Три дивизии за шифр

http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=dedbb616-03a2-4349-aa37-eb5efa62f744&print=1
© 2024 Российская академия наук

Три дивизии за шифр

Судьба одного человека может определить, «направить судьбу целого народа или даже всего человечества», писал Стефан Цвейг

Думается, в минуты наивысшего драматического напряжения истории влияющих на неё личностей оказывается немало. К таким безусловно относится и Владимир Котельников, выдающийся учёный, чьи работы в области криптографии внесли огромный вклад в нашу победу в Великой Отечественной войне.

При подготовке материала использованы фрагменты из готовящегося к печати очерка дочери учёного Натальи Котельниковой «Судьба, охватившая век».

Котельников Владимир Александрович (1908—2005), академик АН СССР, один из основоположников отечественной радиофизики, радиотехники, радиоэлектроники, радиоастрономии и криптографии, инженер, педагог и организатор. Его пионерские работы повлияли также на становление информатики и цифрового метода передачи сигналов, статистической и космической радиофизики, планетной радиолокации и широкомасштабных исследований космического пространства.

— Я слышал, что всякие шифры рассекречиваются. Решил разобраться, возможно ли сделать абсолютно недешифрируемый шифр. Ну, и разобрался. Доказал, что возможно. Но для этого шифр должен быть случайным и использоваться только один раз, — так учёный рассказывал об открытом им «условии одноразового ключа».

Закрытый отчёт «Основные положения автоматической шифровки»[2], где было впервые представлено строгое обоснование того, что системы шифрования с одноразовыми ключами абсолютно стойкие, Владимир Котельников сдал за три дня до начала Великой Отечественной войны. Не «разберись» он тогда, неизвестно, был бы создан «Соболь-II», была бы возможна надёжная закрытая связь Ставки с фронтом во время переломной Сталинградской битвы, остались бы живы те, кому удалось выжить?

Ещё в 1935 году перед советскими учёными была сформулирована проблема разработки систем защиты от прослушивания использовавшейся в то время для правительственной и военной коммуникации высокочастотной связи (ВЧ связи)[3]. Созданием специальной радиотелеграфной и телефонной аппаратуры для этих целей с середины 1936 года занимались сразу несколько лабораторий, исследования которых основывались преимущественно на принципе простой инверсии спектра передаваемого сигнала. В результате их деятельности появились образцы шифровальной аппаратуры «маскирующего» типа, которая делала невозможным «любительское» прослушивание, но не спасала от специального перехвата. Параллельно эту же проблему решал и Владимир Котельников с коллегами из Центрального научно-исследовательского института связи (ЦНИИС), в котором он руководил лабораторией. Учёные пытались обеспечить конфиденциальность передачи информации при помощи созданной ими уникальной аппаратуры многоканальной телефонно-телеграфной радиосвязи, установленной на магистрали Москва—Хабаровск.

— Сначала мы просто «перевёртывали спектр» (инвертировали), но быстро поняли, что это легко разгадать. Тогда стали разбивать речь на некоторые «отрезки» по частоте с инверсией спектра, и их «перепутывать».

Под руководством Владимира Котельникова был разработан первый телефонный шифратор, сочетающий в себе частотные преобразования речевого сигнала с перестановками его отрезков по времени. Реализуемые им преобразования были динамическими, то есть периодически менялись по закону распределения случайных величин, и потому их вскрытие представляло весьма серьёзную задачу даже для квалифицированных специалистов.

К началу войны в лаборатории Котельникова была разработана самая совершенная на то время система защиты радиотелефонии — система шифрования мозаичного типа — Для того чтобы было труднее расшифровать передаваемую речь, было важно сделать «отрезки», на которые мы её разбивали, как можно короче. А это проблема потому, что тогда ухудшается качество передаваемой речи, — вспоминал Владимир Александрович. — Я стал думать, как бы передавать речь не всю полностью, а как-то сжать её спектр. Начал рассматривать спектр звуков, чтобы понять, какие частоты определяющие… В это время попалась на глаза ссылка на статью Хомера Дадли[5], опубликованную в октябре 1940 года, где говорилось, что он сделал преобразователь речи — «Вокодер». Бросился смотреть, а оказалось, что там ничего конкретного не написано. Но всё равно, это было очень полезно: идея у него та же, значит, мы на правильном пути. В общем, мы начали делать свой «вокодер». И перед самой войной у нас уже работал его опытный образец. Правда, пока он ещё «говорил» плохо, «дрожащим голосом».

Это был первый вокодер в СССР. Помимо него, в процессе «преодоления трудностей» появилось и немало других изобретений; но Котельников и его коллеги их не публиковали и не патентовали, во-первых, по причине секретности разработок, а, во-вторых, на это у учёных попросту «не было времени».

— Особенно патентование — жуткая волынка. Я как-то перед войной несколько раз этим занимался, но потом бросил, — так комментировал весьма актуальную для нынешних учёных тему Владимир Котельников.

