Криптология в Древнем мире
Большинство современных исследователей связывают появление криптографии с появлением письменности, указывая, что эти процессы произошли почти одновременно. Некоторые системы шифрования дошли до нас из глубокой древности. Вероятнее всего, они появились одновременно с письменностью в 4 тысячелетии до нашей эры. Методы секретной переписки были изобретены независимо в различных государствах древнего Востока, таких как Египет, Китай и Шумер, хотя сегодня очень трудно судить об уровне развития криптологии в этих обществах. Клинопись, рисуночное и иероглифическое письмо само по себе было крайне сложно и требовало длительного обучения, так что вопрос о шифровании сообщений часто попросту не поднимался, так как круг грамотных лиц был весьма ограничен. Нельзя судить и о широте распространения различных криптографических систем и тайнописи, так как число дошедших до нас памятников очень невелико. Некоторые системы шифрования дошли до нас из глубокой древности. Вероятнее всего, они появились одновременно с письменностью в 4 тысячелетии до нашей эры. Методы секретной переписки были изобретены во многих древних обществах, таких как Египет, Шумер и Китай, но детальное состояние криптологии в них неизвестно. С развитием фонетического письма письменность резко упростилась. Что послужило стимулом для развития криптографии. Примеры шифровок можно найти даже в Библии. Тексты в ней шифровались простой заменой: вместо первой буквы алфавита писалась последняя, вместо второй — предпоследняя и так далее. 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.
Принципиально иной шифр был связан с перестановкой букв сообщения по определенному, известному отправителю и получателю правилу. Для прочтения шифровки нужно было знать не только систему засекречивания, но и обладать ключом в виде палочки, принятого диаметра. По описанию Плутарха, это специальное шифрующее устройство состояло из двух палок одинаковой длины и толщины. Одну оставляли себе, а другую отдавали отъезжающему. Эти палки называли скиталами. Вырезали длинную и узкую полоску папируса, наматывали ее на свою скиталу. Затем, оставляя папирус на скитале, 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.
Существовали и другие способы «механизации» криптографического дела, связанные прежде всего с именем древнегреческого полководца Энея Тактики. Он создал так называемый «диск Энея», получивший в Древней Греции широкое применение. В небольшом диске высверливались отверстия, соответствующие буквам алфавита, через которые продевалась нить, в соответствии с буквами шифруемого текста. Для расшифровки нить вытягивали, получая обратную последовательность букв. Этот крайне примитивный на первый взгляд способ шифрования, был весьма эффективен, так как противнику, перехватившему сообщение было неизвестно, какая буква соответствует каждому отверстию. Существовала также и «линейка Энея», использовавшая тот же принцип, что и диск. Значительным вкладом Энея стал и изобретенный им так называемый «книжный шифр», активно использовавшийся вплоть до ХХ века. В своем трактате «Об обороне укрепленных мест», Эней предлагал прокалывать малозаметные дырки над буквами текста какой-либо книги. Сложив вместе отмеченные буквы адресат получал исходное сообщение. Римляне усовершенствовали диск Энея, создав первую многодисковую шифрующую систему. На общую ось одевали два диска с хаотичным расположением букв. Каждой букве первого диска соответствовала буква второго, что и составляло шифр.
За два века до нашей эры греческий писатель и историк Полибий изобрел так называемый «полибианский квадрат» размером 5х5, заполненный алфавитом в случайном порядке. Для шифрования на квадрате находили букву текста и вставляли в шифровку нижнюю от нее в том же столбце. Если буква была в нижней строке, то брали верхнюю из того же столбца. Интересно отметить, что полибианский квадрат дожил до наших дней и лег в основу т.н. «тюремного шифра», используемого заключенными при перестукивании.
В I в до н. э. Гай Юлий Цезарь во время войны с галлами, переписываясь со своими друзьями в Риме, заменял в сообщении первую букву латинского алфавита (А) на четвертую (D), вторую (В) — на пятую (Е), наконец, последнюю — на третью.
Квадрат Полибия, шифр Цезаря входят в класс шифров, называемых «подстановка» или «простая замена». Это такой шифр, в котором каждой букве алфавита соответствует буква, цифра, символ или какая-нибудь комбинация.
