dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Какими базовыми свойствами должно обладать приложение (например, для смартфона) и соответствующий сервис, которые претендуют на роль современного суперзащищённого мессенджера? Часть “супер-” – здесь важна. Это не конкретные технические свойства, а, скорее, свойства-признаки, позволяющие строить предположения о реальной безопасности и “приватности” приложения. Дело в том, что про такие приложения периодически делают какие-то заявления, в стиле, что “разработали” или “разработают”, но далеко не всегда заявления сопровождаются подробным содержательным описанием проекта. Все приведённые ниже свойства довольно трудно реализовать, а сам список – скорее иллюстрирует сложность построения системы. Возможно, подобных популярных приложений пока не появилось именно по причине этой сложности.

Естественно, конкретный набор свойств, их интерпретация – зависят от выбранной модели угроз. В нашем случае, с целью экономии букв, конкретная модель угроз вынесена за скобки. Так как описываемые свойства это не технические требования, а признаки, позволяющие составить предварительное мнение о степени безопасности конкретного типа приложения, просто встанем на “фольклорную” точку зрения и предположим, что гипотетический мессенджер должен защищать от продвинутого технического противника, который перехватывает и подменяет трафик, а также может проводить другие активные атаки на любых технических уровнях. Поэтому в список даже не входят рассуждения о том, что типичный смартфон-носитель не контролируется его пользователем, а уже одно это легко сводит к нулю все утверждения о защищённости приложения.

Итак, список свойств. Некоторые из них совсем очевидны, некоторые – очевидны в меньшей степени, есть и неочевидные.

1. Ни в каком виде не должно быть авторизации по телефонному номеру. Тем более – привязки аккаунта к телефонному номеру. Телефонный номер – это ресурс оператора связи. Следует считать, что оператор связи решает собственные задачи и вовсе не собирается участвовать в обеспечении безопасности очередного “безопасного” мессенджера.

2. Не должно быть централизованного инструмента для “восстановления аккаунта”. То есть, если пользователь совсем потерял все свои реквизиты доступа, то, к сожалению, это означает, что он потерял и доступ, без возможности восстановления. Дело в том, что наличие централизованного инструмента восстановления аккаунта (типа, “получите код в SMS”), означает, что внутри мессенджера встроен механизм перехвата аккаунтов. Ключевое понятие здесь: “централизованный”. Это, естественно, не отменяет дополнительных резервных реквизитов и защищённых распределённых инструментов восстановления доступа.

3. Идентификация аккаунта проводится по отпечатку некоторого криптографического ключа (или “токена”), секретная часть которого находится у пользователя. Этот принцип соблюдается далеко не всегда, но только такой вариант позволяет разделить “адресацию” на уровне сообщений пользователей и всю прочую адресацию (IP-адреса узлов, доменные имена, телефонные номера и пр.). Привязка идентификатора к реальному пользователю происходит за пределами мессенджера.

4. Протоколом обмена сообщениями должен быть предусмотрен механизм внешней доверенной проверки подлинности ключей и идентификаторов. Это, грубо говоря, некоторый способ, позволяющий без использования самого мессенджера проверить, что предъявленный конкретному пользователю ключ другого пользователя – действительно принадлежит этому другому пользователю, а не промежуточному серверу (например).

5. Должно быть опубликовано подробное описание используемого протокола (протоколов) обмена сообщениями, охватывающее, кроме прочего, все базовые логические блоки в деталях. При этом требуется встроенный в протоколы механизм проверки того, что приложение работает именно по этим протоколам.

6. Исходный код приложений (клиентских, серверных, “промежуточных” и пр.) должен быть открыт и опубликован. Так сказать, в “максимальной разумной общности”: то есть, вместе со всеми “дополнительными библиотеками”, если таковые используются существенным образом. Это не означает, что нужно включать в состав кода приложения, скажем, реализацию IP из модулей ядра ОС: потому что логика мессенджера не должна зависеть от реализации сетевого транспорта. Публикация исходных кодов, пожалуй, самый непрозрачный момент. С одной стороны – само по себе раскрытие исходников не гарантирует ни отсутствия ошибок, ни отсутствия закладок (да и вообще ничего не гарантирует); с другой – ожидать, в данном случае, какой-то особой защищённости от приложения с закрытым кодом ещё труднее (см. следующий пункт). Код должен быть обозримым (а этого трудно достигнуть).

