Павлова Диана

Шифры, коды, криптография в математике.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Открытая гуманитарная научно-практическая конференция

Исследовательских работ «Поиск и творчество»

Исследовательская работа:

«Шифры и коды».

Выполнила:

Павлова Диана Борисовна

обучающаяся 9 «Б» класса

МОУ СОШ №106

Руководитель:

Липина Светлана Владимировна

Учитель математики

Волгоград 2013

Введение …………………………………………………………………… .3

Глава 1. Шифры …………………………………………………………….4

Глава 2. Криптография ……………………………………………………. 5

Глава 3. Способы шифрования …………………………………………….6

3.1. Шифры замены …………………………………………………………6

3.2. Шифры перестановки ………………………………………………….6

Глава 4. Разнообразие шифров ……………………………………………7-12

4.1. Шифр по описанию Плутарха ………………………………………...7

4.2. «Квадрат Полибия» …………………………………………………….7

4.3. Шифр Цезаря ……………………………….………………………….8

4.4 Шифр Гронфельда …………………………………………………………8

4.5 Шифр Вижинера …………………………………………………………..8

4.6 Матричный способ кодирования …………………………………………9-10

4.7 Шифр «Поворотная решётка»…………………………………………….10

4.8 Гаммирование………………………………………………………………10

4.9 Криптография Второй мировой войны ……..……………………………11-12

4.10 Роль криптографии в мировой индустрии................................................12

Заключение ……………………………………………………………………..13

Приложения …………………………………………………………………….14-15

Используемая литература ………………………………………………………16

Введение.

Цель: изучить применение основ математики для составления шифров

Задачи:

выяснить, что включает в себя понятие «криптология»;

узнать, какие известны способы шифрования;

изучить сферы использования шифров.

Актуальность темы: т рудно найти человека, который не смотрел сериалы: «Приключения Шерлока Холмса и Доктора Ватсона», «Семнадцать мгновений весны», где использовались зашифрованные тайные сообщения. С помощью кодов и шифров можно посылать различные сообщения и быть уверенным в том, что их сможет прочитать только тот человек, который знает к нему ключ. Можно ли в настоящее время использовать знания по шифрованию? Ответить на этот и другие вопросы поможет данная работа.

Проблема: недостаточное комплексное изучение шифров.

Объект исследования: шифры.

Предмет исследования: тематические задачи.

Методы исследования: сравнительные характеристики, решение задач.

Новизна и практическое значение: д анная работа поможет узнать много интересных фактов о шифрах. Она рассчитана на людей разных возрастных групп: детей, подростков, юношей, девушек и т.д. Учащиеся, познакомятся с материалами, выходящими за рамки школьной программы, и смогут применить изученный материал по математике в нестандартной ситуации.

Глава 1. Шифры.

Шифр (от араб. صِفْر ‎‎, ṣifr « ноль », откуда фр. chiffre «цифра»; родственно слову цифра ) - какая-либо система преобразования текста с секретом (ключом ) для обеспечения секретности передаваемой информации.Шифр может представлять собой совокупность условных знаков (условная азбука из цифр или букв) либо алгоритм преобразования обычных цифр и букв. Процесс засекречивания сообщения с помощью шифра называется шифрованием . Наука о создании и использовании шифров называется криптографией . Криптоанализ - наука о методах получения исходного значения зашифрованной информации.

Типы шифров.

Шифры могут использовать один ключ для шифрования и дешифрования или два различных ключа. По этому признаку различают:

• симметрический использует один ключ для шифрования и дешифрования.

• использует один ключ для шифрования и дешифрования.
• Асимметричный шифр использует два различных ключа.

Шифры могут быть сконструированы так, чтобы либо шифровать сразу весь текст, либо шифровать его по мере поступления. Поэтому существуют:

• Блочный шифр шифрует сразу целый блок текста, выдавая шифротекст после получения всей информации.
• Поточный шифр шифрует информацию и выдает шифротекст по мере поступления. Таким образом имея возможность обрабатывать текст неограниченного размера используя фиксированный объем памяти.

Глава 2. Криптография.

Как только люди научились писать, у них сразу же появилось желание сделать написанное понятным не всем, а только узкому кругу. Даже в самых древних памятниках письменности учёные находят признаки намеренного искажения текстов: изменение знаков, нарушение порядка записи и т.д.Изменение текста с целью сделать его понятным только избранным дало начало науке криптографии (греч. «тайное письмо»). Процесс преобразования текста, написанного общедоступным языком, в текст, понятный только адресату, называют шифрованием, а сам способ такого преобразования называют шифром. Но если есть желающие скрыть смысл текста, то найдутся и желающие его прочитать. Методы чтения таких текстов изучает наука криптоанализ. Хотя сами методы криптографии и криптоанализа до недавнего времени были не очень тесно связаны с математикой, во все времена многие известные математики участвовали в расшифровке важных сообщений. И часто именно они добивались заметных успехов, ведь математики в своей работе постоянно имеют дело с разнообразными и сложными задачами, а каждый шифр - это серьезная логическая задача. Постепенно роль математических методов в криптографии стала возрастать, и за последнее столетие они существенно изменили эту древнюю науку.

Одним из математических методов криптоанализа является частотный анализ. Сегодня защита информации одна из самых технологичных и засекреченных областей современной науки. Поэтому тема «Математика и шифры» современна и актуальна. Термин «криптография» далеко ушел от своего первоначального значения - «тайнопись», «тайное письмо». Сегодня эта дисциплина объединяет методы защиты информационных взаимодействий совершенно различного характера, опирающиеся на преобразование данных по секретным алгоритмам, включая алгоритмы, использующие секретные параметры. Голландский криптограф Моуриц Фрис так написал о теории шифрования: «Вообще криптографические преобразования имеют чисто математический характер».

Простым примером таких математических преобразований, используемых для засекречивания, служит равенство:

у = ах+b, где x - буква сообщения,

у - буква шифр текста, полученная в результате операции шифрования,

а и b являются постоянными величинами, определяющими данное преобразование.

Глава 3. Способы шифрования.

3.1. Шифры замены.

С древнейших времен основная задача шифрования была связана с сохранением тайны переписки. Сообщение, попадавшее в руки постороннему ч еловеку, должно было быть непонятно ему, а посвященный человек мог без труда расшифровать послание. Приемов тайнописи великое множество. Невозможно описать все известные шифры. Наиболее простейшими из криптографических шифров являются шифры замены или подстановки, когда одни символы сообщения заменяются другими символами, согласно некоторому правилу. К шифрам замены относится и один из первых известных кодов в истории человечества – код Цезаря , применявшийся в древнем Риме. Суть этого ко да состояла в том, что буква алфавита заменялась другой с помощью сдвига по алфавиту на одно и то же число позиций.

3.2 Шифры перестановки.

К классу «перестановка» принадлежит и шифр, называемый «решетка Кардано».Это прямоугольная карточка с отверстиями, чаще всего квадратная, которая при наложении на лист бумаги оставляет открытыми лишь некоторые его части. Число строк и столбцов в карточке четно. Карточка сделана так, что при ее последовательном использовании (поворачивании) каждая клетка лежащего под ней листа окажется занятой. Карточку сначала поворачивают вдоль вертикальной оси симметрии на 180°, а затем вдоль горизонтальной оси также на 180°.И вновь повторяют ту же процедуру: Если решетка Кардана - квадрат, то возможен второй вариант самосовмещений фигуры, а именно, последовательные повороты вокруг центра квадрата на 90°.

