Жуан Гомес - Мир математики. т.2. Математики, шпионы и хакеры. Кодирование и криптография

• Название: Мир математики. т.2. Математики, шпионы и хакеры. Кодирование и криптография
• Автор: Жуан Гомес
• Издательство: ООО «Де Агостини»
• Жанр: Математика
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-9774-0682-6; 978-5-9774-0639-0 (т. 2)

Если бы историю человечества можно было представить в виде шпионского романа, то главными героями этого произведения, несомненно, стали бы криптографы и криптоаналитики. Первые — специалисты, виртуозно владеющие искусством кодирования сообщений. Вторые — гении взлома и дешифровки, на компьютерном сленге именуемые хакерами. История соперничества криптографов и криптоаналитиков стара как мир.

Эволюционируя вместе с развитием высоких технологий, ремесло шифрования достигло в XXI веке самой дальней границы современной науки — квантовой механики. И хотя объектом кодирования обычно является текст, инструментом работы кодировщиков была и остается математика.

Эта книга — попытка рассказать читателю историю шифрования через призму развития математической мысли.

---

«Мы намерены начать 1 февраля беспощадную подводную войну. Несмотря на это, мы попытаемся удержать США в состоянии нейтралитета.

Однако в случае неуспеха мы предложим Мексике следующее: вместе вести войну и сообща заключить мир. С нашей стороны мы окажем Мексике щедрую финансовую поддержку и заверим, что по окончании войны она получит обратно утраченные ею территории Техаса, Новой Мексики и Аризоны. Мы поручаем вам [фон Экхарду] выработать детали этого соглашения.

Вы немедленно и совершенно секретно предупредите президента [Мексики], как только объявление войны между нами и США станет свершившимся фактом.

Добавьте, что президент Мексики может по своей инициативе сообщить японскому послу, что Японии было бы очень выгодно немедленно присоединиться к нашему союзу.

Обратите внимание президента на тот факт, что безжалостное использование наших подводных сил заставит Англию подписать мир в ближайшие месяцы».

Если бы телеграмма была предана гласности, неизбежным следствием этого было бы начало войны между Германией и Соединенными Штатами. Хотя император Вильгельм II знал, что война неизбежна, если подводные лодки не будут выходить на поверхность перед атакой, он надеялся, что к тому времени Великобритания капитулирует и, следовательно, не будет конфликта, к которому США могли бы присоединиться.

Кроме того, активные угрозы Мексики вдоль южной границы Соединенных Штатов могли в равной степени предотвратить их вступление в конфликт по другую сторону океана. Мексике, однако, нужно было определенное количество времени для организации своих сил. Было крайне важно как можно дольше сохранять в тайне намерения Германии — до тех пор, пока баланс сил не изменится в ее пользу.

Комната 40 приступает к работе

Однако у британского правительства были другие планы. Вскоре после начала войны британцы перерезали подводные телеграфные кабели, которые соединяли Германию напрямую с западным полушарием, поэтому любые электронные сообщения шли по кабелям, которые англичане могли прослушивать. Соединенные Штаты, пытаясь путем переговоров положить конец конфликту, позволяли Германии продолжать передавать дипломатические сообщения. В результате сообщение Циммермана в нетронутом виде было получено немецким представительством в Вашингтоне.

Телеграмма Циммермана (вверху), которую посол Гэрмании в Вашингтоне Йоханн фон Бернсторф переслал своему коллеге в Мексике, и расшифрованная версия той же телеграммы (внизу).

Фрагмент британской расшифровки телеграммы Циммермана. В нижней части можно видеть, как немцы, не имея кода для слова «Аризона», зашифровали его символами: AR, IZ, ON, А.

Британское правительство направило перехваченное сообщение для дешифровки в криптоаналитический отдел, известный как Комната 40.

Немцы использовали для шифрования свой обычный алгоритм министерства иностранных дел и ключ под номером 0075, который эксперты Комнаты 40 уже частично взломали. Этот алгоритм включал в себя замену слов (кодирование), а также замену букв (шифрование). Это обычная практика, которую немцы в то время использовали и в другом методе шифрования, шифре ADFGVX, который мы более подробно рассмотрим позже.

Англичанам не потребовалось много времени, чтобы расшифровать телеграмму, хотя они и не поспешили показать ее американцам. На это было две причины.

Во-первых, секретная телеграмма была передана по дипломатическим каналам связи, предоставленным Германии Соединенными Штатами, — привилегия, которую англичане проигнорировали. Во-вторых, если бы телеграмма была предана огласке, немецкое правительство сразу бы выяснило, что его шифры взломаны, и изменило свою систему шифрования. Таким образом, англичане решили сказать американцам, что они перехватили и расшифровали сообщение, посланное фон Экхарду в Мексику, и тем самым убедить немцев, что телеграмма была перехвачена в Мексике уже в расшифрованном виде.

