Секретность на продажу

Секретность на продажу

Ранним декабрьским утром 1917 г. симпатичный молодой человек стремительно промчался между массивными колоннами вестибюля здания компании «Америкэн телефон энд телеграф» («AT&T»), расположенного в деловой части Нью-Йорка. Он вбежал в лифт и поднялся на нем на 17-й этаж, где находилось телеграфное отделение компании, входившее в состав ее научно-исследовательского отдела. Это отделение, в котором работали несколько самых талантливых инженеров, уже год занималось доведением до ума новейшего достижения в области телеграфии – буквопечатающего телеграфного аппарата, который в отделении нарекли телетайпом.

Молодого человека звали Гильберт Вернам, и он всегда немного опаздывал. Коллеги считали Вернама весьма толковым инженером и способным изобретателем. Среди них ходили слухи о том, что каждый вечер, растягиваясь на диване, он спрашивал сам себя вслух: «Что бы такое еще изобрести?» У Вернама был редкий склад ума, который позволял ему придумывать оригинальную электрическую цепь и затем переносить ее на чертежный холст, не воспроизводя все требуемые соединения с помощью проводов. Вернам очень хорошо зарекомендовал себя на работе, поэтому начальник телеграфного отделения компании «AT&T» Паркер без колебаний пригласил его принять участие в разработке особо секретного проекта. И хотя в это декабрьское утро Вернам опять опоздал, в его голове уже успела созреть прекрасная идея. Тихий и скромный по натуре, Вернам довольно несмело изложил свою идею коллегам, которые сразу же сочли ее заслуживающей особого внимания.

Работа над секретным проектом началась еще летом, несколько месяцев спустя после того, как Соединенные Штаты объявили войну Германии. Паркер поручил нескольким своим подчиненным исследовать вопрос о возможности сохранять в тайне сообщения, передаваемые по телетайпу. Оказалось, что колебания тока в линии связи могли быть записаны с помощью осциллографа и затем легко преобразованы в буквы передаваемого сообщения. Поэтому было решено внести изменения в соединения проводов печатающего механизма телетайпа. В результате текст сообщения шифровался методом одноалфавитной замены. В телеграфном отделении понимали, что такая защита являлась слишком слабой, однако ничего другого придумать не смогли и перестали заниматься этой проблемой до тех самых пор, пока Вернам не поведал им о своей идее.

Вернам предложил использовать особенности телетайпного кода, в котором кодируемый знак выражается в виде пяти элементов. Каждый из этих элементов символизирует наличие («плюс») или отсутствие («минус») электрического тока в линии связи. Таким образом, имеются 32 различных комбинации «плюсов» и «минусов». 26 из них ставятся в соответствие буквам, а оставшиеся 6 обозначают «служебные комбинации» (пробел между словами, переход с букв на цифры и знаки препинания, обратный переход с цифр и знаков препинания на буквы, возврат каретки печатающего устройства, переход на новую строку и холостой ход). Например, буква «А» выражается комбинацией «+ + – – -», букве «N» соответствует «– – + + -», а переход на цифры и знаки препинания задается через «+ + – + +». Закодированное сообщение набивается на перфоленте: «плюсы» представляются отверстиями, а «минусы» – их отсутствием. При считывании перфоленты металлические щупы проходят через отверстия, замыкают электрическую цепь и посылают импульсы тока по проводам. А там, где на перфоленте находится «минус», бумага не позволяет этим щупам замкнуть цепь, и в результате токовый импульс не передается.

Вернам предложил готовить перфоленту со случайными знаками (так называемую «гамму») заранее и затем электромеханически складывать ее импульсы с импульсами знаков открытого текста. Полученная сумма представляла собой шифртекст, предназначенный для передачи по линии связи. Вернам установил следующее правило суммирования: если сразу оба импульса являются «плюсами» или «минусами», то итоговый импульс будет «минусом», а если эти импульсы различны, то в результате получится «плюс».

Чтобы при шифровании суммировать импульсы электрически, Вернам сконструировал специальное устройство, состоящее из магнитов, реле и токосъемных пластин. А поскольку процедура расшифрования была совершенно аналогична процедуре зашифрования, это же самое устройство могло быть использовано и при расшифровании. Импульсы поступали в устройство суммирования с двух считывателей: один считывал «гамму», а другой – открытый текст. Получающиеся на выходе «плюсы» и «минусы» можно было передавать подобно обычному телетайпному сообщению. На приемном конце устройство, изобретенное Вернамом, прибавляло импульсы, которые считывались с идентичной ленты с «гаммой», и восстанавливало исходные импульсы открытого текста.