Глава 4. Разнообразие шифров.

4.1. Шифр по описанию Плутарха.

Потребность шифровать сообщения возникла давно. В V - VI вв. до н. э. греки применяли специальное шифрующее устройство. По описанию Плутарха, оно состояло из двух палок одинаковой длины и толщины. Одну оставляли себе, а другую отдавали отъезжающему. Эти палки называли скиталами. Если правителям нужно было сообщить какую-нибудь важную тайну, они вырезали длинную и узкую, вроде ремня, полоску папируса, наматывали ее на свою скиталу, не оставляя на ней никакого промежутка, так чтобы вся поверхность палки была охвачена полосой. Затем, оставляя папирус на скитале в том виде, как он есть, писали на нем все, что нужно, а написав, снимали полосу и без палки отправляли адресату. Так как буквы на ней разбросаны в беспорядке, то прочитать написанное он мог, только взяв свою скиталу и намотав на нее без пропусков эту полосу.

Аристотелю принадлежит способ дешифрования этого шифра. Надо изготовить длинный конус и, начиная с основания, обертывать его лентой с шифрованным сообщением, сдвигая ее к вершине. В какой-то момент начнут просматриваться куски сообщения. Так можно определить диаметр скиталы.

Во дворе здания ЦРУ в Лэнгли стоит S-образная медная плита с зашифрованным текстом. Это самый известный элемент скульптуры «Криптос», её авторы - скульптор Джеймс Санборн и Эд Шейдт, отставной глава криптографического отдела ЦРУ. Они придумали шифр, разгадать который трудно, но вполне реально. По крайней мере, им так казалось.

По замыслу авторов, «Криптос» олицетворяет процесс сбора информации. Шифр «Криптоса» - 869 символов, поделённых на четыре части. Создатели предполагали, что на решение первых трёх частей уйдёт около семи месяцев, на решение всей задачи - примерно семь лет. 23 года спустя полной расшифровки всё ещё нет. «Криптосом» занимаются любители (с 2003 года на Yahoo! существует группа из примерно 1500 человек) и профессионалы (из ЦРУ и АНБ) - их задачу осложняют намеренные ошибки, допущенные Санборном и Шейдтом (частично чтобы запутать людей, частично из эстетических соображений).
Считается, что Санборн - единственный человек на планете, знающий разгадку «Криптоса». Скульптор рассказывает, что люди, помешанные на созданном им шифре, звонят и говорят ужасные вещи: «Они называют меня прислужником дьявола, ведь у меня есть секрет, которым я ни с кем не делюсь». Санборн говорит, что в случае его смерти ответ обязательно перейдет к кому-то другому, но добавляет, что не совершенно не расстроится, если правильное решение навсегда останется тайной.

Убийца, про которого всё ещё ничего не известно, отправлял в калифорнийские газеты зашифрованные письма, обещая, что в них найдутся ключи к установлению его личности. Первое послание Зодиака (август 1969-го) состояло из трёх частей и 408 символов, быстрее всех его расшифровала обычная калифорнийская семейная пара. Смысл письма сводился к тому, что убивать людей гораздо интереснее, чем животных, ведь человек - самое опасное существо на планете. «Я попаду в рай, где те, кого я убил, станут моими рабами», - гласила записка. Эта была последняя успешная попытка расшифровать криптограмму Зодиака. Тайной остаётся содержание открытки с кодом из 340 знаков, пришедшей три месяца спустя в редакцию San Francisco Chronicle. «Можете напечатать его на первой странице? Мне ужасно одиноко, когда меня не замечают», - просил убийца в сопутствующем письме. Именно этот шифр изображён на постере фильма Дэвида Финчера «Зодиак».

Через несколько дней Зодиак прислал ещё одно письмо, в котором зашифровал свое имя, - оно также осталось неразгаданным. Затем было письмо, в котором убийца угрожал взорвать школьный автобус. К нему он приложил карту и шифр - с их помощью якобы можно было найти бомбу, что планируется использовать для теракта. С этим шифром тоже никто не справился, но и взрыв не произошёл. Попытки разгадать коды Зодиака продолжаются. В 2011-м криптограф-любитель Кори Старлипер заявил, что расшифровал сообщение из 340 символов, и нашёл в нём признание Артура Ли Аллена, когда-то проходившего главным подозреваемым по делу Зодиака, но отпущенного за неимением доказательств. Про Старлипера написали многие газеты, но быстро выяснилось, что его метод не выдерживает никакой критики.

Фестский диск. Считается, что иероглифические надписи на Фестском диске предположительно принадлежат минойской цивилизации, жившей на острове Крит. Глиняный диск с иероглифами, нанесенными на него с двух сторон в виде спирали, обнаружили в 1908 году. Специалисты определили, что на диске есть 45 разных иероглифов, и некоторые из них похожи на знаки, используемые в раннедворцовый период.

Памятник пастуха 18 века в графстве Стаффордшир, Англия. На нем есть странная последовательность букв DOUOSVAVVM – код, который не удается расшифровать уже более 250 лет. Автор этого шифра неизвестен, некоторые полагают, что этот код может быть подсказкой, оставленной рыцарями-тамплиерами относительно местонахождения Святого Грааля. Многие из величайших умов пытались расшифровать этот код и потерпели неудачу, включая Чарльза Диккенса и Чарльза Дарвина.

Линейное письмо. Также было найдено на Крите и названо в честь британского археолога Артура Эванса. В 1952 году Майкл Вентрис расшифровал линейное письмо B, которое использовалось для шифровки микенского языка – самого древнего из известных вариантов греческого. Но линейное письмо A разгадано лишь частично, при этом разгаданные фрагменты написаны на каком-то не известном науке языке, не связанном ни с одним из известных языков.

В 1933 году генералу Вану из Шанхая, Китай, были выданы семь золотых слитков . На слитках были выгравированы рисунки, надписи на китайском языке и криптограммы, частично латинскими буквами. Предположительно, это сертификаты, выданные американским банком. В надписях на китайском языке говорится о сделке, сумма которой превышает 300 миллионов долларов США.

Джон Бирн (John F. Byrne) придумал метод шифрования чаошифр в 1918 году. Бирн считал его очень простым, но все же сложным для расшифровки, и в течение 40 лет он безуспешно пытался заинтересовать американское правительство своим изобретением. Он даже предложил награду тому, кто сможет разгадать его шифр, но за наградой никто так и не обратился. Только в прошлом году его семья передала все бумаги относительно шифра в музей, и специалистам удалось разобраться в его методе.

Сигнал «Wow!» - сильный узкополосный космический радиосигнал, зарегистрированный доктором Джерри Эйманом 15 августа 1977 г. во время работы на радиотелескопе «Большое Ухо» в Университете штата Огайо. Под этим названием Сигнал и запечатлен в истории «Программы по Поиску Внеземных цивилизаций», как до сих пор нерасшифрованный.

