Шпионские истории всегда вызывают повышенный интерес у публики. Дух авантюризма и невероятная смекалка секретных агентов, взламывающих сейфы и разгадывающих без проблем суперсекретные шифры завораживают зрителей. Но на самом деле как минимум с последним пунктом всё куда прозаичнее.
30 09 2015
16:19
В секретных службах у каждого своя задача – та, с которой именно этот специалист справляется лучше всего. А в сфере шифрования данных наиболее эффективными работниками являются вовсе не люди, а машины. О них и поговорим.
Самая известная в мире шифровальная машина, которая использовалась фашистской Германией во времена Второй Мировой Войны. Именно с её помощью командование Третьего Рейха передавало большую часть секретной информации. Знать планы врага было необходимо, а вот захватить того, кто бы поведал секрет Enigma, оказалось невозможно.
Сегодня, спустя десятилетия, мы можем достаточно подробно объяснить её устройство кому угодно.
Портативное устройство 20-х годов выпуска выглядело как чемодан, как и обычные печатные машинки того времени. Но помимо стандартной клавиатуры и валиков, двигающих лист бумаги, в Enigma значительную часть пространства занимали электронная и механическая составляющие.
В основе машины лежит работа трёх роторов и ступенчатого механизма, который двигал при нажатии на клавишу один или несколько роторов.
Схема без пояснения выглядит достаточно сложно, поэтому требуется краткое объяснение. При нажатии на клавишу проходящий ток двигал правый ротор. В зависимости от того, какая буква или символ шёл дальше, последовательно сдвигались второй и третий роторы (в некоторых моделях роторов было 4). Затем ток отражался от рефлектора, расположенного в электрической цепи после роторов, и возвращался на них же, но уже другим путём, соответственно сдвигая их. Соответственно, на выходе получался текст, состоящий из совершенно других букв, нежели те, что были набраны оператором. За счёт постоянного изменения конфигурации электрической цепи шифр получался более надёжным, хотя и представлял собой элементарную замену одних букв на другие.
Минусов у такого способа шифрования было несколько, и одним из главных была невозможность шифрования какого-либо символа через самого себя. Этим Энигма была обязана рефлектору, который помогал сделать шифр сложнее, но в итоге сильно упростил работу дешифровщикам.
Дешифровка кода Enigma принесла всемирную известность человеку, расшифровавшему её код – Алану Тьюрингу. Вернее, именно так этот факт упоминается чаще всего. На самом деле непосредственного участия в дешифровке британский математик и криптограф не принимал. Он разработал математический логический аппарат для Bombe – машины, с помощью которого специалистами разведки и контрразведки был уже непосредственно расшифрован код.
Если сама Enigma была размером с печатную машинку, то Bombe весила 2,5 тонны и представляла собой аналог большого шкафа габаритами 3х2,1х0,6 метра. После войны все Bombe были уничтожены за ненадобностью (и для сохранения секретности). На её восстановление у современных учёных ушло 2 года – настолько сложной она оказалась.
Было бы странным и небезопасным решением шифровать все сообщения как между рядовыми подразделениями, так и в рядах командования, одним способом. Поэтому второй, чуть менее известной шифровальной машиной Второй Мировой Войны стал Lorenz. В отличие от Энигмы этот аппарат был весьма громоздким и не подходил для временных лагерей и быстрых перемещений, в связи с чем устанавливался в основном в крупных штабах. Почему же немцы, которые понимали преимущества мобильности, не сделали его более компактным? Ответ на это в его предназначении – он производил потоковое шифрование с использованием телетайпа. Телетайп – это устройство, представляющее собой печатную машинку с включением электронных элементов для передачи сообщения по каналу (чаще всего проводному каналу).
