До Фридмана криптоанализ существовал как чистая наука, которая ничего не использовала из других отраслей знания и ничем их не обогащала. Подсчёты частоты встречаемости букв, использования языковых характеристик, специфические методы раскрытия шифров — всё это было характерным исключительно для криптоанализа. Фридман же вывел криптоанализ из этого состояния одинокого существования и совместил его со статистикой.
Когда Фридман отнёс криптоанализ к категории статистических исследований, он тем самым широко раскрыл двери в богатый арсенал средств, которыми криптоанализ никогда не пользовался. Эти средства идеально подходили для изучения статистического поведения букв и слов. Криптоаналитики с благодарностью восприняли нововведения Фридмана и с тех пор с успехом применяют их на практике.
Важнейшим вкладом Фридмана в данной сфере стоит считать введение термина «криптоанализ» (англ. cryptanalysis), который он впервые использовал в 1920 году, чтобы устранить постоянную путаницу в криптологии — двусмысленность глагола «расшифровать», означавшего тогда любое превращение криптограммы в открытый текст. А позже, в 1935 году он впервые ввёл в обиход термин «криптология» (англ. cryptology).
В конце 1920 года Фридман и его жена оставили Ривербэнк. 1 января 1921 года он заключил шестимесячный контракт с войсками связи на разработку шифросистем в Секции кода и шифра «CCS». Там Фридман применил свои методы в работе с шифровальными машинами, что сразу же продвинуло Америку в первые ряды мировой криптологии. Когда срок контракта закончился, он был назначен главным криптоаналитиком «CCS».
Одной из первых служебных задач Фридмана стала преподавательская деятельность в школе войск связи. Для этого он написал учебник, в котором ликвидировал путаницу, господствовавшую в криптологической терминологии. Кроме преподавательской деятельности в разных военных школах страны, Фридман в эти годы опубликовал ряд исследовательских работ, методических и учебных пособий. Особенно значительным стал выпущенный им в 1923 году учебник «Элементы криптоанализа» (англ. Elements of Cryptanalysis), который стал базой новой научной дисциплины.
Достаточно значительный взнос сделала в американскую криптологию и жена Уильяма Фридмана. В то время как её муж работал на Вооруженные силы США, Элизабет Фридман занималась решением достаточно схожих задач для министерства финансов, где в годы «сухого закона» раскрывала коды бутлегеров.
Когда же это министерство решило создать собственную криптослужбу, миссис Фридман возглавила её, оставаясь на данной должности в течение 18 лет. После этого одарённая женщина создавала систему шифросвязи для Международного валютного фонда, а также для спецслужбы «OSS», из которой впоследствии образовалось Центральное разведывательное управление (ЦРУ).
Между тем сферы деятельности Фридмана постоянно расширялись. В 1924 году он выступил в комиссии Конгресса по поводу прочтения некоторых шифрованных сообщений, связанных с уголовным делом по махинации с нефтеносными участками. А в 1927 году он написал статью о кодах и шифрах для «Британской энциклопедии».
Когда в 1930 году Фридман стал руководителем разведывательной службы связи «SIS», он организовал интенсивную программу обучения криптологии гражданских служащих и привлёк к работе трёх молодых криптоаналитиков, каждому из которых было не намного более 20 лет.
Это были учителя математики Фрэнк Роулет (Frank Rowlett) (1908-98), Абрахам Синков (1907–1998) и Соломон Кульбек (Solomon Kullback) (1907-94). Они прошли подготовку в тренировочных лагерях в Форт-Миде, после чего получили звание офицеров запаса.
После завершения учёбы им была поручена работа по разработке сборников шифров для Армии США, а также тестированию аппаратуры коммерческого шифрования, которую изготовители предлагали правительству США. Так было положено начало созданию солидной криптологической организации, которая существует в США и поныне.