Британские математики по-своему участвовали в подводных боях Второй мировой. На полпути между Оксфордом и Кембриджем, в городке Милтон-Кинс, в разгар войны было устроено нечто вроде института, где Алан Тьюринг и другие ученые-знаменитости трудились над взломом кода, который в Германии применяли для связи с подлодками. Немецкие шифровщики использовали аппарат, похожий на печатную машинку с двумя клавиатурами: одна обычная, другая с лампочками. Когда радистка ударяла пальцем по клавише, лампочка вспыхивала под какой-нибудь другой буквой. Эту букву и следовало дописать к шифрованной версии сообщения. Не имея ни одного образца «Энигмы» под рукой, Тьюринг сумел понять принцип работы машины и построить свой дешифратор на основе одних логических рассуждений. Британский историк Хинсли даже заявил, что прорыв в криптоанализе приблизил конец Второй мировой на два, если не на четыре года. На исключительную роль, которую сыграл взлом кода «Энигма» в победе над нацистами, ссылалась и королева Великобритании Елизавета Вторая, когда посмертно помиловала математика несколько месяцев назад. В 1952 году Тьюринга приговорили к химической кастрации за гомосексуализм, после чего ученый покончил жизнь самоубийством.

Йотунвиллур. Рунических надписей - считанные тысячи: на порядки меньше текстов, чем оставила после себя классическая античность. И то речь обычно о коротких обрывочных фразах на дощечках или на камнях. Йонас Нордби, аспирант-лингвист из университета Осло, сосредоточил внимание на 80 зашифрованных: если пытаться прочесть их как есть, выйдет бессмыслица. Девять, как оказалось, используют довольно простой, по меркам современной криптографии, алгоритм - автор исследования называет его Jotunvillur: руну заменяют той, название которой («имя руны») оканчивается на нужную букву. Зачем так скрытничать, понятно в отдельных случаях. Одна из надписей на дощечках, прочитанных Нордби, гласит «Поцелуй меня». Если учесть, что и адресат, и отправитель сообщения должны были как минимум уметь читать, то, вероятно, оба были мужчинами.

В годы Второй мировой войны британская армия нередко использовала голубей для передачи зашифрованных посланий. В 2012 году житель графства Суррей (юг Англии) нашёл в трубе своего дома останки птицы, к лапе которой был прикреплён контейнер с сообщением. Текст предназначался некоему XO2 и был подписан «W Stot Sjt». Изучив сообщение, эксперты Британского центра правительственной связи пришли к выводу, что без доступа к книгам кодов, использованных при создании шифра, найти правильное решение практически невозможно. «Подобные сообщения создавались так, чтобы их могли прочитать только отправитель и получатель. Если мы не узнаем хоть что-то о том, кто написал это письмо или кому оно предназначалось, мы не сможем его расшифровать», - заявил анонимный работник Центра правительственной связи в интервью BBC.

1 декабря 1948 года на пляже Сомертон в Аделаиде нашли труп человека . На теле не было следов насилия, всё, что при нём оказалось, - сигареты, коробок спичек, пачка жвачки, расчёска, билет на автобус и билет на поезд. Патологоанатом, проводивший вскрытие, не сумел определить точную причину его смерти, но предположил, что жертву, скорее всего, отравили ядом, следы которого исчезают из организма уже через несколько часов. Полтора месяца спустя полиция обнаружила на вокзале Аделаиды чемодан, по всей видимости, принадлежавший убитому. Внутри лежали разные инструменты и одежда с оторванными ярлыками - в том числе брюки с секретным карманом, в котором нашли вырванный из книги клочок бумаги с надписью «Tamam Shud». Нужной книгой оказалось чрезвычайно редкое издание сборника поэзии Омара Хайяма. На последней странице карандашом был написан шифр, разгадать который не могут уже больше 60 лет. В 1978-м Министерство обороны Австралии выступило с заявлением: это может быть шифр, это может быть бессмысленный набор символов, сказать точно невозможно. С 2009-го попытки расшифровать криптограмму ведутся в университете Аделаиды. Исследователи пришли к выводу, что это действительно некий шифр, но решения до сих пор нет ни у шифра, ни у самого дела «Таман Шуд» - одной из самых известных тайн в истории Австралии.

В первом издании книги Codes and Ciphers («Коды и шифры») английского картографа и криптографа русского происхождения Александра Д’Агапеева был напечатан шифр, до сих пор остающийся неразгаданным. Уже после выхода книги автор признался, что забыл правильный ответ. В следующих изданиях «Кодов и шифров» криптограммы не было. Доказано, что в основе шифра Д’Агапеева действительно лежит некая система (то есть это не просто беспорядочный набор символов), однако он оказался слишком сложен. В начале 1950-х журнал The Cryptogram объявил награду за расшифровку кода, но правильный ответ всё ещё не найден.

14 июля 1897-го знаменитый английский композитор Эдвард Элгар отправил записку Дорабелле - так он называл свою подругу Дору Пенни. «Мисс Пенни», - гласила надпись на одной стороне карточки. На другой был трехстрочный шифр из 87 символов. Дора не смогла расшифровать послание, и оно пролежало в ящике её стола 40 лет, прежде чем его перепечатали в книге воспоминаний Пенни об Элгаре. Расшифровывая письмо композитора, одни пытались обойтись простейшим методом замены символов на буквы, другие приходили к выводу, что здесь вообще скрыты не слова, а мелодия. У одних получались сообщения, в которых не понятно абсолютно ничего, у других - предельно лиричные тексты, полные мечтательности и любви. Окончательного решения нет до сих пор; ничем закончился и конкурс по расшифровке, проведённый в 2007-м в честь 150-летия Элгара.

Скрижали Джорджии - крупный гранитный монумент в округе Элберт в штате Джорджия, США. Памятник содержит длинную надпись на 8 современных языках, а на вершине памятника имеется более краткая надпись на 4 древних языках: аккадском, классическом греческом, санскрите и древнеегипетском. Монумент не содержит зашифрованных посланий, но его цель и происхождение остаются загадкой. Он был воздвигнут человеком, личность которого так и не удалось установить.

Рукопись Войнича, которую часто называют самой таинственной в мире книгой. В рукописи использован уникальный алфавит, в ней около 250 страниц и рисунки, изображающие неведомые цветы, обнаженных нимф и астрологические символы. Впервые она появилась в конце XVI века, когда император Священной Римской империи Рудольф II купил ее в Праге у неизвестного торговца за 600 дукатов (около 3,5 кг золота, сегодня более 50 тысяч долларов). От Рудольфа II книга перешла к дворянам и ученым, а в конце XVII века исчезла. Манускрипт вновь появился примерно в 1912 году, когда его купил американский книготорговец Вилфрид Войнич. После его смерти рукопись была передана в дар Йельскому университету. Британский ученый Гордон Рагг считает, что книга – искусная мистификация.

