Немного криптографии: загадочная и легендарная Enigma
Тайно проникнуть в намерения и замыслы противника, выявить его сильные и слабые стороны, предугадать, а часом и предотвратить планы — вот что представляет собою феномен разведки. Начало прошлого столетия по праву заслуживает звания века расцвета искусства разведки и контрразведки. Это статья не воспевание гимна Германии времен Второй Мировой, а еще одно напоминание о том, насколько много усилий было приложено для победы в далеких 40-х годах прошлого столетия. Ведь уже к началу Второй Мировой Германия стала мировым лидером по производству специальной техники в данной области. Разнообразные магнитофоны, в том числе и малогабаритные, миниатюрные микрофоны, системы подслушивания считались лучшими в мире, ведь они были разработаны в соответствии в последними достижениями немецкой науки в области радиотехники и химии.
Всего несколько экземпляров Энигмы, самой сложной шифровальной машины гитлеровского рейха, смогли пережить войну: преданные солдаты фашистской армии, сдаваясь, уничтожали ее тысячами. Сегодня о технике шифрования, применяемой в легендарной «Загадке» мало кто может рассказать.
После того как войска Юго-Западного и Сталинградского фронтов замкнули кольцо окружения в 1943 году (Сталинградский котел, в котором оказалась почти 300-тысячная вражеская группировка) радисту Герману Кледицу посчастливилось остаться вне окружения. Радист получил последнее зашифрованное на Enigma послание от товарищей, находившихся в котле. Он до сих пор помнит его содержание: в тесном подвале ведем битву Х Враг взялся за огнеметы Х Пусть живет Германия. После чего пришло еще одно сообщение открытым текстом: передай почтение моим родителям.
Германское правительство, пораженное надежностью машины, сохранило все права на нее за собой и начало использовать ее для армии. Enigma была самой сложной системой шифрования, используемой немцами во время Второй мировой войны. Для связи по радиоканалу Морзе с войсками на фронте солдаты использовали гораздо более простую систему: двойное шифрование.
Герман Кледиц, 1921 года рождения, и Юрген Рейнхольд, 1923 года рождения, одни из немногих выживших свидетелей, которые смогли рассказать о своей работе с Enigma нашему времени.
При Вермахте Кледиц в 1939 году выучился на телефониста, а затем на радиста. Сначала нес службу во Франции в пехотной дивизии, с которой в 1941 году отправился на Восток. Внутри подразделения работали только с двойным шифрованием. В начале 1942 года был переведен в разведывательное подразделение, которое занималось прослушкой и анализом советских сообщений, передаваемых по радиотелеграфу. В дальнейшем подразделение продвигалось по территории СССР, ведя радиоперехват и используя передовые технологии, последней точкой стал Сталинград.
Кледиц был радистом. Анализ перехваченных сообщений проводился другими специалистами (в основном математиками) того же подразделения. Герман мало общался с ними и ничего не знал об их секретной работе. Да и на сегодня информация о работе немецких шифровальщиках во Второй мировой войне крайне фрагментарна.
Однако Кледиц мог предполагать, чем занимались его коллеги. Будучи радистом перед ним стояла задача — передавать по аппарату Морзе сообщения в военный штаб. Чтобы эти строго конфиденциальные данные не попали в руки врага, они были зашифрованы с помощью Enigma. Как вспоминает Кледиц, за шифрование всегда отвечали три человека: один вводил соответствующие буквы на Enigma, второй шифровал результат, а третий записывал его.
Чтобы передача зашифрованных сообщений происходила верно, радист должен был установить правильный ключ (состоящий из цифровых комбинации). У каждого отряда с собой был список кодов, из которого каждый раз офицер отрывал часть, чтобы передать радисту. Такой ключ был действителен в течение 24 часов.
«Мы были убеждены, что Энигма не может быть взломана», — рассказывал Юрген Рейнхольд, один из специалистов другого подразделения. Он был призван в 1941 году, служил в разведывательном отделе в танковых войсках, для чего обучался на протяжении девяти месяцев. В то же время он изучал азбуку Морзе, обучался двойному шифрованию и работе с Enigma. Немцы использовали несколько десятков тысяч этого устройства во время Второй мировой войны — не зная, что британцы прослушивали и расшифровывали большую часть сообщений.
Юрген Рейнхольд понятия не имел об этом. Для передачи наиболее важных стратегических и государственно важных посланий Энигма была выбор «намбер ван». Лишь после того, как стало известно об уязвимости Энигмы, вернулись к методу двойного шифрования. Как это работало из рассказа Рейнхольда: необходимо было искать вертикальные пары цифр в полях A и B, формировать четырехугольник, формировать следующий четырехугольник и вводить результат пятизначными группами знаков азбукой морзе.
