Тьюринг смог. Как взломали немецкий код Enigma во время Второй Мировой войны
Машина «Bombe», разработанная британским математиком Аланом Тьюрингом, имела огромное значение в ходе Второй Мировой войны. Изобретение Тьюринга помогло взломать закодированные легендарной машиной Enigma немецкие сообщения.
Машина Тьюринга существенно увеличила скорость декодирования перехваченных немецких сообщений. Это позволило силам союзников реагировать на секретные данные в течение нескольких часов, а не недель.
Много было рассказано о гениальности Тьюринга, его беспокойной личной жизни и трагически ранней смерти. В Голливуде даже был снят фильм о нем. Но как много вы знаете о машине, которую он построил, о принципе взлома машины, и о влиянии, которое она оказала на ход войны?
Делимся неизвестными фактами об изобретении Тьюринга.
1. Тьюринг придумал свою машину не сам
Польская Bombe преуспела благодаря дефекту немецкого шифрования, который дважды шифровал первые три буквы в начале каждого сообщения, позволяя взломщикам кода искать шаблоны.
Как работала именно машина Bombe, остаётся загадкой, но при использовании шести таких машин параллельно, важнейший Enigma Ringstellung (порядок расположения кодирующего кольца) мог быть обнаружен всего за пару часов.
2. Немцы усовершенствовали Enigma
В какой-то момент немецкие шифровальщики обнаружили и устранили слабость двойного шифрования. Тогда британцам потребовалось более продвинутое решение, и к работе подключился Тьюринг и его команда.
Используя информацию, предоставленную поляками, Тьюринг начал взламывать сообщения Enigma с помощью своего собственного «компьютера».
В одном примере это был прогноз погоды в Атлантике, который каждый день записывался в одном и том же формате. Оборудование для определения местоположения на прослушивающих станциях позволило взломщикам кода определить, откуда исходит сообщение, и, если оно совпадает с расположением метеостанции, вполне вероятно, что слово «wettervorhersage» (прогноз погоды) будет присутствовать в каждом сообщении.
Другой любопытной подсказкой для Тьюринга была неспособность Enigma закодировать букву как саму себя. То есть S никогда не могла быть S.
3. Enigma стала практически идеальной
Даже с учётом всех минусов Enigma, взломать код было практически нереально. Не хватало времени или рабочей силы для проработки всех возможных комбинаций. Это связано с тем, что каждое письмо в момент ввода в машину Enigma, каждый раз шифровались по-разному.
Таким образом, даже если угадать одно ключевое слово, предлагающее подсказки, для взлома кода потребовалось сократить шансы 158 962 555 217 826 360 000 к 1 – точное число способов настройки машин Enigma.
Мало того, каждый день нужно было взламывать новый код, чтобы учесть изменение настроек немцами в полночь.
4. Команда Тьюринга пошла от обратного
Вместо того, чтобы угадывать ключ, Bombe использовал логику, чтобы отклонить определённые возможности. Как сказал Артур Конан Дойл: «Когда вы исключили невозможное, все, что остаётся, каким бы невероятным оно ни было, должно быть правдой».
Этот метод, хотя и был успешным, все же предоставлял целый ряд возможных правильных ответов для настроек немецкого кольца. Поэтому необходимо было проделать дополнительную работу, чтобы сузить его до правильного.
С помощью проверочной машины процесс повторялся до тех пор, пока не был найден правильный ответ.
Это дало взломщикам часть ключа, но не весь. Затем приходилось использовать полученные знания и выяснить остальную часть ключа.
После того, как код взламывался, команда Тьюринга устанавливала машину Enigma с правильным ключом дня и расшифровали каждое сообщение, перехваченное в тот день.
5. Машина Тьюринга сегодня стоит 320 миллионов рублей
«Бомбы» были 7 футов в ширину, 6 футов 6 дюймов в высоту и весили тонну, в буквальном смысле. У них было 12 миль проводов(!) и 97 000 различных деталей.
Прототип декодера был построен за 100 000 фунтов стерлингов, что сегодня составляет около 4 миллионов фунтов стерлингов. Почти 320 миллионов рублей по текущему курсу!
Когда «Бомба» включена, каждой из загадок выделяется пара букв из полученного текста шпаргалки (например, когда D становится T в угаданном слове).