Фото: Lorenz с кожухом и без него
Одна и та же машина могла как шифровать, так и дешифровывать текст, что было довольно-таки рискованно, но оправдано, так как в случае захвата командования никакие устройства уже не помогут. Информация кодировалась при помощи 12 дисков, которые располагались в двух частях машины. Они разделялись на 3 части – пси-, хи- и мю-диски, каждый из которых имел определённое количество контактов. Контакты меняли раз в квартал, раз в месяц и раз в день соответственно. Сообщение передавалось с использованием бумажной перфорированной ленты (прообраза современных носителей информации), на которой его пробивала машина получающей стороны.
Однако на каждую хитрую гайку найдётся свой болт с резьбой. Британской разведке потребовалось создать машину, названную Colossus, которая была мощнее (относительно выполняемых задач) вышедшего много позже Pentium 1996.
Этот аппарат иногда называют одним из первых компьютеров в мире, хотя таковым в прямом смысле этого слова он не является. В его механизме присутствовали электронные схемы, выполнявшие цифровые функции, но отсутствовала как таковая память – вместо этого использовалась замкнутая перфолента. Полторы тысячи электронных ламп, несколько операторов, сменявших друг друга, отдельное помещение и невероятный метраж перфоленты – вот как выглядела установка для дешифровки сообщений немецкого командования.
Как она работала? Перехватываемые сообщения пробивались на перфоленте и проходили через машину на скорости около 80 км/ч. Каждый символ кодировался 5 областями, на месте которых могло располагаться либо отверстие, либо участок ленты. Далее при помощи построенной Биллом Таттом статистической модели Lorenz, машина прогоняла полученную информацию по 501 шаблону (именно столько их было выявлено для данного типа шифрования) и находила соответствия, анализируя данные и выдавая результат в печатном виде. Этот метод позволил сократить расходы времени на расшифровку с нескольких дней до пары часов.
Можно заметить, насколько сильно различались по размеру машины для создания и взлома тайных кодов. Другими словами, это как раз тот случай, когда ломать не проще, чем строить.
Цикл статей о технологиях шифрования и дешифровки будет продолжен.
Дмитрий Потапкин, специально для Обзор.press.
История самой известной электрической роторной шифровальной машины - «Энигма» - начинается в 1917 году - с патента, полученного голландцем Хьюго Кохом. В следующем году патент был перекуплен Артуром Шербиусом, начавшим коммерческую деятельность с продажи экземпляров машины как частным лицам, так и немецким армии и флоту.
Германские военные продолжают совершенствовать «Энигму». Без учёта настройки положения колец (нем. Ringstellung), количество различных ключей составляло 1016. В конце 1920-х - начале 1930 годов, несмотря на переданные немецким аристократом Хансом Тило-Шмидтом данные по машине, имевшиеся экземпляры коммерческих вариантов, британская и французская разведка не стали браться за задачу криптоанализа. Вероятно, к тому времени они уже сочли, что шифр является невзламываемым. Однако группа из трёх польских математиков так не считала, и, вплоть до 1939 года, вела работы по «борьбе» с «Энигмой», и даже умела читать многие сообщения, зашифрованными «Энигмой» (в варианте до внесения изменений в протокол шифрования от декабря 1938 года). Среди результатов, переданных британским разведчикам перед захватом Польши Германией, были и «живые» экземпляры «Энигмы», и электромеханическая машина «Bomba», состоявшая из шести спаренных «Энигм» и помогавшая в расшифровке (прототип для более поздней «Bombe» Алана Тьюринга), а также уникальные методики криптоанализа.
| Содержание: |
1. Что такое шифровальная машина «Энигма»?
Шифровальная машина Энигма — переносная шифровальная машина, использовавшаяся для шифрования и расшифрования секретных сообщений. Более точно, «Энигма» - целое семейство электромеханических роторных машин, применявшихся с 20-х годов XX века.
«Энигма» использовалась в коммерческих целях, а также в военных и государственных службах во многих странах мира, но наибольшее распространение получила в нацистской Германии во время Второй мировой войны. Именно германская военная модель чаще всего является предметом дискуссий.
2. Работа по взлому.