Несмотря на свою немногочисленность, в 1930-х годах ей удалось выполнить большой объём работ в сфере совершенствования армейских кодов и шифров, подготовки специалистов и создания новой аппаратуры шифрования и радиоразведки.
Постепенно, несмотря на депрессию и изоляционизм, группа Фридмана расширялась и «становилась на ноги». В 1935 году она раскрыла дипломатический код японской машины «91-shiki O-bun In-ji-ki», не имея даже перехваченных зашифрованных этим кодом сообщений. Название переводилось как алфавитная печатная машинка 91.
Число 91 было сокращённым наименованием 2591 года по японскому календарю, который соответствовал 1931 году. Она также имела и другое название — шифромашина типа «А» (англ. Type A Cipher Machine), которую американские криптоаналитики назвали «красной» (англ. red).
Этот успех способствовал росту авторитета «SIS», а также увеличению её финансирования правительством США и росту численности персонала. В 1938 году японцы начали использовать для передачи дипломатической корреспонденции шифромашину «97-shiki O-bun In-ji-ki» (алфавитная печатная машинка 97), то есть выпуска 1937 года.
Она также имела и другое название — шифромашина типа «В» (англ. Туре В Cipher Machine), которую американские криптоаналитики назвали «пурпурной» (англ. purple). Японцы обычно ссылались на неё как на «машину» или «J». Эти названия были даны ей японским флотом, адаптировавшим немецкую шифромашину «Энигма» к своим условиям и затем одолжил её МИД, а тот, в свою очередь, приспособил её к своим условиям.
В полной мере гений Фридмана проявился в работе по раскрытию «пурпурной» машины. Он вспоминал, что «когда впервые появилась «пурпурная» машина, она стала такой сложной проблемой, что наш начальник связи попросил нас всех направить на её решение все усилия.
После того, как мои подчинённые не смогли добиться значительных успехов, Моборн попросил меня лично заняться этим делом. В то время я, в основном, осуществлял административные функций, но по его просьбе я оставил всё, что только было можно, и начал работать вместе с группой».
Прокладывая путь с помощью лично разработанных методов, Фридман вёл своих криптоаналитиков сквозь лабиринты «пурпурной» машины. Он организовывал команды для исследования разных предположений. Некоторые оказывались бесплодными, и их единственным результатом становилось убеждение, что таким путём идти не следует.
Фридман и его коллеги начали выделять шифрованные буквы в циклы, отвечавшие ротации дисков, — сначала очень медленно, а затем по мере накопления информации всё быстрее и быстрее.
В роботе Фридмана выделяла постоянная деятельность ума, занятого этой сложной головоломкой, постоянные рассуждения над темой, даже во время еды, хроническая бессонница, твёрдый натиск на всех, с кем работал, потому что он понимал значение своей работы для государства. Когда задача казалась почти нерешаемой, нечеловеческая работа ума, огромное нервное напряжение и пережитые разочарования, а также срочность и секретность работы непрерывно «давили» на его мозг.
Прорыв произошёл, когда криптологи попробовали использовать шаговые искатели, которые применялись в телефонии. По счастливому совпадению они работали, основываясь на том же принципе, что и переключатели «пурпурной» машины. Это произошло в августе 1940 года, когда Уильяму Фридману было 48 лет. В конце 1940 года криптослужба военно-морской контрразведки смогла создать свой вариант «пурпурной» машины. После этого криптоаналитики раскрыли устройства японских шифровальных машин «Jade» и «Coral».
Несмотря на загруженность криптоаналитической работой, Фридман в 1936 году создал шифромашину М-325 «SIGFOY», которая было ответом немцам на машину «Энигма». Патент на машину был подан 14 августа 1944 года, но выдан только 17 марта 1959 года. Машина содержала три промежуточных и один обновляющий диски. В период с 1944 по 1946 годы машин М-325 было изготовлено 1100 штук. Однако из-за проблем, связанных с их несовершенством, которые приводили к шифровальным ошибкам, изготовление и использование М-325 было прекращено в 1946 году.