В тексте есть особенности, не свойственные ни одному из языков. С другой стороны, некоторые черты, например, длина слов, способы соединения букв и слогов, похожи на существующие в настоящих языках. “Многие считают, что все это слишком сложно для мистификации, чтобы выстроить такую систему, какому-нибудь безумному алхимику потребовались бы годы”, – говорит Рагг. Однако Рагг показывает, что добиться такой сложности можно было легко, используя шифровальное устройство, придуманное примерно в 1550 году и названное сеткой Кардана. В этой таблице символов слова создаются передвижением карточки с прорезанными в ней отверстиями. Благодаря пробелам, оставленным в таблице, слова получаются разной длины. Накладывая такие решетки на таблицу слогов манускрипта, Рагг создал язык, которому присущи многие, если не все, особенности языка рукописи. По его словам, на создание всей книги хватило бы трех месяцев.

Вдохновившись рукописью Войнича, в 1981 году итальянский дизайнер и архитектор Луиджи Серафини опубликовал свой альбом , выдержанный в том же стиле: 360 страниц текста на неизвестном языке и миниатюр в духе средневекового естественно-научного трактата. Только если исторический манускрипт и можно подозревать в том, что он описывает некую реальную флору и фауну, то у Серафини лошади плавно переходят в гусениц, а занятые сексом юноша и девушка на раскадровке превращаются в крокодила.

Во всех интервью Серафини утверждает, что текст лишен смысла, а в последовательности миниатюр не нужно искать логики - что, разумеется, только подогревает интерес к книге у энтузиастов-криптологов.

Ронго-ронго, кохау ронгоронго - деревянные дощечки с письменами жителей острова Пасхи. В настоящее время не ясно, представляют ли каждый символ отдельное слово или слог. Все ронго-ронго сделаны из дерева торомиро. На сегодня в музеях мира сохранилось всего около 25 «дощечек». Традиционно они нумеруются буквами латинского алфавита, что однако не является единственным способом обозначения «таблиц», среди которых присутствует один жезл, две надписи на нагрудном украшении реимиро, а также надпись на табакерке и на фигуре тангата ману. Иероглифы - частично символические, частично - геометрические, всего около восьмисот различных знаков (по каталогу Бартеля).

Криптограммы Бейла - 3 зашифрованных сообщения, несущих в себе информацию о местонахождении клада из золота, серебра и драгоценных камней, зарытого якобы на территории Виргинии неподалеку от Линчберга партией золотоискателей под предводительством Томаса Джефферсона Бейла. Цена ненайденного клада в пересчете на современные деньги должна составлять около 30 млн. долларов.

Тelegraf

Наступило время, когда над нами летают спутники, способные приближать изображение настолько, что мы можем точно определить размер женской груди лежащей на нудистском пляже девушки.

Получив такие сверхвозможности, мы думаем, что человечество знает абсолютно всё. Даже со всеми нашими высокими скоростями, 3D-технологиями, проекторами и сенсорными экранами, всё ещё существуют шифры и коды, над которыми продолжают ломать голову криптологи мирового уровня. Причем некоторые шифры существовали ещё в 18 веке. Даже с появлением передовых технологий, эти неразгаданные коды доказывают, что самой умной вещью в нашем обществе на данный момент - смартфоны.

10. Шифр Дорабеллы

Говорят, что его автор обладал исключительным умом. Способность взять чистую страницу и превратить её во что-то интригующее - это форма искусства, которая вызывает невероятные эмоции… хорошо, может и не так высокопарно, но давайте согласимся, что требуется довольно много креативности, чтобы из ничего сделать что-то. В конце 18-го века автор этого кода, Эдвард Элгар, отправил своей юной подруге зашифрованное сообщение. Проблема в том, что ему удалось так хорошо зашифровать его, что даже она не смогла прочитать его. Элгар был очарован идеей зашифрованных сообщений. Он даже взломал один из сложнейших кодов, который был издан в известном Pall Magazine. Многие находили символы, из которых состоит шифр Дорабеллы, в музыкальных композициях Элгара и его личных записях. У многих есть теории, но никто так и не нашёл решения.

9. Шифр D’Agapeyeff

Спустя пару десятилетий после появления шифра Дорабеллы, Alexander D’Agapeyeff написал книгу по криптографии. 1939 год, год написания книги , был временем докомпьютерного шифрования, и считается, что шифр D’Agapeyeff был составлен полностью вручную. Этот потрясающий код взломать сложнее, чем коды доисторических времен написанные на утеряных языках. Сам автор этого шифра был гением. Его самый известный код был настолько трудным, что даже он сам, зачастую, пасовал перед ним. Криптологи взяли его числовой код и, как обычно, присвоили цифрам буквы. К сожалению, это ни к чему не привело. Они получили связку удвоенных и утроенных букв. А книга этого криптографа под названием "Коды и шифры", напечатанная Oxford Press, ничем не помогла. По некоторым причинам более поздние издания не включали его известный шифр. Люди, вероятно, уставали от того, что в самый последний момент, перед тем как, они считали, им откроется секрет, приходило осознание того, что они всё ещё далеки от него.

8. Хараппское письмо

Между 2600 и 1800 годами до н.э. в долине Инда процветала Хараппская цивилизация. Люди Инда были описаны в истории как самая продвинутая городская культура своего времени. Первые попытки расшифровки Хараппского письма были предприняты задолго до того, как цивилизация была снова открыта. Историки от Великобритании до Индии пытались расшифровать символьные сообщения. Некоторые полагают, что письменность людей Инда стала прототипом иероглифического письма в Древнем Египте. Команды из России и Финляндии пришли к выводу, что письменность этого народа имеет друидские корни. Независимо от того, где она зародился, над алфавитом из 400 пиктограмм работали самые великие умы со всего мира. Считается, что численность Хараппской цивилизации составляла 1 миллион. Чтобы управлять таким количеством людей, необходимо было придумать некоторую форму языка. А на закате, цивилизация решила поступить достаточно эгоистично, и не оставила шпаргалку для будущих цивилизаций.

7. Китайский шифр золотого слитка

Генерал Ван из Шанхая, в 1933 году получил семь золотых слитков. Но совсем не такие, которые кладут на депозиты в банки. Самым большим различием были таинственные изображения и буквы, обнаруженные на слитках. Они состояли из шифрованных букв, китайских иероглифов и латинских криптограмм. 90 лет спустя их так и не смогли взломать. Весом в 1.8 килограмма, китайский шифр, как полагают, описывают сделку более чем на 300000000$. Истинную причину, по которой генерал Ван получил такой тщательно продуманный подарок от неизвестного поклонника, было бы намного легче определить, если бы мы знали, что написано на золотых слитках.

6. Убийца Зодиак

Это название не имеет ничего общего с ежедневными гороскопами, которыми завалены наши почтовые ящики, мы говорим об одном из самых страшных серийных убийц. Мало того, что он был виновен в огромном количестве убийств и просто был психически неуравновешенным человеком, Зодиак пытался прославиться за их счёт. В 1939 году он отправил письма в три калифорнийских газеты, хвастаясь недавними убийствами в Вальехо. За свою щедрость, он потребовал напечатать зашифрованное послание на первых полосах этих газет. В конце концов у полиции не осталось выбора, кроме как играть в его игру. Более 37 человек стали жертвами во время его деятельности в 1960-х и 1970-х, и удивительно то, что несколько сообщений Зодиака были расшифрованы. Однако подавляющее большинство всё ещё хранит свою тайну. ФБР даже дошли до того, что предоставили оставшуюся часть его сообщений общественности в надежде, что кто-то сможет расшифровать их.

