НА ЗАРЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

В XVIII и начале XIX века в разных странах проводились опыты по использованию электрического тока для передачи информации. Первый пригодный для практического использования электромагнитный телеграф был создан нашим соотечественником бароном Павлом Львовичем Шиллингом фон Канштадтом, выдающимся учёным и изобретателем. Павел Львович был уникальным человеком, своей разнообразной и плодотворной деятельностью прочно вошёл в историю российской науки и культуры.

П.Л. Шиллинг родился в 1786 году в городе Ревель (ныне Таллин, Эстония). По примеру отца П. Л. Шиллинг выбрал военную карьеру. В 1802 году начал служить в Генеральном штабе российской армии. В 1803 году Павел Львович стал работать в Министерстве иностранных дел. В период Отечественной войны 1812–1814 годов проявляется одна из замечательных черт личности Павла Львовича – высокий патриотизм, безграничная любовь и преданность Отечеству.

Шиллинг получил назначение в действующую армию. За храбрость, проявленную в боях, в 1814 году он был награжден первым боевым орденом, а затем одной из самых почётных наград – саблей с надписью «За храбрость». В том же году, будучи с армией в Германии, заинтересовался литографией. Поясним, что литография – способ плоской печати, при котором печатной формой служит поверхность камня, обычно известняка. Изображение на литографический камень наносят жирной тушью или специальным литографическим карандашом.

После окончания войны с Наполеоном Бонапартом П.Л. Шиллинг возвращается в МИД. Шиллинг обратил внимание тогдашнего статс-секретаря министерства графа К.В. Нессельроде на полезность использования литографии. Руководство МИД тут же отправило его на родину изобретения, в Баварию. В 1817 году Шиллинг создал литографическую мастерскую в МИД и в следующем году был назначен её управляющим.

Одновременно Шиллинг выступил инициатором использования этого метода печати для размножения топографических карт и других военных документов, в том числе и шифров. С этого же времени Шиллинг становится заведующим цифирной частью МИД (шифровальной службой Российской империи).

В кругах научной и культурной общественности Шиллинг завоевал всеобщее признание литографированием китайских рукописей. Разносторонняя и одаренная личность, полковник российской армии, ученый-востоковед, член-корреспондент Российской Академии наук, П.Л. Шиллинг был другом А.С. Пушкина, К.Н. Батюшкова, Адама Мицкевича и А.И. Тургенева.

Другой областью научного знания, в которую П.Л. Шиллинг внёс значительный вклад, является электротехника. В 1812 году он впервые демонстрировал в Петербурге взрыв изобретенной им электрической мины, новые опыты были проведены в 1815, 1822 и 1827 годах. После русско-турецкой войны 1828–1829 годов электрическая мина Шиллинга была подвергнута полевым испытаниям, а с 1833 года осваивалась в специальном саперном подразделении 4 [с. 197-198].

ПРОТОТЕЛЕГРАФ

Создание электрического телеграфа стало венцом изобретательской деятельности Шиллинга. Этот аппарат он публично продемонстрировал 21 октября 1832 года. В основе действия находился эффект отклонения магнитной стрелки в результате воздействия электромагнитного поля от электрических проводов. При этом передающий и приемный аппараты соединялись кабелем, состоящим из восьми проводов.

Каждый провод при передаче включался своей клавишей. При этом приходилось для передачи одной буквы нажимать по три-четыре клавиши одновременно. На приеме каждый проводник подсоединялся к своему электромагниту с висящей над ним магнитной стрелкой. Если по проводу проходил ток, то стрелка поворачивалась. По набору состояний стрелок восстанавливалась переданная буква. Таким образом, каждая буква кодировалась своим набором нажимаемых клавиш.

В 1828 году прообраз будущего электромагнитного телеграфа был готов и испытан. Он представлял собой двухпроводный однострелочный телеграф. Аппарат содержал все основные узлы, необходимые для телеграфирования: источник питания – вольтов столб, передатчик, подключавший к каждому из 2 линейных проводов то один, то другой полюс батареи; двухпроводную линию; коммутатор, производящий переключение с приема на ожидание передачи; и, наконец, приёмник.