7. Необходимо наличие документированной и открытой процедуры, которая позволяет из исходного кода получить исполняемый код и проверить, что, во-первых, получилось то, что планировалось, во-вторых, что у всех пользователей получились одинаковые (возможно, с точностью до платформы и окружения) приложения. К сожалению, точное выполнение этого пункта на практике недостижимо, если говорить о сколь-нибудь сложном приложении. Но можно попытаться приблизиться. Понятно, что в процесс доверенной сборки должны включаться и доверенные компиляторы/интерпретаторы. С другой стороны – очевидно, что даже совпадающие побайтно исполняемые файлы могут вести себя различным образом при исполнении в конкретных условиях (зависит от входных данных, системного окружения и т.д.). Однако в публикации неких исходных кодов без проверки того, что используемое всеми приложение действительно как-то с этими кодами связано, тоже смысла не так много, как хотелось бы. Ну, если говорить о гипотетическом суперзащищённом приложении, на практике-то – с лёгкостью используются “бинарники” из дистрибутива ОС.

8. Приложение должно быть максимально независимым от аппаратной платформы и операционной системы. То есть, не должно быть, например, строгой привязки к конкретному “типу смартфонов” или к конкретной компании-разработчику, которая, скажем, славится громкими заявлениями о “своей приверженности обеспечению приватности пользователей”. Вообще, всякая подобная привязка должна наводить на подозрения, что не так всё просто с этим “супербезопасным мессенджером”.

9. Предпочтительно должна использоваться распределённая схема доставки сообщений. Дело в том, что доступность – один из основных критериев супербезопасного мессенджера. Обеспечить гарантированную доступность через центральный сервер весьма сложно (скорее – невозможно): на этом сервере всегда можно отключить, заблокировать кого-то из пользователей. Опять же, это весьма и весьма трудный в реализации пункт, хоть и популярный.

Иногда приходится слышать или даже читать, что “никакое уравнение пятой степени и выше нельзя решить по формуле”. Это неверное утверждение, которое происходит из трактовки важной для истории математики задачи о “разрешимости в радикалах” (здесь речь про алгебраические уравнения с рациональными коэффициентами). Даже популярные тексты по данному вопросу обычно довольно сложны, начинаются с упоминания не только теории Галуа, но и разных технических терминов, таких как “разрешимые группы”, “автоморфизмы полей” и так далее.

Вообще, уравнение пятой степени x⁵ – 15x⁴ + 85x³ – 225x² + 274x – 120 == 0, например, имеет рациональные корни: 1, 2, 3, 4, 5 (проверьте), а корень уравнения x⁵ – 5 == 0 нетрудно записать “в радикалах” (5^1/5). Когда здесь говорят о “неразрешимости в радикалах”, то речь идёт о том, что существуют уравнения (степени n >= 5), для которых нельзя записать формулу, выражающую все корни через коэффициенты “в радикалах” (и, вообще говоря, таких уравнений очень много – примеры, которые приведены выше, это как раз редкие исключения). Интересно, что центральным моментом тут является как раз возможность записать – именно от неё можно начинать разбор ситуации. С одной стороны, можно представить себе некоторый калькулятор, который выполняет с комплексными числами четыре привычных действия (+, -, *, ÷) и позволяет извлекать корни (√ – это и есть “радикалы”). Комплексные числа тут необходимы потому, что без них достичь универсальности не выйдет даже для кубических уравнений с рациональными корнями – ведь комплексные числа и были обнаружены в ходе построения универсальных формул решения кубических уравнений (формула Кардано). С другой стороны, конечно, никакой реальный калькулятор не может считать даже в действительных числах, что уж там говорить про комплексные, где с радикалами возникают дополнительные проблемы.

Поэтому про формулу “в радикалах” лучше всего думать в том ключе, что она позволяет корни записать точно. Например, написать √2 или ∛5. Потому что точно выписать значение √2 в десятичной, например, системе нельзя, а вот обозначить число, квадрат которого равен двум, символом √2 – можно, и это будет точное обозначение. Например, если число ∛5 возвести в третью степень, то получится рациональное число 5, то есть, значение как бы запрыгивает в рациональные числа. Это важное для теории наблюдение: коэффициенты уравнения тоже рациональные, а выражение их в радикалах подразумевает, что существует способ запрыгнуть в рациональные через возведение в степень. Этому соответствует обратная операция – извлечение корня n-й степени. Собственно, вся классическая теория строится вокруг этого факта, но соответствующие симметрии оказываются весьма сложными для понимания: заметьте, что корни должны переставляться, сохраняя истинность некоторых соотношений между ними. Так, если уравнение квадратное, а корни a и b, то такие соотношения это (a + b) и a*b (формулы Виета). Неразрешимость в радикалах означает, что “радикальных формул”, позволяющих точно записать корни, не существует совсем. Для уравнений степени меньше пяти – такие формулы есть, и они даже универсальные, то есть, подходят для произвольного уравнения. А вот для степени пять и выше – нельзя выписать не только универсальную формулу, но даже и “специальную” для каждого (произвольного) уравнения.