Работа по взлому была организована в Блетчли-парке (англ. Bletchley Park), сегодня являющемся одним из предметов национальной гордости Великобритании. В разгар деятельности центр «Station X» насчитывал 12 тысяч человек, но, несмотря на это, немцы не узнали о нём до самого конца войны. Сообщения, расшифрованные центром, имели гриф секретности «Ultra» - выше, чем использовавшийся до этого «Top Secret» (по одной из версий отсюда и название всей британской операции - «Операция Ультра»). Англичане предпринимали повышенные меры безопасности, чтобы Германия не догадалась о раскрытии шифра. Ярким эпизодом является случай с бомбардировкой Ковентри 14 февраля 1940 года, о которой премьер-министру Великобритании Уинстону Черчиллю было известно заранее благодаря расшифровке приказа. Однако Черчилль, опираясь на мнение аналитиков о возможности Германии догадаться об операции «Ультра», принял решение о непринятии мер к защите города и эвакуации жителей.
3. «Энигма», то есть «Загадка»!
Во время Второй мировой войны упорная борьба шла не только на фронтах почти всего мира. Не менее упорно противостояли друг другу шифровальные службы.
Берлинский инженер Артур Шербиус назвал первую в истории криптографии изобретенную им автоматическую шифровальную машину греческим словом «Энигма», то есть «Загадка». Несмотря на столь громкое название, работать на ней было довольно просто: текст набирался на клавиатуре и шифровался совершенно автоматически. На принимающей стороне достаточно было настроить свою «Энигму» на аналогичный режим, и кодограмма расшифровывалась также автоматически.
А вот чтобы разгадать «загадку» при дешифровке сообщений, противник должен был знать систему замены вариантов настройки, а их чередование было непредсказуемым. Поистине бесценное преимущество этой машины заключалось в возможности приема-передачи оперативной информации в реальном масштабе времени. При этом полностью исключались потери, связанные с применением таблиц сигналов, шифроблокнотов, журналов перекодирования и других компонентов криптографии, требующих долгих часов кропотливой работы и связанных с почти неизбежными ошибками.
4. Эффективность и надежность «Энигмы»
Эффективность и надежность «Энигмы» была оценена германским генштабом по достоинству: еще в конце 20 – начале 30-х годов XX века она была принята на оснащение всех видов немецких вооруженных сил. Однако примерно в то же время польская разведка сумела раздобыть пять таких аппаратов с комплектами импульсной настройки. По одной машинке они передали англичанам и французам, но к началу Второй мировой войны немцы полностью перестроили систему настройки, и союзники оказались беспомощны при расшифровке перехватов.
Ни французы, ни поляки так и не смогли извлечь пользу из «Энигмы», а вот экземпляр, доставшийся англичанам, был передан сэру Элистеру Деннисону, начальнику Государственной школы кодов и шифров (ГШКШ), которая размещалась в огромном замке Блетчли-парк в 50 милях от Лондона. В нем работали несколько тысяч сотрудников, именно здесь была задумана и проведена операция «Ультра», нацеленная на дешифровку материалов «Энигмы», в изобилии поставлявшихся службой радиоперехвата.
Благодаря молодым и талантливым аналитикам - питомцам Кембриджа и Оксфорда - во время операции применялась современнейшая вычислительная техника. Ее участники свято хранили в тайне методы своей работы не только во время войны, но и последующие 30 лет. Материалы расшифровки поступали только начальникам разведслужб вооруженных сил и главе «Интеллидженс сервис» сэру Стюарту Мензису. В остальные инстанции направлялись только распоряжения, основанные на сведениях, полученных в ходе операции «Ультра». Но и они составлялись так, чтобы немцы не смогли догадаться, что получены от расшифровки материалов «Энигмы».
Иногда расшифровка играла лишь вспомогательную роль. Это были случаи, когда немцы не использовали радиосвязь, отправляя донесения по проводам, фельдъегерями, собаками или голубями. Такое случалось часто, ибо подобными способами во время Второй мировой войны передавались более половины сведений и распоряжений.