Различие в использовании Энигмы и двойного шифрования на лицо: шифромашина была размером с пишущую машинку и, соответственно, слишком громоздкой для походного снаряжения, а потому непригодна для солдат, сражавшихся на фронте и передвигавшихся пешком. «Бумажно-карандашный» процесс, используемый при двойном шифровании, был лучшей альтернативой для таких отрядов. Кроме того, вести фронта часто-густо устаревали через пару часов, и даже лучшие взломщики кода противника не могли работать настолько быстро.
В ноябре 1942 года отряд Кледица прибыл под Сталинград. Там радиогруппу посетила группа сотрудников румынской разведки. Они были впечатлены работой легендарной Энигмы. «Ах, la machina dechifrata!» — вот что сорвалось с их уст, ведь они были также восхищены высокой безопасностью устройства, не подозревая, что англичанам давно удалось взломать Энигму.
Вскоре после военного успеха СССР и Сталинградского котла, подразделение Кледица было рассеяно. Началось отступление. В Чехословакии разбросанная группа снова собралась для того, чтобы 9 мая 1945 года уничтожить свой экземпляр Энигмы. Еще во время учений радиооператоры были обучены некоторым вещам: Enigma никогда не должна попасть в руки врага, а записанный на бумаге ключ шифрования должен быть съеден во время бедствия. Радисты даже практиковали «поедание» бумаги.
Юрген Рейнхольд пережил окончание войны в Венгрии. Даже после окончания войны 8 мая 1945 года он все еще использовал шифромашину. Он хотел покинуть Венгрию и попасть к британцам, но боялся Красную Армию. При помощи зашифрованных на Энигма посланий, он под руководством бывших товарищей смог достичь пункта назначения. Его образец шифромашины был надежен: устройство всегда работало безупречно от начала и до самого конца. После Юрген, взяв молоток, уничтожил последнюю Enigma.
Поскольку большинство солдат уничтожили свои Enigma, на сегодняшний день сохранилось лишь пару экземпляров криптомашины. Коллекционеры готовы заплатить около 20 000 евро за легендарную Enigma, а стоимость спецмоделей еще выше.
Простота конструкции, высокая надежность работы, а главное отличная стойкость шифра — те параметры, которые сделали криптомашину Enigma известной на столетия. Электромеханический шифратор впервые появился после Первой мировой войны. В 1917 году американец Эдвард Хепберн создал роторную шифровальную машину, ее то позже и назвали «Enigma». Она подключалась к электрической пишущей машинке. В 1923 году берлинский инженер Артур Шербиус создал независимую промышленную версию Enigma.
Со временем свет увидела особая модификация, предназначенная для военно-морских сил, от обычной Enigma она отличалась количеством шифрующих роторов.
Большое семейство различных машин Enigma разрабатывалось в период с 1923 по 1945 год. Условно семейство можно разделить на две ветви: машины с более сложным механизмом — выводили информацию непосредственно на бумагу, и более простые, выпускаемые с лампами накаливания.
Enigma С
Enigma А — Die Handelsmaschine (коммерческая машина) представляла собой печатную шифровальную машину, разработанную в 1923 году Scherbius & Ritter в Берлине (Германия). Это был первый шифровальный аппарат, выпускаемый под брендом Enigma. Насколько известно в настоящее время нет сохранившихся примеров данной модели. Ненадежность печатного механизма Enigma А привела к разработке новой модели машины в 1924 году.
Schreibende Enigma
У новой модели появился литерный рычаг (Typenhebel) — точно такой же, как у обычной пишущей машинки. Из-за механических и производственных проблем «внедрение» криптомашины было отложено до 1926 года. В 1926 году ее сменила Die Schreibende Enigma (печатная Enigma).
Машина с 4 роторами шифрования и 28 электрическими контактами с каждой стороны, с механизмом зубчатого колеса с пошаговым смещением. Кроме того каждое зубчатое колесо обладало различным количеством зубьев, что обеспечивало длительный период шифрования и нерегулярный (то есть менее предсказуемый) степпинг. Четыре ротора шифрования были установлены внутри машины, начальная позиция им задавалась 4 ручками (справа). Вставив рукоятку в пятую ручку (находилась в самом верху) можно было запустить весь шифровальный механизм. Над роторами шифрования находился 5-значный счетчик, с его помощью подсчитывалось количество символов, введенных на клавиатуре.
На передней части криптомашины располагалась ручка для выбора 3 режимов: шифрование, дешифрование и обычный текст. Если задавался режим «обычный текст», Энигма работала как простая пишущая машинка.