Каждый из трёх роторов движется со скоростью, имитирующей саму Enigma, проверяя приблизительно 17 500 возможных позиций, пока не находится совпадение.
6. Гений Тьюринга повлиял на исход войны
После того, как машина Enigma была взломана, 211 машин Bombe были построены и работали круглосуточно. Они были размещены в разных местах по всей Британии, на случай возможных взрывов, которые могли уничтожить эти очень сложные и дорогие образцы.
Из-за нехватки захваченных машин Enigma британские шифровальные машины Typex были преобразованы в работающие машины Enigma.
Полностью расшифрованные сообщения переводились с немецкого на английский, а затем передавались британской разведке.
На своём пике машина Bombe могла взламывать до 3000 немецких сообщений в день. К концу войны она справилась с 2,5 миллионами сообщений, многие из которых дали союзникам жизненно важную информацию о позициях и стратегии Германии.
Предполагается, что эти знания сыграли важную роль в ключевых битвах.
По мнению многих экспертов, изобретение Тьюринга позволило сократить войну на два года.
Банк Англии выпустит купюру номиналом 50 фунтов в честь Тьюринга
За заслуги Алана Тьюринга Национальный банк Англии к концу 2021 года выпустит купюру с лицом ученого. Номинал — 50 фунтов стерлингов.
Также на банкноте разместят цитату математика и ленту с его датой рождения, записанные в двоичном коде.
Шифровальная машина «Энигма». История создания, описание, принцип работы
Энигма — термин со множеством значений, который ассоциируется и с компьютерными программами, и с музыкой, и с военной техникой. Но так или иначе, это слово наполнено тайнами. «Энигма» (Аίνιγμα) в переводе с греческого означает «загадка».
Энигма, в первую очередь, — это название шифровальной машины, созданной фашистской Германией накануне Второй мировой войны. В статье разберемся по какому принципу работает эта шифровальная машина и окунемся в историю ее создания.
История создания «Энигмы»
Enigma — самая известная шифровальная машина в истории. Во время Второй мировой войны это полевая машина для кодирования сообщений использовалась немецким военным штабом.
Изобретателем Энигмы принято считать немецкого инженера Артура Шербиуса. Но, он приобрел патент на нее у голландского изобретателя Гуго Кох де Дельфта, который создал эту устройство в 1919 году и планировал использовать свою шифровальную машину для гражданских целей. После приобретения патента, А. Шербиус усовершенствовал машину и назвал ее «Enigma».
Первоначально эта шифровальное устройство использовалась в коммерческих и политических целях разных стран, и Германией тоже. Последняя и проявила заинтересованность к уникальной машине шифрования сообщений. В 1926 году образцы Энигмы экспериментально были протестированы на немецких военных кораблях. После положительных испытаний, штаб Рейхсвера решил оснастить Энигмой три государственные армии. В дальнейшем, повсеместное использование этой шифровальной машины фашистской Германией началось в военное время в целях передачи и расшифровки кодированных сообщений.
«Энигма»: описание, составные части
Enigma — переносная портативная шифровальная машина.
Размер — 27 х 23 х 13 см
Вес — примерно 5 кг
Суть шифрования в том, чтобы отправить засекреченный текст в виде запутанного набора символов. Прогнав это сообщение через шифровальную машину, радист получает на выходе понятные послания.
Работа с Энигмой весьма проста. В машину вводится текст, который необходимо зашифровать. С помощью электрических импульсов кодируются необходимые слова. Принимающая Энигма получает текст и расшифровывает его с помощью постоянно меняющегося ключа. В итоге радист-шифровальщик получает вразумительный текст.
Enigma использует алгоритм подстановочного шифра. Это простой способ закодировать текст. Также просто его и расшифровать. Но шифр Энигмы считается одним из самых сложных до сих пор.
Шифр «Энигмы»
Центральный код Энигмы представляет собой динамический шифр «Цезаря». Суть его в замене буквы на клавиатуре символом находящимся правее или левее на определенном расстоянии. То есть, при наборе текста сообщения, машина меняет одни буквы на другие. Например, вместо «R» — «М».
