Энигма

Трёхроторная военная немецкая шифровальная машина Энигма (версия с метками).

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 Энигма вермахта (Wehrmacht Enigma ) - германская военная модель - чаще всего является предметом дискуссий.

Эта машина получила дурную славу, потому что криптоаналитики Антигитлеровской коалиции (точнее, Великобритании) смогли расшифровать большое количество сообщений, зашифрованных с её помощью. Специально для этих целей была создана машина с кодовым названием Turing Bombe , оказавшая значительную помощь Антигитлеровской коалиции (точнее, Великобритании) в войне. Вся информация, полученная криптоанализом с её помощью, имела кодовое название ULTRA .

Несмотря на то, что с точки зрения современной криптографии шифр Энигмы и был слаб , на практике только сочетание этого фактора с другими (такими как ошибки операторов, процедурные изъяны, заведомо известный текст сообщений (например, при передаче метеосводок), захваты экземпляров Энигмы и шифровальных книг) позволили взломщикам шифров разгадывать шифры Энигмы и читать сообщения . Также есть мнение, что это был один из самых сильных шифров времён Второй мировой войны. И только захват англичанами неповреждённой Энигмы с подводной лодки и бомбардировщика (что принципиально важно, эти факты так и остались неизвестными немцам), с учётом высочайшего научного и высокого технологического уровня Великобритании, позволили ей (после напряжённых и продолжительных работ в этом направлении) создать контр-Энигму. Важность и уникальность этого успеха прекрасно понимало руководство Великобритании - оставив свой успех «за семью печатями», до конца держа его в тайне даже от партнёров по Антигитлеровской коалиции.

Было выпущено, по приблизительным оценкам, около 100 000 экземпляров шифровальных машин Энигма.

Описание

Роторы

Роторы - сердце Энигмы. Каждый ротор представлял собой диск примерно 10 см в диаметре, сделанный из эбонита или бакелита , с пружинными штыревыми контактами на одной стороне ротора, расположенными по окружности. На другой стороне находилось соответствующее количество плоских электрических контактов. Штыревые и плоские контакты соответствовали буквам в алфавите (обычно это были 26 букв от A до Z). При соприкосновении контакты соседних роторов замыкали электрическую цепь. Внутри ротора каждый штыревой контакт был соединён с одним из плоских. Порядок соединения мог быть различным.

Три ротора и шпиндель, к которому они крепятся.

Сам по себе ротор производил очень простой тип шифрования: элементарный шифр замены . Например, контакт, отвечающий за букву E, мог быть соединён с контактом буквы T на другой стороне ротора. Но при использовании нескольких роторов в связке (обычно трёх или четырёх) за счёт их постоянного движения получается более надёжный шифр.

Ротор в разобранном виде			Три последовательно соединённых ротора
	кольцо с выемками маркирующая точка для контакта «A» алфавитное кольцо залужённые контакты электропроводка штыревые контакты пружинный рычаг для настройки кольца втулка пальцевое кольцо храповое колесо

Военные модели Энигмы выпускались с различным количеством роторов. Первая модель содержала только три. 15 декабря 1938 года их стало пять, но только три из них одновременно использовались в машине. Эти типы роторов были маркированы римскими числами от I до V, и у каждого была одна выемка, расположенная в разных местах алфавитного кольца. В военно-морских моделях всегда содержалось бо́льшее количество роторов, чем в других: шесть, семь или восемь. Эти дополнительные роторы маркировались числами VI, VII и VIII, все с различной электропроводкой. Все они содержали по две выемки около букв «N» и «A», что обеспечивало более частые повороты роторов.

Четырёхроторная военно-морская модель Энигмы, M4 имела один дополнительный ротор, хотя была такого же размера, что и трёхроторная, за счёт более тонкого рефлектора. Существовало два типа этого ротора: Бета и Гамма. В процессе шифрования он не двигался, но мог быть установлен вручную на любую из 26 различных позиций.

Ступенчатое движение роторов

Ступенчатое движение роторов Энигмы. Все три собачки (обозначены зелёным) двигаются одновременно. Для первого ротора (1), храповик (красный) всегда зацеплен, и он поворачивается при каждом нажатии клавиши. В данном случае выемка на первом роторе позволяет собачке зацепить и второй ротор (2), он повернётся при следующем нажатии клавиши. Третий ротор (3) не зацеплен, так как собачка третьего ротора не попала в выемку второго, собачка будет просто скользить по поверхности диска.

Каждый ротор был прикреплён к шестерёнке с 26 зубцами (храповику), а группа собачек зацепляла зубцы шестерёнок. Собачки выдвигались вперёд одновременно с нажатием клавиши на машине. Если собачка цепляла зубец шестерёнки, то ротор поворачивался на один шаг.

В армейской модели Энигмы каждый ротор был прикреплён к регулируемому кольцу с выемками. Пять базовых роторов (I-V) имели по одной выемке, тогда как в военно-морской модели (VI-VIII) - по две. В определённый момент выемка попадала напротив собачки, позволяя ей зацепить храповик следующего ротора при последующем нажатии клавиши. Когда же собачка не попадала в выемку, она просто проскальзывала по поверхности кольца, не цепляя шестерёнку. В системе с одной выемкой второй ротор продвигался вперёд на одну позицию за то же время, что первый - на 26. Аналогично, третий ротор продвигался на один шаг за то же время, за которое второй делал 26 шагов. Особенностью машины было то, что второй ротор также поворачивался, если поворачивался третий. Это означает, что второй ротор мог повернуться дважды при двух последовательных нажатиях клавиш - так называемое «двухшаговое движение», - что приводило к уменьшению периода .