Криптология в позднее средневековье и эпоху Возрождения
В эпоху позднего средневековья, с началом возрождения античного наследия и просвещения, криптография в Европе обретает «второе рождение», прежде всего в среде интеллектуальной элиты того времени. Многие ученые средневекового периода стремились скрыть сделанные ими изобретения и открытия. Развитие криптологии в позднее средневековье и раннее Новое время было напрямую связано с расцветом дипломатии. Неудивительно, что лидерство в области криптографии долгое время принадлежало папской курии, имевшей активные дипломатические связи и привлекавшей к своей работе образованнейших людей того времени. Так старейшим ключом в Западной Европе, дошедшим до нас, является ключ для корреспондентов антипапы Климентия VII, изготовленный его секретарем Габриэли Лавинде. Этот ключ является типичным примером номенклатора — криптографической системы, которая до середины XIX века доминировала в Европе. Номенклатор сочетал в себе шифралфавит и кодовые обозначения для отдельных слов или выражений.
Судя по всему, несмотря на упадок в средневековый период, к началу XV века криптология в Европе достигла значительных успехов и сравнялась, если не обогнала арабский уровень. Так в 1401 году в герцогстве Мантуя был создан первый, дошедший до нас шифр многозначной замены, причем по несколько обозначений имели лишь гласные буквы, что может свидетельствовать о знакомстве составителя шифра с методами криптоанализа, основанными на частоте встречающихся в тексте гласных букв.
Во многих европейских государствах, начиная с XVI века, появляется должность «секретаря по шифрам», единственным занятием которого, было создание шифров для «своих» дипломатических служб и расшифровка «чужих» сообщений. Уже в XV веке закладываются теоретические основы европейской криптологии. Знаменитый итальянский архитектор Леон Батиста Альберти может быть назван «отцом» европейской криптологии. Именно он в своем труде «Трактат о шифрах» впервые предложил шифр многоалфавитной замены, который делал сообщение практически невскрываемым. Этот тип шифра часто называют таблицей Винджера — английского дипломата XVI века, активно применявшего его на практике. Эта криптографическая система была крайне проста, удобна и практически неуязвима для ручного раскодирования, если не знать ключа. Леон Альберти может считаться выдающимся криптографом и потому, что создал первый в европейской истории научный труд по криптологии — «Трактат о шифрах» 1466 года, в котором не только приводились примеры возможных вариантов шифрования, но и обосновывалась целесообразность применения криптографии на практике, как наиболее дешевого и надежного инструмента защиты информации.
Другой, не менее выдающийся труд по криптографии принадлежит германскому аббату Иоганну Трисемусу, внесшему значительный вклад в развитие этой науки. В 1508 году он написал трактат «Полиграфия», где предложил улучшенный вариант «полибианского квадрата». Новшество заключалось в шифровании не каждой буквы, а биграмм — пар букв. Этот тип криптографических систем просуществовал до середины ХХ века, а наиболее широкое применение получил в английской армии в годы Первой мировой войны. Однако несмотря на свою эффективность, эта криптографическая система не получила в то время широкое распространение и была применена лишь в XIX веке.
Общеевропейскую известность в начале XVI века приобрел венецианский криптоаналитик Джованни Соро, которого многие считают одним из самых успешных криптоаналитиков за всю историю. Он был автором трактата по криптоанализу, заложившего основу дальнейшего развития криптоанализа в Европе. Этот трактат не дошел до нас, но известно, что на протяжении всего XVI века он был «настольной книгой» криптоаналитиков Европы. Соро проработал на своем посту более 40 лет и к концу жизни сумел подготовить несколько учеников, продолживших его дело, он стал первым, кто начал готовить профессиональные кадры для криптографии, так как специальных учебных заведений, где обучали бы криптографической деятельности, в то время не существовало.
XVII век вошел в историю криптоанализа как эра «черных кабинетов», так как в это время начали появляться первые службы дешифровки корреспонденции. Вообще же в XVI–XVII веке криптографические службы складываются практически в каждом европейском государстве, причем в состав этих служб входила научная элита того времени: Франсуа Виет во Франции, Джероламо Кардано в Риме, Джон Валлис и Френсис Бекон в Англии, Лейбниц в Германии. В конце XVII века Френсису Бекону английскому криптологу и мыслителю удалось обобщить все накопленные до него знания в области криптологии и окончательно выделить эту область знаний как самостоятельную научную дисциплину. Именно он впервые предложил и осуществил на практике кодирование букв латинского алфавита с помощью двузначных цифр, и сделать систему числовых обозначений общепринятой (несмотря на то, что арабы использовали подобную систему более пяти веков назад, в Европе об этом практически ничего не знали). В целом же, к концу XVII века криптография окончательно складывается как научная дисциплина.
