Машины для шифрования история. Как работала шифровальная машина “Энигма”

По материалам диссертации «Шифровальные машины и приборы для расшифровки во время Второй мировой войны», защищенной в университете г. Хемниц (ФРГ) в 2004г.

Введение. Для широкой публики слово «Энигма» (по-гречески - загадка) является синонимом понятий «шифровальная машина» и «взлом кода», о чем позаботились фильмы про подводные лодки и аналогичные романы, имеющие мало общего с действительностью. О том, что были и другие шифровальные машины, для «взлома» которых создавались специальные машины для расшифровки, и о тех последствиях, какие это имело во Второй Мировой войне, об этом широкой публике известно мало.

Но мы этим вопросом заниматься не будем, а ограничимся научными, техническими и организационными обстоятельствами, которые способствовали раскрытию немецких шифровальных кодов. И что особенно важно, как и почему удалось разработать машинные способы «взлома» и успешно их использовать.
Взлом кодов Энигмы и кодов других шифровальных машин обеспечил союзникам не только доступ к военно-тактической информации, но и к информации МИДа, полицейской, СС-овской и железнодорожной. Сюда же относятся сообщения стран «оси», особенно японской дипломатии, и итальянской армии. Союзники получали также информацию о внутреннем положении в Германии и у ее союзников.

Над расшифровкой кодов только в Англии трудился многотысячный коллектив секретной службы. Эту работу опекал лично премьер-министр Англии Уинстон Черчиль, который знал о важности этой работы по опыту Первой Мировой войны, когда он был Военно-морским министром правительства Великобритании. Уже в ноябре 1914 года он приказал расшифровывать все перехваченные вражеские телеграммы. Он также приказал расшифровать ранее перехваченные телеграммы, чтобы понять образ мыслей немецкого командования. Это - свидетельство его дальновидности. Самый знаменитый итог этой его деятельности - форсирование вступления США в Первую мировую войну.
Столь же дальновидным было создание английских станций прослушивания - тогда это была совершенно новая идея - особенно прослушивание радиообмена вражеских кораблей.

Уже тогда и в период между двумя мировыми войнами Черчиль приравнивал такую деятельность к новому виду оружия. Наконец, ясно было, что необходимо засекретить собственные радиопереговоры. И все это нужно было держать в тайне от врага. Есть большие сомнения, что вожди Третьего Рейха все это осознавали. В руководстве Вермахта (ОКВ) существовало отделение с небольшим число криптологов и с задачей «разработать методы раскрытия радиосообщений противника», причем речь шла о фронтовых радиоразведчиках, которым вменялось в обязанность обеспечивать фронтовых командиров тактической информацией на их участке фронта. В немецкой армии используемые шифровальные машины оценивали не криптологи (по качеству шифрования и возможностям взлома), а технические специалисты.

Союзники следили за постепенным совершенствованием немецкой шифровальной техники и тоже совершенствовали методы взлома шифровальных кодов. Факты, свидетельствовавшие об информированности союзников, немцы относили за счет предательства и шпионажа. Кроме того, в Третьем Рейха часто отсутствовала четкая подчиненность, а службы шифрования разных родов войск не только не взаимодействовали между собой, но и свои навыки скрывали от шифровальщиков других родов войск, так как «конкуренция» была в порядке вещей. Разгадать шифровальные коды союзников немцы и не пытались, так как у них для этого было мало криптологов, и те что были, работали изолированно друг от друга. Опыт же английских криптологов показал, что совместная работа большого коллектива криптологов позволила решить практически все поставленные задачи. К концу война начался постепенный переход в области шифрования от машинной работы к работе на базе компьютеров.

Шифровальные машины в военном деле были впервые применены в Германии в 1926 году. Это побудило потенциальных противников Германии включиться в развитие собственных методов шифрования и дешифровки. Например, Польша занялась этим вопросом, причем сначала ей пришлось разрабатывать теоретические основы машинной криптологии, поскольку «ручные» методы для этого не годились. Будущая война потребовала бы ежедневно расшифровывать тысячи радиосообщений. Именно польские специалисты в 1930 году первыми начали работы по машинному криптологическому анализу. После начала войны и оккупации Польши и Франции эти работы продолжили английские специалисты. Особенно важными здесь были теоретические работы математика А.Тюринга. Начиная с 1942 года раскрытие шифровальных кодов приобрело чрезвычайно важное значение, так как немецкое командование для передачи своих распоряжений все чаще использовало радиосвязь. Нужно было разработать совершенно новые способы криптологического анализа для дешифровальных машин.