5. Линейное письмо А

Историкам удалось установить связь между Фестским диском и Линейным письмом А, но им всё ещё нужно расшифровать сообщение. Фестский диск был найден в 1908, с обеих его сторон нанесены таинственные знаки. "Эксперты" выделили 45 знаков, но они до сих пор не знают, что они означают. Кроме того, они обнаружили множество дисков с двумя различными стилями письма. Один стиль назвали "Линейное письмо А", а другой "Линейное письмо B". Линейное письмо A было значительно старше и оно было создано на острове Крит. Британец по имени Майкл Вентрис опозорил всех "экспертов", когда взломал шифр Линейного письма B. Вторичная форма была взломана, но над Линейным письмом А "эксперты" до сих пор ломают голову.

4. Прото-эламит

Образовав Персидскую Империю, Эламиты стали самой первой известной нам цивилизацией. Даже в 3300 до н.э. было необходимо развивать письменный язык, чтобы общаться друг с другом. В 8-м веке до н.э. Эламиты использовали глиняные символы, чтобы представлять различные товары и услуги. Они даже придумали глиняные бумажники и ID, чтобы понимать, у кого были деньги и в каком количестве. Это самые ранние доказательства создание числовой системы. Около 2900 до н.э. их язык перешёл на абсолютно новый уровень. Предполагается, что язык Прото-эламит был некоторой формой системы учета.

Некоторые успехи, если их можно так назвать, были сделаны историками, которые нашли общие черты между Прото-эламитом и клинообразным стилем письма. К сожалению, в начале 5-го века до н.э. Прото-эламит начал исчезать. Осталось всего 1600 глиняных дисков, которые никто не может прочитать.

3. Таман Шуд

Как уже было доказано Зодиаком, убийцам нравится слава. Тело неопознанного австралийца было найдено на берегу пляжа Аделаид более 65 лет назад. СМИ окрестили его "Таинственным человеком из Сомертона". Попытки выяснить его личность также не увенчались успехомо тайной. Но сегодня мы о шифрах... Улики, найденные в его карманах, привели австралийскую полицию на железнодорожную станцию местного сообщения. Там они нашли его чемодан с обычным для большинства людей набором вещей. Коронер заявил, что мужчина был абсолютно здоров (помимо того, что он был мёртв) и, возможно, был отравлен.

Потребовалось целых два месяца, чтобы обнаружить маленький карман, который при первом осмотре пропустили. В нем был маленький клочок бумаги с надписью "Таман Шуд". После обнародования этой находки в полицию обратился парень, заявивший, что нашёл копию этой же самой книги в своём автомобиле тем же вечером, когда был убит незнакомец. Под ультрафиолетовым излучением проявился нечитабельный код из пяти строк. В течение многих лет чиновники и различные волонтёры пытались взломать шифр. Профессор Дерек Эбботт и его студенты пытались расшифровать послание с марта 2009. Однако, как и остальные любители тайн, сдались. Но в их отчётах говорится, что жертва была шпионом времен холодной войны, которого отравили враги. Намного легче придумать что-то мистическое, чем по полной вкусить горький вкус поражения.

2. Шифр Маккормика

Тело Рики Маккормика было найдено в районе Миссури 30 июня 1999. Спустя два года после его смерти две записки в его карманах были единственными уликами для детективов. Даже усилиями известнейших криптологов и Американской Ассоциация Криптологии так и не смогли их расшифровать. Шифр Маккормика занимает 3 место в списке самых сложных кодов. Более 30 строк закодированной информации включают в себя числа, линии, буквы и скобки. С таким количеством символов возможные варианты шифров бесконечны. Семья Маккормика говорит, что он писал шифрами с детства, и никто из них не знал, что они означают. Хотя он отсутствовал в течение всего нескольких дней, тело Маккормика быстро опознали. Это сделало расшифровку его записок разгадкой его убийства. Агенты ФБР обычно взламывают шифры за несколько часов. Так или иначе Маккормик, который нормально мог написать только своё имя, составил профессионалам серьёзную конкуренцию.

1. Шифр Бэкона

Рукопись Войнича является самым большим иллюстрированным произведением, написанное шифром. Иллюстрация, вновь открытая миру в Иезуитской школе в 1912 году, получила такое название, потому что авторство приписывают англичанину Роджеру Бэкону. Некоторые историки дискредитируют авторство Бэкона из-за наличия букв алфавита, которые не использовали в течение его жизни. С другой стороны, иллюстрации подтверждают участие Бэкона в создании произведения. Он был известен своим интересом к созданию эликсира жизни и другим мистических учениям. Подобные темы были упомянуты в рамках Рукописи Войнича. Действительно ли Бэкон интересовался неизведанным? Мы оставим эти споры для других, но одна вещь, которая остаётся бесспорной, состоит в том, что мы не знаем, что скрывает этот шифр. Было предпринято огромное количество попыток взломать код. Некоторые утверждали, что это изменённая греческая стенография, в то время как другие полагали, что ключ находится в иллюстрациях. Все теории оказались безуспешными. Те, кто всё еще пытаются взломать шифр Бэкона, поражены тем, что это не удаётся сделать так долго.

определить неизменяемые части. Забегая вперед, можно привести в качестве примера шифрмашину "Энигма" (см. главу 9), которая содержала несколько колес; внутри этих колес были провода; распайка проводов внутри колес не менялась, но ежедневно изменялся порядок расположения колес внутри самой машины. Таким образом, распайка проводов являлась неизменяемой частью, а порядок колес - переменной. Взлом системы - это самая трудоемкая часть работы; она может продолжаться несколько недель или даже месяцев и потребовать применения математических методов, поиска и использования ошибок операторов и даже сведений, добытых шпионами.

После того, как определены все неизменяемые части системы, необходимо определить все переменные части (такие, как начальные положения колес в шифрмашине "Энигма", которые менялись для каждого сообщения). Это - задача вскрытия ключей сообщения . После ее решения сообщения будут дешифрованы.

Итак, взлом относится к системе шифрования в целом, авскрытие ключей связано с дешифрованием отдельных сообщений.

Коды и шифры

Хотя слова код ишифр часто употребляются нестрого, мы проведем разграничение между этими понятиями. Вкоде часто встречающиеся элементы текста (которые могут состоять из одной или более букв, чисел или слов) обычно заменяются четырьмя или пятью буквами или числами, которые называютсякодовыми группами и берутся изкодовой книги . Для особенно часто употребительных выражений или знаковкодовая книга может предлагать несколькокодовых групп . Это делается для того, чтобы криптограф мог варьировать ими с целью затруднить их идентификацию. Так, например, в четырехзначном цифровом коде для слова "понедельник" могут быть три альтернативные кодовые группы - к примеру, 1538, либо 2951, либо 7392. Коды мы рассмотрим в главе 6.

