Проект Турнир шифровальщиков/Криптографические машины
Содержание |
Криптографические машины
(Название, дата изобретения, назначение и применение)
Телеграфный аппарат Морзе
Для того, чтобы телеграф стал надежным устройством связи, необходимо было создать аппарат, который, который мог бы записывать передаваемую информацию. Первый такой аппарат с самопишущим прибором был изобретён в 1837 г. американским учёным Сэмюелем Морзе.
Главными частями аппарата были передающее устройство — ключ, и принимающее — пишущий прибор. Ключ Морзе состоял из металлического рычага, который вращался вокруг горизонтальной оси. Как на передней, так и на задней оси его находились маленькие металлические конусы, каждый из которых касался лежащих под ним пластинок, вследствие чего происходило замыкание тока. Обозначим все контакты ключа цифрами. Передний конус – 1, а задний -3. Лежащие под ними пластинки соответственно 2-й и 4-й контакты. В положении ключа, когда ручка не опущена, контакты 3 и 4 замкнуты, а 1 и 2 – разомкнуты. Пластинка 2 соединена с проводником батареи. С телом рычага соединена проводная проволока к отдалённой станции, между тем как пластинка 4 имеет связь с пишущим прибором. На принимающей станции принимающий провод идет к принимающему магниту.
Когда приходила телеграмма, то электрический ток проходил по рычагам ключа таким образом, что из проволоки он поступал в пластину 4 и затем — в пишущий прибор (контакты 1 и 2 в это время были разъединены). При отправлении телеграмм контакты 3 и 4 разъединяли. Тогда ток от батареи при замыкании контактов 1 и 2 шел на станцию приема. Если телеграфист замыкал цепь на короткое время — проходил короткий сигнал, если держал ключ внизу дольше — сигнал получался более длинный.
Пишущий прибор на приемной станции преобразовывал эти сигналы в систему точек и тире. Работал он следующим образом. От передающей станции ток поступал на спирали М и Ml. Находящиеся в них куски железа намагничивались и притягивали железную пластину В. Вследствие этого штифт О, находившийся на другом плече А, прижимался к бумажной полосе Р, которая свертывалась с кружка R посредством валиков V и W по направлению, указанному стрелкой. При этом конец штифта, на котором был карандаш, писал на ленте точки или тире, в зависимости оттого прижимался он на короткое или на более длительное время. Как только действие тока прекращалось (это бывало каждый раз, когда телеграфист на передающей станции размыкал ключом цепь), пружина f натягивала штифт вниз, вследствие чего пластина В отходила от электромагнита. Движение валиков V и W проходило от часового механизма, который приводился в действие опусканием гири G. Степень отклонения рычага можно было отрегулировать с помощью винтов m и n.
Шесть лет ушло у Сэмюеля Морзе на тщетные попытки заинтересовать правительство США своим изобретением. Только в 1843 году конгресс США принял решение ассигновать 30 тысяч долларов на строительство первой телеграфной линии длиной 64 км между Вашингтоном и Балтимором. Сначала ее прокладывали под землей, но потом обнаружилось, что изоляция не выдерживает сырости. Пришлось срочно исправлять положение и тянуть проволоку над землёй. 24 мая 1844 года была торжественно отправлена первая телеграмма. Через четыре года телеграфные линии имелись уже в большинстве штатов.
В 1858 г. Чарльз Уитстон создал систему, в которой оператор с помощью кода Морзе набивал сообщения на длинной бумажной ленте, поступавшей в телеграфный аппарат. На другом конце провода самописец набивал принятое сообщение на другую бумажную ленту. В последствии самописец заменили сигнализатором, преобразовывавшим точки и тире в долгие и краткие звуки. Операторы слушали сообщения и записывали их перевод.
Литература
- Рыжов К.В. 100 великих изобретений – М.: Вече, 2000. – 528 с.
Энигма
«Энигма» в переводе с греческого языка означает «загадка». В течение Второй мировой войны это был наиболее распространенный шифратор, который использовался в Германии (и в странах-союзниках, например, в Италии и Японии), а также в нейтральной Швейцарии.
