Розшифрування робилося зворотним чином. Букви шифрованого тексту встановлювалися по нижньому вікну, а з верхнього списувалася відповідна буква відкритого тексту. Даний шифр мав такі особливості:
– кількість знаків в алфавіті шифрованого тексту (33) була більше кількості букв в алфавіті відкритого тексту (26);
– шифрування букви відкритого тексту залежало від того, якою була попередня їй буква, що шифрувалася.
Пропозиція Уодсворта заслуговувала на увагу, незважаючи на те, що недоліком шифру була його особлива чутливість до неточностей (типу заміни та пропуску знаків у шифрованому тексті). Перекручена або пропущена буква робила весь наступний текст при розшифруванні незрозумілим. Однак історична відмова від запропонованої системи шифрування була пов'язана з іншими обставинами. В ці роки панували так звані «ручні шифри», застосування яких не вимагало спеціальних пристосувань. Ці шифри були добре засвоєні, їм вірили та їх добре знали, у зв'язку з чим пропозиція Уодсворта породжувала зайві «турботи».
Всередині XIX століття американець П. Е. Чейз запропонував модифікацію відомого шифру Полібія (див. таблицю).
Ключем шифру був порядок розташування букв у таблиці. При шифруванні координати букв виписувались вертикально. Наприклад, слово «UKRAINE» можна записати як такий дворядковий цифровий шифротекст:
1 3 3 1 3 1 2
2 2 6 3 9 6 6
Чейз запропонував ввести ще один ключ: заздалегідь обговорене правило перебудови нижнього рядка цифр. Наприклад, число, визначене цим рядком, помножувалося на 9: 2263966 х 9 = 20375694, після чого отримувався новий шифротекст:
1 3 3 1 3 1 2
2 0 3 7 5 6 9 4
Цей дворядковий запис знову перетворювався у букви згідно з вищезазначеною таблицею, при цьому перше число (2) визначало букву першого рядка. В результаті отримуємо такий шифротекст: UφSWORPM.
Шифр Чейза був більш стійким за шифр Полібія, однак розповсюдження він не мав. Його недоліками були значне ускладнення процесу шифрування-розшифрування та особлива чутливість шифру до помилок (перекручування у шифротексті).
В другій половині XIX століття відбулася революція у військовій справі. З'явилися нові засоби збройної боротьби (парові кораблі, нарізні артилерія та стрілецька зброя), комунікацій (залізниця) та зв'язку (телеграф). Поява телеграфу змістовно вплинула на розвиток криптології.
Однією з війн, у якій широко застосовувалися перераховані новинки, стала громадянська війна в США (1861—1865) між мешканцями Півночі (далі – федерали) та Півдня (далі – конфедерати). Перемогу в цій війні одержали федерали, що в результаті привело до створення США в їхньому сучасному вигляді. У цій перемозі помітну роль зіграла перевага федералів у криптологічних методах. При цьому федерали часом «винаходили» заново шифри, що були добре відомі в Європі.
У той час для передачі повідомлень вже широко використовувався телеграф. Щоб телеграфіст міг легко читати переданий текст, шифротексти повинні були бути максимально наближеними до звичайних відкритих текстів. При передачі шифротекстів, що представляли собою хаотичний набір букв, телеграфісти робили численні помилки, що істотно ускладнювало наступне розшифрування. Крім того, помилки виникали через збої при роботі телеграфних апаратів. Наприклад, для американського апарата «Морзе» були характерні помилки при передачі, за результатом яких у тексті одна буква виявлялася зайвою, або навпаки, однієї букви не вистачало. У випадку «хаотичних» шифротекстів такі перекручування нерідко приводили до неможливості розшифрування.