Коды - это частный случайсистемы шифрования , однако не всесистемы шифрования являютсякодами . Мы будем использовать словошифр по отношению к методамшифрования , в которых используются некодовые книги , а шифрованный текст получается из исходного открытого текста согласно определенному правилу. В наше время вместо слова "правило" предпочитают пользоваться словом "алгоритм ", особенно если речь идет о компьютерной программе. Различие между понятиямикода ишифра иногда не совсем четкое, особенно для простых систем. Пожалуй, можно считать, что шифр Юлия Цезаря использует одностраничную кодовую книгу, где каждой букве алфавита сопоставлена буква, стоящая в алфавите на три позиции далее. Однако для большинства систем, которые мы рассмотрим, это отличие будет довольно четким. Так, например, "Энигма", которую часто

ошибочно называют "кодом Энигма", безусловно является вовсе не кодом , а

шифрмашиной.

Исторически сложилось так, что вплоть до сравнительно недавнего времени в криптографии преобладали две основные идеи, и многие системы шифрования (в том числе почти все из описанных в первых одиннадцати главах этой книги) были основаны на одной из них или на обеих сразу. Первая идея сводилась к тому, чтобы перетасовать буквы алфавита (как обычно тасуют колоду карт) с целью получить нечто, что можно рассматривать как случайный порядок, перестановку или анаграмму букв. Вторая идея состоит в том, чтобы преобразовать буквы сообщения в числа (например, положив A=0, B=1, ..., Z=25), и затем прибавлять к ним (число за числом) другие числа, называемые гаммой , которые, в свою очередь, могут быть буквами, преобразованными в числа. Если в результате сложения получается число, большее чем 25, вычтем из него 26 (этот способ называетсясложением по модулю 26). Результат затем преобразуется обратно

в буквы. Если числа, прибавляемые к тексту, получены при помощи довольно трудно предсказуемого процесса, то зашифрованное таким способом сообщение очень трудно, или даже невозможно дешифровать без знания гаммы.

Любопытно отметить, что шифр Юлия Цезаря, каким бы незамысловатым он ни был, можно считать примером и того, и другого типа. В первом случае наше "тасование колоды" эквивалентно простому перемещению последних трех карт в начало колоды, так что все буквы смещаются вниз на три позиции, а X, Y и Z оказываются в начале. Во втором случае гаммой является число 3, повторенное бесконечное число раз. Нельзя себе и представить ничего "слабее" такого гаммы.

Перевод сообщения на другой язык, пожалуй, тоже можно было бы считать определенным видом шифрования с использованием кодовой книги (то есть словаря), но это всё-таки слишком вольное употребление словакод . Однако такой способ перевода на другой язык, когда за каждым словом лезут

в словарь как в кодовую книгу, определенно не следует рекомендовать. Это известно каждому, кто пытался изучать иностранный язык. *) С другой стороны, иногда вполне резонно воспользоваться малоизвестным языком для передачи сообщений, актуальность которых ограничена во времени. Рассказывают, например, что во время второй мировой войны в американских войсках в Тихом океане в качестве телефонистов иногда использовали солдат из индейского племени навахо, чтобы те передавали

*) Вспоминаю, как некий школьник писал сочинение на французском языке о том, как в средние века один путешественник приезжает ночью в гостиницу и стучится в дверь. В ответ он слышит "What Ho! Without." ("Какого чёрта! Убирайся!" -прим. перев. ). Это выражение школьник перевел на французский дословно, подставив французские слова: "Que Ho! Sans." (получилось "Что за хо! Без." -прим. перев. ).Учитель французского языка, прочитав это, потерял на мгновение дар речи, а потом заметил; "Вы, наверно, нашли эти слова в словаре, который раздают бесплатно с мешками сахара".

сообщения на своем родном языке, вполне обоснованно допуская, что даже в случае перехвата телефонных переговоров противник едва ли нашел бы в своих рядах человека, владеющего этим языком и способного понять содержание сообщения.

Другой способ скрыть содержание информации - использовать некую персональную скоропись. Этим методом еще в средние века пользовались авторы личных дневников - например, Самюэль Пепис (Samuel Pepys). Такие коды нетрудно вскрыть, если записей в дневнике достаточно. Регулярные повторения некоторых символов (к примеру, знаков, обозначающих дни недели) служат хорошим подспорьем для прочтения некоторых слов и выражений. Примером более основательного труда может послужить дешифрование древней микенской письменности, известной как "линейное письмо Б", где знаки соответствовали слогам древнегреческого языка; заслуга дешифрования этого вида письменности принадлежит Майклу Вентрису*) (см. ).

Широкое распространение компьютеров и возможность практического построения сложных электронных микросхем на кремниевых кристаллах произвели революцию как в криптографии, так и в криптоанализе. В результате некоторые современные системы шифрования основываются на передовых математических концепциях и требуют солидной вычислительной и электронной базы. Поэтому в докомпьютерную эпоху пользоваться ими было практически невозможно. Некоторые из них описаны в главах 12 и 13.

Оценка стойкости системы шифрования

Когда предлагается новая система шифрования, то очень важно оценить ее стойкость ко всем уже известным методам вскрытия в условиях, когда криптоаналитику известен тип используемой системы шифрования, но не во всех деталях. Оценивать стойкость системы шифрования можно для трёх разных ситуаций:

(1)криптоаналитику известны только шифрованные тексты;

(2)криптоаналитику известны шифрованные тексты и исходные открытые тексты к ним;

(3)криптоаналитику известны как шифрованные, так и открытые тексты, которые он сам подобрал.

Первый случай отражает "типичную" ситуацию: если в этих условиях систему шифрования можно вскрыть за короткое время, то пользоваться ею не следует. Вторая ситуация возникает, например, если одинаковые сообщения шифруются как по новой системе, так и по старой, которую

*) Линейное письмо Б (Linear B) - одна из наиболее древних систем греческой письменности. Обнаружено на глиняных табличках в Кноссе (о. Крит) и в Пилосе. Расшифрована Майклом Вентрисом (1922-1956), английским архитектором и лингвистом (прим. перев. ).

криптоаналитик умеет читать. Такие ситуации, относящиеся к случаям серьёзного нарушения правил защиты информации, происходят весьма часто. Третья ситуация возникает, главным образом, когда криптограф, желая оценить стойкость созданной им системы, предлагает своим коллегам, играющим роль противника, вскрыть его шифр и позволяет им продиктовать ему тексты для зашифрования. Это - одна из стандартных процедур проверки новых систем. Очень интересной задачей для криптоаналитика - составить тексты так, чтобы после их зашифрования получить максимум информации о деталях системы. Структура этих сообщений зависит от того, как именно производится зашифрование. Вторая и третья ситуации могут также возникнуть, если у криптоаналитика есть шпион в организации криптографа: именно так обстояло дело в 30-х годах прошлого века, когда польские криптоаналитики получили открытые и шифрованные тексты сообщений, зашифрованных на немецкой шифрмашине "Энигма". Система шифрования, которую невозможно вскрыть даже в такой ситуации (3), является действительно стойким шифром. Это именно то, к чему стремится криптограф, и чего страшится криптоаналитик.