В верхней части машины, сзади, находился действующий принтер, как у стандартной электрической пишущей машинки той эпохи. Он состоял из каретки для бумаги и лепесткового принтера. При создании зашифрованного текста символы печатались группами из 5 букв в каждой, после автоматически ставился пробел. В одну строку помещалось десять таких групп (50 символов). На клавиатуре были буквы, цифры, знаки пунктуации, и пробел. Две клавиши Shift использовались для переключения между буквами и цифрами.
Schreibende Enigma была подвержена механическим неполадкам, потому было решено разработать еще одну модель. Она была представлена в 1929 году и стала известной как Enigma Model H29 или просто Enigma H. Н29 — последняя модель в серии печатных машин марки Enigma. Но, увы, эти модели были ненадежны, и, несмотря на усовершенствования, на практике на них поступало много жалоб.
Enigma A
Именно Enigma A, которая изначально была намного меньше и стоила дешевле, превратилась в Enigma I — основное устройство шифрования немецкой армии во время Второй мировой войны. Портативная Enigma А помещалась в деревянном ящике, в ней впервые были применены электролампочки.
В ноябре 1924 года машину можно была приобрести за 500 долларов. При покупке 10 и более единиц цена составляла 420 долларов, а при оптовой закупке от 50 единиц — 400 долларов. Известно, что существовало несколько вариантов машины, но ни один из них не сохранился.
Согласно описанию в сохранившихся документах, именно так выглядела Enigma A (фото выше). Ее габариты составляли 27 х 23 х 13 см, а вес около 5 кг. Клавиатура состояла из 26 клавиш, разделенных на два ряда. Над каждым рядом находились соответствующие лампочки. Клавиши были пустыми, сверху можно было вписать любой символ.
Enigma B
Enigma B — электромеханическая шифровальная роторная машина, была представлена в конце 1924 года компанией Cipher Machine Corporation (ChiMaAG) в Берлине (Германия). Как и у ее предшественницы Enigma A, здесь использовались лампочки.
Известны две версии Enigma B: ранний вариант с двумя рядами клавиш спереди и двумя рядами лампочек над роторам; двумя несъемными роторами шифрования и подвижным контактным отражателем в центре.
В более поздней версии один ротор шифрования был съемным. Клавиатура была устроена немного иначе чем у обычной пишущей машинке, символы располагались в алфавитном порядке. Панель ламп теперь находилась в центре машины, а роторы перемещены назад.
Буква W отсутствовала, были добавлены Å, Ä and Ö в правом нижнем углу. В то время W не использовалась в официальном шведском языке, за исключением имен, иностранных слов и заимствований, да и в этом случае она могла быть заменена на VV (double-V).
Считается, что сохранившихся примеров ранней модели В не существует. Но есть как минимум два экземпляра поздней модели (A-133 и A-134), они стали частью коллекции. Различия между этими двумя версиями настолько велики, что более поздняя является скорее переходом к Enigma C.
Внутри A-133
В A-133 было три движущихся роторов шифрования — на одном буквы (A-O), а на двух других цифры (01-28) — и фиксированный отражатель (FM), установленный слева от роторов. Количество возможных настроек — 2 891 341 824.
Enigma С
Enigma C — электромеханическая роторная шифровальная машина, была представлена в середине 1925 года компанией Cipher Machine Corporation (ChiMaAG) в Берлине (Германия). Как и в ее предшественницах, Enigma A и Enigma B, в ней использовались лампочки.
Составляющие Enigma С: 26-буквенная клавиатура для ввода открытых сообщений; 26 лампочек, которые при включении подсвечивали нужные буквы шифрованного текста; источник питания (3,5-вольтовая батарея или ее эквивалент); три съемных контактных колеса, которые вращались на общей оси; неподвижный контактный отражатель; неподвижное контактное колесо ввода.
Военная Enigma
Enigma I — это электромеханическая шифровальная машина, разработанная в 1927/29 годах для немецкой армии и введенная в эксплуатацию в 1932 году. За основу была взята Enigma D, был добавлен фиксированный отражатель и панель управления спереди. Машина использовалась во время Второй мировой войны и была известна под разными названиями. С декабря 1938 года Enigma снабдили пятью дисками вместо трех: три — в машине, два выносных. Немецкие военные настояли на внесении изменений, значительно повысивших стойкость машины. Самым важным из них было введение коммутатора, который размещался под клавиатурой. 26 разъемов коммутаторов соединялись попарно 13-ю короткими кабелями. Это устройство давало возможность на этапе ввода и вывода менять местами буквы алфавита, составляющие пары.
Данный экземпляр был найден в Италии, в поезде среди потерянного багажа в конце Второй мировой войны.
Enigma I использовалась как Армией так и ВВС, позже ВМФ Германии, она была известна здесь как M1, M2, M3. Единственная очевидная разница между армейской версией и версией военно-морского флота состояла в том, что диски последней вместо цифр имели буквы (A-Z). Различные производители изготовили около 20 000 таких военных машин, но лишь немногие «выжили» до наших дней.