Крім телеграфу застосовувалися й інші способи передачі інформації, зокрема, «прапорцеві» коди. У 1856 році офіцер медичної служби Альберт Джеймс Майер (1828—1880) запропонував метод зв'язку з використанням сигнальних прапорців – прапорцевий семафор (англ. wig-wag). Для представлення різних букв використовувалися різні положення прапорця, і в такий спосіб солдати передавали повідомлення. «Прапорцеву» систему Майера застосовували як солдати північної коаліції, так і конфедерати. Для цього використовувалися природні височини. Якщо таких не виявлялося, то будувалися спеціальні вишки.
Тепер розглянемо шифри, якими користувалися федерали та конфедерати під час Громадянської війни в США. Найбільше поширення у федералів мав шифр, що включав елементи кодування та перестановки слів. Найбільш таємні слова тексту попередньо замінювалися за допомогою довгострокового коду. Наприклад, слово «COLONEL» замінювалося на «VENUS». Аналогічно, фраза «PRESIDENT OF USA» замінювалася на слово «ADAM» тощо. Заміна на позначення, що легко читалися, полегшувала роботу телеграфістів, які передавали шифровані повідомлення.
Потім кодований текст виписувався за словами порядково в прямокутник, що містив визначену кількість стовпців. Кількість стовпців у відкритому вигляді передавалося в шифрованому тексті у вигляді якого-небудь слова. Наприклад, слово «GUARD», яке стояло на початку телеграми, означало, що в прямокутнику 5 стовпців (кількість букв у слові). Потім з отриманого прямокутника слова виписувалися, наприклад, за таким правилом: перший стовпець – зверху донизу, другий – знизу нагору, третій – зверху донизу тощо. Виходив остаточний шифрований текст, що й передавався телеграфом.
Цей шифр був запропонований у 1861 році Ансоном Стейджером, першим керівником компанії «Вестерн Юніон телеграф». Після мобілізації він був призначений керівником управління військового телеграфу в Огайо. Ще до війни Стейджер запропонував такий шифр для губернатора штату Огайо, що з успіхом використовувався останнім у листуванні зі своїми колегами – губернаторами штатів Індіана й Іллінойс.
У 1862 році завдяки першому масштабному використанню телеграфа у військових целях шифр Стейджера почав застосовуватися всією армією Півночі. Досвід роботи Стейджера на телеграфі, вочевидь, привів його до системи, у якій шифротекст складався, як і в нових телеграфних кодах, зі звичайних слів, що значно менше піддавалися перекручуванням, ніж групи довільно набраних букв. У ході війни до системи були введені деякі елементарні ускладнення, що її помітно підсилили. До написаного тексту вставлялися «пустишки». Виписка стала робитися по діагоналях і змінних стовпчиках у прямокутниках, що усе більше і більше збільшувалися.
С. Беквіт, шифрувальник командувача військами федералів Уіліса Гранта, запропонував, щоб важливі терміни передавалися кодовими позначеннями, які він ретельно вибирав, щоб звести до мінімуму телеграфну помилку. Цікаво відзначити, що крім військових цим шифром користувався й керівник розвідки Алан Пінкертон, майбутній засновник знаменитого детективного агентства.
Також використовувалися прості словникові перестановки. У цьому шифрі слова відкритого тексту переставлялися за визначеним законом (ключем). Цей шифр був досить слабким. Використовувався ще один вид шифрів – багатоалфавітні системи (стосовно алфавіту шифрованого тексту), у якому будувалася таблиця розміром 26х26 (число букв латинського алфавіту).
Стовпці таблиці позначалися буквами латинського алфавіту в порядку їхнього звичайного проходження (A, B, C,Z). Рядки таблиці були довільними перестановками цих букв. Це був алфавіт відкритого тексту, що визначав верхній рядок підстановки, за яким набиралися букви відкритого тексту. Рядки таблиці використовувалися в природному порядку (перший, другий тощо) і визначали нижній рядок підстановки. Перша буква тексту шифрувалася по першому рядку, друга – по другому тощо. Правило повторювалося циклічно (27-а буква тексту шифрувалася знову по першому рядку, 28-а – по другому тощо).