Двухшаговое движение отличает функционирование роторов от нормального одометра . Двойной шаг реализовывался следующим образом: первый ротор поворачивался, заставляя второй также повернуться на один шаг. И, если второй ротор продвинулся в нужную позицию, то третья собачка зацепляла третью шестерёнку. На следующем шаге эта собачка толкала шестерёнку и продвигала её, а также продвигала и второй ротор.

С тремя дисками и только с одной выемкой в первом и втором диске, машина имела период 26×25×26 = 16 900. Как правило, сообщения не превышали пары сотен символов, и, следовательно, не было риска повтора позиции роторов при написании одного сообщения.

В четырёхроторных военно-морских моделях никаких изменений в механизм внесено не было. Собачек было только три, то есть четвёртый ротор никогда не двигался, но мог быть вручную установлен на одну из 26 позиций.

При нажатии клавиши роторы поворачивались до замыкания электрической цепи.

Роторы Энигмы в собранном состоянии. Три подвижных ротора помещены между двумя неподвижными деталями: входное кольцо и рефлектор (помечен «B» слева).

Входное колесо

Рефлектор

За исключением ранних моделей A и B, за последним ротором следовал рефлектор (нем. Umkehrwalze ), запатентованная деталь, отличавшая семейство Энигмы от других роторных машин, разработанных в то время. Рефлектор соединял контакты последнего ротора попарно, коммутируя ток через роторы в обратном направлении, но по другому маршруту. Наличие рефлектора гарантировало, что преобразование, осуществляемое Энигмой, есть инволюция , то есть дешифрование представляет собой то же самое, что и шифрование . Однако наличие рефлектора делает невозможным шифрование какой-либо буквы через саму себя. Это было серьёзным концептуальным недостатком, впоследствии пригодившимся дешифровщикам.

В коммерческой модели Энигмы C рефлектор мог быть расположен в двух различных позициях, а в модели D - в 26 возможных позициях, но при этом был неподвижен в процессе шифрования. В модели, применявшейся в абвере , рефлектор двигался во время шифрования, как и остальные диски.

В армейской и авиационной моделях Энигмы рефлектор был установлен, но не вращался. Он существовал в четырёх разновидностях. Первая разновидность была помечена буквой A. Следующая, Umkehrwalze B , была выпущена 1 ноября 1937 года. Третья, Umkehrwalze C , появилась в 1941 году. Четвёртая, Umkehrwalze D , впервые появившаяся 2 января 1944 года, позволяла оператору Энигмы управлять настройкой коммутации внутри рефлектора.

Коммутационная панель

Коммутационная панель в передней части машины. Могло использоваться до 13 соединений. На фотографии переключены две пары букв (S-O и J-A).

Коммутационная панель (нем. Steckerbrett ) позволяет оператору варьировать соединения проводов. Впервые она появилась в немецких армейских версиях в 1930 году и вскоре успешно использовалась и в военно-морских версиях. Коммутационная панель внесла огромный вклад в усложнение шифрования машины, даже больший, чем введение дополнительного ротора. С Энигмой без коммутационной панели можно справиться практически вручную, однако после добавления коммутационной панели взломщики были вынуждены конструировать специальные машины.

Кабель, помещённый на коммутационную панель, соединял буквы попарно, например, E и Q могли быть соединены в пару. Эффект состоял в перестановке этих букв до и после прохождения сигнала через роторы. Например, когда оператор нажимал E, сигнал направлялся в Q, и только после этого уже во входной ротор. Одновременно могло использоваться несколько таких пар (до 13).

Каждая буква на коммутационной панели имела два гнезда. Вставка штепселя разъединяла верхнее гнездо (от клавиатуры) и нижнее гнездо (к входному ротору) этой буквы. Штепсель на другом конце кабеля вставлялся в гнезда другой буквы, переключая тем самым соединения этих двух букв.

Аксессуары

Удобной деталью, использовавшейся на Энигме модели M4, был так называемый «Schreibmax», маленькое печатающие устройство, которое могло печатать все 26 букв на небольшом листе бумаги. В связи с этим, не было необходимости в дополнительном операторе, следящем за лампочками и записывающем буквы. Печатное устройство устанавливалось поверх Энигмы и было соединено с панелью лампочек. Чтобы установить печатающее устройство, необходимо было убрать крышечки от ламп и все лампочки. Кроме того, это нововведение повышало безопасность: теперь офицеру-связисту не обязательно было видеть незашифрованный текст. Печатающее устройство было установлено в каюте командира подводной лодки, а офицер-связист только вводил зашифрованный текст, не получая доступа к секретной информации.

Другим аксессуаром была отдельная удалённая панель с лампочками. В варианте с дополнительной панелью деревянный корпус Энигмы был более широким. Существовала модель панели с лампочками, которая могла быть впоследствии подключена, но это требовало, как и в случае с печатающим устройством «Schreibmax», замены заводской панели с лампочками. Удалённая панель позволяла человеку прочитать расшифрованный текст без участия оператора. В 1944 году военно-воздушные силы ввели дополнительный переключатель коммутационной панели, названный «Uhr» (часы). Это была небольшая коробка, содержащая переключатель с 40 позициями. Он заменял стандартные штепсели. После соединения штепселей, как определялось в списке кодов на каждый день, оператор мог поменять переключатель в одной из этих 40 позиций. Каждая позиция приводила к различной комбинации телеграфирования штепселя. Большинство из этих соединений штепселей, в отличие от стандартных штепселей, были непарными.