Историческая справка.
Первым применил шифрование текста Юлий Цезарь. В 9-м веке арабский ученый Аль-Кинди впервые рассмотрел задачу дешифровки текста. Разработке методов шифрования были посвящены работы итальянских математиков 15-16 веков. Первое механическое устройство придумал в 1786 году шведский дипломат, такой прибор был и в распоряжении американского президента Джефферсона в 1795 году. Только в 1922 году этот прибор был улучшен криптологом американской армии Мауборном. Он использовался для шифровки тактических сообщений вплоть до начала Второй Мировой войны. Патенты на улучшение удобства пользования (но не на надежность шифровки) выдавались американским Бюро патентов, начиная с 1915 года. Все это предполагалось использовать для шифровки бизнес-переписки. Несмотря на многочисленные усовершенствования приборов, ясно было, что надежной является шифровка только коротких текстов.

В конце первой мировой войны и в первые годы после нее возникает несколько изобретений, созданных любителями, для которых это было своеобразным хобби. Назовем имена двух из них: Хеберн (Hebern) и Вернам (Vernam), оба американцы, ни один из них о науке криптологии, скорее всего, вообще не слышал. Последний из двух даже реализовал некоторые операции Булевой логики, о которой тогда вообще мало кто знал, кроме профессиональных математиков. Дальнейшим усовершенствованием этих шифровальных машин занялись профессиональные криптологи, это позволило усилить их защищенность от взлома.

С 1919г. начинают патентовать свои разработки и немецкие конструкторы, одним из первых был будущий изобретатель Энигмы Артур Шербиус (1878 - 1929). Были разработаны четыре варианта близких по конструкции машин, но коммерческого интереса к ним проявлено не было, вероятно потому, что машины были дорогими и сложными в обслуживании. Ни ВМФ, ни МИД не приняли предложений изобретателя, поэтому он попробовал предложить свою шифровальную машину в гражданские секторы экономики. В армии и МИДе продолжали пользоваться шифрованием по книгам.

Артур Шербиус перешел работать в фирму, купившую его патент на шифровальную машину. Эта фирма продолжала совершенствовать Энигму и после смерти ее автора. Во втором варианте (Enigma B) машина представляла собой модифицированную электрическую пишущую машинку, с одной стороны ее было устроено шифровальное устройство в виде 4 сменных роторов. Фирма широко выставляла машину и рекламировала ее как не поддающуюся взлому. Ею заинтересовались офицеры Рейхсвера. Дело в том, что в 1923 году вышли воспоминания Черчилля, в которых он рассказал о своих криптологических успехах. Это вызвало шок у руководства немецкой армии. Немецкие офицеры узнали, что большая часть их военных и дипломатических сообщений была расшифрована британскими и французскими экспертами! И что этот успех во много определялся слабостью дилетантской шифровки, изобретенной любителями-шифровальщиками, так как военной немецкой криптологии просто не существовало. Естественно, они начали искать надежные способы шифрования для военных сообщений. Поэтому у них возник интерес к Энигме.

Энигма имела несколько модификаций: А,В,С и т.д. Модификация С могла выполнять как шифровку, так и дешифровку сообщений; она не требовала сложного обслуживания. Но и ее продукция еще не отличалась стойкостью к взлому, потому что создателей не консультировали профессиональные криптологи. Она использовалась в немецком военно-морском флоте с 1926 по 1934 гг. Следующая модификация Энигма D имела и коммерческий успех. Впоследствии, с1940 г. ее использовали на железнодорожном транспорте в оккупированных районах Восточной Европы.
В 1934г. в немецком морском флоте начали использовать очередную модификацию Энигма I.

Любопытно, что расшифровкой немецких радиосообщений, засекреченных этой машиной, пытались заниматься польские криптологи, причем результаты этой работы становились каким-то образом известны немецкой разведке. Поначалу поляки добились успеха, но «наблюдавшая» за ними немецкая разведка сообщила об этом своим криптологам, и те поменяли шифры. Когда выяснилось, что польские криптологи не смогли взломать зашифрованные Энигмой -1 сообщения, эту машину начали применять и сухопутные войска - Вермахт. После некоторого совершенствования именно эта шифровальная машина стала основной во Второй Мировой войне. С 1942 года подводный флот Германии принял «на вооружение» модификацию Энигма - 4.