Техническая оговорка, которую можно пропустить, тут состоит в том, что препятствие на уровне пятой степени возникает из-за особенной симметрии, соответствующей перестановкам пяти корней уравнения: нельзя спуститься от пятой степени к четвёртой, сохраняя “коммутативность” перестановок в общем виде; а вот от четвёртой – спуститься уже можно.

Из всего этого, конечно, не следует, что формулу невозможно предложить для конкретного уравнения. Более того, если расширить доступные операции, добавить в их перечень особые функции, то корни уже удастся записать точно, ну или с “точностью до новых обозначений”, если хотите. Это, впрочем, отдельная история.

Существование неразрешимых в радикалах уравнений пятой степени доказали Руффини и Абель, а в максимальной общности эту задачу решил Галуа (1832, но опубликованы его работы были позже). Галуа смог понять почему такие уравнения неразрешимы, впервые увидев структуры, на которых позже построили существенную часть современной алгебры. Сейчас тот аппарат, который касается именно уравнений, называют классической теорией Галуа. А в современной математике теория Галуа превратилась в большой самостоятельный инструмент, для которого, как и для всей современной алгебры, поиск решений уравнений уже не является фундаментальным аспектом.

Утверждение, что “параллельные прямые пересекаются” сейчас нередко встречается даже в более или менее серьёзных источниках. Например:

“Представим себе двумерное пространство — это легко. Например, бесконечную плоскость, где также справедливы аксиомы Евклида. […] Но можно легко представить и иной вариант — сферу. Это замкнутое конечное пространство, где параллельные прямые пересекаются, а сумма углов треугольника больше 180°”

Это цитата из статьи под названием “Космологический ликбез. Что такое Вселенная“, опубликованной на сайте издания “Троицкий вариант. Наука”.

Понятно, что параллельные прямые – не пересекаются по их определению. Тем более на сфере, где параллельных прямых, в смысле “аксиом Евклида”, нет. В статье, скорее всего, такое нестрогое сочетание использовано на правах фигуры речи. Видимо, среди аксиом здесь имеется в виду и пятый постулат, который, в привычной формулировке, утверждает, что через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной (на плоскости). Да, пятый постулат делает геометрию евклидовой, но интересно понять, откуда происходит сама идея, что “где-то параллельные прямые пересекаются”.

Как ни странно, тут можно вспомнить европейскую живопись 16-17 вв., которая развивалась вместе с проективной геометрией. Способы построения художественной перспективы, определяющие то, как именно трёхмерная сцена сужается в двумерное полотно картины, требуют для изображений различных параллельных линий общей точки, принадлежащей недостижимому горизонту. Это лучше всего видно на тех картинах, где сюжет содержит какую-нибудь подходящую плоскость, замощённую прямоугольниками (или даже квадратами). Я в качестве примера взял работу Бартоломеуса ван Бассена (1651), где описанный только что принцип иллюстрируют сразу и пол, и флаги, и стены.

Если говорить более строго, то на картине “пересекаются” изображения прямых, которые в трёхмерной сцене соответствовали бы параллельным: квадратная плитка, которой замощён пол, порождает два класса таких прямых – на примыкающих краях, и на диагоналях каждой отдельной плитки. Возможно, это не самая лучшая иллюстрация, но принцип вполне виден. Этот принцип исторически стоит за проективной геометрией. Но в геометрии он возник скорее всего из желания систематизировать и обобщить многие геометрические наблюдения на плоскости, которые становятся гораздо проще, если тем или иным способом присоединить к этой плоскости некий бесконечно удалённый “горизонт”.

Так, классическая интерпретация проективной плоскости, основанная на погружении “обычной”, двумерной, плоскости в трёхмерное пространство, построена на сходной идее: вместе с плоскостью (не проективной, а исходной!) рассматриваются несобственные точки, соответствующие тем прямым объемлющего пространства, которые с плоскостью не пересекаются. Рассмотрение этих несобственных точек позволяет говорить о том, что всякие две различные прямые исходной плоскости имеют одну общую точку. И для параллельных (“в евклидовом смысле”) прямых такая общая точка является несобственной, то есть, не принадлежащей исходной “обычной” плоскости, поэтому прямые параллельными быть не перестают. Проективная плоскость же получается присоединением несобственных точек.

Сложно сказать, насколько сильно история изобразительного искусства повлияла на популярное суждение про “пересекающиеся параллельные прямые”, но знакомство с полотнами голландских живописцев свою роль тут наверняка сыграло.

