Саймон Сингх - Книга шифров .Тайная история шифров и их расшифровки
Одним из наиболее известных и признанных алгоритмов шифрования и кандидатом в качестве стандарта был продукт компании IBM, известный как Люцифер. Он был создан Хорстом Файстелем, немецким эмигрантом, приехавшим в Америку в 1934 году. Файстель уже вот-вот должен был получить гражданство США, когда Америка вступила в войну, что означало, что он находился под домашним арестом вплоть до 1944 года. После этого он еще несколько лет умалчивал о своем интересе к криптографии, чтобы не возбудить подозрений у американских властей. Когда же он в конце концов начал заниматься изучением шифров в Кембриджском научно-исследовательском центре ВВС США, то вскоре оказался под пристальным вниманием Агентства национальной безопасности (АНБ) — организации, отвечающей за обеспечение безопасности военной и правительственной связи, которая занималась также перехватом и дешифровкой иностранных сообщений. В АНБ работало больше математиков, она приобретала больше компьютерной техники и перехватывала больше сообщений, чем любая другая организация в мире. В общем, что касается совать нос в чужие дела, то тут оно является мировым лидером.
АНБ выдвигало обвинения не против прошлого Файстеля, оно просто хотело обладать монополией в области криптографических исследований, и, по-видимому, именно оно устроило так, что исследовательский проект Файстеля был закрыт. В 60-х годах Файстель перешел в компанию Mitre Corporation, но АНБ продолжало оказывать на него давление и вторично вынудило его бросить работу.
В конце концов Файстель оказался в исследовательской лаборатории Томаса Дж. Уотсона компании IBM неподалеку от Нью-Йорка, где в течение нескольких лет он мог без помех продолжать свои исследования. Там-то в начале 70-х он и создал систему Люцифер.
Люцифер зашифровывает сообщения следующим образом. Вначале сообщение преобразуется в длинную строку двоичных цифр. Далее эта строка разбивается на блоки из 64 цифр, и зашифровывание производится отдельно для каждого блока. Затем берется только один блок, 64 цифры этого блока перетасовываются, после чего его делят на два полублока, состоящих из 32 цифр и обозначаемых как Left0 и Right0. Потом к цифрам в полублоке Right0 применяется «функция обжима», которая сложным образом заменяет цифры. Затем «обжатый» полублок Right0 добавляется к полублоку Left0, образуя новый полу-блок из 32 цифр, который обозначается как Right1. Производится переобозначение исходного полублока Right0 на Left1. Данная последовательность операций называется раундом. Процесс повторяется во втором раунде, но начинается с новых полублоков, Left1 и Right1, и заканчивается полублоками Left2 и Right2, и так продолжается до тех пор, пока не будет выполнено 16 раундов. Процесс зашифровывания немного напоминает замешивание теста. Представьте себе длинный кусок теста в виде бруска с написанным на нем сообщением. Вначале этот длинный кусок делится на блоки длиной 64 см. Затем половинка одного из блоков подцепляется, обжимается, складывается пополам, добавляется к другой половине и растягивается, образуя новый блок. После чего процесс повторяется снова и снова, пока сообщение не станет основательно перемешанным. По завершении 16 циклов «замешивания» шифртекст отсылается; его расшифровка получателем производится точно так же, как и зашифровывание, но в обратном порядке.
Параметры «функции обжима» могут меняться; они определяются ключом, согласованным отправителем и получателем. Другими словами, одно и то же сообщение может быть зашифровано бесчисленным количеством различных способов в зависимости от того, какой был выбран ключ. Ключи, используемые в компьютерной криптографии, являются просто числами. Поэтому, чтобы выбрать ключ, и отправитель, и получатель должны просто договориться о числе. После этого для зашифровывания необходимо, чтобы отправитель ввел число-ключ и сообщение в Люцифер, который выдаст шифртекст. Получателю для расшифровывания требуется ввести в Люцифер это же самое число-ключ и шифртекст, после чего будет выдано исходное сообщение.
По всеобщему мнению Люцифер являлся одним из наиболее стойких, коммерчески доступных программных продуктов шифрования, вследствие чего он использовался рядом организаций. Казалось само собой разумеющимся, что эта система шифрования будет принята в качестве американского стандарта, но в работу Файстеля опять вмешалось АНБ. Люцифер оказался настолько стойким, что, будучи принятым в качестве стандарта шифрования, мог оказаться за пределами криптоаналитических возможностей АНБ; поэтому не удивительно, что АНБ не хотело видеть стандартом шифрования такой продукт, который они не смогут взломать. Ходили слухи, что АНБ, перед тем как разрешить принять Люцифер в качестве стандарта, пыталось ослабить один из его аспектов — сократить число возможных ключей.