Но, вместе с простым шифром Цезаря в Энигме, используется дополнительная форма подстановочных шифров. Вместе они работают следующим образом:
Каждый раз нажимая кнопку на клавиатуре, ротор перемещается и направляет электрический сигнал на другой символ. При первом нажатии одной и той же буквы генерируется один код, а при повторном нажатии, уже другой. При написании сообщения код постоянно меняется и расшифровать его может только тот, кто владеет ключом.
Каждый период времени радисты получили книгу с ключами, которые будут использоваться в определенный день. При кодировании немцы использовали 26 символов. Сами сообщения были короткими, по 5 букв. Весь текст делился на несколько частей, каждая из которых расшифровывалась с помощью разных ключей.
Схема шифрования
Схема шифрования на Энигме была похожа на телефонный коммуникатор тех времен. На панели закреплены 10 проводов с двумя концами, каждый из которых можно было подключить к разъему.
Такие провода соединяли клавиши одного символа с одной стороны провода и слот с кодовым символом, с другой. Таким образом, две парные буквы заменяли друг друга, что обеспечивало дополнительное шифрование.
Кодирование сообщений
Итак, каждый ротор машины имел 26 положений (число символов в латинском алфавите). Одновременно можно было использовать три ротора, каждый с уникальным путем контактов между парой букв и разной скоростью вращения. Например, один из роторов после кодирования символа мог проворачиваться на три шага вперед, а другой ротор — только на два. Эти роторы можно было менять, выбирая из нескольких наборов. В итоге, вариантов расшифровки может быть тысячи.
«Ключ» к расшифровке также состоит из нескольких наборов роторов с разными связями между парами букв и с различными схемами передвижения после нажатия на клавишу. Например, при заданных условиях движения роторов слева направо, радисту необходимо зашифровать букву «А». Три ротора заменяют «А» по-разному. Пройдя через третий ротор в закодированном тексте «А» станет «В», пройдя через второй ротор — «В» меняется на «J». Соответственно, первый ротор «J» преобразуется в «Z».
Следующий этап шифрования после роторов — это прохождение через отражатель. В отражателе символы текста проходят дополнительную замену.
Последним этапом кодирования послания — отправка сообщения через роторы в обратном порядке.
Расшифровать такое сообщение можно только на такой же машине Энигма и с теми же настройками, что у отправителя.
Недостатки шифрования сообщений на «Энигме»
Большим недостатком шифровальной машины Энигма, можно сказать, стала ее сложность кодирования. При кодировке текста буква не шифровалась, как она есть. Например, буква «R» никогда не могла стать буквой «R». Зная это, противник получал часть информации, необходимой для расшифровки.
Вторым минусом являлось то, что Энигма шифровала первые три буквы повторно. Это позволяло найти шаблоны шифра.
Также недостатком являлась сама неосторожность немцев. Составляя текст сообщений, они начинали его словами о погоде и заканчивали традиционным приветствием.
В итоге, дешифровальщик, опираясь на эти знания и отгадав пару слов, мог подобрать ключ кодировки.
Бомба для «Энигмы»
Взлом шифра Энигмы в истории Второй мировой войны считается одним из весомых вкладов в Победу над фашистской Германией. Машина Enigma позволяла немцам кодировать свои сообщения почти неуязвимым способом. До 1940 года код энигмы расшифровать не было никакой возможности.
Английский математик Алан Тьюринг, используя недостатки в работе Энигмы, получил доступ к кодовым книгам немецких шифровальщиков. В марте 1940 была создана первая криптологическая машина. Это устройство для расшифровки кода «Энигмы» получило название «Bombe». С ее помощью антифашистская коалиция смогла взломать даже последнюю версию Enigma.
Бомба весила 2,5 тонны, в высоту достигала 3 метра и состояла из 108 электрических барабанов.
По сути изобретение Тьюринга является усовершенствованной версией машины, разработанной в 1938 году польским изобретателем Марианом Реевским и его коллегами.
Польская дешифровальная машина основывалась на дефекте двойного шифрования первых трех символов при работе на Энигме.
Правительство Польши в память о своих гениальных изобретателей в 2007 году даже выпустила памятные золотые и серебряные монеты. На монетах изображен герб Польши, а по окружности выгравировано колесо-реле Энигмы.
Стандартное шифровальное устройство «British Bombe» соединяло в себе 36 машин типа Enigma. Оно могло расшифровать текущий ключ Энигмы за 2 часа.