Математическое описание

Преобразование Энигмы для каждой буквы может быть определено математически как результат перестановок . Рассмотрим трёхроторную армейскую модель. Положим, что P обозначает коммутационную панель, U обозначает отражатель, а L, M, R обозначают действия левых, средних и правых роторов соответственно. Тогда шифрование E может быть выражено как:

После каждого нажатия клавиш ротор движется, изменяя трансформацию. Например, если правый ротор R проворачивается на i позиций, происходит трансформация , где ρ - циклическая перестановка, проходящая от A к B, от B к C, и так далее. Таким же образом, средний и левый ротор могут быть обозначены как j и k вращений M и L. Функция шифрования в этом случае может быть отображена следующим образом:

Процедуры для использования Энигмы

В германских вооружённых силах средства связи были разделены на разные сети, причём у каждой были собственные настройки кодирования для машин Энигмы. В английском центре дешифровки Блетчли-Парк (англ. Bletchley Park ) эти коммуникационные сети именовались ключами и им были присвоены кодовые имена, такие как Red, Chaffinch или Shark. Каждой единице, работающей в сети, на новый промежуток времени назначались новые настройки. Чтобы сообщение было правильно зашифровано и расшифровано, машины отправителя и получателя должны были быть одинаково настроены, конкретно идентичными должны были быть: выбор роторов, начальные позиции роторов и соединения коммутационной панели. Эти настройки оговаривались заранее и записывались в специальных шифровальных книгах.

Первоначальное состояние шифровального ключа Энигмы включает следующие параметры:

• Расположение роторов: выбор роторов и их расположение.
• Первоначальные позиции роторов: выбранные оператором, различные для каждого сообщения.
• Настройка колец: позиция алфавитного кольца, совпадающая с роторной схемой.
• Настройки штепселей: соединения штепселей на коммутационной панели.

Энигма была разработана таким образом, чтобы безопасность сохранялась даже в тех случаях, когда шпиону известны роторные схемы, хотя на практике настройки хранятся в секрете. С неизвестной схемой общее количество возможных конфигураций может быть порядка 10 114 (около 380 бит), с известной схемой соединений и других операционных настроек этот показатель снижается до 10 23 (76 бит). Пользователи Энигмы были уверены в её безопасности из-за большого количества возможных вариантов. Нереальным было даже начать подбирать возможную конфигурацию.

Индикаторы

Большинство ключей хранилось лишь определённый период времени, обычно сутки. Однако для каждого нового сообщения задавались новые начальные позиции роторов. Это обуславливалось тем, что если число сообщений, посланных с идентичными настройками, будет велико, то криптоаналитик , досконально изучивший несколько сообщений, может подобрать шифр к сообщениям, используя частотный анализ. Подобная идея используется в принципе «инициализационного вектора» в современном шифровании. Эти начальные позиции отправлялись вместе с криптограммой, перед зашифрованным текстом. Такой принцип именовался «индикаторная процедура». И именно слабость подобных индикационных процедур привела к первым успешным случаям взлома кода Энигмы.

Одни из ранних индикационных процедур использовались польскими криптоаналитиками для взлома кода. Процедура заключалась в том, что оператор настраивал машину в соответствии со списком настроек, которые содержат главные первоначальные стартовые позиции роторов. Допустим, главное ключевое слово - AOH. Оператор вращал роторы вручную до тех пор, пока слово AOH не читалось в роторных окошках. После этого оператор выбирал свой собственный ключ для нового сообщения. Допустим, оператор выбрал слово EIN. Это слово становилось ключевым для данного сообщения. Далее оператор ещё один раз вводил слово EIN в машину для избежания ошибок при передаче. В результате, после двойного ввода слова EIN в криптограмме отображалось слово XHTLOA, которое предшествовало телу основного сообщения. И наконец, оператор снова поворачивал роторы в соответствии с выбранным ключом, в данном примере EIN, и вводил далее уже основной текст сообщения.

При получении данного шифрованного сообщения вся операция выполнялась в обратном порядке. Оператор-получатель вводил в машину начальные настройки (ключевое слово AOH) и вводил первые шесть букв полученного сообщения (XHTLOA). В приведённом примере отображалось слово EINEIN, то есть оператор-получатель понимал, что ключевое слово - EIN. После этого он устанавливал роторы на позицию EIN, и вводил оставшуюся часть зашифрованного сообщения, на выходе получая чистый дешифрованный текст.

В этом методе было два недостатка. Во-первых, использование главных ключевых настроек. Впоследствии это было изменено тем, что оператор выбирал собственные начальные позиции для шифрования индикатора и отправлял начальные позиции в незашифрованном виде. Вторая проблема состояла в повторяемости выбранного оператором-шифровщиком слова-индикатора, которая была существенной трещиной в безопасности. Ключ сообщения шифровался дважды, в результате чего прослеживалось закономерное сходство между первым и четвёртым, вторым и пятым, третьим и шестым символами. Этот недостаток позволил польским дешифровщикам взломать код Энигмы уже в 1932 году. Однако, начиная с 1940 года, немцы изменили процедуры для повышения безопасности.

• «GREEN» - японский клон Энигмы, малоиспользуемая машина, содержащая четыре ротора, расположенных вертикально.

• В США криптоаналитик Уильям Фридман изобрёл «M-325», шифровальную машину, подобную Энигме в логических операциях, хотя отличную по конструкции.

