Šifry a odesílání zpráv II.část
Napsal: 5/6/2012, 22:50
Šifry a odesílání zpráv
II.část
V první části jsem vám představila substituční šifry, ve kterých je jedno písmeno abecedy zašifrované sice víckrát, ale abecedu pořád používáme jenom jednu a proto se souhrnně nazývají monoalfabetické. Dalším významným pokrokem ve vývoji substitučních šifer byla polyalfabetická šifra, ve které šifrujeme pomocí dvou nebo více abeced a vybíráme je podle nějakého klíče. Tyto šifry otevřely bránu moderní kryptografii.II.část
Autorem polyalfabetických šifer se kolem r. 1446 stal Leone Battista Alberti (1406-1472) přední architekt, malíř, matematik a geograf, který zároveň šifrování velmi zjednodušil. Zhotovil mechanickou šifrovací pomůcku tak, že spojil dva měděné kotouče. Vnější kotouč je nehybný a jsou na něm zobrazena velká písmena od A až Z a číslice od 1 do 4. Vnitřní kotouč je pohyblivý a jsou na něm zobrazeny 24 malých písmen v náhodném pořadí. Z vnějšího kotouče je potřeba vybrat indikátorové písmeno podle kterého odesílatel správy určuje pozici vnitřního kotouče tak, že náhodně vybere pozici vnitřního kotouče a napíše malé písmeno, které se nalézá pod indikátorovým písmenem. Číslice určují změnu nastavení. Šifra je velmi bezpečná, pokud odesílatel častěji mění polohu vnitřního kotouče. Slabinou je nutnost fyzicky vlastnit kotouče a znát indikátorové písmeno. I tak ale se Albertiho kotouče v modifikované formě používaly ještě v období americké občanské války.

Albertiho šifrovací pomůcka
Alberti však svou metodu dále nerozvíjel. O její rozvoj se postaral mnich Johannes Trithemius, kterému r.1518 vyšla kniha o kryptologii a ve které uvedl tabulu recta, která tvoří základ pro polyalfabetické šifry. Dalším významným pokračovatelem v rozvoji těchto šifer byl Giovan Batista Belaso, Giovanni Battista della Porta a posléze Blais de Vigenѐr, který práci svých předchůdců dopracoval do konečné podoby (kolem r. 1585). Vigenѐr střídal 26 různých abeced u každého písmene a to tím, že používal tabulu recta, která má tolik řádků a sloupců, kolik existuje písmen. To, která abeceda se použije na které písmeno, určovalo tajné klíčové slovo, které se opakovaně psalo pod text, který bylo třeba zašifrovat. Při použití tabulky dochází ale k omylu, kdy si odesílatel může splést řádky či sloupce. Používal se tedy Albertiho kotouč bez indikátorových písmen. Vigenѐrův systém byl velmi účinný a během 17. století se postupně prosadil a další dvě století byl pokládán za dokonalý. Rozluštil ho r. 1853 Charles Babbage, který se ale neobtěžoval publikací a raději se věnoval konstrukci počítače. Nezávisle na něm, přišel na řešení i pruský důstojník Friedrich Kasiski, který ho publikoval r. 1863. Slabina Vigenѐrova systému je algebraická a plyne z logické kombinace systematického opakování klíčového slova a statistického výskytu písmenných skupin v jazyce. Luštitel se zaměří na zjištění délky klíčového slova a šifra může být prolomena.
V r. 1793 americký ministr zahraničních věcí Thomas Jefferson rozvinul Albertiho práci a vynašel mechanický šifrátor, kterému říkáme Jeffersonův válec. Skládá se z 26 stejných koleček (první verze), které jsou nasunuté na společnou os a tak vytvářejí válec. Na obvodě jednotlivých koleček jsou napsána všechna písmena abecedy v rozházeném pořadí. Při šifrovaní se jednotlivá kolečka proti sobě otáčejí tak, že nakonec dávají ve zvoleném řádku na obvodu válce požadovanou správu. Šifrovaný text se přečte z řádku následujícího anebo z jiného vybraného z 26 možných. Kolečka jsou očíslovaná a mohou být měněna nebo zpřeházena. Kdyby byla písmena Jeffersonových válců zapsána do sloupců a řádků na papíře, připomínala by Vigenѐrův systém. Výhodou při válci je však ten, že omezuje možnosti omylů a práce s ním je jednodušší. Metoda je i bezpečnější, protože má bohatší šifrovací klíč, který navíc specifikuje konkrétní pořadí kotoučů na otočném válci. Po r. 1812 se Jeffersonovy válce přestaly používat, i když zájem o ně v průběhu času párkrát ožil. Naposledy je v modifikované verzi použila americká armáda během první světové války a pod označením M-94 je používala až do začátku druhé světové války.