Сделал небольшой шуточный проект – утилита кодирования двоичных данных, аналогично Base32, но на основе англосаксонских (древнегерманских) рун. Код доступен на GitHub. Base32 это алгоритм кодирования данных, использующий латинский алфавит. Он устроен аналогично несколько более широко известному Base64. Смысл использования подобных схем кодирования в том, чтобы отобразить произвольные “двоичные данные” в алфавит, который можно передать через “текстовый канал”, например, электронной почтой (или даже в виде простой распечатки). Конечно, с рунами этот фокус не сработает. Поэтому – проект шуточный.

Руны входят в таблицы Unicode. (“Обобщённые” символы Unicode тоже называют рунами, но в нашем случае – речь про конкретное подмножество, про англосаксонские руны.) Используемое кодирование (представление Unicode) занимает по три байта на каждую руну. При этом для записи 40 битов (пять байтов) в Base32 используется 8 символов: каждый символ несёт пять битов, откуда, собственно, число 32 == 2^5. То есть, получается, что Base32 на основе рунического письма в Unicode превращает пять байтов исходных данных в 24 байта (восьмибитных) закодированного текста. Не очень-то экономно. Оригинальный вариант Base32, построенный на латинском ASCII-алфавите и ASCII-цифрах, даёт результат лучше: пять байтов кодируются восемью байтами (если при кодировании текста используется привычное, 8-битное, представление байта). Но руны выглядят интереснее, что подтверждается скриншотом ниже, на котором запечатлён TLS-сертификат, записанный в runic32.

Примеры использования утилиты, написанной на Go, приведены на странице репозитория Runic32 в GitHub.

Спутниковая система интернет-доступа Starlink включает весьма продвинутые наземные терминалы, оснащённые АФАР (если судить по опубликованной информации о внутреннем устройстве терминалов, там установлена именно активная решетка – см. познавательный обзор по ссылке в конце записки). Некоторое время назад я уже писал, что, в теории, огромная спутниковая группировка Starlink может являться фундаментом для мощного орбитального радара, подобных которому ещё не было. Если к этой гипотезе присоединить множество наземных станций (терминалов), которые также управляются центрально и имеют общий источник синхронного времени, то возможности этого комплекса, как радара, взлетают, так сказать, до небес.

Так, наземные станции смогут обеспечивать подсветку для приёмников, находящихся на спутниках. Каждый терминал оснащён хорошим GPS-процессором, это гарантирует синхронизацию времени (собственно, и время, и координаты – терминалы могли бы определять и только по спутникам Starlink, но с GPS – процесс будет гораздо более точным и стабильным). Активная антенная решётка, с цифровым управлением, позволяет реализовать самые продвинутые алгоритмы формирования сигналов, то есть, терминалы смогут излучать наборы опорных импульсов с поверхности, при этом все характеристики этих импульсов можно динамически определять из единого центра. Это довольно важный технический аспект, поскольку он позволяет реализовать весьма хитрые эффекты при помощи управляемого взаимодействия сигналов, излучаемых разными наземными терминалами и спутниками. Естественно, присутствие полностью управляемых наземных трансиверов существенно расширяет возможности “обычной” бистатической (и многопозиционной) радиолокации, доступной спутниковой группировке. Точное измерение на земле параметров зондирующего сигнала, излучаемого со спутника, позволяет поднять качество цифровой обработки, например, можно обнаруживать, анализировать, а потом с выгодой использовать атмосферные искажения. Нетрудно предложить и многие другие улучшения для подобной радиосистемы.

Другими словами, мощные наземные терминалы, – без которых, понятно, Starlink, как система связи, не имеет смысла, – расширяют и возможности “побочного” применения этого уникального комплекса. На картинке ниже – внешний вид антенной решётки терминала Starlink, а ссылка ведёт на подробный разбор (в прямом смысле) этого интересного устройства (англ. Youtube.com).

(Starlink Dishy Teardown.)

Немного занимательных математических основ криптографии.

Российская криптосистема электронной подписи (ГОСТ 34.10-2012) работает в группе точек эллиптической кривой над конечным полем, как и криптосистема ECDSA, широко используемая в TLS и в других протоколах защиты информации. Можно ли устроить так, чтобы открытый и секретный ключи для ГОСТ-подписи и ECDSA – совпадали? Дело в том, что если ключи одинаковые, то это добавляет удобства: например, можно использовать некие унифицированные сертификаты. Естественно, это чисто теоретической вопрос, но он довольно занятный. Если вынести за скобки криптографические параметры и способ интерпретации битовых строк, то главное отличие между ГОСТ-подписью и ECDSA состоит в уравнениях, используемых этими криптосистемами. Упростим ситуацию и рассмотрим лишь уравнения вычисления значения подписи:

ECDSA: s = k^(-1)(h + rd)

ГОСТ: s = (rd + kh)

Здесь использованы общие буквенные обозначения: h – это подписываемое значение (можно считать, что это значение хеш-функции от сообщения – натуральное число); k – случайный параметр (натуральное число); r – значение х-координаты вычисляемой на основе k “случайной” точки кривой (это элемент конечного поля, но и его в нашем случае можно понимать как натуральное число), d – секретный ключ (натуральное число). Здесь везде опущены упоминания того, что значения вычисляются по модулю порядка группы точек, связанной с точкой-генератором G, но, опять же, это нисколько не помешает изложению.

