Вадим Гребенников - Европейская криптология. История спецсвязи

В конце 1948 года в секретной лаборатории в городке Феофания под Киевом под руководством С.А. Лебедева (в то время — директора Института электротехники АН Украины и по совместительству руководителя лаборатории Института точной механики и вычислительной техники АН СССР) начались работы по созданию Малой электронной счётной машины (далее — МЭСМ).

МЭСМ была задумана Лебедевым как модель Большой электронной счетной машины (далее — БЭСМ). Вначале она так и называлась — Модель электронной счетной машины. В процессе ее создания стала очевидной целесообразность превращения ее в малую ЭВМ. Для этого были добавлены устройства ввода и вывода информации, память на магнитном барабане, увеличена разрядность. И слово «модель» было заменено словом «малая».

Лебедев выдвинул, обосновал и реализовал в первой советской машине принципы построения ЭВМ с хранившейся в памяти программой. МЭСМ занимала целое крыло двухэтажного здания (60 кв. м) и состояла из 6 тысяч электронных ламп. Примечательно то, что проектирование, монтаж и отладка машины были выполнены в течение трех лет. При этом в разработке участвовали лишь 11 инженеров и 15 технических сотрудников. Тогда как на разработку первого в мире американского электронного компьютера «ENIAC» ушло 5 лет и было задействовано 13 разработчиков и более 200 техников.

4 января 1951 года приёмной комиссии был продемонстрирован действующий макет МЭСМ, а 25 декабря она была введена в эксплуатацию: в тот день на ней было получено решение реальной задачи — вычисление функций распределения вероятностей, — за 2,5 часа было выполнено 250 тысяч операций и получено 585 значений с точностью до 5-го знака. В то время это был самый мощный компьютер в континентальной Европе.

Разработанные Лебедевым основы построения ЭВМ без принципиальных изменений используются и в современной вычислительной технике. Теперь они общеизвестны:

1) в состав ЭВМ должны входить устройства арифметики, памяти, ввода-вывода информации, управления;

2) программа вычислений кодируется и хранится в памяти подобно числам;

3) для кодирования чисел и команд следует использовать двоичную систему счисления;

4) вычисления должны осуществляться автоматически на основе хранимой в памяти программы и операций над командами;

5) в число операций помимо арифметических вводятся логические — сравнения, условного и безусловного переходов, конъюнкция, дизъюнкция, отрицание;

6) память строится по иерархическому принципу;

7) для вычислений используются численные методы решения задач.

После МЭСМ началась разработка специализированной ЭВМ (далее — СЭСМ) для решения систем алгебраических уравнений (главный конструктор З.Л. Рабинович). Основные идеи построения СЭСМ выдвинул С.А. Лебедев. Это была его последняя работа в Киеве. Впоследствии специализированные ЭВМ (различного назначения) стали важным классом средств вычислительной техники. Это еще раз говорит о прозорливости ученого, выдвинувшего идею специализации ЭВМ на заре их создания.

После Второй Мировой войны криптоаналитики всех стран начали развивать компьютерные технологии и применять ЭВМ для раскрытия любых видов шифров. Теперь они могли использовать быстродействие и гибкость программируемых компьютеров для перебора всех возможных ключей, пока не будет найден правильный. Но время шло, и уже криптографы начали пользоваться всей мощью компьютеров для создания всё более и более сложных шифров. Короче говоря, компьютер сыграл решающую роль в послевоенном поединке между шифровальщиками и дешифровщиками стран-противников.

Применение компьютера для шифрования сообщения во многом напоминает обычные способы шифрования. И в самом деле, между шифрованием с использованием компьютеров и шифрованием с использованием механических устройств, как например, «Энигмы», существует всего лишь три основных отличия. Первое отличие заключается в том, что можно построить механическую шифровальную машину только ограниченных размеров, в то время как компьютер может имитировать гипотетическую шифромашину огромной сложности.

Так, например, компьютер мог бы быть запрограммирован так, чтобы воспроизвести действие сотен шифраторов, часть из которых вращается по часовой стрелке, а часть — против, некоторые шифраторы исчезают после каждой десятой буквы, а другие в ходе шифрования вращаются всё быстрее и быстрее. Такую механическую машину в реальности изготовить невозможно, но её виртуальный компьютеризованный аналог давал бы исключительно стойкий шифр.

Второе отличие заключается просто в быстродействии: электроника может работать намного быстрее механических шифраторов. Компьютер, запрограммированный для имитирования шифра «Энигмы», может мгновенно зашифровать длинное сообщение. С другой стороны, компьютер, запрограммированный на использование существенно более сложного способа шифрования, как и раньше, способен выполнить своё задание за приемлемое время.

Третье и, по-видимому, наиболее существенное отличие — это то, что компьютер выполняет шифрование чисел, а не букв алфавита. Компьютеры работают только с двоичными числами — последовательностями единиц и нулей, которые называются «битами». Поэтому любое сообщение перед шифрованием должно быть преобразовано в двоичные знаки, после чего осуществляется его шифрование.

Вместе с тем, шифрование, как и раньше, выполняется с помощью традиционных способов замены и перестановки, при которых элементы сообщения заменяются другими элементами, меняются местами или применяются оба способа вместе. Любой процесс шифрования можно представить как сочетание эти двух простых операций.

В то время компьютерное шифрование ограничивалось только тем кругом лиц, у кого имелись компьютеры: сначала это были правительственные и военные учреждения. Однако ряд научных открытий и инженерно-технологических достижений сделали компьютеры и компьютерное шифрование намного более доступными. Так, в 1947 году американской компанией «AT&T Bell Laboratories» был создан транзистор — дешёвая альтернатива электронной лампе.

Использование компьютеров для решения промышленных и коммерческих задач стало реальностью в 1951 году, когда компания «Ферранти» (англ. Ferranti) начала изготовлять компьютеры на заказ. В 1953 году компания «IBM» изготовила свой первый компьютер, а через 4 года она же создала язык программирования «Фортран» (англ. Fortran — сокращение от «Mathematical Formula Translating System» — система трансляции математических формул), что позволило рядовым гражданам «писать» компьютерные программы. А появление в 1959 году первых интегральных схем вообще определило начало новой эры мировой компьютеризации.