Диск Джефферсона , также называемый цилиндром Базери или колесным шифром [1] , — система шифрования, обычно приписываемая Томасу Джефферсону , которая использует набор колес или дисков, на каждом из которых по краю расположены буквы алфавита в порядке, который отличается для каждого диска и обычно упорядочен случайным образом.
Каждый диск маркирован уникальным номером, а отверстие в центре дисков позволяет устанавливать их на ось . Диски съемные и могут быть установлены на ось в любом желаемом порядке. Порядок дисков является ключом шифрования , и как отправитель, так и получатель должны расположить диски в одном и том же предопределенном порядке. Устройство Джефферсона имело 36 дисков, тогда как система Базериса имела 20. [2] [3]
После того, как диски были размещены на оси в согласованном порядке, отправитель вращает каждый диск вверх и вниз, пока желаемое сообщение не будет написано в одном ряду. Затем отправитель может скопировать вниз любую строку текста на дисках, кроме той, которая содержит открытое текстовое сообщение. Получатель должен расположить диски в согласованном порядке, вращать диски так, чтобы они написали зашифрованное сообщение в одном ряду, а затем просмотреть ряды, пока не увидит открытый текст.
В конце XVIII века Эдме Ренье Л'Эне популяризировал кодовые замки , известные в Европе с XV века , а их версии с буквами, как предполагается, стали предшественниками шифровальных машин. [4]
Первый прототип, напоминающий диск Джефферсона, был изобретен шведским бароном Ф. Грипенстьерной в 1786 году, но он работал по другому принципу: вместо того, чтобы заменять буквы буквами, он использовал 57 дисков для замены букв, введенных допущенным к работе должностным лицом на одной стороне устройства, цифрами на другой стороне устройства, видимыми клерку. [5]
В какой-то момент в 1790-х годах (точная дата не ясна [6] ) Томас Джефферсон описал устройство, теперь названное в его честь, с 26 буквами на колесе и предполагаемыми 36-48 колесами, и его работу в рукописи. [7] Обычно утверждается, что он сам его изобрел, но это не подкреплено никакими доказательствами, и сам Джефферсон не подразумевал этого в тексте. [8] Рукопись, по-видимому, была забыта, пока не была обнаружена в 1922 году (спустя год после того, как M-94 поступил на вооружение, см. ниже) историком Эдмундом К. Бернеттом, изучающим Континентальный конгресс . [9] Похоже, что устройство никогда не было изготовлено, [6] и Джефферсон отказался от этой идеи после того, как получил описание столбчатого транспозиционного шифра от Роберта Паттерсона в 1803 году, который он нашел более практичным. [10]
В начале 1980-х годов АНБ приобрело для своего музея большое неполное устройство типа Джефферсона (фото 1 этой статьи) с 35 остаточными дисками (из 40 первоначальных) и 42 символами, включая французские буквы, на каждом. [8] Он был датирован второй четвертью 19 века, и неясно, связано ли оно с Джефферсоном, несмотря на то, что произошло из Западной Вирджинии . [8]
Когда в 1854 году бристольский дантист Джон Х. Б. Туэйтс представил «новый» шифр (который на самом деле был просто вариантом шифра Виженера ) в « Журнал Общества искусств» , Чарльз Бэббидж в своем ответе упомянул, что ему нравится использовать «кольца из самшита, размещенные рядом на цилиндре и имеющие по двадцать шесть букв на окружности каждого». [11] Однако из этого описания неясно, были ли буквы расположены в алфавитном или случайном порядке.
Устройство , механически похожее на устройство Джефферсона, но несколько улучшенное, было независимо изобретено в 1891 году комендантом Этьеном Базери , но не стало широко известно, пока он не взломал Великий шифр Россиньоля . [12] В 1893 году французский математик Артур Жозеф Герман (более известный как основатель Éditions Hermann ) переработал устройство, чтобы использовать 18 плоских деревянных или картонных полосок. [4] Криптологи в других странах также рассматривали подобные устройства.