Итак, сразу видно, что секретные ключи d для обоих вариантов математически эквивалентны, так как секретный ключ – это натуральное число. Это так и есть на практике, с оговоркой, что значение секретного ключа должно лежать в некотором интервале, но это технические детали. На практике, вряд ли имеет смысл использовать небольшое значение d, которое может оказаться угадываемым. То есть и для ГОСТ-подписи, и для ECDSA в качестве секретного ключа можно использовать одно и то же значение. Если оно находится в подходящем интервале, то в работе алгоритмов, реализующих криптосистемы, равным счётом ничего не поменяется.

Как быть с соответствующими открытыми ключами? С открытыми – уже не так просто. Открытый ключ в обоих криптосистемах – это точка кривой, полученная в результате “умножения” точки-генератора G на число d (значение секретного ключа): открытый ключ Q == dG. “Умножение” здесь взято в кавычки по той причине, что для точек кривой никакого умножения не определяется, но есть “повторное сложение” точек: так, 3*A == A + A + A, где A – точка кривой. Повторное сложение и позволяет ввести умножение на скаляры (на целые числа). Итак, открытый ключ – точка кривой Q – это пара координат (x, y). Значения координат, x и y, – элементы поля, над которым рассматривается кривая. Именно здесь и кроется отличие: штатно, обсуждаемые криптосистемы используют разные кривые и разные поля, поэтому полученные значения открытого ключа будут различными, если, конечно, мы хотим сохранить корректность прочих операций (а корректность сохранить необходимо).

Таким образом, из-за использования разных криптографических параметров (уравнения кривой, базового поля, точки-генератора), для одного и того же значения секретного ключа значения открытых ключей, вообще говоря, в ECDSA и ГОСТ-подписи не совпадут. Однако, если использовать одно и то же поле, одну и ту же кривую и генератор, то и значения открытых ключей будут равны, поскольку и в одной, и в другой криптосистеме – открытый ключ Q == dG. Обе криптосистемы могут работать на общей кривой – математические операции не отличаются. Понятно, что так как уравнения подписи разные, то подписи для одного и того же значения не будут совпадать, даже если ключи удалось привести к “единому формату”. (Естественно, подписи для сообщений могут отличаться и из-за использования разных хеш-функций.) Однако все операции (вычисление подписи, проверка) останутся корректными и для ECDSA, и для ГОСТ-подписи. Поэтому использовать, буквально, одну и ту же пару ключей (секретный – для вычисления подписи, а открытый – для проверки) уже окажется возможным.

Конечно, так как практические криптосистемы включают в свой состав не только математические операции, но и конкретные значения параметров, подобное объединение ключей вряд ли реализуемо за пределами занимательного упражнения.

У меня есть аккаунт в Facebook, где я размещаю разные заметки. Большинство из тех заметок совсем не подходят для публикации здесь, на сайте dxdt.ru, однако некоторые – хочется как-то сохранить, тем более, что перспективы сервиса Facebook несколько туманны. Поэтому я решил попробовать подходящие заметки иногда копировать сюда, даже если они достаточно старые (Facebook отдельно показывает прошлые заметки, которые опубликованы на актуальную дату, так что можно выбирать).

Например, вот заметка от 28.09.2018, про алгоритм Шора.

Иногда приходится слышать, что существование квантового алгоритма Шора гарантирует, что существует и классический метод быстрого разложения на множители (актуальный, например, для RSA), использующий некоторую не найденную пока что “арифметическую структуру”. (Сейчас вот опять про простые числа и криптографию вспомнили, правда, в связи с некоторой шумихой вокруг гипотезы Римана.)