Вся прелесть изобретения Вернама заключалась в том, что больше не требовалось осуществлять зашифрование и расшифрование секретных сообщений в виде отдельных операций. Открытый текст входил в аппарат, находившийся у отправителя сообщения, и точно такой же открытый текст выходил из аппарата, принадлежавшего получателю этого сообщения. А если кто-либо перехватывал это сообщение по пути следования от отправителя к получателю, то в его распоряжении оказывалась ничего не значащая последовательность «плюсов» и «минусов». Теперь, чтобы зашифровать, передать, принять и расшифровать сообщение, требовалось приложить не намного больше усилий, чем при отправке сообщения открытым текстом. Основное преимущество изобретенного Вернамом метода засекречивания сообщений заключалось не в механическом шифровании открытого текста с последующей печатью результата на бумаге, что было осуществлено еще в начале 70-х годов XIX века французами Эмилем Винеем и Жозефом Госсеном. Вернам сумел слить воедино два процесса – шифрование и передачу сообщения. Он создал то, что впоследствии назвали линейным шифрованием, чтобы отличать его от ставшего традиционным предварительного шифрования. Вернам освободил процесс шифрования от оков времени и ошибок, исключив из этого процесса человека. Выдающийся вклад, внесенный Вернамом в практику шифрования, заключается именно в том, что он привнес в шифровальное дело автоматизацию, уже успевшую к тому времени сослужить людям огромную службу во многих областях их деятельности.

Вокруг идеи, высказанной Вернамом в кругу коллег, моментально развернулась кипучая деятельность. Сначала Вернама заставили изложить эту идею в краткой записке, датированной 17 декабря. Компания «AT&T» уведомила об изобретении Вернама американское военно-морское ведомство, с которым она поддерживала тесное сотрудничество. 18 февраля 1918 г. состоялось совещание, в котором приняли участие Паркер, Вернам и другие инженеры из телеграфного отделения компании «AT&T», с одной стороны, и военные моряки, с другой.

27 марта эти же инженеры встретились со своими коллегами из американской компании «Вестерн электрик», производственного филиала «AT&T», и договорились с ними об изготовлении первых двух линейных шифраторов с использованием как можно большего количества стандартных деталей. В лаборатории «Вестерн электрик» они подсоединили изготовленные шифраторы к телетайпам и осуществили первые испытания процесса, который назвали «автоматическим шифрованием». Все устройства, вовлеченные в него, работали превосходно. Компания «AT&T» проинформировала об этом факте майора Джозефа Моборна, который занимал тогда пост начальника отдела научно-исследовательских и конструкторских разработок войск связи США.

Нерешенным оставался всего один вопрос – откуда брать «гамму». В первые дни «гамма» для устройства Вернама представляла собой склеенные петлей короткие перфоленты, на которые были набиты знаки, извлеченные наугад из различных открытых текстов. Инженеры компании «AT&T» почти сразу обратили внимание на существенные изъяны такого процесса «автоматического шифрования», связанные с недостаточной длиной «гаммы». Поэтому, чтобы затруднить криптоанализ, они сделали перфоленты с «гаммой» более длинными. Но тогда с этими перфолентами стало слишком трудно обращаться.

Вернам предложил суммировать две короткие, имеющие различную длину «гаммы» таким образом, как будто бы одна «гамма» шифровала другую. Получающаяся в результате так называемая вторичная «гамма», имевшая значительно большую длину, чем две исходные, первичные «гаммы», которые были использованы для ее генерации, применялась для зашифрования открытого текста. Например, если одна закольцованная лента имела 1000 знаков, а другая 999, то данное различие в длинах всего в один знак давало 999000 комбинаций, прежде чем результирующая последовательность повторялась.