Число возможных ключей является одним из решающих факторов, определяющих стойкость любого шифра. Криптоаналитик, стремящийся дешифровать зашифрованное сообщение, мог бы попытаться проверить все возможные ключи, и чем больше существует возможных ключей, тем больше времени придется затратить, чтобы найти правильный. Если существует всего 1 000 000 возможных ключей, то криптоаналитик мог бы воспользоваться мощным компьютером, чтобы найти верный, что заняло бы у него минуты, и тем самым дешифровать перехваченное сообщение. Однако, если число возможных ключей достаточно велико, отыскание правильного ключа становится практически невозможным. Если бы Люцифер стал стандартом шифрования, то АНБ хотело бы гарантировать, что в нем будет использоваться только ограниченное число ключей.
АНБ настаивало на том, чтобы число ключей составляло примерно 100 000 000 000 000 000 (или, иначе, 56 бит[26], поскольку это число состоит из 56 цифр, если записать его в двоичном представлении). Видимо, АНБ полагало, что такой ключ обеспечит безопасность для гражданских организаций и лиц, так как ни в одной гражданской организации нет достаточно мощного компьютера, способного проверить все возможные ключи за приемлемое время. Однако само АНБ, имеющее доступ к самым мощным в мире вычислительным ресурсам, сможет раскрыть такие сообщения. 56-битовый вариант шифра Люцифер Файстеля, получивший название DES (стандарт шифрования данных), был официально принят 23 ноября 1976 года. Четверть века спустя DES по-прежнему остается официальным американским стандартом шифрования.
Принятие DES решило проблему стандартизации, содействуя использованию коммерческими компаниями и промышленными предприятиями криптографии для обеспечения безопасности. К тому же DES обладал достаточной стойкостью, чтобы гарантировать защиту от атак со стороны торговых конкурентов. Для компании, имеющей обычный компьютер, практически невозможно было взломать зашифрованное с помощью DES сообщение, поскольку число возможных ключей было достаточно велико. Но несмотря на стандартизацию и стойкость DES, коммерческие компании и промышленные предприятия по-прежнему сталкивались с еще одной значительной проблемой, известной как проблема распределения ключей.
Представьте, что банк хочет передать определенную конфиденциальную информацию клиенту по телефонной линии, но обеспокоен тем, что кто-нибудь может подключиться к линии и перехватить сообщение. Банк выбирает ключ и использует DES, чтобы зашифровать информационное сообщение. Чтобы расшифровать сообщение, клиенту нужно не только иметь копию DES на своем компьютере, но также знать, какой ключ использовался для зашифровывания сообщения. Каким же образом банк может сообщить о ключе своему клиенту? Он не может выслать ключ по телефонной линии, поскольку подозревает, что на линии имеется подслушивающее устройство. Единственный, действительно безопасный способ передать ключ, — это вручить его лично, что, несомненно, требует времени. Менее безопасное, но более практичное решение — это передать ключ через курьера. В 70-х годах банки пытались передавать ключи, используя для этого специальных связных из числа наиболее доверенных служащих. Эти связные мчались через весь мир с запертыми на замок портфелями, лично доставляя ключи тем, кто должен будет получить сообщения от банка в течение следующей недели. По мере роста масштабов коммерческих сетей, передачи все большего числа сообщений и необходимости доставки все большего количества ключей, банки пришли к заключению, что процесс распределения превратился в ужасающий кошмар, а накладные расходы стали непомерно высоки.
Проблема распределения ключей беспокоила криптографов на протяжении всей истории. Так, во время Второй мировой войны немецкое Верховное командование должно было каждый месяц передавать книги с ключами текущего дня всем своим операторам «Энигмы», что представляло собой огромную проблему, связанную с осуществлением их доставки. Это же касалось и подводных лодок, которые длительное время находились вне своих баз, но должны были каким-то образом бесперебойно получать ключи. А прежде пользователи шифра Виженера должны были найти способ передать ключевое слово от отправителя к получателю. Неважно, насколько теоретически надежен шифр, на поверку его ценность может оказаться нулевой как раз из-за проблемы распределения ключей.