• Уникальная роторная машина была изобретена в 2002 году голландским криптоаналитиком Татьяной ван Варк (Tatjana van Vark).

Энигма сегодня

Попытки «взломать» Энигму не предавались гласности до конца

Немецкая шифровальная машинка была названа «Загадкой» не для красного словца. Вокруг истории ее захвата и расшифровки радиоперехватов ходят легенды, и во многом этому способствует кинематограф. Мифы и правда о немецком шифраторе - в нашем материале.

Перехвату противником сообщений, как известно, можно противопоставить только их надежную защиту или шифрование. История шифрования уходит корнями в глубь веков - один из самых известных шифров называется шифром Цезаря. Потом предпринимались попытки механизации процесса шифрования и дешифрования: до нас дошел диск Альберти, созданный в 60-х годах XV века Леоном Баттиста Альберти, автором «Трактата о шифрах» - одной из первых книг об искусстве шифровки и дешифровки.

Машинка Enigma, использовавшаяся Германией в годы Второй мировой войны, была не уникальна. Но от аналогичных устройств, взятых на вооружение другими странами, она отличалась относительной простотой и массовостью использования: применить ее можно было практически везде - и в полевых условиях, и на подводной лодке. История Enigma берет начало в 1917 году - тогда голландец Хьюго Коч получил на нее патент. Работа ее заключалась в замене одних букв другими за счёт вращающихся валиков.

Историю декодирования машины Enigma мы знаем в основном по голливудским блокбастерам о подводных лодках. Однако фильмы эти, по мнению историков, имеют мало общего с реальностью.

Например, в картине 2000 года U-571 рассказывается о секретном задании американских моряков захватить шифровальную машинку Enigma, находящуюся на борту немецкой субмарины U-571. Действие разворачивается в 1942 году в Северной Атлантике. Несмотря на то, что фильм отличается зрелищностью, история, рассказанная в нем, совершенно не отвечает историческим фактам. Подводная лодка U-571 действительно состояла на вооружении нацистской Германии, но была потоплена в 1944 году, а машинку Enigma американцам удалось захватить лишь в самом конце войны, и серьезной роли в приближении Победы это не сыграло. К слову, в конце фильма создатели сообщают исторически верные факты о захвате шифратора, однако появились они по настоянию консультанта картины, англичанина по происхождению. С другой стороны режиссер фильма Джонатан Мостов заявил, что его лента «представляет собой художественное произведение».

Европейские же фильмы стараются соблюсти историческую точность, однако доля художественного вымысла присутствует и в них. В фильме Майкла Аптеда «Энигма», вышедшего в 2001 году, рассказывается история математика Тома Джерико, которому предстоит всего за четыре дня разгадать обновленный код немецкой шифровальной машинки. Конечно, в реальной жизни на расшифровку кодов ушло гораздо больше времени. Сначала этим занималась криптологическая служба Польши. И группа математиков - Мариан Реевский, Генрих Зыгальский и Ежи Рожицкий, - изучая вышедшие из употребления немецкие шифры, установили, что так называемый дневной код, который меняли каждый день, состоял из настроек коммутационной панели, порядка установки роторов, положений колец и начальных установок ротора. Случилось это в 1939 году, еще перед захватом Польши нацистской Германией. Также польское «Бюро шифров», созданное специально для «борьбы» с Enigma, имело в своем распоряжении несколько экземпляров работающей машинки, а также электромеханическую машинку Bomba, состоявшую из шести спаренных немецких устройств, которая помогала в работе с кодами. Именно она впоследствии стала прототипом для Bombe - изобретения Алана Тьюринга.

Свои наработки польская сторона сумела передать британским спецслужбам, которые и организовали дальнейшую работу по взлому «загадки». Кстати, впервые британцы заинтересовались Enigma еще в середине 20–х годов, однако, быстро отказались от идеи расшифровать код, видимо, посчитав, что сделать это невозможно. Однако,с началом Второй мировой войны ситуация изменилась: во многом благодаря загадочной машинке Германия контролировала половину Атлантики, топила европейские конвои с продуктами и боеприпасами. В этих условиях Великобритании и другим странам антигитлеровской коалиции обязательно нужно было проникнуть в загадку Enigma.

Сэр Элистер Деннисон, начальник Государственной школы кодов и шифров, которая располагалась в огромном замке Блетчли -парк в 50 милях от Лондона, задумал и провел секретную операцию Ultra, обратившись к талантливым выпускникам Кембриджа и Оксфорда, среди которых был и известный криптограф и математик Алан Тьюринг. Работе Тьюринга над взломом кодов машинки Enigma посвящен вышедший в 2014 году фильм «Игра в имитацию». Еще в 1936 году Тьюринг разработал абстрактную вычислительную «машину Тьюринга», которая может считаться моделью компьютера - устройства, способного решить любую задачу, представленную в виде программы - последовательности действий. В школе кодов и шифров он возглавлял группу Hut 8, ответственную за криптоанализ сообщений ВМФ Германии и разработал некоторое количество методов взлома немецкого шифратора. Помимо группы Тьюринга, в Блетчли–парке трудились 12 тысяч сотрудников. Именно благодаря их упорному труду коды Enigma поддались расшифровке, но взломать все шифры так и не удалось. Например, шифр «Тритон» успешно действовал около года, и даже когда «парни из Блетчли» раскрыли его, это не принесло желаемого результата, так как с момента перехвата шифровки до передачи информации британских морякам проходило слишком много времени.