Между тем, квантовый алгоритм Шора и “скрытые классические методы” – это вообще вещи не связанные: то есть, квантовый алгоритм ничего не говорит нового об арифметике (ни в ту, ни в другую сторону), и всё это просто издержки “фольклорного” понимания квантовых вычислений, трактующих их как “параллельную проверку всех вариантов”. Скажем, алгоритм Шора, – в случае применения к RSA, если хотите, – говорит лишь о том, что мы можем построить квантовую машину, которая, после измерения, схлопнется в состояние, позволяющее уже классическим методом быстро провести факторизацию. Не более того. Другими словами: давно и хорошо известная структура, существующая в кольце, но, из-за своей огромной мощности, необозримая для классических компьютеров, может быть помещена в некоторую квантовую машину. Структуру, внутри квантовой машины, увидеть всё равно нельзя (это очень важный момент – нет там никакого «одновременного перебора»), но машина так устроена, что в результате интерференции состояний, соответствующих разным “симметриям”, она с достаточно большой вероятностью выдаст одно из значений, характеризующих исследуемую структуру (а целиком мы её всё равно не увидим, и ничего нового таким методом не узнаем). Изящный фокус алгоритма состоит в том, что, для успешной факторизации, нам именно этого значения (периода функции) и достаточно.

“В магазин привезли два ящика с апельсинами. В каждом ящике – пять апельсинов. Сколько всего апельсинов привезли в магазин?”. Эта задача для начальной школы, а точнее – обсуждение её требуемого способа решения, как выясняется, несёт с собой много занимательных трактовок. Задача существует в различных вариантах (“диваны/подушки”, “полки/книги” и пр.), а её решение с постоянством обсуждается “в интернетах” уже несколько лет. Обсуждение вращается вокруг следующего момента: вариант решения “5*2 == 10” – учитель признаёт неверным; требуется решать так: “2*5 == 10 (апельсинов)”, поскольку в первом варианте “получаются ящики, а не апельсины“. Возможна и иная трактовка, в которой левое умножение заменяется правым, но для нас это не важно, поскольку причина бурных обсуждений состоит в том, что результат вообще зависит от порядка множителей. Почему-то считается, что это невозможно, поскольку умножение в натуральных числах коммутативно. Вообще, если отвлечься от неясных вопросов преподавания в начальной школе, то задача, взятая вместе с методикой решения, оказывается связанной с интересными аспектами математики и их проекцией в привычный опыт.

Попробуем разобраться с задачей подробнее. Очевидно, что за рамками обсуждаемой формулировки условия оказывается структура, в которой задачу требуется решать. Эта структура предполагает, что тип (или класс, опять же, здесь не так важно) объектов результата определяется типом правого (или левого) операнда. Будем полагать, что нужная структура действительно была введена при определении операции умножения (см. ниже), иначе теряется смысл. Теперь – к самому решению.

Прежде всего, решение, учитывающее порядок, никак не отменяет коммутативности умножения. И в случае 5*2, и в случае 2*5 – ответ одинаков, это натуральное число 10. В результате получается десять объектов, а вопрос касается лишь типа этих объектов. Это всё может показаться странным, поскольку противоречит фольклорной интерпретации арифметики. Тем не менее, в натуральных числах – есть только натуральные числа, там нет апельсинов и ящиков. Процесс счёта, позволяющий сопоставить некоторой совокупности однотипных объектов натуральное число, обозначающее их количество, увеличивает уровень абстракции. Собственно, только потому, что натуральные числа столь универсальны, оказывается возможным вести счёт при помощи попарного сопоставления объектов разных типов: это обычный “счёт на пальцах”, когда каждому апельсину сопоставляется загибаемый палец. То есть, процесс решения задачи содержит некоторые неявные преобразования типов: апельсинам и ящикам, с помощью некоторого правила (функции, если хотите), сопоставляется натуральное число, обозначающее их количество. Это преобразование забывает какой тип имели объекты.

В процессе решения – умножаются натуральные числа. Мы хотим получить более или менее абстрактный метод, обладающий универсальностью. Поэтому представьте, что умножение чисел выполняет некая машина, на два входа которой поступают операнды, а на единственном выходе, покрутив ручку, получаем результат. Результат умножения – тоже натуральное число (а не “апельсины”, не “ящики”). Машина ничего не знает про апельсины и ящики. Чтобы закончить решение задачи, получившемуся натуральному числу нужно сопоставить тип объекта, выполнив обратное преобразование. На входе типов было два, как выбрать один из них для результата? Для этого требуется некоторое дополнительное соглашение, дополнительная структура, которая должна быть надстроена над нашей вычислительной машиной. Один из подходящих вариантов: просто взять тип правого (или левого) операнда. Обойтись без дополнительной структуры нельзя. Во-первых, наш процесс, пересчитывающий объекты, забывает их тип (но выдаёт натуральное число – количество); во-вторых, способа умножить “апельсины” на “ящики” – у нас нет, а только умножение в натуральных числах; в-третьих, на входе два типа, а результат нужно привести к одному из них.