Через некоторое время немецкие математики обнаружили и устранили дефект двойного шифрования Энигмы. Тогда Тьюринг начал взламывать код Enigma основываясь на неспособности кодировки буквы как она есть и на принципе обнаружения типовых фрагментов в немецких посланиях.
Но, даже с учётом всех недостатков Enigma, расшифровать код немецкой шифровальной машины было практически невозможно. Не хватало ни времени, ни людей. Зашифрованные послания, переданные через Энигму, каждый день имели новый ключ и множество вариантов расшифровки. Со времен Второй мировой войны остались зашифрованные с помощью Энигмы сообщения, которые до сих пор не раскодировали. Они есть в открытом доступе на некоторых сайтах. Найти ключ к ним пытаются уже более 70 лет.
Энигма в контексте истории криптографии и развития шифровальных роторных машин
Содержание:
1. Краткая история криптографии
2. Роторные шифровальные машины и первые образцы Энигмы
3. Энигма и ее значение в эпоху Второй Мировой Войны
4. Внутреннее устройство и принцип работы Энигмы
5. Расшифровка кода Энигмы
1. Краткая история криптографии
1.1 Основные положения и принципы криптографии
1.2 Зарождение криптографии
2. Роторные шифровальные машины и первые образцы Энигмы
2.1 Основные принципы работы роторных машин
2.1 Первые прототипы Энигмы
Устройство роторной шифровальной машины
3.Энигма и ее значение в эпоху Второй Мировой Войны
Во многом технический прогресс и современные компьютерные технологии своим развитием обязаны Второй Мировой Войне. Для получения тактического и стратегического преимущества обе стороны задейтсвовали самые передовые технологии того времени. Так, немецкая сторона конфликта инвестировала огромные суммы в ракетостроение и разработку новых моделей ракетных снарядов, что привело к изобретению ракет V-1 и V-2, столь известных и часто используемых во время войны. В свою очередь США поспособствовали созданию первой атомной бомбы, собрав лучших ученых тех лет в Манхэттэнском проекте. Также огромное количество ресурсов затрачивалось на развитие технологий шифровки и дешифровки сообщений для получения бесценной информации о расположении войск противника, его дислокации и структуре будущих маневров. Так, на авансцене появляется Энигма. Как было описано выше, прототип, использовавшийся во время второй мировой, был основан на ранних версиях Энигмы А и назывался Энигма I. Это была стандартная роторная шифровальная машина: клавиатура с немецкой раскладкой и соответствующее количество лампочек, которые с помощью внутренних соединений сообщались с кнопками, зажигаясь при нажатии последних, тем самым выводя зашифрованный символ. Внутренняя проводка же контролировалась тремя роторами, которые могли занимать 26 позиций каждый. Все роторные позиции также обозначались буквами немецкого алфавита (за исключением ум-ляут). Однако для улучшения безопасности передачи сообщений, немцами было усовершенствовано строение аппарата.
4. Внутреннее устройство и принцип работы Энигмы
Внутри Энигмы
5. Расшифровка кода Энигмы
Информационная безопасность времен Второй мировой: взлом «Энигмы»
Из взлома самой мощной криптографической системы времен Второй мировой войны до сих пор можно извлечь немало уроков
Про немецкую шифровальную машину «Энигма» слышали, наверное, все. Не в последнюю очередь благодаря тому, что ее историю любят писатели и сценаристы, а ко взлому ее шифра причастен отец современного компьютера Алан Тьюринг.
Во время войны он, как и многие другие математики (а также лингвисты, египтологи, шахматисты и даже составители кроссвордов), работал в так называемой Правительственной школе кодов и шифров, расположившейся в имении Блетчли-парк в Англии и являвшейся операционным и интеллектуальным центром работы по перехвату и расшифровке коммуникаций противника.
Шифровальная машина «Энигма»
В двух словах история выглядит примерно так: «Энигма» была самой совершенной на тот момент шифровальной машиной, которая позволяла защищать коммуникации флота и армии нацистской Германии таким образом, что взлом представлялся неразрешимой задачей. Однако польским и британским криптоаналитикам удалось найти способ расшифровывать сообщения «Энигмы», что дало коалиции существенное преимущество в войне, по мнению Черчилля и Эйзенхауэра — решающее.