Все дело в том, что по распоряжению Уинстона Черчилля все материалы расшифровки поступали только начальникам разведслужб и сэру Стюарту Мензису, возглавлявшему МИ-6. Такие меры предосторожности были предприняты, чтобы немцы не догадались о раскрытии шифров. В то же время и эти меры не всегда срабатывали, тогда немцы меняли варианты настройки Enigma, после чего работа по расшифровке начиналась заново.

В «Игре в имитацию» затронута и тема взаимоотношений британских и советских криптографов. Официальный Лондон действительно был не уверен в компетенции специалистов из Советского Союза, однако по личному распоряжению Уинстона Черчилля 24 июля 1941 года в Москву стали передавать материалы с грифом Ultra. Правда, для исключения возможности раскрытия не только источника информации, но и того, что в Москве узнают о существовании Блетчли–парка, все материалы маскировались под агентурные данные. Однако в СССР узнали о работе над дешифровкой Enigma еще в 1939 году, а спустя три года на службу в Государственную школу кодов и шифров поступил советский шпион Джон Кэрнкросс, который регулярно отправлял в Москву всю необходимую информацию.

Многие задаются вопросами, почему же СССР не расшифровал радиоперехваты немецкой «Загадки», хотя советские войска захватили два таких устройства еще в 1941 году, а в Сталинградской битве в распоряжении Москвы оказалось еще три аппарата. По мнению историков, сказалось отсутствие в СССР современной на тот момент электронной техники.

К слову, специальный отдел ВЧК, занимающийся шифровкой и дешифровкой, был созван в СССР 5 мая 1921 года. На счету сотрудников отдела было не очень много, по понятным причинам – отдел работал на разведку и контрразведку, - афишируемых побед. Например, раскрытие уже в двадцатых годах дипломатических кодов ряда стран. Был создан и свой шифр - знаменитый «русский код», который, как говорят, расшифровать не удалось никому.

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 , 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 не только научной и аналитической работы, но и ошибок немецкой стороны

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: .

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 . 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».

5. Информационное превосходство - обоюдоострое оружие. Чуть ли не самой сложной задачей для командования союзников стало использование данных, полученных из расшифровки сообщений «Энигмы», таким образом, чтобы не раскрыть противнику сам факт доступа к зашифрованным сообщениям. Иногда это решалось с помощью специальных операций по созданию альтернативных объяснений успеха (пролет самолета разведчика перед нападением на конвой, слив информации о якобы имевшемся ценном источнике агентурных данных), иногда приходилось просто отказываться от каких-то шагов (пришлось допустить бомбардировку Ковентри немецкой авиацией, как если бы о ее подготовке ничего не было известно).

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

All specialists unanimously agreed that a reading is impossible.
Admiral Kurt Fricke, Chief of Naval War Command

Энигма - роторная шифровальная машина, использовавшаяся нацистской Германией в годы Второй мировой войны. Благодаря влиянию, оказанному на ход войны, взлом Энигмы стал, возможно, самым ярким моментом в многовековой истории криптоанализа. В этом топике я бы хотел рассказать о методе взлома, использовавшимся в Блетчли-парк, а так же описать устройство самой машины.

Роторные машины

Энигма

Получившееся устройство уже очень похоже на настоящую Энигму. С одной незначительной оговоркой. Стойкость подобной машины упирается в секретность внутренней коммутации роторов. Если устройство роторов будет раскрыто, то взлом сводится к подбору их начальных позиций.
Так как каждый ротор может находится в одной из 26 позиций, для трех роторов получаем 26 3 =17476 вариантов. При этом сами роторы тоже могут располагаться в произвольном порядке, что увеличивает сложность в 3! раз. Т.е. пространство ключей такой машины составит 6*17576=105456. Этого явно не достаточно для того, чтобы обеспечить высокий уровень безопасности. Поэтому Энигма было оснащена еще одним дополнительным инструментом: коммутационной панелью . Соединяя на коммутационной панели буквы попарно можно было добавить еще один дополнительный шаг к шифрованию.


К примеру, предположим что на коммутационной панели буква B соединена с буквой A. Теперь при нажатии на A сперва происходит подстановка A-B, и на вход первого ротора подается буква B.
Аналогичным образом происходит расшифровка сообщения. При нажатии клавиши D роторы и рефлектор производят преобразование D-D-D-D-C-B-A-B. После чего коммутационная панель преобразует B в A.

Анализ стойкости Энигмы

Криптоанализ Энигмы

Метод эксплуатирует наличие в паре открытый-закрытый текст так называемых «циклов». Чтобы объяснить понятие «цикл», рассмотрим следующее открытое сообщение P и соответствующий ему криптотекст C, зашифрованный Энигмой.

P = WETTERVORHERSAGEBISKAYA
C = RWIVTYRESXBFOGKUHQBAISE
Запишем каждый символ из пары в виде таблицы:

Мы знаем, что при шифровании в Энигме происходит несколько преобразований. Сперва сигнал проходит через коммутационную панель. Результат преобразования на коммутационной панели поступает в роторы. После чего сигнал попадает на рефлектор и возвращается через роторы на коммутационную панель, где выполняется последняя подстановка. Все эти операции можно представить математической формулой:
E i = S -1 R -1 TRS, где
S и S -1 , - преобразование на коммутационной панели на входе и выходе соответственно;
R и R -1 - преобразование в роторах на входе и выходе;
T - преобразование на рефлекторе.
Опустив коммутационную панель выразим внутреннее преобразование Энигмы через P i:
P i = R -1 TR
Теперь шифрование можно записать как:
E i = S -1 P i S