Однако Моборн понимал, что даже усовершенствованная система Вернама весьма уязвима для криптоанализа. В свои 36 лет будущий начальник войск связи США Моборн был незаурядным криптоаналитиком. Он основательно изучил криптоанализ в армейской школе связи и был хорошо знаком с последними достижениями в этой области. Более того, за несколько лет до описываемых событий Моборн сам принимал участие в одной научно-исследовательской работе, в ходе которой специалисты из армейской школы связи сделали вывод о том, что единственной стойкой «гаммой» является такая, которая сравнима по длине с самим шифруемым сообщением. Любое повторение в «гамме» подвергает огромному риску полученные с ее помощью криптограммы и, скорее всего, приведет к их вскрытию. Проведенный Моборном анализ системы «автоматического шифрования» еще более убедил его в этом. Он понял, что не имеет никакого значения, находятся ли повторения в пределах одной криптограммы или они распределены по нескольким, получаются ли они путем комбинирования двух первичных «гамм» или в результате простого повторения в единой длинной «гамме». Важно то, что в «гамме» повторений не должно быть ни при каких условиях. Необходимо, чтобы она была совершенно уникальна и предельно хаотична.

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.

Шифрдиск представляет собой толстую круглую пластину, изготовленную из изоляционного материала (например, из твердой резины). С обеих сторон шифрдиска по окружности на равном расстоянии друг от друга закреплены по 26 электрических контактов (чаще всего они делались из латуни). Каждый контакт соединяется перепайкой с каким-либо другим контактом на противоположной поверхности шифрдиска. Таким образом, образуется электрическая цепь, которая начинается на одной стороне шифрдиска и заканчивается на другой.

Если условиться, что контакты на одной (входной) поверхности представляют буквы открытого текста, а контакты на другой (выходной) поверхности – буквы шифртекста, то проволочные перепайки между входной и выходной поверхностью обеспечивают преобразование открытого текста в криптограмму. Для зашифрования буквы открытого текста нужно только подать импульс тока на входной контакт, соответствующий этой букве. Ток пройдет по соединительному проводнику и появится на выходном контакте, представляющем букву шифртекста. Если записать все перепайки диска, зафиксировав соединения между входной и выходной поверхностью, то получится шифр одноалфавитной замены. Таким образом, шифрдиск воплощает процесс шифрования в форме, удобной для электромеханических манипуляций.

Для выполнения этих манипуляций шифрдиск устанавливается между двумя неподвижными круглыми пластинами, каждая из которых также изготовлена из изоляционного материала и снабжена 26 контактами, которые закреплены по кругу и соответствуют контактам, имеющимся на шифрдиске. Контакты входной пластины соединены с клавишами пишущей машинки, на которой набивается открытый текст. А каждый контакт выходной пластины связан с каким-либо устройством, предназначенным для вывода шифртекста (например, с сигнальной лампочкой). В результате, например, когда шифровальщик нажимает на клавишу «А» на пишущей машинке, он посылает токовый импульс от источника тока на контакт неподвижной входной пластины, закрепленный за буквой «А». Затем этот импульс попадает на входной контакт шифрдиска, соответствующий «А», и далее через перепайку проходит на выходной контакт, а с него – на лампочку, которая загорается над буквой шифртекста (пусть это будет буква «R»), которая ставится в соответствие букве «А».

Если бы все на этом и заканчивалось, то шифрдиск не был бы таким замечательным устройством. Тогда каждый раз при нажатии на клавишу «А» ток протекал бы по одной и той же электрической цепи и в итоге указывал бы на одну и ту же букву шифртекста.

Но все дело в том, что шифрдиск не остается неподвижным. Он вращается. Предположим, что он повернулся на одну позицию. Ток, который раньше, покидая контакт «А» входной пластины, попадал на контакт «R» выходной пластины, теперь преобразуется в совершенно другую букву, так как новый контакт шифрдиска с перепайкой, отличной от прежней, теперь встал против контакта «А» входной пластины. Подобным же образом всем другим буквам открытого текста ставятся в соответствие иные буквы шифртекста. Получается новый шифралфавит, причем каждый раз, когда шифрдиск поворачивается, используется другой шифралфавит. Можно выписать все эти шифралфавиты в виде таблицы из 26 строк и такого же количества столбцов. Если шифровальная машина сконструирована так, что шифрдиск поворачивается ровно на одну позицию каждый раз, когда зашифровывается какая-либо буква открытого текста, то итоговый результат будет таким же, как и при циклическом использовании этой таблицы строка за строкой сверху вниз. Получится не что иное, как шифр многоалфавитной замены с периодом 26.