Jeffersonův válec
Nyní se vrátím k problematice odesílání zpráv a nechci opomenout jeden zajímavý způsob. Koncem 18.stol. ve Francii Claude Chappe začíná se svými pokusy na odeslání signálů. Experimentoval s různými technikami, ale proslavila ho nakonec soustava dřevěných v kloubu propojených trámů na konci s kratšími trámy. Z dálky vypadala konstrukce věže jako vahadlo. Věže se nejdřív postavili mezi Paříží a Lille a Chappe obdržel za svůj signalizační telegrafní přístroj uznání. Telegraf ale nebyl určen pro veřejnost. Přenášely se ním jenom oficiální zprávy. Protože přenos jednotlivých písmen trval dlouho, Chappe sestavil kódovou knihu. Chappeho telegrafy se rozšířily po celé Francii a též i jinde v Evropě. Měly i vojenské využití, např. švédský král dal postavit sérii stanic od pobřeží až ke svému hradu, aby se včas dozvěděl o vpádu Rusů na svoje území. Když se k moci dostal Napoleon, Anglie měla obavy z jeho invaze a postavila síť stanic, aby v případě útoku byla včas připravená. Napoleon dal také postavit na francouzské straně průlivu kanálu La Manche obrovský telegraf, aby bylo možné vidět dalekohledem signály na druhé straně břehu, kde mínil po invazi do Anglie, (kterou nakonec neuskutečnil), postavit podobný telegraf.

Američané vyvinuli podobný systém vizuálního telegrafu, jenom o něco jednodušší a spolehlivější a určený především pro soukromou sféru zejména pro podnikatele a makléře. Telegrafy byly často v přístavech a hojně se využívaly v námořní dopravě. Když se ke břehu přiblížila nějaká loď, připlavalo k ní kánoe, kterého posádka vyslala holuba na břeh k telegrafní stanici s informací o nákladu, aby se mohla urychleně přenášet telegrafem.
Komunikační technika, udělala obrovský skok, když se do přenosu informací podařilo zapojit elektrickou energii. Na tomto místě je potřeba připomenout genialitu Samuela Morseho, který přišel v letech 1837-38 na jednoduchý nápad: drátem vyslat elektrické impulzy a s pomocí elektromagnetu na druhém konci zapisovat anebo propichovat tečky do papírové pásky. Až později Morse vymyslel speciální kód pro přenos textu pomocí telegrafu - kombinaci teček a čárek, které tvoří Morseovu abecedu. První telegrafní linka byla zbudována r. 1844 mezi Baltimorem a Washingtonem. Avšak elektrický telegraf se dal snadno sabotovat a odposlouchávat a tak bylo potřeba, aby kryptografie pokročila o kus dál.
5.března 1918 byla zavedena německá šifra ADFGVX, která kombinuje substituci a transpozici. Už 2.června se ji však podařilo francouzskému kryptoanalytikovi Georgovi Painvinovi rozlousknout. Francouzi byli v té době nejvýkonnější kryptoanalytici, což bylo ještě v důsledku jejich zdrvující porážky v prusko-francouzské válce. Pečlivě vytvořené týmy kryptoanalytiků se denně potýkala s obrovským množstvím zpráv zachycených rádiem, na rozdíl od Němců, kteří vstoupili do války bez toho, aby měli jakýkoli útvar vojenské kryptografie. Teprve roku 1916 zřídili organizaci Abhorchdienst - zaměřenou na odposlech nepřátelských depeší.