Используя формулу перепишем подстановки из примера в 14, 15 и 20 позициях.
S -1 P 14 S(A) = G или что одно и тоже P 14 S(A) = S(G).
P 15 S(G) = S(K)
P 20 S(K) = S(A)
Заменив в последнем выражении S(K) получим:
P 20 P 15 P 14 S(A) = S(A) (1), где S(A) - буква, соединенная с A на коммутационной панели.
Теперь атака сводится к тривиальному перебору всех возможных установок ротора. Для каждой комбинации роторов необходимо проверить выполнение равенства (1). Если равенство выполняется для буквы S, это означает что найдена правильная конфигурация роторов и что буква A соединена на коммутационной панели с буквой S. Поиск остальных пар сводится к по буквенной расшифровке криптотекста и сопоставлению результата с известным открытым текстом.
Следует отметить, что с вероятностью 1/26 равенство может выполняться и при неправильной установке роторов, поэтому для повышения надежности алгоритма желательно использовать несколько «циклов».
Еще один важный момент связан с тем, что атакующему может быть известна только часть зашифрованного сообщения. И в таком случае, прежде всего ему потребуется найти местоположение известного текста в полученной криптограмме. В решении этой задачи очень сильно помогает знание того факта, что Энигма никогда не шифрует букву саму в себя. Т.е. для нахождения правильного смещения нужно найти такую позицию в криптотексте при которой ни одна из букв закрытого текста не дублируется буквой открытого сообщения.

P.S.

История электрической роторной шифровальной машины «Энигма» начинается в 1917 году с патента , полученного голландцем Хьюго Кочем. В следующем году патент был перекуплен Артуром Шербиусом , начавшим коммерческую деятельность с продажи экземпляров машины как частным лицам, так и немецким армии и флоту . До середины 1920-х годов продажи шли плохо, в частности, из-за высокой цены .

В июне 1924 года британская криптографическая служба (Room 40) заинтересовалась устройством машины. С этой целью была закуплена партия машин у германской компании Chiffrier-maschinen AG, производившей «Энигму». Одним из условий сделки была регистрация патента в британском патентном бюро, благодаря чему криптографическая служба получила доступ к описанию криптографической схемы .

Польский этап

Первые перехваты сообщений, зашифрованных при помощи «Энигмы», относятся к 1926 году. Однако прочитать их долгое время не могли. В январе 1929 года коробка с коммерческим вариантом «Энигмы» случайно попала на варшавскую таможню. Германия попросила вернуть коробку, после чего её содержимым заинтересовались поляки. По поручению польского «Бюро шифров» машина была изучена специалистами фирмы «AVA», в том числе её руководителем криптоаналитиком Антонием Пальтхом, после чего коробку отправили в германское посольство. Изучение машины не позволило дешифровать сообщения, к тому же германские военные использовали свой, усиленный вариант «Энигмы» .

В 1928-29 годах в Польше были организованы первые математические курсы по криптографии. Слушателями были два десятка студентов-математиков со знанием немецкого языка. Трое из слушателей - Мариан Реевский , Генрих Зыгальский и Ежи Рожицкий - поступили на службу в «Бюро шифров» . Впоследствии именно они получат первые результаты по вскрытию кода «Энигмы» .

В 1931 году сотрудник шифрбюро министерства обороны Германии Ганс-Тило Шмидт , ставший уже агентом «Аше», начал передавать французской разведке вышедшие из употребления коды, которые, согласно служебным обязанностям, ему требовалось уничтожать, а также передал инструкцию по использованию военного варианта «Энигмы». Среди причин, побудивших Ганс-Тило сделать это, были и материальное вознаграждение, и обида на родную страну, не оценившую его успехи во время Первой мировой войны , и зависть к армейской карьере брата Рудольфа Шмидта . Первыми двумя документами стали «Gebrauchsanweisung für die Chiffriermaschine Enigma» и «Schlüsselanleitung für die Chiffriermaschine Enigma» . Французская и английская разведки, однако, не проявили интереса к полученным данным - возможно, считалось, что вскрыть шифр «Энигмы» невозможно. Полковник французской разведки Гюстав Бертран передал материалы польскому «Бюро шифров» и продолжал передавать им дальнейшую информацию от агента до осени 1939 года .

1. настроек коммутационной панели; (нем. Steckerverbindungen )
2. порядка установки роторов; (нем. Walzenlage )
3. положений колец; (нем. Ringstellung )
4. начальных установок роторов. (нем. Kenngruppen )

Однако оператор не должен был использовать дневной ключ для шифрования сообщений. Вместо этого оператор придумывал новый ключ из трёх букв (нем. Spruchschlüssel ) и дважды шифровал его с использованием дневного ключа. После чего настройки роторов менялись в соответствии с придуманным ключом и производилось шифрование сообщения .

Усилия Мариана сосредоточились на анализе уязвимости протокола обмена сообщениями, а именно - на повторении ключа сообщения. Из ежедневных сообщений выбирались первые шесть букв и на их основе составлялась таблица соответствия (примеры взяты из книги Сингха ):

Если сообщений было достаточно, то таблица заполнялась полностью.