Постепенно к июлю 1944 г. контроль над шифровальным делом переходит из рук Вермахта под крышу СС, главную роль здесь играла конкуренция между этими родами вооруженных сил. С первых же дней ВМВ армии США, Швеции, Финляндии, Норвегии, Италии и др. стран насыщаются шифровальными машинами. В Германии конструкции машин постоянно совершенствуются. Основная трудность при этом была вызвана невозможностью выяснить, удается ли противнику расшифровывать тексты, зашифрованные данной машиной. Энигма разных модификаций была внедрена на уровнях выше дивизии, она продолжала выпускаться и после войны (модель «Schlüsselkasten 43») в г. Хемнице: в октябре 1945г. было выпущено 1 000 штук, в январе 1946г. - уже 10 000 штук!

Телеграф, историческая справка.
Появление электрического тока вызвало бурное развитие телеграфии, которое не случайно происходило в 19-м веке параллельно с индустриализацией. Движущей силой являлись железные дороги, которые использовали телеграф для нужд железнодорожного движения, для чего были развиты всевозможные приборы типа указателей. В 1836 году появился прибор Steinhel`я, а в 1840 его развил Сэмюель Морзе (Samuel MORSE). Дальнейшие улучшения свелись к печатающему телеграфу Сименса и Гальске (Siemens & Halske, 1850), который превращал принятые электрические импульсы в читаемый шрифт. А изобретенное в 1855г. Худжесом (Hughes) печатающее колесо после ряда усовершенствований служило еще и в 20-м веке.

Следующее важное изобретение для ускорения переноса информации - было создано в 1867 году Витстоуном (Wheatstone): перфолента с кодом Морзе, которую прибор ощупывал механически. Дальнейшему развитию телеграфии препятствовало недостаточное использование пропускной способности проводов. Первую попытку сделал Мейер (B.Meyer) в 1871 году, но она не удалась, потому что этому препятствовали различная длина и количество импульсов в буквах Морзе. Но в 1874 году французскому инженеру Эмилю Бодо (Emile Baudot) удалось решить эту проблему. Это решение стало стандартом на следующие 100 лет. Метод Бодо имел две важные особенности. Во-первых, он стал первым шагом на пути к использованию двоичного исчисления. И во-вторых, это была первая надежная система многоканальной передачи данных.

Дальнейшее развитие телеграфии упиралось в необходимость доставки телеграмм с помощью почтальонов. Требовалась другая организационная система, которая бы включала: прибор в каждом доме, обслуживание его специальным персоналом, получение телеграмм без помощи персонала, постоянное включение в линию, выдача текстов постранично. Такое устройство имело бы виды на успех только в США. В Европе до 1929 года почтовая монополия препятствовала появлению любого частного устройства для передачи сообщений, они должны были стоять только на почте.

Первый шаг в этом направлении сделал в 1901 году австралиец Дональд Муррей (Donald Murray). Он, в частности, модифицировал код Бодо. Эта модификация была до 1931 года стандартом. Коммерческого успеха он не имел, так как патентовать свое изобретение в США не решился. В США конкурировали между собой два американских изобретателя: Говард Крум (Howard Krum) и Клейншмидт (E.E.Kleinschmidt). Впоследствии они объединились в одну фирму в Чикаго, которая начала в 1024 году выпускать аппаратуру, пользовавшуюся коммерческим успехом. Несколько их машин импортировала немецкая фирма Лоренц, установила их в почтамтах и добилась лицензии на их производство в Германии. С1929 года почтовая монополия в Германии была отменена, и частные лица получили доступ к телеграфным каналам. Введение в 1931 г. международных стандартов на телеграфные каналы позволило организовать телеграфную связь со всем миром. Такие же аппараты стала производить с 1927 года фирма Сименс и Гальске.

Объединить телеграф с шифровальной машиной впервые удалось 27-летнему американцу Гильберту Вернаму (Gilbert Vernam), работнику фирмы АТТ. В 1918г. он подал заявку на патент, в котором эмпирически использовал булеву алгебру (о которой он, между прочим, не имел понятия и которой тогда занимались несколько математиков во всем мире).
Большой вклад в криптологию внес американский офицер Вильям Фридман, он сделал американские шифровальные машины практически неподдающимися взлому.

Когда в Германии появились телеграфные аппараты Сименса и Гальске, ими заинтересовался военно-морской флот Германии. Но его руководство все еще находилось под впечатлением о том, что англичане во время первой мировой войны разгадали германские коды и читали их сообщения. Поэтому они потребовали соединить телеграфный аппарат с шифровальной машиной. Это было тогда совершенно новой идеей, потому что шифрование в Германии производилось вручную и только потом зашифрованные тексты передавались.