Цилиндр Базери был основой для американской шифровальной машины " M-94 ", которая была представлена в 1922 году и оставалась в эксплуатации до 1942 года. В 1914 году Паркер Хитт экспериментировал с устройством Базери, построив один прототип с использованием слайдов на деревянной раме, с алфавитами шифра, напечатанными дважды последовательно на слайдах, а затем другой с использованием деревянных дисков. Он передал свои эксперименты по цепочке командования Корпуса связи, и в 1917 году Джозеф Моборн усовершенствовал схему, и конечным результатом стала M-94.
M-94 использовал 25 алюминиевых дисков на шпинделе. Он использовался армией , береговой охраной и отделом радиоразведки Федеральной комиссии по связи до начала Второй мировой войны . Армия вернулась к оригинальной схеме слайдов Хитта с шифровальной машиной « M-138-A », которая была представлена в 1930-х годах и использовалась ВМС США и Государственным департаментом США во время Второй мировой войны. M-138-A имела 100 полос, из которых 30 выбирались для использования в любой одной сессии шифрования. Это было улучшением безопасности для Государственного департамента , который в межвоенные годы использовал небезопасные коды, даже в одном случае стандартный коммерческий телеграфный код.
Чтобы зашифровать сообщение, шифровальщик вращает диски, чтобы получить сообщение открытого текста вдоль одной «строки» стопки дисков, а затем выбирает другую строку в качестве шифротекста . Чтобы расшифровать сообщение, дешифровщик вращает диски на своем цилиндре, чтобы получить шифротекст вдоль строки. Расшифровка упрощается, если и шифровальщик, и дешифровщик знают смещение строки, но это не обязательно, поскольку дешифровщик может просмотреть цилиндр, чтобы найти строку, которая имеет смысл.
Например, упрощенный «игрушечный» цилиндр Базери, использующий всего десять дисков, можно организовать так, как показано ниже, при этом каждый диск «развернут» в линию и каждый помечен соответствующим номером:
Если «ключ», последовательность дисков, для этого цилиндра Базери, 7, 9, 5, 10, 1, 6, 3, 8, 2, 4и шифровальщик хочет отправить сообщение « » дешифровальщику, шифровальщик переставляет диски в соответствии с ключом и вращает каждый диск, чтобы получить открытый текст , который показан слева, с интервалами, добавленными для ясности:retreat now
Затем шифровальщик выбирает шифротекст из шестой строки цилиндра вверх от открытого текста. Этот шифротекст также выделен выше с пробелами и дает:OMKEGWPDFN. Когда дешифровщик получает зашифрованный текст, он переставляет диски на своем цилиндре в соответствии с расположением ключей, вращает диски, чтобы получить зашифрованный текст, а затем считывает открытый текст на шесть строк ниже зашифрованного текста или просматривает цилиндр в поисках строки, которая имеет смысл.
Цилиндр Базери был относительно сильной системой в то время (по сравнению со многими другими системами, которые использовались), и говорят, что Этьен Базери, французский военный криптоаналитик, считал ее нерасшифровываемой. Группа взлома кодов " Pers ZS " Министерства иностранных дел Германии взломала M-138-A в 1944 году. Однако к тому времени у американцев уже были более сложные системы шифрования.
Французский криптограф Гаэтан де Виарис (он же маркиз Гаэтан Анри Леон Виарицио ди Лесеньо), который прославился одним из первых устройств для печатного шифрования (1874), раскрыл цилиндр Базери в 1893 году. [13]
Одним из основных недостатков цилиндра Базери является то, что смещение от буквы открытого текста до буквы шифртекста для шифралфавита на каждом диске будет совершенно одинаковым. В примере, показанном выше, это смещение составляет шесть букв.
Например, если криптоаналитик нашел сообщение, зашифрованное на десятидисковом цилиндре Базери, описанном в примере выше, и захватил свой собственный цилиндр, он мог бы расшифровать сообщение, введя его в свой цилиндр и вращая его до тех пор, пока не найдет сообщение. Тем не менее, число возможных перестановок дисков в примере цилиндра Базери составляет 10! = 3 628 800. Из-за большого размера этого числа трудно выполнить вручную проверку расположения дисков методом проб и ошибок .