Основываясь на шифровальном диске, созданном голландцем Хуго Кохом, «Энигму» разработал немецкий инженер Артур Шербиус, запатентовавший свое изобретение 18 февраля 1918 года.
Устройство шифратора
1 – диски;
2 – рефлектор;
3 – клавиатура;
4 – индикаторные лампы;
5 – штепсельная панель
Первоначально он состоял из трех вращающихся на одной оси барабанов – дисков (позже их стало больше). На каждой стороне диска, представлявшего собой зубчатое колесо, по окружности имелось двадцать шесть электрических контактов – по числу букв в латинском алфавите. Контакты с обеих сторон случайным образом соединялись внутри диска двадцатью шестью проводами, формировавшими замену символов. Диски складывались вместе и их контакты, касаясь друг друга, обеспечивали прохождение электрических импульсов сквозь весь набор дисков на регистрирующее устройство. На боковой поверхности дисков был нанесен алфавит. Перед началом работы диски поворачивались таким образом, чтобы установилось кодовое слово.
В момент нажатия клавиши происходило шифрование очередного знака открытого текста. При этом электрический импульс поступал с клавиатуры и проходил через систему дисков, после чего левый диск поворачивался на один шаг. Движение дисков происходило как в счетчике электроэнергии. После того как первый диск делал полный оборот, на один шаг поворачивался второй диск. После полного поворота второго диска сдвигался на один шаг третий диск.
После прохождения через три диска электрический сигнал поступал на рефлектор, который представлял собой тринадцать проводников, соединявших пары различных контактов на задней стороне третьего диска. С его помощью сигнал шел обратно через диски, но уже по другому пути. Выходивший из системы дисков сигнал поступал на лампочку-индикатор, которая указывала на букву шифрованного текста.
Как правило, с «Энигмой» работали три человека. Один зачитывал открытый текст, другой набирал его на клавиатуре, третий считывал шифртекст с ламп и записывал его.
«Энигма» была портативной (размером с пишущую машинку), работала от батареи, имела деревянный футляр. Один из недостатков шифратора заключался в том, что на первых порах он не был снабжен печатающим устройством для воспроизводства шифртекста, впрочем, в более поздних модификации это неудобство был устранено.
В 1930 году «Энигма» была модернизирована. В ее конструкцию включили штепсельную (коммутационную) панель из двадцати шести пар розеток и штепселей. С помощью этой панели осуществлялась дополнительная замена знаков перед тем, как знаки открытого текста в виде электрических сигналов поступали с клавиатуры на систему дисков, и после того, как они ее покидали. У коммерческих вариантов шифратора такая панель отсутствовала.
Ключами шифратора являлись следующие элементы:
- Коммутации дисков. Они формировали долговременный ключ шифратора. Заметим, что количество возможных коммутаций для одного диска равно числу 26! = =26X25X... X2 X1 различных перестановок двадцати шести элементов, что составляет приблизительно 4 X10 (26) вариантов.
- Выбор дисков из комплекта и взаимное расположение их в шифраторе. Всего в комплекте имелось пять дисков, в шифратор устанавливались три. Количество различных вариантов выбора этих трех дисков равно десяти. Три диска можно переставить шестью различными способами. Поэтому всего получается 60 вариантов. Выбор дисков также был элементом долговременного ключа. Начальное положение дисков. Для каждого диска – 26 вариантов, для трех дисков – 2(63) = 17 576. Это был разовый ключ.
- Коммутация штепсельной панели (менялась достаточно часто).
Для решения задачи дешифрования под руководством М. Режевского на фирме AVA было разработано электромеханическое устройство под названием «Бомба» – шесть соединенных между собой «Энигм». Этот аппарат позволял находить путем перебора начальное положение дисков за два часа. Для ускорения процесса вскрытия ключевых установок использовалась параллельная работа нескольких «Бомб». Впервые для управления «Бомбой» стали использоваться новые носители информации – перфокарты, изобретенные Г. Зыгальским.