До 1932 года все коммерческие модели Enigma были в свободном доступе на международном рынке. Позже все коммерческие и международные продажи одобрялись немецкой армией. Enigma H была продана венгерской армии, но никогда не пользовалась популярностью из-за высокой цены. Помимо того, немцы продолжали продавать Enigma швейцарской и голландской армиям.
Первые машины Enigma были разработаны в 1923 году компанией «Scherbius and Ritter», позже переименованной в «Gewerkschaft Securitas» (объединение по безопасности), а через несколько — в шифровальные машины AG. После кончины Шербиуса в 1929 году компания перешла в руки к другому владельцу, в 1933 году немецкая армия приобрела права на производство машины Enigma и название компании было снова изменено на Heimsoeth and Rinke.
Enigma Z
Довольно необычная вариация Enigma. Хотя ее дизайн был явно основан на Enigma D, но в ней было всего 10 ключей и 10 ламп, каждая из которой обозначена цифрами от 0 до 9. Она использовалась для шифрования числовых сообщений (то есть сообщений, которые были предварительно закодированы), например отчеты о погоде. Буква Z, вероятно, обозначала Ziffern или Zahlen (цифры). Официальное название криптомашины Z30. Всего существовало две версии Enigma Z: стандартная и улучшенная.
О существование Z30 впервые стало известно после публикации статьи в одном испанском журнале Arthuro Quirantes (апрель 2004 год). Судя по документам, которые были обнаружены в испанских архивах, машина была предложена правительству в ноябре 1931 года вместе с другими моделями.
Улучшенная версия Z30
Польский прорыв (1933)
В 1930 году Польское бюро шифров, Biuro Szyfrów (специальное подразделение польской военной разведки) первым предприняло попытку взломать шифр Enigma. Будучи ближайшими соседями Германии, здесь очень хорошо знали об опасности другого. Начиналось исследование коммерческой версии Enigma.
Первыми встревожились поляки. Следя за опасным соседом, в феврале 1926 года они вдруг не смогли читать шифровки немецкого ВМФ, а с июля 1928 года — и шифровки рейхсвера. Стало ясно: там перешли на машинное шифрование.
Бюро наняло на работу троих молодых блестящих математиков из Познанского университета: Мариан Реевский, Ежи Ружицкий и Генрих Зыгальский. Они то и начали работать над шифром Enigma, имея всего лишь несколько перехваченных сообщений.
Мариан Реевский занялся проблемой в конце 1932 года, и через несколько недель добился первого прорыва: разобрал секретную внутреннюю разводку Enigma. Вместе со своими коллегами он принялся разрабатывать различные техники расшифровки немецкого трафика.
Циклометр Реевского
Генрих Зыгальский разработал так называемые листы Зигальского. Позже метод листов Зыгальского был автоматизирован — созданием легендарной Bomba.
Их успех был основан на чисто математическом анализе, чему способствовала полученная информация от немецкого шпиона по имени Ханс-Тило Шмидт (кодовое имя Asche), а также коммерческая Enigma, перехваченная на польской почте. Позже они приобрели коммерческую Enigma и использовали всю собранную информацию, чтобы преобразовать машину в военную. Эта переделанная машина и стала широко известной польской Enigma.
Начиная с 1930 года, немцы использовали очень простую схему управления ключами, случайно выбранный ключ сообщения отправлялся дважды в зашифрованном виде в начале каждого сообщения. Это позволило относительно легко восстановить ежедневный ключ ручными методами.
Криптологическая Bombe — британский ответ на немецкую Enigma.
Основываясь на информации, представленной поляками, британский математик Алан Тьюринг разработал легендарную Turing-Welchman Bombe. Более продвинутая версия криптологической Бомбы — электронно-механической машины для расшифровки кода Enigma.
В Блетчли-Парке в военное время было установлено 212 машин типа Bombe, с их помощью удавалось расшифровывать до 3 тысяч сообщений в день. После войны все Bombe были уничтожены. Через 60 лет с помощью подробных чертежей и описаний к ним машина была восстановлена, на это ушло 10 лет работы.
Принцип работы разработанного Тьюрингом дешифратора состоял в переборе возможных вариантов ключа шифра и попыток расшифровки текста, если была известна структура дешифруемого сообщения или часть открытого текста.
До и во время Второй мировой войны Enigma была источником вдохновения для разработки других криптомашин, таких как британский Typex и американская Sigaba. И даже после Второй мировой войны некоторые шифровальные машины были основаны на том же принципе, что и Enigma. Это американская KL-7, русская фиалка и швейцарская Nema.
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до лета бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.
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
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