Распространённое конструктивное возражение такое: у нас же даны не апельсины, а “апельсины на ящик”. Да, это весьма разумный довод, опирающийся на введение некоторого понятия “размерности”. Действительно, умножаем число с размерностью “апельсины/ящик” на число с размерностью “ящик”, “ящики” сокращаются – получаем искомые апельсины, вне зависимости от порядка множителей (операндов). Это очень привычно (м/сек., кг/м² и др.), поэтому мало кто замечает, что введение такой “размерности” подразумевает построение некоторой дополнительной теории. Почему при умножении “апельсины/ящик”*”ящик” – сокращаются именно “ящики”? Что такое “сокращаются”? А можно ли записать наоборот “ящик/апельсины”? Заметьте, что привычное деление, которое приходит тут на ум, мало того, что легко выводит за пределы натуральных чисел, так ещё и является некоммутативной операцией! (В алгебре деление вообще не рассматривают в “повседневном” смысле, а только умножение на обратный элемент. В частности, поэтому в натуральных числах универсального деления, в строгом смысле, просто нет. Что, конечно, никак не запрещает утверждать, что оно там всё же имеется, поскольку 12/3 == 4.) Другими словами, для того, чтобы реализовать коммутирующее преобразование типов при помощи только что описанного понятия “размерности”, потребуется принять некоторые вспомогательные соглашения, например, что a/b*b == a, и ситуация не отличается от соглашения про выбор типа правого (или левого) операнда.

Почему же в исходной задаче выбирается именно правый (или левый) операнд в качестве носителя типа результата? Сложно сказать точно, тут возможны варианты. Одно из объяснений следующее: пусть умножение вводится как “повторное сложение”, тогда один из операндов задаёт количество шагов такого сложения. В случае апельсинов и ящиков, ящики разбивают некоторое подразумеваемое множество апельсинов на подмножества, используя отношение “быть в ящике”, а правила записи и преобразования предписывают “разбивающий тип” указывать слева, а в качестве типа результата – использовать тип правого операнда. Ну, или наоборот – тут можно и запутаться. Тем не менее, это позволяет достаточно строго, достаточно простым образом (используя минимум дополнительных понятий) построить универсальный механизм решения, который будет работать и для апельсинов в ящиках, и для подушек на диванах, и для книг на полках. Конечно, эти правила должны быть согласованы, прежде чем можно ставить задачу. Но если они согласованы, то попытка умножения 5 (апельсинов) на 2 (ящика) действительно даст в ответе 10 ящиков, сколь бы странным и неудобным это ни показалось. (Неудобным – потому что засовывать ящики в апельсины довольно сложно.)

Представьте гипотетический язык программирования, в котором предложения { 2 + “3” } и { “2” + 3 }, после преобразования компилятором, дают разные результаты: первый вариант – строку “23”, а второй – число 5. Исходя из рассмотренной выше задачи, нетрудно догадаться, почему такое происходит. Дело в том, что компилятор не только выполняет неявное преобразование типов, но ещё и “подгоняет” операции. В качестве главного типа компилятор выбирает тип правого операнда, приводя левый операнд к нему. Поэтому, в предложении { 2 + “3” } числовой тип двойки преобразуется в строку из символа “2”, а операция сложения превращается в конкатенацию (некоммутативная операция, кстати). Да. Не очень-то удобно, не то что апельсины по ящикам.

Пишут, что в Штатах в проект бюджета минобороны на 2021 год включили статью, посвящённую созданию навигационных систем, которые не зависят от GPS. Соответствующие системы должны быть предложены в 2023 году, то есть, совсем скоро. Озвученная причина – рост эффективности помехопостановщиков GPS: действующие в разных “горячих точках” силы и формирования регулярно сталкиваются с практической бесполезностью навигационных приборов, полагающихся на GPS, в том числе, на военный сигнал. Несколько лет назад я довольно подробно описывал то, как устроен спуфинг GPS. Не приходится сомневаться, что принципы спуфинга остались те же, а вот аппаратурная составляющая за это время наверняка сильно развилась.

Вообще, благодаря достижениям современной твердотельной электроники, сделать точный, надёжный, компактный и относительно дешёвый навигатор, основанный на приёме сигнала GPS – гораздо проще, чем, например, независящую от внешних сигналов инерциальную систему. Поэтому все держатся за GPS (ну и, опять же, финансирование создания и выведения на орбиту спутников, но это из другой области история). Основной проблемой для инерциальных систем является быстро накапливающаяся погрешность, причём, чем дешевле, меньше и проще система, тем быстрее падает точность. Скорее всего, возможны довольно устойчивые варианты на базе “микромашин”, но их только разрабатывают. Поэтому интересны комбинированные решения, где неточная инерциальная система регулярно и часто (например, раз в минуту) корректируется по внешнему сигналу, который, к тому же, сложно испортить помехой.

