутреннего диска, на котором буквы были переставлены не в алфавитном порядке. Диски крепились на одной оси так, чтобы внутренний мог вращаться. Окружность каждого диска разделена на 24 уровне клетки. Переключение алфавитов происходило по ключевым буквам, включенным в текст криптограммы. Для того, чтобы расшифровать сообщение, написанное с использованием таких устройств, нужно было иметь внутренний диск с соответствующим алфавитом. Таким образом, порядок расположения букв на внутреннем диске и его начальное положение относительно внешнего диска и были ключом к шифру.

Оборудование для шифрования в период Второй мировой войны

Несмотря на свою криптостойкость, шифр Виженера не пользовался такой же высокой популярностью, как шифр Цезаря. Дело в том, что для пользования этим шифром без специализированной техники необходимо было тратить часы на шифрование и дешифрование сообщений. Поэтому сразу после Первой мировой актуальным стало создание электромеханических шифровальных устройств, которые очень быстро, практически в режиме реального времени, обеспечивали надежное шифрование.

Родоначальником одного из устройств, что использовался для создания шифросообщений в 20-40-х годах прошлого века, стал цилиндр Джефферсона. Аппарат, придуманный 3-м президентом США Томасом Джефферсоном в 1795 году, состоит из 36 дисков, на каждый из которых нанесен алфавит из 26 букв (в произвольном порядке). Диски одеты на одну ось и могут вращаться вокруг нее независимо друг от друга.

При шифровании над поверхностью цилиндра проводили линию, под которой набирали открытый (незашифрованный) текст. Далее этот текст разбивали на блоки по 36 символов: первая буква блока находилась на первом диске и фиксировалась под выделенной линией, вторая — на следующем диске и т. д. Зашифрованный текст считывали с любой другой строки, кроме строки открытого текста. Расшифровка осуществлялась на аналогичном устройстве: шифротекст набирали под выделенной линией, а оригинальный текст необходимо было найти среди параллельных строк путем поиска осмысленного сообщения.

Ключом был порядок расположения символов на каждом из дисков и порядок дисков на оси. Возможное количество ключей было очень большое и вычислялось просто "космическими" цифрами. В 20-х годах прошлого века эту технологию в США проанализировали снова, признали ее достаточно крипостойкой и создали шифровальную машину М-94 (CSP-885) . Аппарат состоял из 25 тонких дисков с алфавитом, вращавшихся на оси длиной 110 мм. В армии США ее использовали с 1922 по 1943 год.

С ноября 1942 года американская армия начала внедрять новую шифровальную машину M-209 (CSP-1500), которая постепенно заменила M-94 для передачи тактических сообщений. Концепцию M-209 шведский изобретатель разработал в конце 1930-х годов, в то время как американские производители упростили ее конструкцию и укрепили механические части. M-209 состояла из 6 колес, комбинация выступов которых давала значение сдвига для буквы текста. Период криптографической последовательности составлял 101 405 850 букв. Хотя машина и не была криптографически стойкой, но все же была популярна в армии из-за малого веса, размер и легкость в обучении. До начала 1960-х годов было изготовлено около 125 тысяч устройств.

Enigma

Немецкое изобретение Enigma («Загадка» в переводе с немецкого) стало самой известной и распространенной электрической роторной шифромашиной в первой половине прошлого века. Ведь известно, что различные вариации Enigma использовались в военных силах не только Германии, но и Италии, Испании, Швейцарии, Нидерландов и других стран. По приблизительным оценкам, было выпущено около 100 тысяч экземпляров машин Enigma.

Аналогично другим роторным машинам, Enigma применяла метод полиалфавитного шифра подставления и состояла из комбинации механических и электрических подсистем. Механическая часть включала в себя клавиатуру, набор дисков-роторов, и ступенчатый механизм, что двигал один или несколько роторов при каждом нажатии на клавишу. Электрическая часть, в свою очередь, состояла из электрической схемы, которая соединяла между собой клавиатуру, коммутационную панель, лампочки и роторы. При каждом нажатии на клавишу самый правый ротор сдвигается на одну позицию, а при определенных условиях сдвигались и другие роторы. Движение роторов приводит к различным криптографическим преобразованиям.

При дешифровании сообщений оператор принимающей информацию стороны должен следить за лампочками и записывать буквы, над которыми они загорались. Но следует отметить, что модель «M4» была оснащена небольшим печатающим устройством «Schreibmax», который был способен печатать всего 26 букв на листе бумаги. Впрочем, длинные сообщения можно было печатать блоками по 26 букв, что значительно улучшало удобство пользования.

Как известно, британцы в 1941 году смогли взломать шифр Enigma (правда, группа из трех польских математиков сделала это за несколько лет до них и передала им методику шифрования). Дальнейшая работа по взлому была организована в Блетчли-парке близ Лондона. В разгар деятельности разведывательный центр «Station X» насчитывал до 12 тысяч человек, и все же немцы не узнали о нем до самого конца войны.

