Книга Кому нужна математика? Понятная книга о том, как устроен цифровой мир - Андрей Райгородский

Конечно, любой серьезный шифр гораздо сложнее. Например, одна и та же буква, скажем А, может каждый раз обозначать разные буквы. Или, как в фильме «Семнадцать мгновений весны», буквы могут быть зашифрованы с помощью цифрового кода. Понятно, что у Штирлица в сборнике Шиллера были не стихи, а ключи для расшифровки секретных сообщений. Если бы у Штирлица не было этой книги, то для него, как и для диктора, цифры так и остались бы только цифрами.

В протоколах интернета ключом может быть всего лишь одно число, которое необходимо «подставить в формулу» для расшифровки. В данном случае «формула» – это очень длинная последовательность достаточно сложных операций.

Если вы сумели перехватить или вычислить ключ противника, то все его секреты – в вашем распоряжении. В этой главе мы расскажем, как с помощью математики удается генерировать ключи для передачи конфиденциальной информации по интернету. Причем завладеть этими ключами невозможно или по меньшей мере очень дорого – для это требуются колоссальные компьютерные ресурсы.

Но для начала давайте познакомимся со знаменитой шифровальной машиной «Энигма», которая использовалась немецкой армией во время Второй мировой войны. Это один из самых изощренных шифров той эпохи, когда шифрование еще не было таким массовым и обыденным явлением. А ключ к этому шифру нашел английский математик Алан Тьюринг.

Алан Тьюринг и «Энигма»

Фильм «Игра в имитацию» (2014) именно об этой потрясающей истории. К сожалению, в нем не объясняется, как устроена «Энигма» и как Тьюринг взломал этот шифр. Наш рассказ хотя бы частично восполнит эти упущенные подробности. Мы воспользуемся видео Кембриджского университета[14]. Очень рекомендуем посмотреть их, чтобы увидеть «Энигму» в действии.

«Энигма» совсем небольшая, по размеру сравнима с печатной машинкой. Снаружи она состоит из клавиатуры и панели, на которой расположены буквы с подсветкой. Если нажать букву на клавиатуре, скажем A, то на панели высветится другая буква, например Q. Это означает, что в шифровке в этом месте вместо А появится Q. Внутри у машины три вращающихся диска, и их положение меняется после набора каждой буквы. Диск повернулся, провода соединились по-другому, и когда мы в следующий раз нажимаем А, на панели высвечивается уже не Q, а, скажем, G.

В набор «Энигмы» входят пять дисков, использовать можно любые три, в любом порядке. У каждого диска – 26 изначальных положений. И это еще не все. В военном варианте у «Энигмы» была передняя панель с буквами и 10 кабелей. Каждый кабель соединял две любые буквы между собой, и при шифровании они менялись местами. Диски можно было перебрать достаточно быстро, но количество комбинаций на панели было настолько велико, что перебрать их было невозможно. Всего у «Энигмы» было

158 962 555 217 826 360 000

возможных изначальных установок. Каждые сутки ровно в полночь они менялись. Новое изначальное положение дисков, новые пары букв на панели. Перебрать все комбинации за 24 часа было совершенно нереально. Шифр считался неуязвимым.

Зашифрованное сообщение передавали по радио. У немецкого офицера, который его получал, была такая же машина. Кроме того, он имел секретный документ – установки «Энигмы» на каждый день текущего месяца. Это был ключ к шифру машины. Офицер соединял нужные пары букв, ставил диски в заданное исходное положение, набирал Q, и на панели высвечивалась А. Поступая и дальше таким образом, он расшифровывал секретное сообщение.

Перехватить документ с установками хоть и было непросто, но иногда удавалось, а потом месяц заканчивался и разгадать шифр опять не представлялось возможным.

Алан Тьюринг и его команда совершили настоящий прорыв. Они научились разгадывать шифр каждое утро всего за 20 минут! Мы только вкратце объясним, как им это удалось.

Прежде всего в шифре было слабое место. Буква никогда не превращалась сама в себя. Это стало хоть какой-то зацепкой. Важным оказалось и предположение, что сообщения утром начинаются с чего-то однотипного, например с прогноза погоды. По-немецки wetterbericht. Зная, что буква не превращается сама в себя, мы можем найти слово в начале шифровки, которое в принципе может обозначать wetterbericht. Теперь нужно отыскать такую изначальную установку, чтобы шифр совпал с расшифровкой.

Очень важно определить, какие буквы соединены в пары, потому что здесь вариантов особенно много. Поскольку никаких сведений нет, начинать приходится наобум. Зато дальше из первой догадки следуют сразу несколько других.

Для ускорения процесса Алан Тьюринг сделал две существенные вещи. Во-первых, он понял, что если пара букв оказалась неправильной, то и все другие пары, следовавшие из нее, тоже неправильные. А значит, их уже не надо проверять. Во-вторых, он построил огромную машину, которая с помощью электрического тока позволяла исключить все неправильные пары одновременно. Оставалось только повторить операцию для каждой позиции дисков, а на это уходило всего 20 минут.

Интересно, что принцип решения Тьюринга заключался не в том, чтобы найти правильный вариант, а в том, чтобы исключить неправильные варианты и сделать это максимально быстро! Это была огромная работа и колоссальное достижение, сильно повлиявшее на ход Второй мировой войны.

Заметим, кстати, что в математике есть понятие «машина Тьюринга», но это вовсе не та машина, которая вычисляла ключ «Энигмы». «Машина Тьюринга» – абсолютно абстрактная концепция, формально описывающая работу компьютера. Это очень важная фундаментальная концепция в математике и информатике, но она выходит за рамки нашей книги.

Сила абстрактного подхода к шифрованию

Те или иные математические методы применялись в шифровании уже давно. Тем не менее, когда задача становится по-настоящему масштабной, возникает потребность в системном подходе. Если раньше задача решалась по-разному в каждом отдельном случае, то теперь появляется теория, из которой следует не один, а целый класс методов. Эта теория начинает широко опираться на другие теории, результаты осмысливаются, фильтруются и уже в стройном виде вливаются в практику и попадают в университетские учебники.

В наше время криптография – это устоявшаяся наука. На языке, принятом в ней, задача шифрования звучит так. Есть два человека – Алиса и Боб (А и В), – которые желают передавать друг другу сообщения, но при этом не хотят, чтобы злонравная Ева (Е от английского слова eavesdropping – подслушивание), перехватившая их, смогла прочесть, о чем в них идет речь.

Чтобы было легче понять научный подход к проблеме, давайте шифровать цифры вместо букв. В конце концов, мы всегда можем заменить буквы на числа (хотя бы 1, 2, … 33). Разумеется, математикам так удобнее.

Что такое шифр? Это превращение одного числа в другое. На входе мы вводим число х, а на выходе получаем число у. Число у – это преобразование числа х. В математике это записывается известным со школы обозначением