Такая машина по-прежнему не оправдывает возлагаемых на нее надежд, поскольку реализуемый с ее помощью процесс шифрования слишком нестоек. Однако, если вместо неподвижной выходной пластины установить рядом с первым диском второй и заставить его перемешаться на одну позицию всякий раз, когда первый диск совершает полный оборот, то это позволит существенно усовершенствовать процесс шифрования. За счет поворота второго шифрдиска создается новый шифралфавит – 27-й по счету. И каждый новый вариант расположения этих двух шифрдисков между неподвижными пластинами будет приводить к созданию нового шифралфавита. Следовательно, двухдисковая шифровальная машина реализует многоалфавитную замену со значительно большим периодом, чем однодисковая. Теперь он равняется 676.

Добавление третьего диска приводит к тому, что это число умножается на 26, так как все три диска возвращаются в свое исходное положение только через 17576 последовательных тактов зашифрования. При четырех и пяти дисках периоды равны 456976 и 11881376 соответственно.

Получается, что каждая буква открытого текста зашифровывается при помощи различных шифралфавитов. В этом и заключается сила дисковой системы: применение дополнительных дисков быстро доводит число шифралфавитов до таких астрономических величин, что количественные различия перерастают в качественные. Теперь можно создать свой шифралфавит для каждой буквы открытого текста, длина которого намного превосходит полное собрание сочинений Шекспира, «Войну и мир» Толстого, «Илиаду» Гомера, «Дон-Кихота» Сервантеса и «Кентерберийские рассказы» Чосера, вместе взятые.

Подобная длина сводит на нет всякую практическую возможность непосредственного вскрытия шифрсистемы на основе частоты встречаемости букв. Для такого вскрытия требуется примерно 50 букв на каждый шифралфавит, а это означает, что все пять дисков должны по 50 раз совершить свой полный оборот. Никакой криптоаналитик не может всерьез рассчитывать на то, чтобы стать обладателем такого трофея, даже если он сделает это делом всей своей жизни. Те же дипломаты, которые бывают не менее красноречивыми, чем политические деятели, редко поднимаются до подобных высот словоохотливости. Что уж тут говорить о военных и о шпионах, которые издавна славятся своей способностью держать язык за зубами и не тратят слов попусту.

Поэтому при вскрытии дисковых шифраторов криптоаналитик должен опираться на особые случаи, например, на получение открытого текста в полном объеме. Заполучить его криптоаналитик может несколькими путями. Случается, что для шифрования двух и более сообщении применяется одна и та же начальная установка шифрдисков или что эти установки очень близки одна к другой и последовательность шифралфавитов перекрывается на нескольких сообщениях. Иногда двум криптограммам соответствует один и тот же открытый текст (так бывает при рассылке идентичных приказов по нескольким подразделениям). Время от времени открытый текст становится известным в результате ошибок шифровальщика или опубликования дипломатических нот. На практике подобные ситуации встречаются довольно часто, что позволяет криптоаналитику использовать их с наибольшей выгодой для себя.

При вскрытии дисковых шифраторов криптоаналитики обычно применяют методы высшей математики, которые очень хорошо подходят для работы со многими неизвестными, связанными с шифрдисками. В основном этими неизвестными являются перепайки в каждом шифрдиске. Криптоаналитик математически разграничивает их, измеряя сдвиг между входными и выходными контактами. Например, перепайка со входного контакта 3 на выходной контакт 10 означает сдвиг, равный 7. Подобным же образом всем буквам придаются числовые значения, чаще всего «А» = 0, «В» = 1… «Z» = 25. Используя числовые значения известного или предполагаемого открытого текста, криптоаналитик составляет уравнения, в которых сдвиги в нескольких дисках являются неизвестными величинами, и затем решает эти уравнения.

Таковы основные принципы вскрытия дисковых шифраторов. Но их применение на практике обрекает криптоаналитика на самые жестокие испытания интеллекта среди известных человеку. Количество уравнений и неизвестных, кажется, превышает число песчинок в пустыне, а сами уравнения сложны и запутанны подобно гордиеву узлу. Отчасти эта сложность проистекает из необходимости указать все сдвиги по отношению к неподвижной входной и выходной пластине. С другой стороны, это связано с тем, что один сдвиг вычисляется через несколько других. Сдвиг на 3-м шифрдиске может быть известен только как сумма сдвигов на 1-ми 4-м шифрдисках, а сдвиг на 4-м шифрдиске может, в свою очередь, равняться сумме сдвигов на 2-м и 5-м шифрдисках. Таким образом, одно неизвестное может быть выражено через четыре или пять величин. Математическая теория групп очень подходит для решения уравнений такого типа, но она также очень подвержена ошибкам. В результате любое ложное предположение разрастается по древообразным ветвям этих уравнений, как злокачественная опухоль.