У липні 1865 року сержант Е. Хоулі запропонував використовувати для цього шифру віяло, що складалося з 26 дерев'яних дощечок, на яких були записані алфавіти шифрованого тексту (рядки таблиці). Це віяло виявилося настільки ефективним у практичному застосуванні, що вперше в історії США його автору був виданий патент на шифропристрій.
У той час як федерали прийняли централізовану організацію системи зв'язку, конфедерати поширили принцип прав штатів і на сферу шифрувальної справи. Кожен командир міг за своїм розсудом вибирати власні коди та шифри. Це привело до істотних негативних наслідків, оскільки місцеві командири практично не розбиралися в шифрувальній справі.
Конфедерати використовували примітивні шифри аж до шифрів простої заміни. Наприклад, перед битвою в Шайлоу 6 квітня 1862 року генерал Джонстон домовився зі своїм заступником генералом Борегаром використовувати як військовий шифр заміну Цезаря. Зрідка вживалися книжкові шифри. Книжковим шифром користувався президент конфедерації південних штатів Джеферсон Девіс. Перед битвою під Шайлоу він послав генералу Джонстону словник для його використання як кодової книги. Додатком до словника була інструкція, в якій вказувалося, що слово «з'єднання» буде виражатися як «146.Л.20», що означало, відповідно, номер сторінки, лівий стовпчик і номер слова.
Словники використовувалися як кодові книги також у ВМФ конфедерації. Його міністр Стефан Мелорі особисто розпорядився, щоб командири кораблів здобули ідентичні примірники різних словників.
Поширені у той час були шифри типу Віженера. Збереглися, навіть, зразки таких шифрувальних пристроїв у вигляді мідних шифрувальних циліндрів. Шифрування здійснювалося за допомогою двох покажчиків (на верхній планці пристрою) на букви відкритого тексту та відповідні їм букви шифрованого тексту.
Як уже було сказано раніше, при шифруванні допускалися численні помилки. Помилками конфедератів успішно користувалися федерали для дешифрування перехоплених повідомлень. Зокрема, при використанні книжкових шифрів у якості вихідних шифровеличин вибиралися не букви, а слова й цілі вирази. При цьому конфедерати часто використовували загальнодоступні комерційні кодові книги, згідно з якими і робили заміну шифровеличин. Федералам не складно було перебирати обмежене число комерційних кодових книг і знаходити ключ. Для посилення кодування конфедерати вводили прості правила типу: якщо слово, що шифрувалося, знаходилося на 18-у місці 29-ї сторінки книги, то воно замінялося 18-м словом на 19-й сторінці. Однак подібні модифікації не бентежили федералів.
Шифрований зв'язок федералів здійснювався через Управління військового телеграфу, при якому була шифрувальна служба. Начальником військового телеграфу був майор Томас Екерт, який пізніше став головою правління компанії «Вестерн Юні-он телеграф». Управління військового телеграфу розміщалося в будинку військового міністерства, що знаходилося поруч з Білим Домом. Президент Авраам Лінкольн приділяв велику увагу організації шифрованого зв'язку та часто спілкувався з трьома молодими телеграфістами-шифрувальниками: Девідом Бейтсом, Чарльзом Тінкером і Альбертом Чендлером. Ці люди були основними криптоаналітиками Півночі.
Криптоаналітична служба федералів досягла досить серйозних успіхів. Так, наприклад, у грудні 1863 року начальник поштового відділення Нью-Йорка Абрам Уейкман, переглядаючи кореспонденцію перед відправленням, наткнувся на лист, адресований Олександру Кейту до міста Галіфакс у Новій Шотландії. Про Кейта було відомо, що той часто листувався з агентами Півдня. Тому, розкривши конверт та встановивши, що лист зашифрований, Уейкман передав його військовому міністру.