В США этому требованию удовлетворяли аппараты Вернама. В Германии за эту работу взялась фирма Сименс и Гальске. Первый открытый патент по этой теме они подали в июле 1930г. К 1932г. был создан работоспособный аппарат, который вначале свободно продавался, но с 1934г. был засекречен. С 1936г. этими приборами стали пользоваться и в авиации, а с 1941г. - и сухопутные войска. С 1942г. началась машинная шифровка радиосообщений.

Немцы продолжали совершенствовать различные модели шифровальных машин, но на первое место они ставили усовершенствование механической части, относясь к криптологии по-дилетантски, фирмы-производители не привлекали для консультаций профессиональных криптологов. Большое значение для всей этой проблематики имели работы американского математика Клода Шеннона который начитная с 1942г. работал в лабораториях Белла и проводил там секретные математические исследования. Еще до войны он был известен доказательством аналогии между булевой алгеброй и релейными соединениями в телефонии. Именно он открыл «бит» как единицу информации. После войны, в 1948г. Шеннон написал свой основной труд «Математическая теория коммуникаций». После этого он стал профессором математики в университете.

Шеннон первый начал рассматривать математическую модель криптологии и развивал анализ зашифрованных текстов информационно-теоретическими методами. Фундаментальный вопрос его теории звучит так: «Сколько информации содержит зашифрованный текст по сравнению с открытым?» В 1949году он опубликовал труд «Теория коммуникаций секретных систем», в которой отвечал на этот вопрос. Проведенный там анализ был первым и единственным для количественной оценки надежности метода шифрования. Проведенный после войны анализ показал, что ни немецкие, ни японские шифровальные машины не относятся к тем, которые невозможно взломать. Кроме того, существуют другие источники информации (например, разведка), которые значительно упрощают задачу дешифровки.

Положение Англии заставляло ее обмениваться с США длинными зашифрованными текстами, именно большая длина делала возможной их дешифровку. В особом отделе британской тайной службы М 16 был разработан метод, повышавший степень засекреченности сообщения - ROCKEX. Американский метод шифрования для министерства иностранных дел был немецкими специалистами взломан и соответствующие сообщения были дешифрованы. Узнав об этом, США в 1944г. заменили несовершенную систему на более надежную. Примерно в то же время немецкий вермахт, флот и МИД тоже поменяли шифровальную технику на вновь разработанную. Недостаточной надежностью отличались и советские методы шифрования, из-за чего они были американскими службами взломаны и многие советские разведчики, занимавшиеся шпионажем американской атомной бомбы, были выявлены (операция Venona - breaking).

Взлом.
Теперь расскажем о ВЗЛОМЕ англичанами немецких шифровальных машин, то есть машинном разгадывании способа шифрования текстов в них. . Эта работа получила английское название ULTRA. Немашинные методы дешифровки были слишком трудоемкими и в условиях войны неприемлемыми. Как же были устроены английские машины для дешифровки, без которых союзники не могли бы добиться преимущества перед немецкими шифровальщиками? В какой информации и текстовом материале они нуждались? И не было ли здесь ошибки немцев, и если была, то почему она произошла?

Сначала научно-технические основы.
Сначала была проведена предварительная научная работа, так как нужно было, прежде всего, криптологически и математически проанализировать алгоритмы. Это было возможно, потому что шифровки широко использовались немецким вермахтом. Для такого анализа были необходимы не только зашифрованные тексты, полученные путем прослушивания, но и открытые тексты, полученные путем шпионажа или кражи. Кроме того, нужны были разные тексты, зашифрованные одним и тем же способом. Одновременно проводился лингвистический анализ языка военных и дипломатов. Имея длинные тексты, стало возможным математически установить алгоритм даже для незнакомой шифровальной машины. Потом удавалось реконструировать и машину.

Для этой работы англичане объединили примерно 10 000 человек, в том числе математиков, инженеров, лингвистов, переводчиков, военных экспертов, а также других сотрудников для сортировки данных, их проверки и архивирования, для обслуживания машин. Это объединение носило название ВР(Bletchley Park - Блетчли парк), оно было под контролем лично Черчилля. Полученная информация оказалась в руках союзников могучим оружием.