Вместе с тем, гениальный криптоаналитик Фридман не выдержал нагрузки, связанной с раскрытием японских шифров, и 4 января 1941 года был помещён в госпиталь Уолтера Рида в связи с нервным расстройством. Выписался Фридман только 24 марта и был вынужден пойти в отставку по инвалидности, но ему было разрешено остаться в службе радиоразведки в качестве гражданского лица.
Кроме того, в соответствии с общим соглашением союзнических спецслужб члены группы Фридмана принимали участие в работе с британскими криптоаналитиками и работали в Школе кода и шифра в Блетчли-Парке. Так, в январе-апреле 1941 года капитан Синков находился в составе делегации американских спецслужб в Великобритании для обмена информацией по программе дешифровки кодов противников. А в мае 1942 года в командировке в Великобритании находился майор Кульбек. Вскоре по возвращении в США он возглавил японское направление в службе дешифровки.
В 1944 году Фридман получил Награду за исключительную гражданскую службу (англ. Commendation for Exceptional Civilian Service). В 1946 году он был награждён президентской Медалью за заслуги (англ. Medal for Merit), одной из высших гражданских наград США.
В 1947 году Фридман стал директором коммуникационных исследований Армейского агентства безопасности «ASA» (англ. Army Security Agency) и подал просьбу о снятии грифа секретности с одной из изобретённых им, но не запатентованных шифровальных машин. Коммерческое использование таких машин могло быстро превратить его в состоятельного человека. После того, как в просьбе ему было отказано, Фридман подал в суд на федеральное правительство.
Зимой 1949–1950 года он был опять госпитализирован с повторным обострением депрессии, а в 1955 году перенёс инфаркт миокарда. В том же году Фридман вышел на пенсию по состоянию здоровья и покинул АНБ, но продолжил консультировать НАТО по вопросам криптологии до конца 1950-х годов. В 1955 году он был награждён Медалью национальной безопасности (англ. National Security Medal), высшей наградой ЦРУ.
Лишь в 1956 году Фридман выиграл суд и получил компенсацию в размере ста тысяч долларов за ущерб, нанесённый грифом секретности. В феврале 1963 года он был в третий раз госпитализирован с припадком тяжёлой депрессии, а 2 ноября 1969 года умер после двух повторных сердечных приступов.
Коллега Фридмана Абрахам Синков после войны служил в «ASA», а в 1949 году, когда было создано Агентство безопасности вооруженных сил «AFSA» (англ. Armed Forces Security Agency) — первая централизованная криптологическая организация в США, он стал в ней руководителем программы безопасности коммуникаций и сохранил эту должность при реорганизации агентства в АНБ в 1952 году.
В 1954 году Синков стал вторым сотрудником АНБ, который закончил Национальный военный колледж (первым был Луи Торделла). Вернувшись в АНБ, он стал помощником директора, поменявшись местами со своим старым коллегой Роулетом. Синков вышел в отставку в 1962 году в звании полковника. В 1966 году он написал книгу «Элементарный криптоанализ: математический подход», которая была одной из первых книг по криптологии, доступных для широкой общественности.
Второй коллега Фридмана Фрэнк Роулет в 1945 году стал начальником «ASA», а в 1949 году — техническим директором Оперативного директората «AFSA». После реорганизации агентства в АНБ в 1952 году он перешёл на работу в ЦРУ, а с 1958 года работал в АНБ как специальный помощник директора.
В 1965 году Роулет возглавил Национальный институт криптографии, и в этом же году Президент США наградил его Медалью национальной безопасности (англ. National Security Medal) за «взлом» японского «пурпурного» шифра. В 1964 году Конгресс США выплатил Роулету 100 тысяч долларов в качестве частичной компенсации за его секретные изобретения. За заслуги в области защиты информации Американская организация безопасности информационных систем (англ. Information Systems Security Organization) учредила награду имени Роулета (англ. Frank Byron Rowlett Award).