К сожалению, английские «парни из Блетчли» сумели расшифровать далеко не все коды. К примеру, весьма крепким орешком оказался шифр «Тритон», введенный на германском флоте в 1942 году и успешно действовавший около года. Даже когда в ГШКШ его раскрыли, от перехвата до передачи информации британским морякам уходило столько времени, что сведения теряли всякую ценность.
Еще хуже было, когда командиры игнорировали точные указания «Ультры», если они не подтверждали их собственные соображения. Так, фельдмаршал Монтгомери, своевременно предупрежденный о наличии в Арнеме двух германских танковых соединений, все-таки приказал выбросить полки 1-й парашютно-десантной дивизии именно в этом районе, где они были почти полностью уничтожены.
В Германии иногда догадывались о раскрытии шифров. Так, в сентябре 1942 года немцы обнаружили на британском эсминце схему маршрутов своих конвоев. И варианты импульсной настройки «Энигмы» были тотчас заменены. Вообще было бы глупо считать германских штабистов профанами в том, что касалось криптографии. Они хорошо знали, что любой транспозиционный код уязвим. В Германии имелось шесть организаций, занимавшихся криптоаналитикой. Все они были вполне компетентными, но главной их слабостью являлась именно децентрализация, которая всегда вызывает соперничество.
5. Криптография в Москве.
В Москве до 1938 года задачи кодирования и дешифровки выполняло объединенное подразделение НКВД и военной разведки. Но когда наркомом стал Берия, он арестовал и казнил руководителя криптографической службы НКВД Бокия и большинство его сотрудников. С тех пор вопросами тайнописи занимались только в ГРУ ГШ.
В феврале 1941 года шифр-отделение НКВД было восстановлено с задачей раскрытия дипломатической переписки. Естественно, физическое уничтожение квалифицированных специалистов в ходе репрессий не могло не сказаться на эффективности работы этого отделения. Однако англичане все же зря обольщались на этот счет. Москва получила данные о ГШКШ еще в 1939 году от Кима Филби, которому тогда же предложили туда проникнуть. Это сумел сделать в 1942 году Джон Кэрнкросс. Он поступил на службу в Блетчли-парк и снабжал Москву не только содержанием расшифровок «Энигмы», но и подлинными документами.
После Сталинграда англичане резко сократили объем предоставляемой информации из «Энигмы», и деятельность Кэрнкросса приобрела для русских особое значение. Правда, 30 апреля 1943 года по личному распоряжению Черчилля Кремль все же предупредили о подготовке крупной германской операции под Курском. Но об этом там и так уже знали от своих разведчиков, в том числе - и от Кэрнкросса. Он информировал о расположении авиабаз частей люфтваффе, нацеленных на действия в операции «Цитадель», и за два месяца до ее начала советская авиация нанесла по ним три упреждающих удара. Были уничтожены 17 аэродромов, немцы потеряли около 500 самолетов. Но когда контроль Лондона возрос и передавать информацию стало почти невозможно, Кэрнкросс ушел из Блетчли-парка.
Но почему в Москве не расшифровывали радиоперехваты «Энигмы»? Ведь там прекрасно знали о ее существовании. Более того, имели несколько вполне исправных таких аппаратов. Два были захвачены еще в 1941 году. Еще три - при ликвидации Сталинградского котла. Да и среди военнопленных было несколько операторов-шифровальщиков, которых чекистам ничего не стоило принудить к сотрудничеству, что и было сделано. Однако расшифровать удалось только старые радиоперехваты. Дело было в том, что уже в январе 1943 года немцы ввели в свои системы импульсной настройки ряд дополнительных уровней защиты. «Расколоть» эти новинки советские криптологи не сумели - сказалось отсутствие новейшей электронной техники.
6. Заключение
В течение всего периода активного применения «Энигм», различные правительственные организации стран Европы предпринимали попытки «взлома» машины с целью защиты от нарастающей угрозы со стороны Германии. «Энигма» была необходима Германии для проведения быстрого и скоординированного наступления против ряда стран в рамках Второй мировой войны. В довоенном периоде наибольших успехов в дешифровке сообщений «Энигмы» достигло польское Бюро шифров и лично Мариан Реевский. Во время Второй мировой войны пальму первенства в деле криптоанализа «Энигмы» взял центр британской разведки «Station X», также известный как Блетчли-парк.