Одним из весьма эффективных вариантов оказывается использование в качестве источника такого сигнала большого количества космических аппаратов с общими синхронными часами, находящихся на низкой орбите, с которыми возможен обмен широкополосными сигналами. То есть, это уже не GPS. Это – в точности схема “спутникового Интернета”, предложенная, например, SpaceX (Starlink).

Как может помочь такая схема? Во-первых, есть возможность использования широкого спектра частот для связи со спутниками (в обе стороны, заметьте) – это означает, что можно применять замаскированные шумоподные сигналы: коррелятор, которому известен действующий секретный ключ, сможет успешно выделять и накапливать полезный сигнал спутника, распределённый псевдослучайным образом по полосе в несколько сотен мегагерц. Во-вторых, наличие на спутниках антенн с активным синтезом апертуры позволяет формировать достаточно узкие лучи – эти лучи могут быть направлены конкретному наземному пользователю, доставляя персональный сигнал (понятно, что точность формирования пятна приёма – сечения луча – всё равно, даже в идеальных условиях, составит сотни метров, но этого более чем достаточно). В-третьих, наличие широкого и доступного всем наземным терминалам (а не только станциям управления) канала в сторону спутников поможет активной коррекции сигнала в ответ на изменение обстановки в эфире, наблюдаемой конкретным приёмником.

Разберём все эти аспекты подробнее. Первый аспект – широкополосный сигнал. Современный сигнал GPS – узкополосный, более того, он использует кодовое разделение для каналов разных спутников. Широкая полоса делает возможным накопление коррелятором сигнала не только по времени, но и по частоте, а это существенно увеличивает возможности по повышению чувствительности. Такой “двумерный” подход вообще несравнимо богаче в плане кодирования, чем “одномерное” накопление по времени. При этом потенциальный помехопостановщик оказывается в сложной ситуации, так как ему нужно одновременно закрывать большую полосу, что требует много энергии даже в том случае, если помеха работает избирательно. Вообще, точно такая же техника опережающей отстройки от активных помех давно известна в радиолокации – излучатель локатора передаёт зондирующий сигнал на нескольких несущих частотах, при этом использует отражённый сигнал, который соответствует только одной из этих частот (ну или некоторой сложной комбинации нескольких).

Аспект второй – формирование узкого луча для канала в сторону наземной станции. Главное преимущество состоит в том, что помехопостановщику становится трудно принять тот же сигнал, который получает приёмник наземной станции. Конечно, всегда есть отражения, “боковые лепестки”, вторичное излучение и прочие эффекты, но их анализ в целях выявления полезного кода – несравнимо сложнее, чем приём общего сигнала. Вспомним, что сигнал ещё и кодируется индивидуально, с псевдослучайной заменой частот. Дополнительное преимущество – наземный приёмник получает больше возможностей по отстройке от простых широкополосных помех на основании направления на источник помехи. Отдельно нужно рассматривать возможность согласованного формирования лучей несколькими спутниками – тут и точность формирования “пятна” можно повысить, и защиту сигнала улучшить.

Третий аспект – индивидуальный канал в сторону спутников. Приёмник, используя этот канал и ключи аутентификации источника, может безопасно выработать общий со спутниковым источником сигнала секретный ключ, а далее периодически этот ключ заменять. Секретный ключ нужен для формирования псевдослучайной последовательности, задающей непредсказуемые для третьей стороны модуляцию и кодирование полезного сигнала, передаваемого спутником. А обнаружив эффективную помеху, если она всё же возникла, терминал может её непосредственно измерить и запросить смену кодирования, либо перейти на другую конфигурацию спутников.

Именно эти три аспекта, если их сложить вместе, позволяют создать хорошо защищённую от помех точную навигационную систему. Скорее всего, как отмечено выше, система будет комбинированной: спутниковый сигнал служит для коррекции автономных инерциальных систем. При этом спутниковые терминалы, требующие достаточно больших по размерам и тяжёлых антенн (ФАР), могут находиться на опорных станциях, например, на автомобилях или самоходных роботах, а носимый вариант навигатора, также имеющий встроенную инерциальную систему, будет взаимодействовать по радио с опорной станцией.

Что касается расположения спутников на низкой орбите: это снижает задержки, как и в случае организации интернет-доступа, а большое количество спутников (также диктуемое низкой орбитой) добавляет ещё один слой перемешивания: приёмник может выбирать сложные конфигурации спутников, используемых им в данный момент.

Естественно, Starlink – только один из примеров реализации подходящей технологии.

(Кстати, в 2012 году я писал о гипотетическом навигаторе, работающем без GPS.)