Характер сдвигов, восстановленных криптоаналитиком, может оказаться правильным только в относительном смысле, и потребуется дополнительно найти перестановку, с помощью которой можно будет получить абсолютно точные значения этих сдвигов. Кроме того, шифровальщики противника редко делают одолжение, устанавливая шифрдиски в одинаковые первоначальные положения при шифровании всех своих сообщений. Вскрытие также очень сильно затрудняется использованием устройств, которые обеспечивают неравномерное движение шифрдисков. Сам шифровальщик может внести дополнительные поправки, просто переставив шифрдиски. Короче говоря, дисковая шифрсистема создает исключительно сложный и стойкий шифр, составленный из достаточно простых элементов. Кем же были изобретатели этого своеобразного криптографического лабиринта?

Американец Эдвард Хеберн посвятил дисковым шифраторам лучшие порывы своего таланта. Он родился 23 апреля 1869 г. в городе Стриторе в штате Иллинойс. В 19 лет Хеберн отправился на Запад и там долгое время плотничал, строил и продавал деревянные дома. Он был голубоглазым шатеном среднего роста и телосложения. Хеберн носил усы, слыл спокойным, добрым и уравновешенным человеком и очень много читал. Вскоре после того, как ему исполнилось 40 лет, Хеберн неожиданно проявил большой интерес к криптографии.

С 1912-го по 1915 г. Хеберн подал несколько патентных заявок на различные шифровальные устройства. Например, он создал шифрсистему, в которую входили две электрические пишущие машинки, соединенные между собой 26 проводами. Когда нажималась какая-либо клавиша на одной машинке, это приводило к тому, что на другой печаталась буква шифртекста. Так как провода оставались подсоединенными к одним и тем же контактам на протяжении всего периода времени, в течение которого набирался открытый текст, то шифрование осуществлялось методом одноалфавитной замены. Несмотря на слабость применяемого метода шифрования, изобретение Хеберна было весьма примечательно тем, что преобразование открытого текста в криптограмму выполнялось при помощи токовых импульсов, посылаемых по электрическим проводам. Взаимные соединения этих проводов представляли собой прообраз шифрдиска. К 1917 г. идея создания дискового шифратора окончательно созрела в голове американского изобретателя. В том же году Хеберн сумел воплотить эту идею в виде подробных чертежей, а еще через год – в виде реального аппарата.

В начале 1921 г. Хеберн прибыл в Вашингтон, связался с представителями службы связи американских ВМС и продемонстрировал им собственное изобретение, одновременно направив свою первую заявку на шифрдиск в вашингтонское патентное бюро. «У нас долгое время безуспешно пытались, – вспоминал позднее тогдашний начальник службы связи ВМС США, – внести радикальные изменения в систему обеспечения секретности военных коммуникаций. И вот появился г-н Хеберн с Западного побережья и принес нам свою машину. Мы были восхищены, когда он продемонстрировал, что она может делать, и сразу же пожелали заказать несколько таких машин для нужд всего нашего флота».

В 1921 г. Хеберн основал фирму «Хеберн электрик код», которая стала самым первым производителем дисковых шифраторов в США. Получив необходимую поддержку от ВМС, а также полагая (вполне справедливо), что его изобретение является шифрующим устройством будущего, он стал активно продавать акции своей фирмы, чтобы собрать необходимый капитал. Поскольку «Хеберн электрик код» владела десятками патентов по всему миру (среди них был не только патент на дисковый шифратор, но и патенты на многие другие передовые для своего времени устройства, такие, как электрические пишущие машинки и указатели направления движения для автомашин), Хеберн без труда продал акции своей фирмы на астрономическую по тем временам сумму примерно в 1 миллион долларов.

В 1922 г. на деньги, вырученные от продажи акций, Хеберн приобрел механические мастерские, чтобы наладить в них производство штампов, литейных форм и шаблонов для дисковых шифраторов. Выступая перед сотрудниками своей фирмы, Хеберн заявил: «Мы очень близки к большому финансовому успеху благодаря нашим изобретениям в области шифровальных машин, и поэтому необходимо подготовиться к тому, чтобы заняться этим бизнесом на постоянной основе». 21 сентября паровая землеройная машина, которой управлял сам Хеберн, начала земляные работы на участке, отведенном под трехэтажное здание в неоготическом стиле. Согласно планам Хеберна, под крышей этого здания должны были со временем разместиться полировочный, инструментальный и сборочный цехи, а также ряд других производств, необходимых, чтобы наладить массовый выпуск дисковых шифраторов.