Перед войной сотрудники лаборатории Котельникова разработали самую совершенную на то время систему защиты радиотелефонии — систему шифрования мозаичного типа. Когда же начались военные действия, перед учёными поставили срочную задачу — сделать аппаратуру для секретной правительственной связи.

В середине лета 1941 года ситуация на фронте сложилась угрожающая, немцы продвигались к Москве. Началась эвакуация населения города, а позже и предприятий.

Бежать не пришлось, зато пришлось эвакуироваться лабораторией в Уфу, и оставаться там до весны 1943 года.

— В Уфе мы продолжили работы над аппаратурой «закрытой радиотелефонии», начатые в Москве. Но они сильно осложнялись тем, что по приказу значительная часть конструкторской документации перед отъездом была уничтожена. Очень многое восстанавливали по памяти.Несмотря на все трудности, уже к осени 1942 года сотрудники лаборатории Котельникова изготовили несколько образцов оборудования для секретной КВ-радиотелефонии под индексом «Соболь-II». Это была самая сложная из разрабатываемой в стране аппаратура засекречивания передаваемой информации, не имевшая аналогов в мире. Первые аппараты сразу направили под Сталинград для связи Ставки Верховного Главнокомандования со штабом Закавказского фронта, разрушенной во время боёв. (В то время в армии для связи такого уровня пользовались в основном проводными телефонными линиями. «Соболи-II» позволили установить связь посредством радиоканала.)

К началу 1943 года было налажено производство усовершенствованной серии аппаратов «Соболь-II». Сложные механические узлы уникальных шифраторов, разработанных в лаборатории Котельникова, изготавливались на одном из ленинградских заводов. Для окончательной наладки шифраторов Владимир Александрович регулярно летал в блокадный город, не раз подвергался при этом вражеским обстрелам. Готовые аппараты срочно отправляли на фронт. Как вспоминали ветераны Великой Отечественной войны, применение шифраторов Котельникова в ходе решающих боев на Курской дуге в значительной степени определило успешный исход битвы. Они обеспечивали систему кодирования речи для закрытой радиосвязи, которая практически не поддавалась вскрытию, это оказалось не по зубам даже лучшим дешифровальщикам вермахта. По сведениям советской разведки, Гитлер заявлял, что за одного шифровальщика, способного её «взломать», он не пожалел бы три отборные дивизии.

За создание шифраторов Котельников и его коллеги по лаборатории получили в марте 1943 года Сталинские премии I степени. Деньги они передали «на нужды фронта». В частности, на премию, полученную Владимиром Котельниковым, был построен танк.

Послевоенные работы Владимира Котельникова в значительной степени определили лицо эпохи глобальной информатизации и покорения космического пространства На смену шифрованию, которое условно называют аналоговым, пришло дискретное. Котельников описал возможность создания аппаратуры стойкого засекречивания телефонных переговоров на базе вокодера и шифратора. Для этого компрессированный (с помощью вокодера) спектр речи необходимо преобразовать в последовательность дискретных импульсов (по теореме отсчётов Котельникова) и осуществить засекречивание, используя модель телеграфного шифрования (в соответствии с другой теоремой, сформулированной и строго доказанной Котельниковым, — об одноразовых ключах). Разработками такой аппаратуры занялись в Марфинской лаборатории, созданной для этих целей в 1948 году. Её костяк составили сотрудники бывшей лаборатории Котельникова, поэтому их исследования велись фактически в русле предвоенных работ лаборатории Котельникова, прерванных началом войны.

Работы Владимира Александровича уже мирного времени в значительной степени определили лицо эпохи глобальной информатизации и покорения космического пространства.

Его исследования в области радиофизики, вылившиеся в уже упомянутую теорему отсчётов («Теорему Котельникова»), а также теорию потенциальной неустойчивости и ряд других, положили начало теории информации, развитию цифровых систем передачи сообщений, управления, кодирования и обработки информации — практически всей современной теории связи. Владимир Котельников внёс весомый вклад и в создание компьютеров, цифровой радиоэлектроники, спутниковой и космической связи, современных радиотелескопов.

Под его руководством разработаны первая в мире система контроля траектории ракет и уникальная система телеметрии, открыто новое направление в радиоастрономии — планетная радиолокация. В результате осуществлённых Котельниковым и его сотрудниками уникальных экспериментов по радиолокации Венеры (1961—1964 годы), Меркурия (1962 год), Марса (1963 год), Юпитера (1963 год) с высокой точностью определено значение астрономической единицы, создана и экспериментально подтверждена новая теория движения внутренних планет Солнечной системы — Венеры и Меркурия. Данные исследования, опирающиеся на релятивистские уравнения небесной механики, а также общую теорию относительности, позволили повысить точность измерения размеров Солнечной системы более чем в 100 раз. Идеи Владимира Котельникова повлияли на дальнейшее развитие всех космических программ, они и по сей день используются при создании систем управления и контроля движения космических аппаратов.