Подробно о том, как работала «Энигма», можно прочитать здесь, а в этом ролике можно даже посмотреть, как она работает:
В самом общем виде схема выглядит примерно следующим образом: когда оператор, набирая сообщение, нажимал клавишу с буквой на клавиатуре, сигнал проходил по электрической цепи, образуемой несколькими роторами с контактами, и на панели с буквами загоралась уже другая буква, которую и нужно было включить в зашифрованное сообщение. Роторы поворачивались после каждого ввода каждого знака, и в следующий раз та же буква кодировалась уже другой.
Создание криптоаналитической машины «Бомба», которая и позволила поставить взлом сообщений «Энигмы» на поток, стало результатом сочетания не только колоссальной научной и аналитической работы, но и ошибок немецкой стороны в работе с «Энигмой», захвата различных экземпляров машины и шифроблокнотов, а также спецопераций, позволявших криптоаналитикам работать с сообщениями, исходный текст которых содержал заведомо известные слова.
Чем поучительна история «Энигмы» для нас сегодня? Сама по себе машина с точки зрения современных представлений о защите информации практического интереса уже не представляет, однако многие из уроков истории «Энигмы» актуальны и сегодня:
1. Не стоит полагаться на собственное технологическое превосходство. У немецкой стороны были все основания считать «Энигму» абсолютно надежной, но союзники создали свою машину, которая обладала достаточной «мощностью», чтобы за короткое время перебирать возможные варианты настроек «Энигмы» в поисках правильного и расшифровывать сообщения. Это был технологический скачок, который трудно было предсказать. Сегодня мы довольно точно знаем, как называется «Бомба» для всей современной криптографии: квантовый компьютер.
2. Иногда сложно предположить, что именно окажется «слабым звеном» в хорошо продуманной схеме защиты информации. Невозможность совпадения буквы в исходном сообщении и его зашифрованном варианте может показаться несущественной деталью или даже правильным решением, однако именно это помогло наладить машинную отбраковку неприменимых вариантов ключа — надо было просто отбросить все варианты, дававшие хотя бы одно совпадение буквы в исходной и зашифрованной версиях.
3. Никогда не надо лениться усложнять ключ. Для большинства пользователей этот совет в первую очередь применим к паролям. В свое время добавление лишнего ротора к военно-морской модификации «Энигмы» на полгода парализовало работу криптоаналитиков, и начать расшифровку сообщений усовершенствованной машины удалось только после захвата ее экземпляра с потопленной подлодки. Как вы можете легко убедиться с помощью нашего сервиса проверки пароля, всего один дополнительный знак может увеличить время подбора вашего пароля на порядок.
4. Человеческий фактор играет огромную роль даже в высокотехнологичных системах. Неизвестно, удалось бы взломать «Энигму», если бы не различные мелкие ошибки и послабления, которые позволяли себе ее операторы. К человеческому фактору, по-видимому, надо отнести и упорство, с которым немецкое командование искало иные объяснения неожиданной прозорливости союзников, вместо того чтобы допустить мысль о компрометации «Энигмы».
Мы совершенствуем наши технологии, наращиваем вычислительную мощность день ото дня, но базовые принципы работы с информацией и ее защиты меняются гораздо медленнее, и прошлое по-прежнему несет в себе много полезных уроков.
5 по-прежнему актуальных уроков, которые можно извлечь из взлома «Энигмы» во время Второй мировой
Ну а если для вас «Энигма» — это просто захватывающая история, то можно посоветовать посмотреть фильмы «Энигма» (по сценарию Тома Стоппарда) или «Игра в имитацию» (биографическая картина об Алане Тьюринге) или почитать роман «Криптономикон» Нила Стивенсона. Кроме того, можно найти симуляторы этой машины — вот, например, версия, сделанная просто в Excel.
Как секрет Третьего рейха стал ключом к его поражению? История шифровальной машины «Энигма» (10 фото)
«В скоротечной войне от быстроты и точности информации о намерениях противника вполне может зависеть, потерпит страна скорое поражение или добьётся победы.»
— Фредерик Уильям Уинтерботэм, офицер Королевских ВВС, отвечавший за распространение сообщений «Ультра».
