Книга шифров .Тайная история шифров и их расшифровки - Саймон Сингх

Рис. 30 Три листа из одноразового шифрблокнота, каждый из которых является возможным ключом для шифра. Сообщение зашифровано с помощью листа 1.

Шифр из одноразового шифрблокнота свободен от всех вышеозначенных слабостей. Представим, что сообщение attack the valley at dawn было зашифровано, как показано на рисунке 30, передано по радио и перехвачено противником.

Криптоаналитик противника получает шифртекст и пытается дешифровать его. Первый камень преткновения: по определению в случайном ключе повторений нет, поэтому методом Бэббиджа и Касиски взломать криптографический ключ одноразового использования не удастся. Как вариант, криптоаналитик противника может попытаться подставлять слово the в различные места текста и определять соответствующий фрагмент ключа, как это делали мы, когда старались дешифровать предыдущее сообщение. Если криптоаналитик попробует поставить the в начале сообщения, что неверно, тогда соответствующий сегмент ключа будет иметь вид WXB, иначе говоря, он получит хаотичный набор букв. Если же криптоаналитик подставит the таким образом, что начало слова будет совпадать с седьмой буквой сообщения, то есть в нужное место, тогда соответствующий сегмент ключа будет иметь вид QKJ, что также является беспорядочным набором букв. Другими словами, криптоаналитик не сумеет определить, на своем месте стоит пробное слово или нет.

В отчаянии криптоаналитик мог бы даже подумывать о поиске методом полного перебора всех возможных ключей. Шифртекст состоит из 21 буквы, так что криптоаналитик знает, что и ключ также состоит из 21 буквы. Это означает, что следует проверить примерно 500 000 000 000 000 000 000 000 000 000 возможных ключей, что абсолютно неосуществимо ни для человека, ни для механического устройства. Однако даже если криптоаналитик смог бы проверить все эти ключи, то в этом случае возникнет еще более значительная сложность. Проверяя каждый возможный ключ, криптоаналитик, несомненно, обнаружит истинное сообщение, но будут также представлены и все ложные сообщения. Так, например, если применить к предыдущему шифртексту следующий ключ, то получится совершенно иное сообщение:

Если бы мог быть проверен каждый возможный ключ, то при этом будут появляться все мыслимые и немыслимые сообщения длиной в 21 букву, и криптоаналитик не сумел бы отличить истинное сообщение от всех остальных. Этой проблемы не возникло бы, если бы ключ представлял собой набор слов или фразу, поскольку неправильные сообщения почти наверняка будут связаны с не имеющими смысла ключами, а истинное сообщение будет получено при осмысленном ключе.

Стойкость шифра одноразового шифрблокнота целиком и полностью обусловлена случайным характером ключа. Ключ вносит разупорядоченность в шифртекст, и если шифртекст является неупорядоченным, то нет никаких закономерностей, никакой структуры, — ничего, за что мог бы зацепиться криптоаналитик. В действительности можно математически доказать, что криптоаналитик не сможет вскрыть сообщение, зашифрованное с помощью шифра из одноразового шифрблокнота. Другими словами, шифр одноразового шифрблокнота не просто считается невзламываемым, как считался невзламываемым шифр Виженера в девятнадцатом веке, он на самом деле абсолютно надежен. Одноразовый шифрблокнот гарантирует стойкость — воистину Святой Грааль криптографии.

Наконец-то криптографы нашли невзламываемую систему шифрования. Однако безупречность шифра одноразового шифрблокнота не означает, что поиск обеспечения стойкости на этом закончился: дело в том, что им пользовались крайне редко. Хотя он теоретически и совершенен, но в действительности ему присущи две принципиальные сложности. Во-первых, на практике затруднительно создавать большое количество случайных ключей. В самый обычный день в армии могут передавать и получать сотни сообщений, каждое из тысяч знаков, поэтому радистам потребуется дневной запас ключей, эквивалентный миллионам расположенных в случайном порядке букв. А это исключительно сложная задача — создание такого колоссального количества случайных последовательностей букв.