Для передачи латинского алфавита и цифр Шиллингом был разработан специальный код из комбинаций разного числа (от 1 до 5) последовательных сигналов, посылаемых током разного направления. Однако подобный код оказался чересчур неудобным. Процесс телеграфирования происходил очень медленно. Решение проблемы принес шестистрелочный телеграф в сочетании с более рациональным кодом. Передача всех букв русского алфавита обеспечивалась отклонением в разные стороны 1 или 2 стрелок из 6.

Интерес к изобретению в самых разных кругах русского общества был настолько велик, что демонстрация работы электромагнитного телеграфного аппарата не прекращалась почти до самых рождественских праздников. Несмотря на большой интерес общественности к новому изобретению, правительство не торопилось с его внедрением.

Только в 1836 году в России был наконец образован под председательством морского министра «Комитет для рассмотрения электромагнетического телеграфа», предложивший Шиллингу установить телеграф в здании Адмиралтейства в Санкт-Петербурге для длительных испытаний.

Аппараты располагались в противоположных концах длинного здания, провода были проложены частично под землей, частично под водой. Эта линия действовала более года. Тогда же Шиллинг предложил подвешивать линейные провода между телеграфными станциями на деревянные опоры. В мае 1837 года комитет предписал Шиллингу устроить телеграфное сообщение между Петергофом и Кронштадтом, для чего составить проект и смету.

Выполнить задачу П.Л. Шиллинг не успел, так как 25 июля 1837 года скончался. Работы Павла Львовича можно рассматривать как один из этапов работ по созданию и распространению проволочного телеграфа, они оказали большое влияние на развитие этой области науки и техники в других странах.

ПЕРВЫЙ БИГРАММНЫЙ

Научные заслуги Шиллинга хорошо известны, но вся эта деятельность осуществлялась им в свободное от основной работы время. Главным делом его жизни являлось руководство отечественной шифровальной службой, которому он посвятил почти 20 лет своей жизни.

П.Л. Шиллинг был одним из выдающихся российских криптографов XIX века. В историю криптографии Шиллинг вошёл как изобретатель биграммного шифра. По сути дела его шифр являлся комбинацией шифра перестановки с шифром многозначной замены на биграммах – двухбуквенных сочетаниях. Соответственно шифрвеличинами были не буквы, а биграммы. Шифробозначениями являлись числа, по две на каждую биграмму. Подробнее об этом шифре можно прочитать в исторических публикациях2, 4.

Этот шифр Шиллинг изобрёл, работая в цифирном отделении МИД. Среди документальных подтверждений данного факта следует отметить распоряжение К.В. Нессельроде цифирному комитету от 22 марта 1823 года: «рассмотреть шифр, предложенный П.Л. Шиллингом» 4 [с. 203], а также рапорт Нессельроде от членов цифирного комитета по этому поводу, датированный 14 июня того же года.

В российских архивах сохранились некоторые ключи к шифру П.Л. Шиллинга. О них есть сведения в «Описи цифирям», составленной Трефуртом, где наряду с данными о других цифирях, составленных со времени образования цифирного комитета, указывается, что «13 августа 1823 года от члена оного Комитета Господина Статского Советника Барона Шиллинга фон Канштадта получены его сочинения биграммный ключ № 1 и № 2, № 3 на французском языке, а также пакет с бумагами, относящимися к составлению этих цифирей...

В феврале 1824 года экземпляр № 1 биграммного шифра Шиллинга был направлен цесаревичу Константину Павловичу; в январе 1826 года тот же ключ, а также ключ № 2 переданы князю Меншикову при отправлении его в Персию; в 1828 году... Нессельроде получил третий экземпляр этого шифра при отправлении в Америку.

В 1826 году Шиллинг составил цифирь для адмирала Синявина. В 1827году этот экземпляр шифра был передан К.В. Нессельроде, а ещё три экземпляра этого шифра направлены в миссию в Вашингтон. В том же году П.Л. Шиллинг составил генеральную цифирь под № 16, партикулярные цифири № 4, 5, 6, 8, 9 и 10, а также «военный шифр» № 28 на русском языке» 4 [с. 205].В литографии, которую Шиллинг организовал и которой заведовал все годы работы в министерстве, проводились работы по размножению и копированию различных государственных документов.