К началу Второй мировой войны Германия была мировым лидером по производству и эксплуатации специальной техники в области разведки: различных подслушивающих устройств, микрофонов, а главное шифраторов. Одним из козырей немецкой разведывательной службы являлась шифровальная машина «Энигма» (с др.-греч. «загадка»), значение взлома которой трудно переоценить. Благодаря успеху криптоаналитиков, разгадавших немецкие шифры, страны антигитлеровской коалиции получили жизненно важную информацию, которая сыграла свою роль в ключевых сражениях войны.
История создания
Первым вариантом «Энигмы» считается разработка инженера-электрика и доктора технических наук Артура Шербиуса. В годы Первой мировой войны, незадолго до капитуляции Германской империи, он завершил создание шифровальной машины, принцип работы которой основывался на вращающихся проводных колёсах — роторах. Эта роторная машина получила название «модель А» и была весьма громоздка: её вес достигал 50 килограммов. Позже доктор Шербиус её усовершенствовал, сделав более компактной: третий вариант — «модель С» — и последующие были размером с печатную машинку.
Трёхроторная шифровальная машина «Энигма» с коммутационной панелью (под клавиатурой) и роторами. Над лампочками можно заметить три установленных ротора
Артур Шербиус, получив патент, совместно с инженером Эрнстом Р. Риттером основал фирму по производству шифровальных машин. Поначалу Шербиус и Риттер пытались заключить сделку с военно-морским флотом Германии на поставку шифраторов, однако первую половину 20-х годов «Энигма» оставалась невостребованной в военной сфере из-за высокой стоимости.
Стоит отметить, что подобные разработки существовали не только в Германии. Так, в 1917 году американский криптограф и инженер Эдвард Хепберн создал свою шифровальную машину. Его система представляла собой две пишущие машинки, которые соединялись проводами. При нажатии клавиши первой машинки на второй печаталась буква шифротекста. Несмотря на относительно слабый метод шифрования, данная система заинтересовала американские спецслужбы.
Первые немецкие шифраторы более компактных и дешёвых моделей поступили в армию и флот Германии лишь в 1926 году. Вместе с этим началась работа по модернизации существующих вариантов шифровальной машины. Спустя два года сухопутная армия получила новую «Энигму G», которая впоследствии активно использовалась во время войны вермахтом и различными немецкими службами и организациями. Одним из главных отличий нового варианта «Энигмы» от первой коммерческой модели являлось улучшенное качество шифрования.
Немецкий пункт связи. Слева — шифровальная машина «Энигма»
В 1934 году на вооружение военно-морского флота была принята новая «Энигма М», качество шифрования которой благодаря дополнительным роторам значительно возросло. Позже защита шифрования данной модели была ещё раз усилена.
На следующий год шифровальные машины поступили и в Люфтваффе. Немецкая военная разведка Абвер использовала свою модель шифратора. Всего было выпущено около 100 тысяч машин «Энигма», большинство из которых были уничтожены немцами для сохранения секретности.
Конструкция и принцип работы
«Энигма» — это роторная машина, состоящая из механических и электрических систем. К главным деталям, осуществляющим непосредственно шифрование и дешифрование, относятся вращающиеся диски — роторы, ступенчатый механизм, рефлектор и электрическая схема.
Ротор представлял собой зубчатый диск диаметром 10 см, максимальное число которых в немецких шифраторах достигало восьми. Каждый диск имеет 26 сечений, одно на каждую букву латинского алфавита, и 26 контактов для взаимодействия с другими роторами. Один ротор производит шифрование путём обычной замены. Однако при использовании двух и более роторов надёжность шифра возрастает по мере увеличения числа дисков, так как производится многократная замена: на первом роторе «A» заменялась на «G», на втором — «G» на «F», на третьем — «F» на «K». После всех замен на панели загорается лампочка с буквой «K». Процесс повторяется с каждым нажатием на клавишу клавиатуры, но замена производится абсолютно по-иному. Само движение роторов обеспечивает ступенчатый механизм.
Главной особенностью «Энигмы» является наличие рефлектора. Рефлектор замыкает цепь, благодаря чему электрический ток, пройдя через все роторы, идёт в обратном направлении. Но при этом роторы вновь смещаются относительно друг друга, тем самым меняя его маршрут. Есть и существенный недостаток данного механизма, который впоследствии помог взломать код «Энигмы» — рефлектор не позволяет зашифровать букву на саму себя, то есть буква «E» заменяется на любую другую, кроме самой «E».
