Саймон Сингх - Книга шифров .Тайная история шифров и их расшифровки
Мартин Хеллман родился в 1945 году в еврейском квартале Бронкса, но, когда ему исполнилось четыре года, его семья переехала в другой район, где жили преимущественно ирландцы-католики. Как говорил Хеллман, это навсегда изменило его отношение к жизни: «Другие дети ходили в церковь, и там они узнали, что евреи убили Христа; из-за этого меня звали «Христоубийцей» и нередко били. Сначала мне хотелось быть таким же, как и другие дети: хотелось, чтобы у меня была рождественская елка и рождественские подарки. Но потом я понял, что таким же я быть не смогу, и тогда, в целях самозащиты, я занял позицию «а кому хочется быть похожим на других?» Свой интерес к шифрам Хеллман относит на счет стремления быть не похожим на других. Его коллеги говорили ему, что он сошел с ума, решив заняться исследованиями по криптографии, потому что его конкурентом будет АНБ с его многомиллиардным бюджетом. Как мог он надеяться найти что-то, чего им еще не было известно? А если даже он что-нибудь и обнаружит, АНБ тут же это засекретит.
Когда Хеллман приступил к исследованиям, он наткнулся на книгу «Взломщики кодов» историка Дэвида Кана. В этой книге впервые подробно рассказывается о развитии шифров, и в этом качестве она являлась прекрасным учебником для начинающих криптографов. «Взломщики кодов» была единственным помощником Хеллмана вплоть до сентября 1974 года, когда ему неожиданно позвонил Уитфилд Диффи, только что пересекший весь контитент, чтобы встретиться с ним. Хеллман никогда прежде не слышал о Диффи и с неохотой согласился уделить ему полчаса попозже днем. Но к концу встречи Хеллман понял, что Диффи был самым знающим человеком, которого он когда-либо встречал. И это чувство было обоюдным. Как вспоминает Хеллман: «Я пообещал своей жене, что буду дома, чтобы присмотреть за детьми, поэтому он пошел со мной, и мы вместе пообедали. Он уехал где-то за полночь. Мы совершенно разные, он гораздо больше нигилист, чем я, но в конечном счете наше несходство пошло нам обоим только на пользу. Для меня это оказалось словно глоток свежего воздуха. Работать «в вакууме» было поистине тяжело».
Поскольку Хеллману не выделяли значительных средств, у него не было возможности нанять на работу своего нового единомышленника в качестве исследователя. Вместо этого Диффи был зачислен как аспирант. Теперь уже они вместе, Хеллман и Диффи, приступили к изучению проблемы распределения ключей, отчаянно пытаясь найти альтернативу неинтересной задаче физической перевозки ключей на большие расстояния. Через некоторое время к ним присоединился Ральф Меркль, сбежавший из другой исследовательской группы, руководитель которой не выражал никакой симпатии к неосуществимой мечте решить проблему распределения ключей. Говорит Хеллман:
Ральф, как и мы, хотел быть дураком. А единственным способом выбраться при начальном поиске — это быть дураком, поскольку только дураки не прекращают своих попыток. У вас появилась идея под номером 1, вы возбуждены, а она не оправдала надежд. Потом у вас появилась идея под номером 2, вы снова возбуждены, а она опять не оправдала надежд. Затем у вас появилась идея под номером 99, вы вновь чувствуете себя возбужденным, но и она не сработала. Только глупец ощутит возбуждение от сотой идеи, но может потребоваться проверить 100 предположений, прежде чем одно принесет свои плоды. Если только вы не глупы в достаточной мере, чтобы ощущать возбуждение, у вас не будет ни стимула, ни энергии, чтобы довести дело до конца. Бог вознаграждает дураков.
В целом, проблема распределения ключей является классическим парадоксом. Если два человека хотят обменяться секретным сообщением по телефону, отправитель должен его зашифровать. Чтобы зашифровать секретное сообщение, отправитель должен воспользоваться ключом, который сам является секретом, поэтому возникает проблема передачи секретного ключа получателю, чтобы передать секретное сообщение. Короче говоря, до того, как два человека смогут передать друг другу секрет (зашифрованное сообщение), оба они уже должны обладать этим секретом (ключом).
Рассматривая проблему распределения ключей, полезно представить себе Алису, Боба и Еву, трех вымышленных лиц, ставших нарицательными персонажами при обсуждении вопросов криптографии. В типичной ситуации Алиса хочет послать сообщение Бобу, или наоборот, а Ева старается перехватить его. Если Алиса отправляет конфиденциальные сообщения Бобу, она должна будет перед отправкой зашифровать каждое из сообщений, всякий раз используя иной ключ. Поскольку Алисе необходимо безопасным образом передавать ключи Бобу, иначе он не сможет расшифровать сообщения, она то и дело сталкивается с проблемой распределения ключей.