Шиллингом в практику МИД был введен обычай каждый день предоставлять на просмотр министру литографированные копии с перлюстрированных документов и писем, большинство из которых в дешифрованном виде также направлялось для ознакомления государю. Материалы перлюстрации и дешифрования переписки были обычной темой обсуждения на заседаниях цифирного комитета. Постоянное увеличение числа корреспондентов шифрованной связи, рост объёма шифропереписки повлекли за собой настоятельную необходимость в поисках способа быстрого размножения шифродокументов, и здесь литография Шиллинга играла очень важную роль.

Шифры П.Л. Шиллинга использовались вплоть до начала ХХ века. В основном они были ориентированы на французский язык. В нарушение существовавших правил, эти шифры в неизменном виде использовались на протяжении около 20 лет, что естественно, не могло не сказаться на их стойкости. Предлагались усовершенствования этого шифра. Нередко в качестве его усложнения использовались дополнительно вариации шифра перестановки.

ПОД ЗАЩИТОЙ ТОЧЕК И ТИРЕ

В заключении расскажем о влиянии появления телеграфа на развитие криптографии. В 1844 году С. Морзе передал первую телеграмму по проводному телеграфу, своей конструкции: «Вот что сотворил Бог!». При этом Морзе использовал специальную азбуку для кодирования букв, получившую название «азбуки Морзе». Многие прежние шифры стали непригодными для использования на телеграфных линиях связи. Так, например, экзотическая замена букв на замысловатые знаки типа пляшущих человечков из знаменитого рассказа А. Конан-Дойля оказалась принципиально неприемлемой.

Уже в 1845 году Ф. Смит, юрист С. Морзе, опубликовал коммерческий код под названием «Словарь для тайной корреспонденции; приспособлен для применения на электромагнитном телеграфе Морзе». Для обеспечения безопасности предлагалось применять код с перешифровкой, легко реализуемый на телеграфных линиях связи. В последующем развитие шифровального дела и создание механических шифровальных устройств шло с учетом использования их в телеграфной связи.

Хотя П.Л. Шиллинг опередил Морзе в создании телеграфа на 12 лет, аппарат Морзе оказался более удобным в практической реализации, и именно он получил широкое распространение. Увеличение количества линий связи приводило к необходимости разрабатывать новые шифры и коды, удобные для закрытия секретной информации, передаваемой с помощью телеграфа.

Примерно с 1848 года телеграфия становится большим бизнесом. Поскольку телеграфные передачи стоили недёшево, и эта стоимость определялась количеством букв передаваемого сообщения, то сразу же были предложены эффективные методы «сжатия» информации. А именно несекретные телеграфные коды, в которых буквы, слова, фразы «сжимались» до коротких буквенно-цифровых единиц передаваемого текста.

Однако при передаче секретных сообщений, помимо такого несекретного кодирования, по необходимости должны были использоваться шифры для шифрования кодированного сообщения.

Телеграфная передача сопряжена с неизбежными искажениями сообщения в линии связи. Поэтому появилось новое направление в кодировании – помехоустойчивое кодирование. За счет избыточности, вводимой в передаваемое сообщение, на приёмном конце появлялась возможность устранить эти искажения. Одновременно увеличилось внимание к такому свойству шифров, как помехоустойчивость. Одной из самых неприятных ситуаций, связанных с искажениями, является такая, когда сообщение на приёмной стороне воспринимается как текст иного содержания. Приведём пример.

Слово baneful («губительный»), имеющее в азбуке Морзе вид: −.−… .− −. …−. ..−.−..

может превратиться в слово dutiful («обязательный»): −.. ..− −.. ..−. ..−.−..

Такие искажения приводили к дезинформации приёмной стороны, и порождали серьёзные негативные последствия. Так, в 1887 году в США один торговец шерстью направил своему агенту телеграмму с указанием продать большой объем шерсти и затем ждать дальнейших указаний. Обмен посланиями был защищен разработанным торговцем собственным секретным кодом, в котором шифробозначения букв также имели вид азбуки Морзе.