Схема пути электрического импульса от нажатия клавиши «А» до преобразования сигнала в букву «G». Серым цветом обозначены некоторые возможные варианты шифрования
Усложнение шифра достигалось путём добавления дополнительного ротора или коммутационной панели. Взлом «Энигмы», имеющей коммутационную панель, требовал специальных вычислительных машин, а её ручной взлом считался крайне сложным. Данная панель являлась ещё одной системой защиты — оператор мог заменить сигнал одной буквы на сигнал другой. Например, при нажатии на «С» сигнал от клавиши направлялся через подключенный кабель сначала на другую букву, к примеру, «Y». Лишь после прохождения электрического импульса через «Y» сигнал направлялся в роторы, где буква «Y» проходила многократную замену.
Трёхроторный шифратор. Слева находится рефлектор, обозначенный буквой «С», а между алфавитными кольцами располагаются роторы с характерными зубцами
Благодаря такой конструкции общее количество конфигураций, например, пятироторной «Энигмы» с коммутационной панелью, исчисляется числом с восемнадцатью нулями. Чтобы расшифровать сообщение требовался шифровальный ключ. В его состав входили схемы с расположением роторов и данные с настройками каждого алфавитного кольца и коммутационной панели. С точки зрения же современной криптографии шифр «Энигмы» считается довольно простым.
Польская школа криптоанализа
В январе 1929 года коммерческая модель шифровальной машины оказалась в руках поляков. Обнаружив ранее неизвестную немецкую систему шифров, подразделение польской военной разведки «Бюро шифров» начало исследование захваченной «Энигмы». Впрочем, взломщики не успели изучить шифратор: по требованию Германии образец пришлось вернуть.
С этого момента Польша всерьёз заинтересовалась криптоанализом, и уже через несколько лет польские криптоаналитики и криптографы считались лучшими в мире. Первые успехи в расшифровке «Энигмы» достигли студенты-математики Генрик Зигальский, Ежи Рожицкий и Мариан Реевский, работавшие в «Бюро шифров».
Ключ к «Энигме» на октябрь 1944 года. Римскими цифрами обозначались роторы в порядке их расположения. Подобные ключи имелись как у оператора, так и у получателя. Для расшифровки получатель выставлял исходное положение роторов — такое же, как у «Энигмы» оператора
Это стало возможно благодаря «Аше» — агенту французской разведки Гансу Шмидту. Работая в шифровальном бюро в Германии, «Аше» имел доступ к недействительным кодам «Энигмы I». Французская разведка скептично отнеслась к находке Шмидта, и французы даже не попытались взломать немецкие шифры, так как считали это пустой тратой времени. Материалы, захваченные французами, были переданы Польше. Теперь польские криптоаналитики знали состав шифровального ключа.
Имея на руках кодовые книги с дневными ключами, польские криптоаналитики сумели восстановить систему роторов и даже воссоздать военную модель «Энигмы». Проанализировав дневные ключи, они нашли некоторые закономерности в построенных ими таблицах соответствий. Информация о количестве дисков в «Энигме I» и её начальных настройках, переданная агентом «Аше», помогла рассчитать количество комбинаций — их оказалось чуть более ста тысяч. Используя построенные шифраторы, Мариан Реевский составил каталог всех возможных цепочек.
Польские криптоаналитики Генрик Зигальский, Мариан Реевский и Ежи Рожицкий
В 1938 году немцы, справедливо опасаясь взлома, сменили процедуру шифрования. В ответ на это поляки создали «криптологическую бомбу» — аппарат, состоявший из двух шифраторов. Благодаря этой «бомбе» анализ немецких шифров ещё представлялся возможным.
Однако перед началом войны немецкие шифровальные машины получили дополнительные роторы, возросло также и число соединений коммутационной панели. Таким образом количество вариантов кода увеличилось в разы. Несмотря на титанические усилия польских криптоаналитиков, их метод из-за развития технологии «Энигмы» не позволял своевременно дешифровать новые немецкие коды. Накануне Второй мировой войны «Бюро шифров», полностью осознавая намерения Германии в отношении Польши, передало всю информацию и наработки союзникам — Великобритании и Франции.