Пока шло строительство, Хеберн продолжал бойко торговать акциями своей фирмы, убеждая потенциальных покупателей, что их капитал имеет такой же шанс на успех, как и первоначальный капитал, вложенный в телефон, радио и другие великие изобретения человечества. Он завалил держателей акций «Хеберн электрик код» радужными отчетами и держал двери своей канцелярии открытыми до 9 часов вечера каждый божий день, включая воскресенья, чтобы желающие могли воочию ознакомиться с его удивительным изобретением. Собственное творение вызвало у самого Хеберна такой восторг, что он даже написал целую оду в честь дискового шифратора:

На Западе появилось удивительное изобретение.

Это триумф многолетнего, неустанного, терпеливого труда

Решена многовековая, сложнейшая проблема.

Создан изумительный, совершенный шифр…

Его достоинства столь очевидны, что ни одно государство в мире

Не может его игнорировать.

Он – результат глубоких исследований, продиктованных необходимостью.

Теперь «Хеберн электрик код» властвует над всеми шифрами.

Рыцарь радио, страж сокровищ,

Мозг нации, гарант полной безопасности,

Сердце корабля, хранитель жизней

В борьбе грубой силы против интеллекта…

Непостижимая, хитроумнейшая загадка для науки,

Настолько глубокая, что берегитесь, коварные предатели!

Вокруг вас расставлена невидимая гениальная западня.

Мировая война продемонстрировала его крайнюю необходимость,

Ученые всех государств участвовали в жестоком состязании.

Лучшие умы человечества стремились добиться успеха.

И сейчас в центре мирового внимания – американское изобретение.

В ВМС США справедливо решили, что лучше полагаться не на результаты поэтических упражнений Хеберна, а на мнение своих квалифицированных экспертов-криптологов. Именно из них в 1923 г. была создана авторитетная комиссия для рассмотрения дискового шифратора Хеберна. После недолгих размышлений эта комиссия единогласно порекомендовала принять машину на вооружение, но только после ее усовершенствования.

К концу 1923 г. было, наконец, закончено строительство грандиозного предприятия по производству дисковых шифраторов. Его стоимость перевалила за отметку 380 тысяч долларов, что в полтора раза превысило первоначальную смету. Доходы «Хеберн электрик код» оказались значительно ниже расходов на строительство, и весной 1924 г. фирма не смогла рассчитаться по своим долговым обязательствам. В ходе последовавшей реорганизации Хеберн был снят с поста президента. 30 апреля состоялось собрание обозленных акционеров, которые потребовали привлечь Хеберна к уголовной ответственности за то, что он торговал акциями своей фирмы по 3-5 долларов за штуку вместо установленной американским законом цены в 1 доллар.

Расследование продолжалось с 1924-го по 1926 г. За это время ВМС США заказали в «Хеберн электрик код» два дисковых шифратора, заплатив за них по 600 долларов за каждый, а армия перечислила Хеберну 1000 долларов еще за два шифратора. Крупная судоходная компания «Пасифик стимшип» купила семь дисковых шифраторов Хеберна по цене 120 долларов за каждый (такие отличия в цене объяснялись разным количеством шифрдисков в машинах, выставленных на продажу) для использования на пароходах и в филиалах этой компании. Наконец, итальянское правительство приобрело для своих нужд еще один дисковый шифратор производства «Хеберн электрик код».

Тем временем давление со стороны держателей акций все нарастало. Они жаловались на недостаточные объемы продаж, регулярно проводили митинги протеста против неправильной, по их мнению, политики руководства фирмы. В конце концов 1 марта 1926 г. в суде высшей инстанции началось слушание дела Хеберна по обвинению в нарушении закона штата Калифорния о корпоративных ценных бумагах. После четырехдневного разбирательства суд удалился на совещание. Вернувшись через 12 минут, судьи признали Хеберна виновным. И хотя исполнение приговора было отложено, все эти события свели к нулю всякие шансы привлечь в «Хеберн электрик код» дополнительный капитал, чтобы расквитаться с долгами и продолжить производство дисковых шифраторов. Через три месяца фирма обанкротилась.