В процессе обмена сведениями в результате искажения слово «продай» превратилось в «купи»; такое указание получил агент и выполнил его. В результате торговец потерял несколько десятков тысяч долларов. Он подал в суд на телеграфную компанию. Его иск был удовлетворен своеобразным образом: компанию обязали выплатить торговцу стоимость искажённой телеграммы – чуть больше $1.

Такого рода искажения приводили к необходимости предпринимать меры защиты. Наиболее важные места сообщений дублировались, что приводило к увеличению расходов на связь. Использовали так называемый «двухбуквенный дифференциал»: ключевые слова должны были отличаться друг от друга не менее чем 2 буквами.

Это приводило к появлению большого числа неологизмов – слов, не являющихся общепринятыми в данном языке, т.е. вырабатывался телеграфно-кодовый язык, имеющий вид жаргонных кодов. Наконец, начали применяться помехоустойчивые коды, позволявшие обнаруживать и устранять искажения. Но это опять привело к удорожанию связи.

ВАВИЛОНСКОЕ КОДОТВОРЕНИЕ

Учитывая повышенные требования к точности передачи шифрованных телеграмм, телеграфные компании повысили цену за их передачу. Телеграфисты утверждали, что они вынуждены тщательно и побуквенно передавать нечитаемые тексты, что существенно снижало эффективность их работы по сравнению с передачей обычных «осмысленных» сообщений. В ответ пользователи шифров попытались придать шифрованному (кодированному) сообщению «осмысленный вид», хотя бы на уровне имеющихся в шифртексте «слов».

Поэтому в 1889 году в Лондоне была проведена специальная конференция, посвященная толкованию понятия «шифрованная телеграмма». Наконец, в 1890 году конференция в Париже ввела в обращение официальный словарь кодового языка, содержащий лишь «читаемые слова». Этот словарь вызвал бурю протестов, поскольку, по существу, запрещал передачу секретных (шифрованных) сообщений.

Участники конференции, проводившейся в Лондоне в 1903 году, отказались от единого словаря. Было разрешено применять искусственные слова, но при условии, что они будут состоять из «читаемых и произносимых слов» и их длина не будет превышать 10 букв. И все же в 1932 году на конференции в Мадриде все ограничения по кодированию и шифрованию были сняты.

В 1904 году в Англии появился словарь Уайтло для кодобозначений. По утверждению автора, он содержал 400 млн. произносимых слов. Слова имели вид FREAN, LUFFA, LOZOI, FORAB и т.д., т.е. все слова были пятибуквенными. Уайтло допускал соединение слов для обозначения нового словообразования.

Почти каждая промышленная или коммерческая компания разрабатывала секретные коды для собственных нужд. Появились коды торговцев автомобилями, коды банкиров, биржевых маклеров и т.д. Это вызвало создание специальных профессиональных «криптографических групп», которые «по заказу» составляли секретные коды для пользователей с учётом их профессионального языка.

Такие коды стоили достаточно дорого, они стали обычным рыночным товаром. Составляемые ими кодовые книги по объему были сравнимы со словарем английского языка. Появился рынок торговли кодами. При этом возникли и разноязычные коды, предназначенные для корреспондентов, говорящих на разных языках. Были созданы и многоязычные кодовые книги.

Вернёмся к проблемам, порождённым в криптографии появлением телеграфа. Сопряжение аппаратуры шифрования с техникой, передающей телеграфные сообщения, существенно повысило требования к быстродействию процесса шифрования. Шифрование при непосредственной передаче сообщения должно производиться в том темпе, который диктует телеграфный аппарат.

Телеграфная связь значительно увеличила количество передаваемых сообщений, в том числе секретных. Потребовалась разработка новых шифров с легкой сменой ключей. Это также стимулировало развитие криптографии. Одновременно телеграфная связь существенно затруднила перехват сообщений. Оказалось, что перехватить сообщение стало гораздо сложнее в техническом смысле, чем перехватить гонца с документами или получить документы через почтамты.

Конечно, можно было завербовать телеграфиста, но этот путь получения посланий оказался недостаточно эффективным. Поэтому начала создаваться техника тайного съёма информации с телеграфных линий связи. Одновременно возникла проблема обнаружения такого тайного съёма. Однако именно телеграф стал в XIX веке эффективным методом обеспечения оперативной связи, в том числе секретной, между удаленными друг от друга абонентами.