Особенность полного варианта таблицы заключалась в том, что пока дневной ключ остаётся без изменений, содержимое таблицы также не меняется. И, с большой степени вероятности, наоборот. Можно было бы составить каталог таблиц… однако их количество равно 26!, что делает эту работу невозможной в обозримое время. Реевский стал пытаться выделить из таблиц некоторые шаблоны или найти некоторые структурные закономерности. И это ему удалось. Он стал рассматривать цепочки букв следующего вида :

В примере полной таблицы выше таких цепочек оказалось 4:

1. A → F → W → A
2. B → Q → Z → K → V → E → L → R → I → B
3. C → H → G → O → Y → D → P → C
4. J → M → X → S → T → N → U → J

Следующим открытием Мариана стало то, что хотя конкретные буквы зависели от дневной настройки «Энигмы» полностью, количество цепочек и букв в них задавалось только настройками роторов. Так как количество роторов было равно 3 (но они могли стоять в любом порядке), а начальная настройка состояла из трех букв латинского алфавита, то число вариантов было равно 3 ! ∗ 26 3 = 105456 {\displaystyle 3!*26^{3}=105456} . Это было значительно меньше чем 26!, что позволило, используя построенные (или украденные) машины «Энигма» составить каталог, содержащий все возможные цепочки. Данная работа заняла почти год, однако результатом стала возможность читать германскую переписку .

Как отмечает Сингх, именно возможность разделить задачу на две составляющих (настройки роторов и настройки коммутационной панели) позволили Реевскому справиться с данной задачей, а также помощь как математиков «Бюро шифров», так и Шмидта :

После того, как настройки роторов для дневного сообщения были восстановлены, оставалось выяснить настройки коммутационной панели. С криптографической точки зрения это был простой моноалфавитный шифр , дополнительно ограниченный лишь 6 парами замен букв. Текст даже часто не требовалось подвергать частотному криптоанализу, а всего-лишь присмотреться к строкам вроде «alliveinbelrin» (англ. arrive in Berlin с заменой R ↔ L) и другим, которые было легко восстановить «на глаз» .

В 1934 году Германия начала менять конфигурацию положения роторов каждый месяц вместо каждого квартала. В ответ на это Мариан Реевский спроектировал устройство под названием «циклометр», позволяющий быстро воссоздать каталог циклов .

15 декабря 1938 года Германия добавила 4-й и 5-й роторы, а 1 января 1939 года увеличила количество соединений коммутационной панели с 6 до 10. Всё это значительно затруднило криптоанализ «Энигмы» .

PC Bruno

Британский этап

Дальнейшая работа по взлому «Энигмы» проходила в секретном центре британской разведки «Station X», известном впоследствии как Блетчли-парк .

Кадры

Руководителем проекта был назначен ветеран военной разведки Алистер Деннистон . Работу по дешифровке возглавил коллега Деннистона по комнате № 40 , известный лингвист и криптоаналитик Альфред Нокс («Dilly» Knox). За общую организацию работы отвечал профессор-математик Гордон Уэлчман . Деннистон начал набирать штат криптоаналитиков по принципу умственных способностей: лингвистов, математиков, шахматистов, чемпионов по решению кроссвордов , египтологов и даже палеонтологов . В частности, одним из первых был принят известный шахматный мастер Стюарт Милнер-Бэрри (Stuart Milner-Barry). Среди математиков был и молодой профессор логики из Кембриджа - Алан Тьюринг .

Метод

Перехват радиосообщений противника выполняли десятки приемных станций, имевших кодовое название «Y-station». Ежедневно в Блетчли-парк поступали тысячи таких сообщений. Блетчли-парк имел в своем распоряжении точную копию «Энигмы», поэтому расшифровка сообщений сводилась к подбору установки дисков и, для более поздних моделей, - штекерного коммутатора. Сложность задачи усугублялась тем, что установки роторов менялись ежедневно, поэтому службы дешифровки работали круглосуточно в три смены .

Конструкция «Энигмы» при правильном использовании обеспечивала практически полную секретность . На практике, однако, со стороны немецких пользователей «Энигмы» зачастую допускались небрежные действия, дававшие подсказки британским аналитикам (такие подсказки на сленге английских студентов назывались cribs ). Именно на использовании и систематизации таких погрешностей и был основан метод дешифровки.

Подсказками служили любые часто повторяющиеся тексты, такие как приветствия, цифры (кодировались по произношению: «один», «два» и т. д. ). Все подсказки заносились в картотеку (Index) вместе с контекстом: почерком радиста, местом и временем передачи и т. п.

При отсутствии необходимого количества подсказок, особенно накануне крупных операций, проводились специальные мероприятия по их получению. Этот прием получил кодовое название «садоводство » (англ. gardening ). Например, перед выходом очередного полярного конвоя проводилось демонстративное минирование определённого участка моря. Если противник докладывал результаты разминирования с указанием заранее известных координат, это давало искомую подсказку.

Тьюринг

Одним из основных теоретиков Блетчли-парка был Алан Тьюринг . После изучения польских материалов Тьюринг пришёл к выводу, что использовать прежний подход с полным перебором сообщений уже не получится. Во-первых, это потребует создания более 30 машин польского типа, что во много раз превышало годовой бюджет «Station X», во-вторых, можно было ожидать, что Германия может исправить конструктивный недостаток, на котором основывался польский метод. Поэтому он разработал собственный метод, основанный на переборе последовательностей символов исходного текста.

Вскоре немцы добавили в конструкцию Энигмы коммутирующее устройство, существенно расширив этим количество вариантов кода. Возникшую для англичан задачу решил Гордон Уэлчман , предложив конструкцию «диагональной доски». В результате этой работы в августе 1940 года была построена криптоаналитическая машина Bombe . Со временем в Блетчли-Парке было установлено более 200 машин , что позволило довести темп расшифровки до двух-трёх тысяч сообщений в день .