В конце февраля правительство Вильсона организовало «утечку информации» о содержании телеграммы в прессу. Некоторые представители прессы — в частности, прогерманские и настроенные против войны газеты американского медиамагната Херста — восприняли телеграмму скептически. Тем не менее, к середине марта Циммерман публично признал себя автором нашумевшего сообщения. Чуть более двух недель спустя, шестого апреля 1917 г., Конгресс США объявил войну Германии. Это решение имело далеко идущие последствия для Европы и всего мира.

Чрезвычайно скандальная в свое время телеграмма Циммермана является лишь одним из ярких исторических событий, в которых криптография сыграла существенную роль. В этой книге мы увидим много примеров из других веков и культур. Однако можно быть почти уверенными в том, что о многих важнейших событиях мы ничего не знаем. Ведь по своей природе история криптографии является историей тайн.

Глава 2. Криптография от античности до XIX века

Как мы уже говорили, криптография является древней дисциплиной, вероятно, столь же древней, как и само письменное общение. Однако это не единственно возможный способ тайной передачи информации. В конце концов, каждый текст както изображается, и если мы сделаем это изображение невидимым для всех, кроме получателя, наша цель будет достигнута. Техника сокрытия самого существования сообщения называется стеганографией, и она, вероятно, появилась примерно в то же время и по тем же причинам, что и криптография.

Стеганография

Греческий ученый Геродот, считающийся одним из величайших историков мира, в своей знаменитой хронике войны между греками и персами в V в. до н. э. упоминает два любопытных примера стеганографии, потребовавших значительной изобретательности. Первый пример описан в третьей книге «Истории» Геродота: Гистией, тиран города Милета, приказал побрить гонцу голову. Затем на коже головы написали сообщение, которое нужно было отправить, и подождали, когда волосы отрастут. После этого человека послали к месту назначения, в лагерь Аристагора.

Благополучно добравшись туда, посланник объяснил уловку Аристагору и снова сбрил волосы, показав долгожданное сообщение. Второй пример, если это, конечно, правда, имел большее историческое значение, поскольку это позволило спартанскому царю Демарату, сосланному в Персию, предупредить своих соотечественников о грозящем нашествии персидского царя Ксеркса. Геродот пишет об этом в седьмой книге:

«Дело в том, что Демарат не мог так просто предупредить их, поэтому он придумал вот какую хитрость: он взял пару восковых дощечек [для письма], соскоблил воск и написал планы персидского царя на деревянной поверхности. Затем он залил дощечки растопленным воском, таким образом скрыв сообщение. В итоге дощечки, выглядевшие пустыми, не могли возбудить никаких подозрений у дорожных стражей.

Когда дощечки доставили в Лакедемон (Спарта), лакедемоняне долго не могли разгадать секрет, пока, наконец, как я это понимаю, Горго […] не предложила соскоблить воск с дощечек, потому что тогда, по ее словам, на дереве обнаружится сообщение».

Стеганографический метод, выдержавший испытание временем, — это невидимые чернила. Известные по многим рассказам и фильмам, такие чернила содержат материалы, как правило, органического происхождения с высоким содержанием углерода: лимонный сок, растительные соки и даже человеческую мочу, поэтому они имеют тенденцию темнеть при умеренном нагревании, например, над пламенем свечи.

Польза стеганографии бесспорна, хотя этот способ совершенно невыгоден при большом количестве сообщений. Более того, сам по себе этот метод имеет существенный недостаток: если сообщение все-таки будет перехвачено, его содержание сразу же станет известным. По этой причине стеганография в основном используется совместно с методами криптографии как средство усиления безопасности сообщений наивысшей секретности.

Как показывают приведенные примеры, угроза вооруженного конфликта была серьезным стимулом для защиты передаваемой информации. Поэтому не удивительно, что такие воинственные люди, как спартанцы, бывшие, если верить Геродоту, мастерами стеганографии, были также пионерами в развитии криптографии.

Перестановочное шифрование

Во время конфликта между Афинами и Спартой для контроля над Пелопоннесом часто использовалась скитала — прибор, состоящий из цилиндра и обмотанной вокруг него по спирали узкой полоски бумаги, на которой писалось сообщение. Хотя используемый метод (то есть алгоритм шифрования) был известен противнику, не зная точных размеров скиталы, было чрезвычайно трудно расшифровать перехваченное сообщение. Толщина и длина скиталы были, в сущности, ключом к этой системе шифрования. После разматывания бумажной ленты прочитать сообщение было невозможно. На рисунке ниже передаваемое сообщение (М) выглядит так: A message encoded with a scytale («Сообщение, закодированное с помощью скиталы»), но после разматывания бумажной ленты сообщение превратилось в тарабарщину (С): anh mca eos sdc sey adt gwa eil ete.