Взломщики кодов - Дэвид Кан

Осознав это, Моборн объединил свойство хаотичности «гаммы», на которое опирался Вернам в своей системе «автоматического шифрования», со свойством уникальности «гаммы», выработанным криптографами армейской школы связи, в системе шифрования, которую ныне принято называть «одноразовым шифрблокнотом». Одноразовый шифрблокнот содержит случайную «гамму», которая используется один, и только один раз. При этом для каждого знака открытого текста, принадлежащего всей совокупности сообщений, которые уже были посланы данной группой шифркорреспондентов или еще только будут посланы ею в обозримом будущем, предусматривается использование абсолютно нового и не поддающегося предсказанию знака «гаммы».

Это абсолютно стойкая шифрсистема. Подавляющее большинство систем шифрования являются абсолютно стойкими лишь на практике, поскольку криптоаналитик может найти пути их вскрытия при наличии у него определенного количества шифртекста и достаточного времени для его исследования. Одноразовый же шифрблокнот является абсолютно стойким как в теории, так и на практике. Каким бы длинным ни был перехваченный шифртекст, сколько бы много времени ни отводилось на его исследование, криптоаналитик никогда не сможет вскрыть одноразовый шифрблокнот, использованный для получения этого шифртекста. И вот почему.

Вскрытие многоалфавитного шифра означает объединение всех букв, зашифрованных при помощи одного шифралфавита, в единую группу, которую можно изучать на предмет выявления ее лингвистических особенностей. Методы такого объединения могут быть различны в зависимости от вида «гаммы». Так, метод Казиского заключается в выделении идентично гаммированных букв открытого текста при повторяющейся «гамме». Связная «гамма» может быть вскрыта путем взаимного восстановления открытого текста и «гаммы». А «гамма», использованная для зашифрования двух или более сообщений, поддается вскрытию путем одновременного восстановления открытых текстов этих сообщений, причем правильность прочтения одного текста контролируется читаемостью другого. Почти для всех разновидностей многоалфавитиых шифров разработан свой метод вскрытия, который основан на их отличительных особенностях.

Совершенно иначе обстоит дело с одноразовым шифрблокногом. В этом случае криптоаналитик не имеет отправной точки для своих исследований, так как в одноразовой шифрсистеме «гамма» не содержит повторений, не используется более одного раза, не является связным текстом и не имеет внутренних структурных закономерностей. Поэтому все методы дешифрования, в той или иной мере основанные на этих характеристиках, не дают никаких результатов. Криптоаналитик заходит в тупик.

А как обстоит дело с методом тотального опробования? Ведь прямой перебор всех возможных ключей в конечном счете обязательно приведет криптоаналитика к открытому тексту. Однако успех, приобретенный этим путем, иллюзорен. Тотальное опробование действительно позволяет получить исходный открытый текст. Но оно также даст и каждый другой возможный текст той же длины, и сказать, какой из них является истинным, будет невозможно.

Предположим, что криптоаналитик пытается дешифровать четырехбуквенное военное сообщение, применяя все «гаммы», начиная с «АААА». Используя «AABI» в качестве «гаммы», он получает открытый текст «kiss»56. Неподходящий вариант для данного контекста. Криптоаналитик не останавливается на достигнутом. С помощью «AAEL» получается открытый текст «kill»57. Уже лучше, но хочется удостовериться, нет ли чего более подходящего. Исследование продолжается, и при «гамме» «ААЕМ» выходит слово «kilt»58. «AAER» дает «kiln»59, «GZBM» – «fast»60, «KHIA» – «slow»61, «HRIW» – «stop»62, «PZVQ» – «hard»63 и «RZBU» – «easy»64. Когда криптоаналитик доберется, наконец, до «гаммы» «ZZZZ», он обнаружит, что просто составил перечень всевозможных английских слов из четырех букв.

У криптоаналитика остается последняя надежда. Предположим, что он получил н свое распоряжение открытый текст какой-то отдельной криптограммы (например, в результате ошибки связиста). В состоянии ли криптоаналитик использовать «гамму», которую он сможет теперь вычислить, имея на руках открытый и соответствующий ему шифрованный тексты, для определения алгоритма, с помощью которого была выработана эта «гамма», чтобы потом предугадать все будущие «гаммы»? Нет, не в состоянии. Ведь если «гамма» действительно случайна, это значит, что она не подчиняемся никаким видимым закономерностям.

Правильный ответ опять ускользает от криптоаналитика. Одноразовая случайная «гамма» полностью подавляет его, растворяя все усилия криптоаналитика в хаосе, с одной стороны, и в бесконечности, с другой. Здесь он сталкивается с пропастью, непреодолимой для человека.