Хотя с точки зрения современной компьютерной техники шифр Enigma был слаб, на практике только сочетание этого фактора с другими, такими как ошибки операторов, заведомо известный текст сообщений (например при передаче метеозведень), захваты экземпляров Enigma и шифровальных книг позволили исследователям разгадывать немецкие шифры и читать сообщения.

Lorenz SZ 40

С 1940 года немецкое командование начало использовать новую шифромашину Lorenz SZ 40 и новую технологию шифрования, которая получила название «Fish». Шифрование базировалось на принципе одноразового блокнота-шифра Вернама, то есть более сложной модификации шифра Виженера с динамическим ключом. Такая технология гарантирует абсолютную криптографическую стойкость, но только при наличии «идеального» генератора случайных чисел, который синхронизирован у обеих сторон. Ведь если криптоаналитик угадает следующее число, которое выдает генератор, то он теоретически сможет расшифровать текст.

Впрочем генератор, который использовался в машинах Lorenz SZ 40, оказался «неидеальным», поскольку периодичность повтора чисел в случайной последовательности была довольно короткой. Однако взлом этого шифра все равно не возможно было сделать вручную — это потребовало бы слишком много времени. Но британским аналитикам из Блетчли-парке удалось создать устройство, которое перебирал все возможные варианты. Это была одна из первых программируемых вычислительных машин Colossus, созданная при участии Алана Тьюринга в 1943 году. Отмечается, что машина включала 1600 электронных ламп и позволила сократить время, необходимое на излом сообщений, с шести недель до нескольких часов.

Typex

В Великобритании в 1934 году была разработана электромеханическая роторная шифровальная машина Typex. За основу британцы взяли коммерческий вариант немецкой Enigma, но несколько усовершенствовали ее. Например, здесь было 5 роторов вместо 3 или 4. Слева и справа были установлены принтерные механизмы для печати открытого текста и шифротекста соответственно. Текст печатался на бумажной ленте.

Основное усовершенствование Typex заключалось в том, что роторы в машине содержали много выемок, которые возвращали соседний ротор. Это позволило исключить целый класс атак на систему, в то время как фиксированные метки Enigma приводили к появлению видимых шаблонов в зашифрованном тексте.

На некоторых моделях операторы могли печатать со скоростью 20 слов в минуту, а выходной зашифрованный текст открытый текст печатались на бумажной ленте. В портативных версиях, таких как Mark III, оператор печатал сообщение левой рукой, а колесо механизма крутил правой.

Прототип машины увидел свет уже в 1935 году, а в начале 1937 года в распоряжение Королевским военно-воздушным силам поступила первая партия машин Typex Mark I. Позже разработчики усовершенствовали устройство и выпустили более универсальную Typex Mark II, которая применялась в годы войны не только военно-воздушными силами, но и сухопутными войсками и военно-морским флотом.

Техника СССР. К-37 «Кристалл»

В 1937 году на ленинградском заводе № 209 был создан макет малогабаритного дискового шифратора, который использовал шифр полиалфавитной замены. Машина была создана, чтобы заменить собой ручное кодирование документов в оперативном звене управления и позволяла в 5-6 раз повысить скорость обработки шифрованных сообщений, сохраняя при этом их криптографическую стойкость. В 1939 году эта машина под названием К-37 «Кристалл» была запущена в серийное производство.

Впрочем, за 1940 год завод выпустил всего 100 комплектов К-37, а до июня 1941 года было принято на вооружение 150 комплектов К-37. Таким образом, во время войны машина фактически не нашла применения.

Вообще, в СССР для коммуникаций высших органов управления страной (в том числе Ставки Верховного Главнокомандования) и фронтами в основном использовался высокочастотный (ВЧ) связь. Технология для предотвращения прослушивания телефонных разговоров была построена на модуляции высокочастотного сигнала звуковым сигналом от мембраны микрофона. Уже во время Второй мировой войны механизм заменили на более сложный, который разбивал сигнал на отрезки по 100-150 мс и три-четыре частотных полосы, после чего специальный шифратор их смешивал. На приемном конце аналогичное устройство делал обратные манипуляции для восстановления речевого сигнала. Криптографической защиты не было, поэтому при помощи спектрометра можно было выделить частоты и границы временных отрезков, после чего постепенно, по слогам, восстановить сигнал.

Именно таким образом, во время советско-финской войны (1939-1940) Швеция успешно дешифровывала сообщения СССР и помогала Финляндии. Например, во время битвы при Суомуссалми успешный перехват сообщений о продвижении советской 44-й стрелковой дивизии помог Карлу Маннергейму вовремя выслать подкрепления, что стало залогом победы. Успешное дешифрование приказов о бомбовых ударах по Хельсинки позволяло включить систему оповещения еще до того, как советские самолеты стартовали с территории Латвии и Эстонии.

  1. Последние
  2. Популярные
Загрузка...

Новости технологий сегодня

Популярное за неделю

Error: No articles to display

Самые популярные метки