Третий коллега Фридмана Соломон Кульбек с 1952 года работал в отделе криптоанализа АНБ. Его сотрудники первыми освоили такие виды машинной памяти, как магнитные ленты и магнитные барабаны, а также многозадачный режим работы компьютеров и вели работы в области кибербезопасности. Кульбек уволился из АНБ в звании полковника в 1962 году, после чего преподавал в университете Джорджа Вашингтона и вёл научную работу.
За значительный вклад в криптологию имена Уильяма Фридмана, Абрахам Синкова, Фрэнка Роулета и Соломона Кульбека увековечены в Зале славы АНБ и Зале славы военной разведки США. В 1999 году в Зале Славы АНБ был установлен также и бюст Фридмана с надписью «Глава американской криптологии» (англ. Dean of American Cryptology).
7. Создание скремблера
Работы по созданию средств и методов засекречивания телефонных переговоров были начаты американскими инженерами вскоре по окончании Первой Мировой войны. Созданный ими первый образец аппаратуры «закрытой» телефонной связи получил название «скремблер» (англ. scrambler — шифратор) и использовался при передаче сообщений конфиденциального характера по радиотелефону между Лос-Анджелесом и удалённым от него на 20 километров островом Каталина.
«Закрытие» канала связи достигалось в скремблере за счёт частотной инверсии спектра речевого сигнала, в процессе которой осуществлялось превращение низкочастотных составляющих спектра в высокочастотные и наоборот. В результате такого превращения телефонное сообщение становилось неразборчивым в случае его приёма посторонним лицом с помощью обычного радиоприёмника.
В то же время на приёмной стороне радиолинии, оборудованной скремблером, осуществлялось аналогичное обратное превращение спектра принятого речевого сигнала, с помощью чего происходило восстановление исходного сообщения.
В 1920-е годы в США был разработан новый скремблер на базе применения более совершенного метода «закрытия» телефонных сообщений. В соответствии с ним спектр речевого сигнала в результате фильтрации разделялся на пять частотных полос равной ширины, после чего осуществлялась их частотная инверсия и перестановка по некоторому правилу, которое менялось каждые 20 секунд.
Указанный метод был использован при создании первой американской аппаратуры телефонного засекречивания, названной «А-3». Она была принята в эксплуатацию в 1937 году и использовалась американской компанией «IТТ» (англ. International Telephone and Telegraph) для обеспечения засекреченной связью высших должностных лиц из числа политического и военного руководства США.
Принцип засекречивания «А-3» состоял из инверсии и перестановки пяти поддиапазонов частот. Из 3840 возможных комбинаций (5x25) фактически использовались лишь шесть, которые менялись 36 раз в течение каждых 20 секунд. Криптографическая слабость аппаратуры компенсировалась регулярным изменением частот передачи.
Система «А-3» достаточно часто использовалась Президентом США Франклином Рузвельтом для телефонных переговоров с Премьер-министром Великобритании Уинстоном Черчиллем, а также с американскими послами за рубежом. Однако, по мнению американских военных специалистов, она не обеспечивала в полной мере секретность радиопереговоров и позволяла лишь исключить их случайное прослушивание посторонним лицом. В случае же систематического радиоперехвата телефонных сообщений существовала достаточно высокая вероятность того, что дешифровальной службе противника удастся восстановить их содержание.
Из-за этого отдельные военачальники относились к системе «А-3» с недоверием и считали, что лучше пользоваться радиотелеграфной связью с применением обычной шифровальной аппаратуры. К «осторожным» относился и генерал Д. Маршалл, который неоднократно рекомендовал президенту Ф. Рузвельту отказаться от использования системы «А-3» для ведения секретных переговоров с послами США за рубежом. Предостережения генерала были небезосновательными.