Многие слышали, что в Великую Отечественную Войну немецкая сторона использовала для шифрования специальную шифровальную машину - «Enigma».
Как утверждают источники, это устройство - было новым словом в криптографии того времени.
Как же она работала?
Шифр замены
Для начала, следует знать, что такое «Шифр замены». Это обычная замена одних букв на другие. Т.е. в таком шифре вместо буквы «А» используется, например «T», вместо «B» - «S» и т.п.Взламывается такой шифр достаточно просто. При наличии более-менее длинного зашифрованного сообщения, можно произвести частотный анализ и сопоставить его частоте употребления букв в языке. Т.е. если в зашифрованном шифром замены сообщении много букв «Т» - то это явный признак того, что за этой буквой скрывается какая-то гласная (например, «А» или «О» т.к. обычно именно эти буквы наиболее часты в языке).
Устройство Энигмы
Энигма представляла собой как бы динамический шифр цезаря. Т.е. изначально на барабаных выставлялось некое начальное значение (этакий random seed), которое и являлось ключом. Далее, при наборе букв, каждая буква шифровалась шифром цезаря, а потом, этот шифр менялся на другой.Смена шифра обеспечивалась с помощью роторов.
Роторы представляли собой диски, у которых было по 26 контактов с каждой стороны, соединенных внутри ротора определенным (случайным) образом. Именно проходя через ротор, сигнал преобразовывался из буквы «А» в букву «Т» и т.д.
Роторов было несколько и они поворачивались после набора каждого символа (на манер барабанного счетчика).
Кроме того, была еще коммутационная панель, в которую можно было вставлять провода, которые попарно меняли буквы. Т.е. воткнув провод одним концом в гнездо «А», а другим - в «Е», вы меняли эти буквы местами.
Принцип работы можно понять посмотрев на принципиальную схему:
Количество роторов варьировалось в разные годы и для разного назначения (например, во флоте использовались Энигмы с большим количеством роторов).
Для усложнения взлома операторы кодировали частоупотребимые слова (названия) каждый раз по-разному. Например, слово «Minensuchboot» могло быть написано как «MINENSUCHBOOT», «MINBOOT», «MMMBOOT» или «MMM354»
Аксессуары.
Как к любому популярному устройству, к Энигме существовало большое количество аксессуаров (да-да, это началось уже тогда).Например, были авто-печатающие устройства (в обычной версии кодирование производилось загорающимися лампочками, значения которых должен был записывать оператор).
Кроме того, были дистанционные печатающие устройства (на проводах, конечно же). Чтобы оператор, вбивающий зашифрованное сообщение в машину, не имел доступа к расшифрованному.
Как мы помним, сюжетная линия фильма "Из России с любовью" крутилась вокруг дешифратора, с помощью которого открывался доступ к советским государственным тайнам. За чем же охотился Джеймс Бонд и стоило ли оно того?
Хитрый Геродот
Испокон веков успех многих военных операций зависел от точности и своевременности информации о противнике. Потому качество разведки (читай "шпионажа") всегда ставилось во главу угла. Для защиты от перехвата важные сведения необходимо качественно шифровать. На решение этой проблемы всегда бросали лучшие умы. Например, еще Цезарь для секретной переписки использовал специфический шифр: каждый символ сообщения заменялся на другой, отстоящий от него на определенное число позиций в алфавите.
Другой античный гений - Геродот - был куда как изобретательнее в своих шифровальных изысканиях. Однажды он создал секретное послание в виде татуировки на обритой голове раба. Лысина затянулась свежей волосяной порослью, под которой месседж не был виден. Там же - на родине Геродота - был изобретен едва ли не первый шпионский гаджет - скитала. Она представляла собой палочку, которая использовалась для перестановочного шифрования (примерно то же, чем занимался Цезарь).