Коды, обнаруживающие и исправляющие ошибки

Другой класс кодов предназначен для обеспечения безошибочной передачи информации, а не для сокрытия еесодержания . Такие коды называютсяобнаруживающими и исправляющими ошибки , они являются предметом широкомасштабных математических исследований. Эти коды с самых первых дней существования компьютеров используются для защиты от ошибок в памяти и в данных, записанных на магнитную ленту. Самые первые версии этих кодов, такие, например, как коды Хэмминга, способны обнаружить и исправитьединичную ошибку в шестиразрядном символе. В качестве более позднего примера можно привести код, который использовался на космическом корабле "Маринер" для передачи данных с Марса. Созданный с учетом возможного значительного искажения сигнала на его долгом пути к Земле, этот код был способен корректировать до семи ошибок в каждом 32-разрядном "слове". Простым примером кода другого уровня,обнаруживающего , но неисправляющего ошибки, является код ISBN (International Standard Book Number - Международный Стандартный Книжный Номер).Он состоит из десяти знаков (десяти цифр либо девяти цифр с буквой X на конце, которая обозначает число 10), и позволяет осуществить проверку на отсутствие ошибок в номере ISBN. Проверка выполняется следующим образом: вычислим сумму

(первая цифра) 1+(вторая цифра) 2+(третья цифра) 3+...+(десятая цифра) 10.

Необходимость в шифровании переписки возникла еще в древнем мире, и появились шифры простой замены. Зашифрованные послания определяли судьбу множества битв и влияли на ход истории. Со временем люди изобретали все более совершенные способы шифрования.

Код и шифр - это, к слову, разные понятия. Первое означает замену каждого слова в сообщении кодовым словом. Второе же заключается в шифровании по определенному алгоритму каждого символа информации.

После того как кодированием информации занялась математика и была разработана теория криптографии, ученые обнаружили множество полезных свойств этой прикладной науки. Например, алгоритмы декодирования помогли разгадать мертвые языки, такие как древнеегипетский или латынь.

Стеганография

Стеганография старше кодирования и шифрования. Это искусство появилось очень давно. Оно буквально означает «скрытое письмо» или «тайнопись». Хоть стеганография не совсем соответствует определениям кода или шифра, но она предназначена для сокрытия информации от чужих глаз.

Стеганография является простейшим шифром. Типичными ее примерами являются проглоченные записки, покрытые ваксой, или сообщение на бритой голове, которое скрывается под выросшими волосами. Ярчайшим примером стеганографии является способ, описанный во множестве английских (и не только) детективных книг, когда сообщения передаются через газету, где малозаметным образом помечены буквы.

Главным минусом стеганографии является то, что внимательный посторонний человек может ее заметить. Поэтому, чтобы секретное послание не было легко читаемым, совместно со стеганографией используются методы шифрования и кодирования.

ROT1 и шифр Цезаря

Название этого шифра ROTate 1 letter forward, и он известен многим школьникам. Он представляет собой шифр простой замены. Его суть заключается в том, что каждая буква шифруется путем смещения по алфавиту на 1 букву вперед. А -> Б, Б -> В, ..., Я -> А. Например, зашифруем фразу «наша Настя громко плачет» и получим «общб Обтуа дспнлп рмбшеу».

Шифр ROT1 может быть обобщен на произвольное число смещений, тогда он называется ROTN, где N - это число, на которое следует смещать шифрование букв. В таком виде шифр известен с глубокой древности и носит название «шифр Цезаря».

Шифр Цезаря очень простой и быстрый, но он является шифром простой одинарной перестановки и поэтому легко взламывается. Имея подобный недостаток, он подходит только для детских шалостей.

Транспозиционные или перестановочные шифры

Данные виды шифра простой перестановки более серьезны и активно применялись не так давно. В Гражданскую войну в США и в Первую мировую его использовали для передачи сообщений. Его алгоритм заключается в перестановке букв местами - записать сообщение в обратном порядке или попарно переставить буквы. Например, зашифруем фразу «азбука Морзе - тоже шифр» -> «акубза езроМ - ежот рфиш».

С хорошим алгоритмом, который определял произвольные перестановки для каждого символа или их группы, шифр становился устойчивым к простому взлому. Но! Только в свое время. Так как шифр легко взламывается простым перебором или словарным соответствием, сегодня с его расшифровкой справится любой смартфон. Поэтому с появлением компьютеров этот шифр также перешел в разряд детских.

Азбука Морзе

Азбука является средством обмена информации и ее основная задача - сделать сообщения более простыми и понятными для передачи. Хотя это противоречит тому, для чего предназначено шифрование. Тем не менее она работает подобно простейшим шифрам. В системе Морзе каждая буква, цифра и знак препинания имеют свой код, составленный из группы тире и точек. При передаче сообщения с помощью телеграфа тире и точки означают длинные и короткие сигналы.

Телеграф и азбука был тем, кто первый запатентовал «свое» изобретение в 1840 году, хотя до него и в России, и в Англии были изобретены подобные аппараты. Но кого это теперь интересует... Телеграф и азбука Морзе оказали очень большое влияние на мир, позволив почти мгновенно передавать сообщения на континентальные расстояния.

Моноалфавитная замена

Описанные выше ROTN и азбука Морзе являются представителями шрифтов моноалфавитной замены. Приставка «моно» означает, что при шифровании каждая буква изначального сообщения заменяется другой буквой или кодом из единственного алфавита шифрования.

Дешифрование шифров простой замены не составляет труда, и в этом их главный недостаток. Разгадываются они простым перебором или Например, известно, что самые используемые буквы русского языка - это «о», «а», «и». Таким образом, можно предположить, что в зашифрованном тексте буквы, которые встречаются чаще всего, означают либо «о», либо «а», либо «и». Исходя из таких соображений, послание можно расшифровать даже без перебора компьютером.

Известно, что Мария I, королева Шотландии с 1561 по 1567 г., использовала очень сложный шифр моноалфавитной замены с несколькими комбинациями. И все же ее враги смогли расшифровать послания, и информации хватило, чтобы приговорить королеву к смерти.

Шифр Гронсфельда, или полиалфавитная замена

Простые шифры криптографией признаны бесполезными. Поэтому множество из них было доработано. Шифр Гронсфельда — это модификация шифра Цезаря. Данный способ является значительно более стойким к взлому и заключается в том, что каждый символ кодируемой информации шифруется при помощи одного из разных алфавитов, которые циклически повторяются. Можно сказать, что это многомерное применение простейшего шифра замены. Фактически шифр Гронсфельда очень похож на шифр Виженера, рассмотренный ниже.

Алгоритм шифрования ADFGX

Это самый известный шифр Первой мировой войны, используемый немцами. Свое имя шифр получил потому, что приводил все шифрограммы к чередованию этих букв. Выбор самих же букв был определен их удобством при передаче по телеграфным линиям. Каждая буква в шифре представляется двумя. Рассмотрим более интересную версию квадрата ADFGX, которая включает цифры и называется ADFGVX.