Источники
- www.agentura.ru
- ru.wikipedia.org/wiki/
- www.jproc.ca/crypto/
- Жельников В. Криптография от папируса до компьютера. М.: ABF, 1996. 336 с.
Команда "VIbioKI" город Баку, Азербайджан
История вычислительной техники
Почти четыре тысячи лет назад в городе Менет-Хуфу на берегу Нила некий египетский писец нарисовал иероглифы, рассказавшие историю жизни его господина. Сделав это, он стал родоначальником документально зафиксированной истории криптографии.
Эта система не была тайнописью в том смысле, как ее понимают в современном мире. Для засекречивания своей надписи египетский писец не использовал никакого полноценного шифра. Дошедшая до наших дней надпись, вырезанная примерно в 1900 году до н. э. на гробнице знатного человека по имени Хнумхотеп, лишь в отдельных местах состоит из необычных иероглифических символов вместо более привычных иероглифов. Большинство из них встречается в последних двадцати столбцах, где перечисляются монументы, построенные Хнумхотепом во славу фараона Аменемхета II. Безымянный писец старался не затруднить чтение текста, а лишь придать ему большую важность, подобно тому, как в каком-нибудь заявлении по важному поводу пишут, например, «в год одна тысяча восемьсот шестьдесят третий от Рождества Христова», вместо того чтобы просто и без затей написать: «в 1863 году». Вместе с тем, хотя писец применил не тайнопись, он, бесспорно, воспользовался одним из существенных элементов шифрования — умышленным преобразованием письменных символов. Это самый древний известный нам текст, который претерпел такие изменения.
Криптография, наиболее мощное средство защиты информации, возникшее за много веков до новой эры, основной смысл которого заключается в преобразовании текста в случайный, хаотический набор знаков. До XIX века криптография развивалась скорее как искусство, и лишь в этот период истории она начала приобретать качества точной математической науки. XIX век вошел в историю криптографии как пример серьезного вклада научно-технического прогресса в разрешение проблем криптографии, на развитие которой заметное влияние оказали острые военно-политические конфликты этого столетия.
1. Телеграф
Напомним, что проблема быстрой передачи сообщений на дальние расстояния возникла в глубокой древности. Примитивные способы связи типа барабанов там-там, дымовых сигналов, огней костров и т. д. уже требовали использования соответствующих кодов. Эти коды позволяли предоставлять информацию в виде, пригодном для передачи по линии связи. Еще у древних римлян действовали более 3000 вышек для передачи световых сигналов по территории империи. В 1794 году К. Шапп построил “воздушный телеграф” между Парижем и Лиллем. Основной элемент связи - семафоры. Эта система передачи информации оказалась эффективной и получила во Франции широкое распространение. Передача информации с помощью “флажковых кодов” нашло применение в обеспечении связи между кораблями. Далее...
2. Радио
В 1895 году благодаря русскому ученому А. С. Попову мир получил новый способ связи - радио, появление которого оказало огромное влияние на развитие криптографии. В связи с многократным увеличением объемов передаваемых сообщений (в том числе и секретных) потребовалась разработка все новых и новых шифров для защиты информации. Стали создаваться значительные по числу абонентов сети засекреченной связи, что породило проблему эффективного распределения и смены ключей между абонентами. Возник повышенный риск компрометации абонентов (тайного изъятия у них ключевой информации, что, в случае удачи, могло поставить всю сеть под контроль противника). Далее...
3.Телефон
В 1876 году американец А. Белл публично продемонстрировал и запатентовал проводной телефон. Следует заметить, что на изобретение телефона, как, впрочем, и радио претендуют несколько человек, но обсуждение вопросов приоритета различных изобретателей выходит за рамки данной статьи. Новое изобретение вскоре завоевало широкое признание в мире, однако сразу же возникла проблема передачи по телефону конфиденциальной информации. Всего через 5 лет другой американец Дж. Роджерс предложил следующий выход из положения. Далее...