Со временем шпионские машинки становились все более затейливыми и оригинальными. В эпоху Средневековья различные девайсы активно выдумывала инквизиция, в век Просвещения и в Новое время - ученые мужи. Назначение их изобретений, например, шифра Джефферсона, было далеко от военных дел. Хотя многие наработки впоследствии нашли свое применение в шифровальных машинах разведок многих стран мира.
ЗАГАДКИ И РЕБУСЫ
Внешний вид шифровальной машинки Enigma.
Расцвет различных механических шифраторов\дешифраторов приходится на эпоху величайших по размаху войн - на начало ХХ века. Разработки подобных машин велись с переменным успехом и в странах Европы (в первую очередь в Англии и Германии), и в США, и в Советской России. Наибольшую популярность приобрела Enigma - разработка немецких инженеров.
Машина названа так не по имени своего изобретателя - слово есть такое, в переводе обозначает "загадка". А придумал и запатентовал эту машинку Артур Шербиус. В разное время были разработаны и запатентованы четыре варианта, но ни один не получил коммерческого успеха ввиду дороговизны. Шербиус не сдавался и перешел работать в контору, которая купила у него патент на изобретение. До триумфа своего детища Артур не дожил. Прошло несколько лет, прежде чем стараниями инженеров "Энигма" не стала вызывать интерес различных структур. В первую очередь ею заинтересовались офицеры Рейхсвера. Жребий брошен…
Модификации
Схема работы шифровальной машины Enigma.
Силами специалистов Вермахта "Энигма" постоянно совершенствовалась и пережила несколько модификаций: А,В,С и др. Один из простейших вариантов - модификация В - представляла собой своего рода электрическую пишущую машинку. Она состояла из комбинации механических и электрических систем. Механическая часть - это клавиатура раскладки QWERTY, набор вращающихся роторов, расположенных вдоль вала. Роторы приводились в движение ступенчатым механизмом при нажатии той или иной клавиши. Конкретный механизм работы от модификации к модификации мог варьироваться, но в общих чертах был таким.
Механические части агрегата двигались, образуя меняющийся электрический контур. То есть шифрование букв осуществлялось электрически. При каждом нажатии клавиши самый правый ротор сдвигался на одну позицию, а при определенных условиях сдвигались и другие роторы. Их движения приводило к различным криптографическим преобразованиям при каждом следующем нажатии клавиши на клавиатуре. Постоянное изменение электрической цепи вследствие вращения роторов позволяло реализовать многоалфавитный шифр подстановки. Например, контакт, отвечающий за букву E, мог быть соединен с контактом буквы T на другой стороне ротора. Но при использовании нескольких роторов в связке (3-4) за счет их постоянного движения шифрование получалось более надежным.
На каждый хитрый шифр всегда найдется…
"Всем peace!", - сказал Уинстон Черчилль и бросил на расшифровку кода Enigma лучшие умы Великобритании.
Заметив шифровальную активность Германии, потенциальные противники занялись контрмерами. Например, в Польше начали с теоретических основ машинной криптологии и потихоньку практиковались в деле расшифровки. После безоговорочного разгрома Польши пальму первенства в этих начинаниях подхватила Франция. Которую, как мы помним, тоже оккупировали. Потому хитрые англичане выступили преемниками и добились в деле расшифровки хороших результатов. Они начали с детального криптологического и математического анализа. Для этого были необходимы и сами шифровки, и уже готовые расшифрованные тексты. На следующем этапе англичане подключили целую армию экспертов в различных отраслях: лингвистики, математики, механики - всего, по разным данным, до 10.000 человек. Весь кропотливый процесс работы курировал лично Уинстон Черчилль, который понял важность подобного рода работы еще в 1914 году.