Но Хеберн не желал сидеть сложа руки. Связывая свои надежды с ВМС, он учредил в штате Невада новую фирму под названием «Интернэшнл код машин». В 1928 г. ее дела пошли на лад, когда ей удалось продать американским ВМС четыре пятидисковых шифратора по 750 долларов за штуку и получить еще по 20 долларов за каждый шифрдиск к ним. Хеберн с несколькими своими сотрудниками сумел изготовить эти машины практически вручную и затем лично доставил их в штаб 12-го военно-морского округа в Сан-Франциско. Одна машина осталась там, а остальные были разосланы в военно-морское министерство и главнокомандующему флотом США. В ВМС в первую очередь хотели на практике убедиться именно в их механической надежности, а не в криптографической стойкости, которая тогда считалась вполне удовлетворительной. С 1929-го по 1930 г. эти машины обеспечивали секретность значительной части официальной переписки высшего командования американских ВМС. Дела Хеберна пошли еще успешнее в 1931 г.: ВМС купили у него 31 дисковый шифратор на общую сумму 54480 долларов для повседневного использования в качестве шифрсистемы командования высшего звена.

Однако, когда в 1934 г. Хеберн предложил ВМС приобрести новый, усовершенствованный вариант своей шифровальной машины, в ответ он совершенно неожиданно получил очень резкое письмо с категорическим отказом. Поскольку других заказчиков у Хеберна практически не было, этот отказ заставил Хеберна прекратить деятельность на поприще производства шифровальной техники. И хотя купленные у Хеберна дисковые шифраторы не были сняты с эксплуатации после разрыва отношений с ним, вскоре в результате интенсивной работы они износились и в 1936 г. были заменены на новые, произведенные другой американской фирмой. Интересно отметить, что эти машины были затем отремонтированы и установлены на береговых станциях, где продолжали использоваться вплоть до 1942 г. А две из них даже были захвачены японцами в качестве военных трофеев.

Последние годы своей жизни Хеберн прожил на доходы от собственности, оставленной сестрой его жены. Убежденный, что вооруженные силы воспользовались его основными идеями, не уплатив ему за это соответствующую компенсацию, в 1947 г. Хеберн предъявил всем трем видам вооруженных сил США иск на общую сумму 50 миллионов долларов. В течение последовавшего за этим шестилетнего периода бюрократической волокиты Хеберн умер. Ему было 82 года, когда 10 февраля 1952 г., пытаясь поднять слишком тяжелый ящик, он умер от сердечного приступа.

В начале 1953 г. армия, ВМС и ВВС США отвергли иск Хеберна. Через несколько месяцев его наследники вновь предъявили американскому правительству иск на сумму 50 миллионов долларов. Пользуясь мелкими юридическими зацепками, исковый суд США ограничил время возмещения ущерба периодом с 1947-го по 1953 г., а нарушение прав истца было сведено к очень узкому вопросу о незаконном использовании одного специального устройства для управления движением шифрдисков. Был проигнорирован основной вопрос о том, действительно ли вооруженные силы США позаимствовали у Хеберна основные принципы работы дискового шифратора и потом использовали эти принципы в сотнях тысяч стойких шифровальных машин во время Второй мировой войны без справедливой компенсации автору, который их изобрел.

Опираясь на букву закона, американское правительство изо всех сил стремилось не заплатить Хеберну и его наследникам ни цента. В 1958 г. оно, в конце концов, согласилось отдать им какие-то жалкие крохи – 30 тысяч долларов. И то отнюдь не из чувства справедливости, а поскольку опасалось, что, отстаивая свои права в суде, ему придется раскрыть некоторые свои секреты. А Хеберн явно заслуживал лучшего, и его история – трагическая, полная несправедливости – не делает чести его родной стране.

Днем рождения самого известного дискового шифратора в истории криптографии можно считать вторник 7 октября 1919 г., когда немецкий изобретатель Хуго Кох получил патент на свою «секретную пишущую машинку». Коху было тогда 49 лет. Он очень увлекался конструированием различных диковинных приспособлений и справедливо полагал, что его новое изобретение из области криптографии будет иметь коммерческий успех. Кох указал в своем патенте, что лучи света, воздух, вода или масло, протекающие по трубкам, могут переносить шифрующий импульс так же хорошо, как и электричество, передаваемое по проводам. Он также отметил, что этот импульс необязательно должен двигаться через диск, а может проходить, например, по трубкам, просверленным в болванках, скользящих между неподвижными пластинами. Кох отдавал предпочтение дисковому механизму, но не создал шифровальной машины в какой-либо из предложенных им в патенте форм. В 1922 г. Кох тяжело заболел и, предчувствуя скорую кончину, передал все права на свои патенты другому немецкому изобретателю. Через год Коха не стало.