Ссылки
Команда Альтаир
Телеграфный аппарат Бодо
В 1872 году француз Ж.Э. Бодо создал аппарат, позволяющий по одной линии вести передачу нескольких телеграмм одновременно, причем получение данных происходило уже не в виде точек и тире (до того все подобные системы базировались на азбуке Морзе), а в виде букв латинского и русского (после тщательной доработки отечественными специалистами) языка. Аппарат Бодо и созданные по его принципу получили название стартстопных. Он же в 1874 г., положив в основу пятизначный код, сконструировал двукратный аппарат, скорость передачи которого достигала 360 знаков в минуту. В 1876 г. им был создан пятикратный аппарат, увеличивавший скорость передачи в 2,5 раза. Первые аппараты Бодо были введены в эксплуатацию в 1877 на линии Париж ‒ Бордо. Аппарат Бодо позволил использовать для передачи сигналов время пауз между точками и тире. Стало возможным, используя специальный коммутатор, по одной линии работать сразу четырем, шести и более телеграфистам. Наибольшее распространение получили двукратные аппараты Бодо, работавшие на дальние связи почти до конца 20 века и передававшие до 760 знаков в минуту. Помимо этих аппаратов, Бодо разработал дешифраторы, печатающие механизмы и распределители, ставшие классическими образцами телеграфных приборов. В 1927 именем Бодо была названа единица скорости телеграфирования ‒ бод. Аппаратура Бодо получила широкое распространение во многих странах и была высшим достижением телеграфной техники второй половины XIX века. Дальнейшие модификации конструкции стартстопного телеграфного аппарата, предложенного Бодо, привели к созданию телепринтеров (телетайпов). Кроме того, Бодо создал весьма удачный телеграфный код (Код Бодо), который впоследствии был воспринят повсеместно и получил наименование Международный телеграфный код № 1 (ITA1). Модифицированная версия кода получила название ITA2. В СССР на основе ITA2 был разработан телеграфный код МТК-2.
Пункт усиления телеграфного сигнала для аппарата Бодо - ставился на расстоянии 600-800 км от передающего центра, чтобы "прогнать" сигнал дальше: для работы требовалось синхронизировать электричество в двух каналах и тщательно следить за параметрами передачи информации.
Аппарат Бодо работает в дуплексном режиме (всего можно было подключать к одному передатчику до шести рабочих постов) - ответные данные печатались на бумажной ленте, которую надо было обрезать и наклеить на бланк.
Рабочее место телеграфиста на аппарате Бодо-дуплекс - для печати на пяти клавишах он использовал две руки - два пальца на левой руке и три на правой, комбинации надо было нажимать одновременно и быстро.
Ссылки
Команда "Логос" г.Лениногорск РТ
Шифратор Джефферсона
Пожалуйста, отредактируйте её, используя вики-разметку.
Шифратор Джефферсона
В начале XIX века криптография обогатилась замечательным изобретением. Его автор - государственный деятель, первый государственный секретарь, а затем и президент США Томас Джефферсон. Свою систему шифрования он назвал "дисковым шифром". Этот шифр реализовывался с помощью специального устройства, которое впоследствии назвали шифратором Джефферсона. Конструкция шифратора может быть вкратце описана следующим образом. Деревянный цилиндр разрезается на 36 дисков (в принципе, общее количество дисков может быть и иным). Эти диски насаживаются на одну общую ось таким образом, чтобы они могли независимо вращаться на ней. На боковых поверхностях каждого из дисков выписывались все буквы английского алфавита в произвольном порядке. Порядок следования букв на различных дисках - различный. На поверхности цилиндра выделялась линия, параллельная его оси. При шифровании открытый текст разбивался на группы по 36 знаков, затем первая буква группы фиксировалась положением первого диска по выделенной линии, вторая - положением второго диска и т. д. Шифрованный текст образовывался путем считывания последовательности букв с любой линии параллельной выделенной. Обратный процесс осуществлялся на аналогичном шифраторе: полученный шифртекст выписывался путем поворота дисков по выделенной линии, а открытый текст отыскивался среди параллельных ей линий путем прочтения осмысленного возможного варианта. Хотя теоретически этот метод позволял предположить появление различных вариантов открытого сообщения, но, как показал накопившийся к тому времени опыт, это маловероятно: осмысленный текст читался только по одной из возможных линий. Шифратор Джефферсона реализует ранее известный шифр многоалфавитной замены. Частями его ключа являются порядок расположения букв на каждом диске и порядок расположения этих дисков на общей оси. Общее количество ключей огромно:= (4?1026)36.