Хотя Bombe претерпевала некоторые изменения в деталях, её общий вид оставался прежним: шкаф весом около тонны, передняя панель два на три метра и 36 групп роторов на ней, по три в каждой. Использование машины требовало специальных навыков, и сильно зависело от квалификации обслуживающего персонала - девушек-добровольцев из Women’s Royal Naval Service (англ. ) . Впоследствии, когда часть работ была перенесена в США, вместе с технологиями была направлена и часть сотрудниц .

«Живая» информация

Время от времени Германия вносила в машину конструктивные изменения или каким-либо способом усиливала криптографическую защиту. В таких случаях криптоаналитики из Блетчли-парка оказывались бессильными, и для дальнейшей работы срочно требовалось найти описание изменений или хотя бы новые экземпляры инструкций и машин «Энигма» .

Секретность

«Это моя курочка-ряба, которая несет золотые яйца, но никогда не кудахчет.»

Уинстон Черчилль о Блетчли-парке

Английское правительство делало все возможное для того, чтобы скрыть успехи в расшифровке немецких шифров как от противника, так и от руководства СССР. С этой целью все действия, основанные на данных программы «Ультра» должны были сопровождаться операциями прикрытия, маскирующими истинный источник информации . Так, для передачи сведений «Ультра» в СССР использовалась швейцарская организация Lucy, располагавшая по легенде источником в верхах немецкого руководства. Информацию, полученную от Lucy, передавал в СССР резидент советской разведки в Швейцарии Шандор Радо .

Для маскировки «Ультра» применялись фиктивные разведывательные полеты, радиоигра и т. п. мероприятия.

О существовании программы «Ультра» было известно строго ограниченному кругу лиц, число которых составляло порядка десяти человек. Необходимые сведения передавались по назначению сетью подразделений разведки, прикомандированных к штабам командующих армии и флота. Источник сведений при этом не раскрывался, что иногда приводило к недооценке британским командованием вполне надёжных сведений «Ультры» и крупным потерям (См. Гибель авианосца «Глориес»).

СССР

В числе полученной Великобританией информации были и сведения о подготовке вторжения в СССР . Несмотря на риск раскрытия источника, сведения были переданы советскому правительству . Однако Сталин не поверил в возможность нападения .

Оценки результатов

Некоторые авторы указывают, что с современной точки зрения шифр «Энигмы» был не очень надёжным . Однако в своё время его абсолютная надежность не вызывала никаких сомнений у немецких специалистов: до самого конца войны немецкое командование искало причины утечек секретной информации где угодно, но не в раскрытии «Энигмы». Именно поэтому успех британских дешифровщиков стал особенно ценным вкладом в дело победы над нацизмом.

После войны

См. также

Примечания

1. Случались и ошибки: среди приглашенных в проект оказался биолог капитан-лейтенант Джеффри Танди - специалист по криптогамам
2. Макс Ньюман , Том Флауэрс и другие специалисты попали в Блетчли-парк позднее в связи с работой над шифром «Танни ».
3. Шифром «Энигмы» пользовались не только армия, авиация и флот, но и военная разведка (Abwehr), железная дорога и другие службы. Все они применяли собственные установки роторов.
4. Важным недостатком конструкции была невозможность кодирования буквы той же самой буквой. Эта особенность «Энигмы» была широко использована при дешифровке
5. Тюринг подметил, что цифра «один» (нем. Eins ) встречается в 90 % сообщений. На этой основе был построен особый метод дешифровки - «eins-алгоритм». В качестве crib использовалось даже приветствие Heil Hitler и грубые ругательства, что особенно забавляло многочисленный женский персонал Блетчли-парка
6. Польская машина называлась «бомба» (польск. Bomba kryptologiczna - Криптологическая бомба). По-английски бомба - bomb . Её название, по одной из версий, происходит от названия десерта из мороженого Bombe glacée («One theory was that bomba was named after the ice cream, bombe glacee, which was being eaten when the machine was invented.» // Enigma: The Battle for the Code, By Hugh Sebag-Montefiore, 2002, ISBN 978-0-471-43721-5).
7. Изготовлением Bombe занималась компания «British Tabulating Machines» (англ. ) ; проект машины сделал главный конструктор компании Гарольд Кин (англ. Harold Keen ).
8. Машины и обслуживающий персонал размещались вне территории Блетчли-парка в окружающих поселках.
9. Версия отказа от защиты Ковентри ради сохранения секретности Ultra, не соответствует действительности и основана исключительно на воспоминаниях Ф. У. Винтерботтама, - офицера RAF не имевшего доступа к подобной информации. Версия Винтерботтама неоднократно опровергалась другими мемуаристами и историками.
10. СССР имел некоторые сведения о программе Ultra от своего агента в Блетчли-парке - Джона Кернкросса , одного из членов Кембриджской пятерки . Англичане не подозревали о роли Кернкросса до 1951 г.
11. Ф. Уинтерботем пишет, что в дальнейшем, из соображений секретности, англичане информацией не делились. Так, по мнению Уинтерботема, о Курской операции вермахта в СССР узнали из других источников. Нужно учитывать, однако, что книга Уинтерботема вышла до снятия грифа секретности с британских архивов о дешифровке кода «Лоренц» (1975), а сам он, будучи во время войны офицером ВВС, доступа к секретным сведениям об «Энигме» не имел. Архивные же материалы однозначно свидетельствуют о передаче в Москву детального плана