Процесс расшифровки пошел гораздо быстрее, когда в команде шифровальщиков появился Алан Тюринг. Им была создана модель анализа, получившая название "машина Тюринга". Алан первым догадался внимательно вслушиваться в ежеутренние зашифрованные метеосводки. В них обязательно содержалось слово "погода" (Wetter), которое стояло в строго определенном месте предложения, согласно правилам немецкой грамматики. Плюс ко всему на руку криптологам сыграло множество факторов: ошибки немецких операторов, захваты экземпляров "Энигмы" и шифровальных книг… Одним словом, с начала лета 1940 года англичане расшифровывали все сообщения, передаваемые при помощи "Энигмы". Есть мнение, что без такого успеха Вторая мировая война могла продолжаться на пару лет дольше. Хотя не исключено, что англичане преувеличивают свой вклад. Машинка машинкой, а значение Второго фронта еще никто не отменял…
В данном сообществе я нашел много статей про известную шифровальную машинку «Enigma», но нигде из них не описывался подробный алгоритм ее работы. Наверняка многие скажут, что это не нуждается в афишировании, - я же надеюсь, что кому-нибудь да будет полезно об этом узнать. С чего все началось? Во времена Первой мировой войны большой популярностью пользовался шифр Playfair. Его суть заключалась в том, что буквы латинского алфавита записывались в квадрат 5х5, после чего буквы исходного алфавита разбивались по парам. Далее, используя квадрат в качестве ключа, эти биграммы заменяли на другие по определенному алгоритму. Преимущество данного шифра было в том, что он не требовал дополнительных устройств, и, как правило, к тому моменту, когда сообщение расшифровывали, оно уже теряло актуальность. Еще одним способом тайнописи был шифратор Джефферсона.
Сие устройство состояло из определенного количества дисков, нанизанных на единую ось (обычно, дисков было 36). Каждый из них делился на 26 частей, каждая из которых обозначало букву. Буквы на дисках были расставлены в случайном порядке. Оператор путем вращения дисков набирал нужное сообщение, а затем переписывал другую строчку. Человек, принявший данное сообщение, должен был обладать точно таким же устройством с точно такой же расстановкой букв. И тот и другой способы были относительно неплохими для тех времен, но учитывая, что человечество вступило уже в XX век, возникла необходимость механизации процесса шифрования. В 1920 году голландский изобретатель Александр Кох изобрел первую роторную шифровальную машинку. Затем, на нее получили патент немецкие изобретатели, которые усовершенствовали ее и выпустили в производство, под названием «Enigma» (от греч. – загадка). Таким образом, эта машинка приобреталась многими фирмами, которые желали сохранить в тайне свои переписки. В этом и состояла вся гениальность Энигмы – все знали алгоритм шифрования, но никто не мог подобрать нужный ключ, так как число возможных комбинаций превосходило 15 квадриллионов. Если хотите узнать, каким образом Энигму взламывали, советую прочитать книгу Саймона Сингха «Книга шифров». Подытоживая все вышесказанное, хочу сказать, что шифр Энигмы являлся некой смесью шифратора Джефферсона и шифра Цезаря.
Итак, приступим к изучению алгоритма. На данном сайте имеется очень неплохой симулятор, который в доступной и наглядной форме показывает весь процесс целиком и полностью. Давайте же разберем принцип работы трехроторной Энигмы. В ней имелось три отсека для помещения трех роторов и дополнительный отсек для размещения рефлектора. Всего за время Второй мировой войны было изготовлено восемь роторов и четыре рефлектора, но одновременно могло использоваться ровно столько, на сколько была рассчитана машина. Каждый ротор имел 26 сечений, что соответствовало отдельной букве алфавита, а так же 26 контактов для взаимодействия с соседними роторами. Как только оператор нажимал на нужную букву, - замыкалась электрическая цепь, в результате чего появлялась шифрованная буква. Замыкание цепи происходило за счет рефлектора.