Это изобретение стало предвестником появления так называемых дисковых шифраторов, нашедших широкое распространение в развитых странах в XX веке. Шифратор, совершенно аналогичный шифратору Джефферсона, использовался в армии США во время II Мировой войны. Однако при жизни Джефферсона судьба его изобретения сложилась неудачно. Будучи госсекретарем, сам Джефферсон продолжал использовать традиционные коды (номенклаторы) и шифры типа шифра Виженера. Он очень осторожно относился к своему изобретению и считал, что его нужно основательно проанализировать. С этой целью он длительное время поддерживал связь с математиком Р. Паттерсоном. В результате обмена информацией Паттерсон предложил свой собственный шифр, который, по его мнению, являлся более надежным, чем шифр Джефферсона. Он представлял собой шифр вертикальной перестановки с введением "пустышек". По стойкости он значительно уступал шифру Джефферсона, однако тот принял доводы своего оппонента и признал его шифр более приемлемым для использования. Таким образом, Джефферсон сам не оценил всей глубины своего собственного изобретения.
В XX веке криптоаналитики США признали высокую стойкость шифра Джефферсона. Они даже назвали его автора "отцом американского шифровального дела".
В связи с указанным эпизодом можно особо выделить два момента. С одной стороны, уже, будучи президентом, Джефферсон не навязывал употребление изобретенного им шифра. С другой стороны, поскольку его изобретение попало в архив, оно неизбежно повторилось в будущем. До обнаружения "архивного шифра" Джефферсона другие криптографы самостоятельно изобрели аналогичные шифры. В истории криптографии имеются многочисленные примеры, иллюстрирующие забвение старых идей и попытки изобретения "нового колеса". И в наши дни дилетанты от криптографии продолжают изобретать свои "недешифруемые" шифры, которые на самом деле оказываются легко раскрываемыми.
Изобретение Джефферсона в конце XIX века повторил француз Этьен Базери. Однако и его устройство - "цилиндр Базери" - было отвергнуто из-за "чрезвычайной сложности" как в изготовлении, так и в применении. Базери упростил свою систему, объявив порядок расположения букв на дисках несекретным. Ключом шифра являлся лишь порядок расположения дисков. Порядок же расположения букв алфавита для удобства запоминания образовывался из легко запоминаемых лозунгов-фраз для каждого диска так же, как описанное в [6] усложнение квадрата Полибия по лозунгу THETABLE. Однако при упрощении шифр значительно утратил свою стойкость, что и продемонстрировал Маркиз де Виари, показавший пример вскрытия этого шифра. Упрощенный вариант снова был отвергнут, а сам шифр вторично забыт.
В начале XX века трудами американца Паркера Хитта идея дискового шифратора была еще раз повторена. При этом она приняла вид "полоскового шифра", значительно более простого в изготовлении (см. рисунок). Диски заменялись полосками с нанесенным на них удвоенным произвольным алфавитом.
Полоски с удвоенным алфавитом, закрепленные в рамку, гораздо более технологичны, чем деревянные диски с алфавитом. Смысл процедуры остался тем же, что и в изобретении Джефферсона, однако сложные диски были заменены легко воспроизводимыми "полоски" из твердого материала (картона, металла и т. д.). Значимость этого изобретения заключается не в появлении новых криптографических идей, а в технологической простоте их воплощения.
В 20-х годах XX века шифр Джефферосона был изобретен в четвертый раз, причем снова в США. Криптоаналитики, повторив изобретение, пришли к выводу о достаточной стойкости и простоте этого шифра, и армия США приняла его на вооружение. Но самое главное последствие изобретения Джефферсона - появление в XX веке первых сложных электромеханических устройств. Однако для их рождения понадобились и другие изобретения, о которых будет сказано позднее.