Немецким изобретателем, унаследовавшим патентные права Коха, стал Артур Шербиус – толковый инженер, имевший степень доктора наук и ряд патентов, в том числе и в такой далекой от криптографии области, как керамика. Жил Шербиус в Вильмерсдорфе, пригороде Берлина. Первое придуманное им криптографическое устройство превращало цифровые кодовые обозначения в произносимые слова, поочередно заменяя цифры на соответствующие им гласные и согласные буквы с помощью специального устройства. Это устройство состояло из «нескольких коммутаторов, которые соединяют каждый входной проводник с одним из выходных проводников и которые устроены так, что можно легко изменять характер этих соединений». Именно оно стало прообразом дискового шифратора, позднее изобретенного Шербиусом и подробно описанного в его очередной патентной заявке. И хотя диски в этом шифраторе применялись только для преобразования цифровых последовательностей, в последующих подобных ему устройствах Шербиус увеличил количество контактов с 10 до 26, так что эти устройства вполне могли использоваться для шифрования букв.

Шербиус назвал свою машину «Энигма» («Загадка»). Первая ее модель была очень громоздкой. По своим размерам и форме она больше всего напоминала кассовый аппарат и вскоре была заменена другой моделью, представлявшей собой обычную пишущую машинку, дополненную шифрующим механизмом. Третья модель была портативной. Буквы в ней не печатались на бумаге, а подсвечивались лампочками.

«Энигма» имела два весьма существенных отличия от других дисковых шифраторов. Во-первых, ее последний шифрдиск на самом деле был полудиском: все его контакты располагались исключительно на одной стороне и были соединены только между собой (импульс, приходивший на этот шифрдиск, разворачивался на 180 градусов и вновь отправлялся через шифрдиски, через которые он только что прошел). А во-вторых, движение шифрдисков управлялось специальными зубчатыми колесами, чтобы сделать его неравномерным. Первоначально количество зубцов было слишком мало, чтобы существенно затруднить вскрытие шифратора, однако в более поздних моделях «Энигмы» этот недостаток был исправлен.

В июле 1923 г. была создана корпорация для производства и сбыта «Энигм». Она называлась «Корпорация шифрмашин» и даже в период жестокой послевоенной инфляции в Германии сумела собрать огромный капитал путем продажи своих акций. Шербиус вошел в совет директоров корпорации, состоявший из шести человек.

«Корпорация шифрмашин» развернула чрезвычайно энергичную деятельность по стимулированию спроса на свою продукцию. Она выставила «Энигму» на съезде Международного почтового союза в 1923 г., а на следующий год добилась, чтобы германское почтовое ведомство обменялось с участниками очередного съезда этого союза приветствиями, зашифрованными с помощью «Энигмы». «Энигма» стала широко рекламироваться на радио. О ней пространно рассказывалось в книге по шифрмашинам. написанной доктором Зигфридом Тюркелем, директором Криминологического института венской полиции. На немецком и английском языках были выпущены рекламные буклеты, в которых говорилось:

«Естественному любопытству ваших конкурентов сразу же будет положен конец, так как „Энигма“ позволяет вам хранить содержание ваших документов или, по крайней мере, их самых важных частей в полной тайне от любопытных глаз без каких-либо существенных затрат. Один хорошо защищенный секрет может окупить всю стоимость этой машины».

Однако, несмотря на рекламу, дела у «Корпорации шифрмашин» шли из рук вон плохо. Несколько «Энигм» было приобретено армиями различных государств и компаниями, занимающимися связью, но массовых закупок так и не последовало. Производство постоянно сокращалось. Даже после 10 полных лет деятельности корпорация никак не могла приступить к выплате дивидендов своим акционерам. Поэтому 5 июля 1934 г. она была ликвидирована и передала свои активы новой фирме по производству шифраторов, организованной Рудольфом Хаймсетом и Элизабет Ринке, двумя директорами «Корпорации шифрмашин».