Šifra ADFGVX připomíná Polybiův čtverec o mřížce 6x6 polí, které vyplníme náhodně 26 písmeny a 10 číslicemi. Každý řádek a sloupec mřížky je identifikován jedním ze 6 písmen: A, D, F, G, V a X. Při šifrování se postupuje následovně: V mřížce najdu písmeno, které chci zašifrovat např. "u" a nahradím ho pozicí jeho místa v řádku a sloupci mřížky tj. "GX". Zatím teda jde o jednoduchou monoalfabetickou substituční šifru. Abych šifru učinila složitější, přejdu k transpozici. Ta vyžaduje klíčové slovo, které napíšu nad zašifrovaný text a tento text vložím po písmenech do nové mřížky. Sloupce uspořádám tak, aby písmena klíčového slova byla v abecedním pořadí. Konečný šifrový text je složen pouze ze 6 písmen, které byly vybrány z důvodu, že se navzájem výrazně liší v Morseovce.
V průběhu I.sv.války získali všichni spojenečtí kryptoanalytikové výraznou převahu nad Němci. Ti dlouho žili v bláhové představě, že jejich šifry nebyly rozluštěny a dozvěděli se o tom až roku 1923, kdy Churchill publikoval, jak se Britové už roku 1914 dostali k německému kryptografickému materiálu, který jim umožnil německé depeše dešifrovat.
Jeden příběh dešifrování z období I.sv.války je obzvlášť slavný. Zachycení německého telegramu Brity 17. ledna 1917 vstoupil do dějin kryptologie jako Zimmermannův telegram a významně ovlivnil průběh I.sv.války.
Ještě v čase války, kdy USA byly neutrální, německý ministr zahraničí Arthur Zimmermann zaslal na německé velvyslanectví v USA ve Washingtonu telegram se zašifrovaným textem, který byl posléze přeposlán mexické vládě. Telegram byl však již při posílání na velvyslanectví zachycen Brity, kteří ho v britském dešifrovacím oddělení admirality zv. Kancelář č. 40 rozluštili a předali vládě USA. (Pro zajímavost uvádím, že Zimmermannův telegram rozluštil reverend Montgomery, nadaný překladatel německých teologických děl spolu s Nigelem de Grey, vydavatelem.)
Z textu v telegramu vyplývá, že Německo chce zahájit neomezenou ponorkovou válku, která by ale mohla Spojené státy americké popudit natolik, že vstoupí do války proti Německu. Německý ministr zahraničí Arthur Zimmermann se tedy rozhodl nabídnout Mexiku, pokud by za těchto okolností vstoupilo do války proti USA, že obdrží dodávky zbraní, peněz a následné územní zisky v podobě bývalého mexického území států Arizona, Nové Mexiko a Texas. Plán byl prostý: USA by nejdřív musely porazit Mexiko a až potom by se naplno mohly zapojit do války v Evropě proti Německu. Britové tedy po rozluštění Zimmermannova telegramu měli šanci k zapojení neutrálních váhajících USA do války. Samozřejmě aféra kolem Zimmermannova telegramu nebyla jediným impulzem ke vstupu USA do války, ale notně k tomu přispěla. Zachycenou verzi zprávy ale nemohli Britové předat vládě USA, protože ta by ji uveřejnila, a Němci by reagovali změnou šifrovací knihy kódů. Britové tedy vymysleli falešnou historku o tom, že rozluštěná zpráva byla ukradena podplacenými mexickými úředníky. A právě této smyšlené verzi příběhu Němci věřili až do r. 1923.
Na závěr této části povím v krátkosti o dokonalé šifře, která nemůže být rozluštěna. V r. 1917 přichází Gilbert Vernam, zaměstnanec americké firmy AT&T, se šifrou, která je dodnes známá jako jediný teoreticky bezpečný kryptosystém. Vernam vymyslel polyalfabetický šifrovací stroj schopný používat náhodný neopakující se kód. Metoda šifrování spočívá v tom, že každé písmeno zprávy zašifrujeme jiným písmenem abecedy v posunu náhodně vybraným. Klíč k rozluštění šifry tedy musí být stejně dlouhý jako odesílaná zpráva, je zcela náhodný a nelze ho znova opakovat, protože by už nebyl náhodný. Vernamova šifra se používala málo, protože dlouhý klíč se nedal zapamatovat, ale bylo si ho třeba zaznamenat a nějakým způsobem sdělit příjemci zprávy, který ovšem už bezpečný nebyl. Vernamova šifra se však díky novým poznatkům a rozvoji ve vědě dočkala svého zaslouženého vzkříšení.

Gilbert Vernam