На рисунке представлена иллюстрация нажатия клавиши «А» с последующей дешифрацией в букву «G». После ввода буквы крайний правый ротор перемещался вперед, меняя тем самым ключ. Так каким же образом одна букву заменялась на другую? Как я уже говорил, для Энигмы было разработано восемь различных роторов. Внутри каждого из них было установлено 26 различных коммутаций. представлена подробная спецификация на каждый из них. Например, если на вход первого ротора поступала буква «N», то на выходе должна быть только «W» и никакая другая буква больше. Попади это буква на второй ротор, она бы уже преобразовалась в «T» и т.д. То есть, каждый ротор выполнял четко поставленную задачу в плане коммуникации. А какую же роль играли кольца? Рассмотрим следующий пример. Установим роторы III, II и I, а порядок колец «C», «U» и «Q».
Нажмем на клавишу «A». Крайний правый ротор повернется вперед на один шаг, то есть, буква «Q» перейдет в «R». Ротор посередине также повернется вперед на букву «V», но об этом я расскажу чуть позже. Итак, наша буква «А» начинает путешествие с первого отсека, в котором установлен ротор I и на котором выставлена уже буква «R». Уже перед тем как попасть на первый ротор буква претерпевает свое первое преобразование, а именно: сложение с буквой «R» по модулю 26. Фактически, это шифр Цезаря. Если пронумеровать все буквы от 0 до 25, то буква «А» будет как раз таки нулевой. Значит, результатом сложения будет буква «R». Далее, мы с вами знаем, что в первом отсеке ротор I, а в его конструкции заложено, что буква «R» всегда переходит в «U». Теперь на очереди второй отсек с ротором II. Опять, перед попаданием на второй ротор, теперь уже буква «U» меняется по несколько иному алгоритму: к ней прибавляется разница
значений последующего ротора и предыдущего. Поясню. На втором роторе ожидает нас буква «V», а на предыдущем, - «R», их разница равна четырем буквам, и именно они прибавляются к нашей букве «U». Поэтому, на второй ротор поступает буква «Y». Далее по таблице находим, что во втором роторе букве «Y» соответствует «O». Далее опять смотрим разницу букв «C» и «V», - она равна семи. Значит, букву «O» сдвигаем на семь позиций и получаем «V». В роторе III «V» переходит в «M». Перед тем как попасть на рефлектор, из нашей буквы вычитается буква «C», преображая ее в букву «K». Далее происходит отражение. Если вы заметите, то в каждом роторе образуются большие циклические группы, например: (A – E – L – T – P – H – Q – X – R – U), а в рефлекторе они разбиты по парам: (A - Y)(B - R)(C - U) и т.д. Это сделано для того, чтобы потом это возможно было расшифровать. Предположим, что установлен рефлектор B, в котором «K» заменяется на «N» (и наоборот). Половина пути пройдена. Теперь мы опять прибавляем значение буквы «С», получив тем самым букву «P». Здесь наоборот, в строке третьего ротора находим «P» и смотрим, в при нажатии какой буквы она бы появилась. Это буква «H». Преобразование в третьем роторе закончено. Теперь из этой буквы вычитается разница букв «C» и «V», то есть семь. Получаем букву «A». Во втором роторе она переходит саму в себя, поэтому оставляем ее без изменений. Далее, вычитаем разницу букв «V» и «R», то есть четверку и получаем букву «W». В первом роторе её обратно преобразование отображается в букву «N». Остается только вычесть из нее букву «R» и получим искомую букву «W». Как видите, алгоритм работы машинки оказался не таким сложным каким казался. Для усовершенствования шифра немцы внедрили коммутационную панель, которая позволяла попарно менять местами буквы. Если мы соединим буквы «Q» и «W», то при вводе той же «A» мы получили бы «Q», так как по факту должна быть «W», но она заменена буквой «Q». Вот прилагаемая схема действия.
Осталось лишь рассказать про смещения роторов относительно друг друга. Правый ротор поворачивался всегда при нажатии клавиши на один шаг. Например, для ротора I эта позиция равна букве «R». Именно поэтому в нашем примере второй ротор повернулся: первый ротор прошел через букву «R». Далее, пройдя через определенную позицию, правый ротор приводил в движение левый на один шаг. В более усовершенствованных моделях левый ротор прокручивался два, а то и три раза.
В завершение скажу, что