Протягом двох днів співробітники Військового міністерства марно намагалися розгадати таємничі знаки перехопленої криптограми. Потім вона була передана шифрувальникам президента Лінкольна, що взялися її прочитати. Вони швидко встановили, що невідомий автор листа використовував для його зашифрування як звичайний алфавіт, так і 5 різних шифроалфавітів. Але він вчинив нерозсудливо, розділивши слова листа комами та обмеживши одним алфавітом у межах кожного слова.
Дешифрувальники знайшли слово, що складалося з шести букв, у якому друга й шоста букви повторювалися. Потім випливало слово з чотирьох букв, за яким у свою чергу йшла фраза, послана клером: «reaches you». Вони вирішили, що за цією послідовністю шифрознаків повинна ховатися фраза «before this». Бейтс припустив, що в листі використано шифр, подібний тому, що застосовувався для позначення цін у магазині в Пітсбурзі, де він колись давно працював посильним.
Цей здогад дозволив значно просунути вперед процес дешифрування криптограми. Допомогло й виявлення знаків, що позначали місце відправлення і дату – «Нью-Йорк, 18 грудня 1863 р.». Діючи таким чином, три шифрувальники у присутності президента Лінкольна, що нетерпляче очікував результати, за чотири години прочитали шифрований лист, у якому було написано:
«Нью-Йорк, 18 грудня 1863 р. …Два пароплави відбудуть звідси приблизно на Різдво… 12 тисяч нарізних мушкетів прийшли точно за адресою та відправлені в Галіфакс відповідно до інструкцій. Ми зможемо захопити ще два пароплави, як намічено… перш ніж це дійде до вас. Ціна 2000 доларів. Нам потрібно більше грошей… Пишіть як колись…»
Два дні по тому була перехоплена та швидко дешифрована ще одна криптограма, адресована Кейту. У ній говорилося: «Передай Мемінджеру, що в Хілтона усі верстати знаходяться в зібраному вигляді та всі матриці будуть готові до відправлення 1 січня. Гравірування друкованих форм чудове».
Таким чином, з листа стало відомо, що форми для друкування грошей конфедератів виготовлялися в Нью-Йорку. Гравера Хілтона легко знайшли в Манхеттені. 31 грудня 1863 року поліцейські відвідали його помешкання, де захопили друковані верстати й матриці, а також уже видрукувані гроші на суму в кілька мільйонів доларів. Тим самим конфедерація позбавилася устаткування для виготовлення паперових грошей, яких їй бракувало. Головну роль у всій цій справі зіграли криптоаналітичні здібності, виявлені трьома молодими шифрувальниками Лінкольна. За це кожний з них одержав збільшення до зарплатні розміром у 25 доларів на місяць.
Усього за час війни Північ передала приблизно 6,5 мільйона телеграм. Конфедерати здійснювали перехоплення їхніх телеграфних повідомлень, багато з яких, зазвичай, шифрувалися. їхня кавалерія робила нальоти на пункти зв'язку, що приводило до компрометації систем шифрування федералів та дозволяло конфедератам одержувати ключі й інформацію про відкриті тексти, що відповідали відомим шифрованим текстам. Крім того, шифри федералів мали слабкості. Незважаючи на все це, конфедерати так і не навчилися розкривати шифровані повідомлення федералів.
Вони іноді, навіть, не могли правильно розшифрувати свої власні повідомлення, не дивно, що їм не вдалося прочитати жодного шифрованого повідомлення федералів. Цьому факту було б важко повірити, якби конфедерати самі не визнали його, надрукувавши у своїх газетах кілька шифрованих повідомлень із проханням їхнього дешифрування.
Федерали також захоплювали шифри Півдня та здійснювали перехоплення кур'єрів із шифрованими повідомленнями. Так, наприклад, у 1863 році під час облоги міста Віксберга війська У. Гранта захопили вісім повстанців і в одного з них знайшли криптограму. її відправили до Вашингтона криптоаналітикам Президента, які успішно справилися з черговим завданням. Хоча дешифрування цієї телеграми не допомогло Гранту «взяти» Віксберг, але воно дало федералам один з ключів, якими конфедерати користувалися під час війни.