Почему же горда этот самый совершенный шифр не нашел всеобщего применения? Ответ прост, из-за огромного количества «гаммы», которая требуется при его использовании. Проблемы, возникающие при изготовлении, рассылке и уничтожении «гаммы», человеку непосвященному во все тонкости организации шифрсвязи могут показаться пустячными, однако в военное время объемы переписки зачастую удивляют даже самых бывалых связистов. В течение суток может понадобиться зашифровать сотни тысяч слов, а для этого требуется изготовить миллионы знаков «гаммы». И поскольку «гамма» для каждого сообщения должна быть единственной и неповторимой, то ее общий объем будет эквивалентен объему всей переписки за время воины.

В общем, практические проблемы не позволяют применять одноразовые шифрблокноты в быстро меняющихся ситуациях, например в ходе проведения военных операций. Этих проблем не существует в более стабильных условиях: в высших военных штабах, дипломатических представительствах или в агентурной переписке одноразовые шифрблокноты достаточно практичны и находят повсеместное применение. Однако и здесь возникают непреодолимые трудности, если объем переписки слишком велик.

Это как раз и произошло, когда Моборн, устроив первое крупное испытание шифрсистемы Вернама, установил его машины сразу в трех городах. Даже при сравнительно небольшом объеме переписки (до 135 коротких сообщений в день) оказалось невозможным изготовить достаточное количество качественной «гаммы». Поэтому, не найдя другого выхода из затруднительного положения, Моборн стал комбинировать две относительно короткие «гаммы», чтобы получать из них более длинную «гамму», как это первоначально предлагал делать сам Вернам.

В сентябре 1918 г. Вернам отправился в Вашингтон и подал там заявку на патент. Первая мировая война успела закончиться прежде, чем шифрсистема Вернама сумела хоть как-то проявить свои достоинства на практике. Тем не менее 22 июля 1919 г. на нее был выдан патент № 1310719, являющийся, по-видимому, самым важным в истории криптографии. Эксперты из вашингтонского патентного бюро признали возможную полезность этого изобретения и в мирное время.

Однако, хотя устройство, придуманное Вернамом, несомненно являлось ценным плодом творческой инженерной мысли талантливого изобретателя, в коммерческом плане оно потерпело полный провал. Телеграфные компании и коммерческие фирмы, которые, по мнению «AT&T», должны были в массовых количествах покупать запатентованные шифрприставки Вернама к своим телетайпам, отдавали предпочтение старомодным кодам, которые существенно снижали длину сообщений, тем самым уменьшая телеграфные расходы и одновременно обеспечивая хоть какую-то, пусть небольшую, безопасность переписки. После окончания Первой мировой войны бюджеты вооруженных сил всех стран были сокращены до минимума. Недостаток средств и нехватка материальных ресурсов вынудили армейских связистов снова вернуться к комбинированию двух относительно коротких лент с «гаммой», а продемонстрированная военными криптоаналитиками слабая стойкость такой системы генерации «гаммы» привела к тому, что шифрсистема Вернама на некоторое время была предана забвению.

Что же касается самого Вернама, то он продолжал заниматься научно-исследовательской работой в компании «AT&T». Он немного усовершенствовал свою шифрсистему, а также изобрел устройство для автоматического зашифрования написанного от руки текста во время его передачи фототелеграфом. В 1929 г. Вернама со значительным повышением перевели в один из филиалов компании «AT&T». Однако через четыре месяца в США разразился финансовый кризис, и, так как Вернам еще не успел заработать достаточный трудовой стаж на новом месте, его вскоре уволили. Он перешел на работу в другую крупную компанию, но резкая перемена в его личной судьбе, видимо, подействовала на него угнетающе. С каждым годом о Вернаме было слышно все меньше и меньше, пока, наконец, 7 февраля 1960 г. человек, автоматизировавший процесс шифрования, умер в полной безвестности у себя дома.

История науки изобилует совпадениями. Например английский астроном Джон Адамс и его французский коллега Урбен Леверье почти одновременно сделали вывод о существовании планеты Нептун. Неудивительно, что подобные совпадения имели место и в криптографии. Случилось так, что в период между двумя мировыми войнами одно из таких совпадений затронуло сразу несколько человек. Как и Вернам, побуждаемые широким использованием секретной связи в военное время и вдохновляемые наступлением эпохи механизации, они независимо друг от друга изобрели машину, принцип действия которой на протяжении очень продолжительного времени находил наиболее широкое применение в криптографии. Этот принцип основывается на использовании колеса с перепайками – так называемого шифрдиска.