Один из способов решения этой проблемы заключается в том, что Алиса и Боб встречаются раз в неделю и обмениваются ключами, число которых должно быть достаточным для отправки сообщений в течение следующих семи дней. Обмен ключами при личной встрече является, несомненно, безопасным, но неудобным способом, ведь если Алиса или Боб заболеют, вся эта система перестанет работать. Или же Алиса и Боб могли бы нанять курьеров, что оказалось бы менее надежно и более затратно, но им хотя бы перепоручили часть работы. Так ли, иначе ли, но, похоже, распределения ключей не избежать. В течение двух тысяч лет это считалось аксиомой криптографии — непререкаемой истиной. Можно, однако, поставить мысленный эксперимент, который, кажется, опровергает эту аксиому.
Рис. 63 Мартин Хеллман
Представьте себе, что Алиса и Боб живут в стране, в которой почтовая система совершенно аморальна и почтовые служащие читают всю незащищенную корреспонденцию. В один прекрасный день Алиса хочет отправить очень личное сообщение Бобу. Она кладет его в железную коробку, закрывает ее и запирает ключом замок. Затем она кладет запертую на замок коробку в почтовый ящик, а ключ оставляет себе. Но когда коробку доставляют Бобу, он не может открыть ее, так как у него нет ключа. Алиса может положить ключ в другую коробку, замкнуть ее на замок и отправить Бобу, но без ключа ко второму замку он не сможет открыть вторую коробку и достать оттуда ключ, которым откроет первую коробку. Для Алисы, по-видимому, единственный путь обойти эту проблему — это сделать дубликат своего ключа и заранее передать его Бобу, когда они встретятся за чашечкой кофе. До этого момента я просто переформулировал ту же старую задачу в новых условиях. Избежать распределения ключей кажется логически невозможным; если Алиса хочет запереть что-то в коробке так, чтобы только Боб мог открыть ее, она, безусловно, должна дать ему дубликат ключа. Или, на примере криптографии, если Алиса хочет зашифровать сообщение таким образом, чтобы только Боб мог расшифровать его, она должна передать ему копию ключа. Обмен ключами является неизбежной частью шифрования — или все-таки нет?
Теперь представим следующую картину. Как и прежде, Алиса хочет отправить очень личное сообщение Бобу. Она опять кладет свое секретное сообщение в железную коробку, запирает ее на замок и посылает Бобу. Когда коробка приходит, Боб навешивает свой собственный замок и высылает коробку обратно Алисе. Когда Алиса получит коробку, она уже заперта на два замка. Алиса снимает свой замок, оставляя на коробке только замок Боба, после чего посылает коробку назад Бобу. И вот здесь-то и заключается принципиальная разница: теперь Боб может открыть коробку, поскольку она заперта только на его собственный замок, к которому он один имеет ключ.
Значение этой небольшой истории огромно. В ней показано, что два человека могут безопасным образом обмениваться секретным сообщением, и при этом необходимости в обмене ключом нет. Впервые у нас появилось указание, что обмен ключами может не являться обязательной частью криптографии. Мы можем дать другое истолкование истории применительно к шифрованию. Алиса использует свой собственный ключ, чтобы зашифровать сообщение Бобу, который в свою очередь зашифровывает его уже своим ключом и возвращает его обратно. Когда Алиса получает дважды зашифрованное сообщение, она убирает свое шифрование и отсылает назад сообщение Бобу, который после этого может убрать уже свое шифрование и прочитать сообщение.
Кажется, что проблема распределения ключей может быть решена, поскольку в схеме с двойным зашифровыванием не требуется обмена ключами. Существует, однако, фундаментальное препятствие реализации системы, при которой Алиса зашифровывает, Боб зашифровывает, Алиса расшифровывает и Боб расшифровывает. Проблема состоит в том, в каком порядке выполняются зашифровывания и расшифровывания. Вообще говоря, порядок зашифровывания и расшифровывания является принципиальным и должен подчиняться принципу «последним пришел, первым ушел». Другими словами, последний этап при зашифровывании должен быть первым этапом при расшифровывании. В вышеприведенной же последовательности действий последним выполнял зашифровывание Боб, и поэтому при расшифровывании этот этап должен выполняться первым, но первой убирала свое шифрование Алиса — до того, как это сделал Боб. Важность порядка выполнения действий проще всего понять путем проверки чего-то такого, что мы выполняем каждый день. Утром мы надеваем носки, а затем ботинки, а вечером сначала снимаем ботинки, и только потом носки — не удастся снять носки раньше ботинок. Мы обязаны подчиняться принципу «последним пришел, первым ушел».