Ранее некоторые криптографы полагали, что они могут создать огромное количество случайных ключей, наобум печатая на печатной машинке. Однако при этом машинистка (или оператор печатающего устройства) всякий раз стремилась печатать буквы следующим образом: одну букву левой рукой, следующую — правой и так далее, поочередно ударяя по клавишам то на одной, то на другой стороне. Таким способом и в самом деле можно было быстро создать ключ, но получающаяся при этом последовательность обладала структурой и вследствие этого более не являлась случайной — если машинистка ударяла по клавише с буквой D, находящейся на левой части клавиатуры, то следующей буквой, скорее всего, будет буква, находящаяся на правой части клавиатуры. Если же криптографический ключ одноразового использования действительно случаен, то примерно в половине всех случаев за буквой с левой части клавиатуры должна следовать другая буква с левой же части клавиатуры.

Криптографы осознали, что для создания случайного ключа потребуется много времени, сил и средств. Лучшие случайные ключи создаются на основе естественных физических процессов, например, радиоактивности, которая, как известно, действительно имеет случайный характер. Криптограф может взять крупный кусок радиоактивной руды и измерять излучение с помощью счетчика Гейгера. Иногда ионизирующие частицы излучения испускаются одна за одной очень быстро, иногда между отдельными актами испускания проходит довольно длительное время, поэтому время между этими актами есть величина непредсказуемая и случайная. В таком случае криптограф может подсоединить к счетчику Гейгера дисплей, на экране которого в циклическом режиме быстро, но с постоянной скоростью пробегает алфавит, моментально останавливающийся при срабатывании счетчика. Какой бы ни была буква на экране, она может использоваться в качестве очередной буквы случайного ключа. После этого на экране дисплея опять начинается пролистывание алфавита в циклическом режиме до следующего срабатывания счетчика, которое происходит в результате попадания в него ионизирующей частицы; замершая на экране буква добавляется к ключу, и процесс идет далее. Такое устройство гарантированно создавало бы действительно случайный ключ, но оно непригодно для повседневной криптографии.

Даже если бы вы смогли создать достаточно случайные ключи, то возникла бы еще одна проблема: сложность их распределения. Представьте себе район боевых действий, где сотни радистов составляют единую коммуникационную сеть. Для начала все они должны иметь идентичные экземпляры одноразового шифрблокнота. Затем, когда подготовлены новые шифрблокноты, их необходимо одновременно передать всем. Наконец, все должны быть уверены, что нужный лист одноразового шифрблокнота используется в нужное время. При широком применении одноразовых шифрблокнотов на поле боя будет просто столпотворение курьеров и писарей. Более того, если противник захватит хотя бы один комплект ключей, то надежность всей коммуникационной системы будет нарушена.

Представляется соблазнительным сократить усилия на подготовку и распределение ключей путем повторного использования одноразовых шифрблокнотов, но это смертный грех криптографии.

Повторное использование одноразового шифрблокнота позволит криптоаналитику противника легко дешифровать сообщения. Принцип, с помощью которого вскрываются два фрагмента шифртекста, зашифрованного одним и тем же криптографическим ключом одноразового использования, объясняется в Приложении G, но пока следует запомнить, что в использовании одноразового шифрблокнота нельзя делать никаких упрощений. Для каждого сообщения отправитель и получатель должны использовать новый ключ.

Одноразовый шифрблокнот полезен только тем, кому нужна сверхнадежная связь и кто может позволить себе заплатить огромную цену за создание и надежное распределение ключей. Например, безопасность телефонной «горячей линии» между президентами России и Америки обеспечивается посредством использования одноразового шифрблокнота.

Практические недостатки теоретически совершенного одноразового шифрблокнота означали, что идею Моборна никогда не удастся применить в разгаре сражения. По окончании Первой мировой войны и всех криптографических неудач продолжался поиск практичной системы, которую можно было бы применить в следующем конфликте. К радости криптографов это продолжалось недолго; вскоре они совершили прорыв, благодаря которому была восстановлена надежность связи на поле сражения. Чтобы упрочить свои шифры, криптографы, для обеспечения криптостойкости при зашифровывали сообщений, были вынуждены отказаться от использования бумаги и карандаша и применять самые последние достижения.