	A	D	F	G	V	X
A	J	Q	A	5	H	D
D	2	E	R	V	9	Z
F	8	Y	I	N	K	V
G	U	P	B	F	6	O
V	4	G	X	S	3	T
X	W	L	Q	7	C	0

Алгоритм составления квадрата ADFGX следующий:

1. Берем случайные n букв для обозначения столбцов и строк.
2. Строим матрицу N x N.
3. Вписываем в матрицу алфавит, цифры, знаки, случайным образом разбросанные по ячейкам.

Составим аналогичный квадрат для русского языка. Например, создадим квадрат АБВГД:

	А	Б	В	Г	Д
А	Е/Е	Н	Ь/Ъ	А	И/Й
Б	Ч	В/Ф	Г/К	З	Д
В	Ш/Щ	Б	Л	Х	Я
Г	Р	М	О	Ю	П
Д	Ж	Т	Ц	Ы	У

Данная матрица выглядит странно, так как ряд ячеек содержит по две буквы. Это допустимо, смысл послания при этом не теряется. Его легко можно восстановить. Зашифруем фразу «Компактный шифр» при помощи данной таблицы:

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Фраза

К

О

М

П

А

К

Т

Н

Ы

Й

Ш

И

Ф

Р

Шифр

бв

гв

гб

гд

аг

бв

дб

аб

дг

ад

ва

ад

бб

га

Таким образом, итоговое зашифрованное послание выглядит так: «бвгвгбгдагбвдбабдгвдваадббга». Разумеется, немцы проводили подобную строку еще через несколько шифров. И в итоге получалось очень устойчивое к взлому шифрованное послание.

Шифр Виженера

Данный шифр на порядок более устойчив к взлому, чем моноалфавитные, хотя представляет собой шифр простой замены текста. Однако благодаря устойчивому алгоритму долгое время считался невозможным для взлома. Первые его упоминания относятся к 16-му веку. Виженер (французский дипломат) ошибочно считается его изобретателем. Чтобы лучше разобраться, о чем идет речь, рассмотрим таблицу Виженера (квадрат Виженера, tabula recta) для русского языка.

Приступим к шифрованию фразы «Касперович смеется». Но, чтобы шифрование удалось, нужно ключевое слово — пусть им будет «пароль». Теперь начнем шифрование. Для этого запишем ключ столько раз, чтобы количество букв из него соответствовало количеству букв в шифруемой фразе, путем повтора ключа или обрезания:

Теперь по как по координатной плоскости, ищем ячейку, которая является пересечением пар букв, и получаем: К + П = Ъ, А + А = Б, С + Р = В и т. д.

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
Шифр:	Ъ	Б	В	Ю	С	Н	Ю	Г	Щ	Ж	Э	Й	Х	Ж	Г	А	Л

Получаем, что "касперович смеется" = "ъбвюснюгщж эйхжгал".

Взломать так сложно, потому что для работы частотного анализа необходимо знать длину ключевого слова. Поэтому взлом заключается в том, чтобы наугад бросать длину ключевого слова и пытаться взломать засекреченное послание.

Следует также упомянуть, что помимо абсолютно случайного ключа может быть использована совершенно разная таблица Виженера. В данном случае квадрат Виженера состоит из построчно записанного русского алфавита со смещением на единицу. Что отсылает нас к шифру ROT1. И точно так же, как и в шифре Цезаря, смещение может быть любым. Более того, порядок букв не должен быть алфавитным. В данном случае сама таблица может быть ключом, не зная которую невозможно будет прочесть сообщение, даже зная ключ.

Коды

Настоящие коды состоят из соответствий для каждого слова отдельного кода. Для работы с ними необходимы так называемые кодовые книги. Фактически это тот же словарь, только содержащий переводы слов в коды. Типичным и упрощенным примером кодов является таблица ASCII — международный шифр простых знаков.

Главным преимуществом кодов является то, что расшифровать их очень сложно. Частотный анализ почти не работает при их взломе. Слабость же кодов — это, собственно, сами книги. Во-первых, их подготовка — сложный и дорогостоящий процесс. Во-вторых, для врагов они превращаются в желанный объект и перехват даже части книги вынуждает менять все коды полностью.

В 20-м веке многие государства для передачи секретных данных использовали коды, меняя кодовую книгу по прошествии определенного периода. И они же активно охотились за книгами соседей и противников.

"Энигма"

Всем известно, что "Энигма" — это главная шифровальная машина нацистов во время II мировой войны. Строение "Энигмы" включает комбинацию электрических и механических схем. То, каким получится шифр, зависит от начальной конфигурации "Энигмы". В то же время "Энигма" автоматически меняет свою конфигурацию во время работы, шифруя одно сообщение несколькими способами на всем его протяжении.

В противовес самым простым шифрам "Энигма" давала триллионы возможных комбинаций, что делало взлом зашифрованной информации почти невозможным. В свою очередь, у нацистов на каждый день была заготовлена определенная комбинация, которую они использовали в конкретный день для передачи сообщений. Поэтому даже если "Энигма" попадала в руки противника, она никак не способствовала расшифровке сообщений без введения нужной конфигурации каждый день.

Взломать "Энигму" активно пытались в течение всей военной кампании Гитлера. В Англии в 1936 г. для этого построили один из первых вычислительных аппаратов (машина Тьюринга), ставший прообразом компьютеров в будущем. Его задачей было моделирование работы нескольких десятков "Энигм" одновременно и прогон через них перехваченных сообщений нацистов. Но даже машине Тьюринга лишь иногда удавалось взламывать сообщение.

Шифрование методом публичного ключа

Самый популярный из алгоритмов шифрования, который используется повсеместно в технике и компьютерных системах. Его суть заключается, как правило, в наличии двух ключей, один из которых передается публично, а второй является секретным (приватным). Открытый ключ используется для шифровки сообщения, а секретный — для дешифровки.

В роли открытого ключа чаще всего выступает очень большое число, у которого существует только два делителя, не считая единицы и самого числа. Вместе эти два делителя образуют секретный ключ.

Рассмотрим простой пример. Пусть публичным ключом будет 905. Его делителями являются числа 1, 5, 181 и 905. Тогда секретным ключом будет, например, число 5*181. Вы скажете слишком просто? А что если в роли публичного числа будет число с 60 знаками? Математически сложно вычислить делители большого числа.

В качестве более живого примера представьте, что вы снимаете деньги в банкомате. При считывании карточки личные данные зашифровываются определенным открытым ключом, а на стороне банка происходит расшифровка информации секретным ключом. И этот открытый ключ можно менять для каждой операции. А способов быстро найти делители ключа при его перехвате — нет.

Стойкость шрифта

Криптографическая стойкость алгоритма шифрования — это способность противостоять взлому. Данный параметр является самым важным для любого шифрования. Очевидно, что шифр простой замены, расшифровку которого осилит любое электронное устройство, является одним из самых нестойких.

На сегодняшний день не существует единых стандартов, по которым можно было бы оценить стойкость шифра. Это трудоемкий и долгий процесс. Однако есть ряд комиссий, которые изготовили стандарты в этой области. Например, минимальные требования к алгоритму шифрования Advanced Encryption Standart или AES, разработанные в NIST США.

Для справки: самым стойким шифром к взлому признан шифр Вернама. При этом его плюсом является то, что по своему алгоритму он является простейшим шифром.