«Открытая» криптография
Основы криптографии с открытыми ключами были выдвинуты Уитфилдом Диффи и Мартином Хеллманом, и независимо Ральфом Мерклом. Их вкладом в криптографию было убеждение, что ключи можно использовать парами — ключ шифрования и ключ дешифрирования — и что может быть невозможно получить один ключ из другого. Диффи и Хеллман впервые представили эту идею на Национальной компьютерной конференции 1976 г., через несколько месяцев была опубликована их основополагающая работа "Новые направления в криптографии". Первая работа Меркла вышла в 1978 г. С 1976 года было предложено множество криптографических алгоритмов с открытыми ключами. В схеме с открытым ключом имеется два ключа, открытый и секретный, выбранные таким образом, что их последовательное применение к массиву данных оставляет этот массив без изменений. Шифрующая процедура использует открытый ключ, дешифрующая — секретный. Дешифрование кода без знания секретного ключа практически неосуществимо; в частности, практически неразрешима задача вычисления секретного ключа по известному открытому ключу. Основное преимущество криптографии с открытым ключом — упрощенный механизм обмена ключами. При осуществлении коммуникации по каналу связи передается только открытый ключ, что делает возможным использование для этой цели обычного канала и устраняет потребность в специальном защищенном канале для передачи ключа.
В 1978 г. Р.Ривест, А.Шамир и Л.Адлеман создали первую криптосистему с открытым ключом для шифрования и цифровой подписи, получившую название RSA (по первым буквам фамилий авторов). Система описывается в терминах элементарной теории чисел. Ее надежность обуславливается практической неразрешимостью задачи разложения большого натурального числа на простые множители. Система выдержала испытание практикой и является признанным стандартом в промышленной криптографии, а также официальным стандартом ряда международных организаций. С другой стороны, свободное распространение программного обеспечения, основанного на RSA, ограничено тем, что алгоритм RSA защищен в США рядом патентов.
В 1991 г. в США был опубликован проект федерального стандарта цифровой подписи — DSS (Digital Signature Standard), описывающий систему цифровой подписи DSA (Digital Signature Algorithm). Одним из основных критериев при создании проекта была его патентная чистота.
Все действующие сейчас системы опираются на один из следующих трех типов необратимых преобразований: разложение больших чисел на простые множители (RSA); вычисление логарифма в конечном поле (криптосистема Эль-Гамаля); вычисление корней алгебраических уравнений (на основе эллиптических уравнений). Криптосистемы с открытым ключом можно использовать в трех назначениях:
Как самостоятельные средства защиты передаваемых и хранимых данных.
Как средства для распределения ключей.
Средства аутентификации пользователей.
Стойкость криптосистемы сегодня оценивается объемами вычислений, которые требуются для ее вскрытия. Считается, что ключ шифрования достаточно стоек, если все известные способы его отыскать настолько сложны, что требуют больше времени, чем простой перебор всех возможных ключей.
Все мы сегодня, иногда даже не подозревая об этом, применяем средства защиты информации. Мы шифруем сообщения электронной почты, пользуемся интеллектуальными банковскими карточками, ведем разговоры по закрытым каналам связи и т. д.
Литература:
- Криптография с открытым ключом: от теории к стандарту http://www.straipsniai.lt/ru/Cryptography/page/8154 (19.10.10.)
- Криптология: точки соприкосновения математики и языкознания http://revolution.allbest.ru/miscellaneous/d00011344.html (18.10.10.)
- Публикации статьи М.Хеллмана и У.Диффи "Новые направления в криптографии" http://www.securitylab.ru/informer/240713.php (19.10.10.)
- Криптология в России http://www.chhm.net/index.php?articles=13 (19.10.10)
- Становление науки криптологии http://www.chhm.net/index.php?articles=11 (18.10.10)
- История криптологии http://lomasko.com/load/3-1-0-13 (19.10.10.)
- История криптографии. Истоки http://www.technofresh.ru/technology/appearance/cryptography-1.html (19.10.10.)
- Интервью с руководителем российской криптографической науки, вице-президентом Академии криптографии РФ Николаем Николаевичем Андреевым. http://www.ssl.stu.neva.ru/psw/crypto/Andreev23.html (19.10.10.)
- Криптография, ее истоки и место в современном обществе http://www.enlight.ru/ib/tech/crypto/index.htm (19.10.10.)