«Ультра» и «Бомба Тьюринга»
На основе работ Реевского и его коллег англичане начали разработку новой методики дешифрования кода «Энигмы».
Главное шифровальное подразделение Великобритании расположилось в особняке Блетчли-парк в городе Милтон Кейнс в 80 км от Лондона. Команда состояла из шахматистов, лингвистов и математиков, среди которых выделялся молодой профессор из Кембриджа — Алан Тьюринг. Он был одним из немногих криптоаналитиков Блетчли-парка, который не знал немецкого, хотя это было обязательным требованием. Довольно забавно, что для расшифровки «Энигмы» по ошибке был приглашён и биолог, изучающий криптогамы — группу бесцветковых растений.
Так как британцы уже имели точную копию «Энигмы», работа по дешифровке поступающих сообщений сводилась к подбору расположения роторов и иных настроек шифратора. Установка роторов являлась сложной задачей, так как их расположение менялось ежедневно.
Английские криптоаналитики работают над дешифровкой перехваченных немецких сообщений. Блетчли-парк, 1943 год
Предпосылкой к созданию принципиально новой методики криптоанализа являлась стоимость дальнейшего усовершенствования польской разработки: для полного перебора каждого сообщения требовалось несколько десятков машин. К тому же польский метод был основан на уязвимости в процессе шифрования, которую немцы устранили в 1940 году.
Будучи одним из главных теоретиков Блетчли-парка, Алан Тьюринг разработал новый метод, который основывался на переборе последовательностей символов. В этом ему помогли, как ни странно, сами немцы. Дело в том, что немецкие шифры часто содержали одинаковые стереотипные словосочетания — например, приветствия, различные ругательства и числа. А слово «Eins» (с нем. «один») встречалось почти во всех сообщениях. Большое внимание британцы уделили и немецким ежедневным метеорологическим сводкам, которые отправлялись в определённый час.
На основе вводных данных Тьюринг вместе с коллегами разработал специальный метод криптоанализа, так называемый «Eins-алгоритм». Работу по перебору букв алфавита облегчил и недостаток рефлектора.
В августе 1940 года команда криптоаналитиков Блетчли-парка построила собственную «криптологическую бомбу». Теперь вместо перебора целого сообщения достаточно было узнать небольшой фрагмент. Машина сверяла известные фрагменты текста с положением роторов, после чего из множества комбинаций оставляла несколько логических продолжений искомых фрагментов. С помощью «бомбы Тьюринга» удалось довести темп криптоанализа немецких шифров до нескольких тысяч сообщений в день. Немецкое командование до конца войны не подозревало о взломе «Энигмы» и не меняло систему шифрования.
Для получения известных фрагментов текста британцы использовали хитрость — атаку на основе подобранного открытого текста. Англичане провоцировали немцев использовать определённые слова — в данном случае координаты. Они демонстративно минировали определённую акваторию и ожидали немецкие сообщения о минных заграждениях. Аналитики же, сверяя свои координаты с зашифрованными, получали искомые символы для дальнейшей расшифровки.
Связист с трёхроторным шифратором «Энигма», субмарина U-124, март 1941 года
Весной 1942 года Блетчли-парку удалось расшифровать армейскую «Энигму». А после того, как англичане захватили подлодку U-110 вместе с секретной документацией, были взломаны шифры немецких подводных лодок и кораблей — атлантический «Тритон», средиземноморские коды «Медуза*» и «Зюйд» и код для надводных кораблей «Нептун». Все расшифрованные немецкие радиосообщения получили наивысший уровень секретности (Ultra secret). Поэтому с июня 1941 года важные сообщения противника обозначались как «Ультра».
Успех англичан в сфере контрразведки и криптоанализа превзошёл все ожидания. Сотрудники Блетчли-парка, взломав шифр «Энигмы», сделали невозможное и спасли тысячи жизней. Целый ряд операций Абвера окончился провалом, результативность немецких подводников заметно упала, а информация об операциях вермахта и Кригсмарине стала одним из решающих факторов в победе Союзников во Второй мировой войне.
Материал подготовлен волонтёрской редакцией WoWS