Как же проходило овладение англичанами вермахтовской Энигмой? Первой занялась расшифровкой немецких кодов Польша. После Первой мировой войны она находилась в постоянной военной опасности со стороны обеих своих соседей - Германии и СССР, которые мечтали вернуть себе утраченные и перешедшие к Польше земли. Чтобы не оказаться перед неожиданностями, поляки записывали радиосообщения и занимались их расшифровкой. Они были сильно встревожены тем, что после введения в феврале 1926г. в немецком ВМФ Энигмы С, а также после ее введения в сухопутных войсках в июле 1928г. им не удавалось расшифровывать зашифрованные этой машиной сообщения.

Тогда отдел BS4 польского Генштаба предположил, что у немцев появилась машинная шифровка, тем более, что ранние коммерческие варианты Энигмы были им известны. Польская разведка подтвердила, что в Вермахте с 1 июня 1930г. используется Энигма 1. Военным экспертам Польши не удалось расшифровать немецкие сообщения. Даже получив через свою агентуру документы на Энигму, они не смогли добиться успеха. Они пришли к заключению, что недостает научных знаний. Тогда они поручили трем математикам, один из которых учился в Геттингене, создать систему анализа. Все трое прошли дополнительную подготовку в университете г. Познань и свободно говорили по-немецки. Им удалось воспроизвести устройство Энигмы и создать в Варшаве ее копию. Отметим выдающиеся заслуги в этом одного из них, польского математика М.Реевского (1905 - 1980). Хотя Вермахт все время совершенствовал шифровку своих сообщений, польским специалистам удавалось вплоть до 1 января 1939г. их расшифровывать. После этого поляки начали сотрудничать с союзниками, которым они до того ничего не сообщали. Такое сотрудничество ввиду очевидной военной опасности и без того было целесообразным. 25 июля 1939г. они передали английским и французским представителям всю им известную информацию. 16 августа того же года польский «подарок» достиг Англии, и английские эксперты из только что созданного центра расшифровки ВР начали с ним работать.

Британские криптологи после Первой мировой войны были сокращены, они оставались только под крышей Министерства иностранных дел. Во время войны в Испании немцы использовали Энигму D, и остававшиеся на службе английские криптологи под руководством выдающегося специалиста-филолога Альфреда Диллвина (Alfred Dillwyn, 1885-1943) продолжали работу по расшифровке немецких сообщений. Но чисто математических методов было недостаточно. К этому времени в конце 1938г. среди посетителей английских курсов для подготовки шифровальщиков оказался математик из Кембриджа Алан Тюринг (Alan Turing). Он принял участие в атаках на Энигму 1. Им была создана модель анализа, известная как «машина Тюринга», которая позволила утверждать, что алгоритм расшифровки обязательно существует, оставалось только его открыть!

Тюринга включили в состав ВР как военнообязанного. К 1 мая 1940г. он добился серьезных успехов: он воспользовался тем, что ежедневно в 6 часов утра немецкая метеослужба передавала зашифрованный прогноз погоды. Ясно, что в нем обязательно содержалось слово «погода» (Wetter), и что строгие правила немецкой грамматики предопределяли его точное положение в предложении. Это позволило ему, в конечном счете, прийти к решению проблемы взлома Энигмы, причем он создал для этого электромеханическое устройство. Идея возникла у него в начале 1940г., а в мае того же года с помощью группы инженеров такое устройство было создано. Задача расшифровки облегчалась тем, что язык немецких радиосообщений был простым, выражения и отдельные слова часто повторялись. Немецкие офицеры не владели основами криптологии, считая ее несущественной.

Английские военные и особенно лично Черчиль требовали постоянного внимания к расшифровке сообщений. Начиная с лета 1940г. англичане расшифровывали все сообщения, зашифрованные с помощью Энигмы. Тем не менее, английские специалисты непрерывно занимались совершенствованием дешифровальной техники. К концу войны английские дешифраторы имели на своем вооружении 211 круглосуточно работающих дешифрирующих устройств. Их обслуживали 265 механиков, а для дежурства были привлечены 1675 женщин. Работу создателей этих машин оценили много лет спустя, когда попытались воссоздать одну из них: из-за отсутствия на тот момент необходимых кадров, работа по воссозданию известной машины продолжалась несколько лет и осталась неоконченной!

Созданная тогда Дюрингом инструкция по созданию дешифрирующих устройств находилась под запретом до 1996 года… Среди средств дешифровки был метод «принудительной» информации: например, английские самолеты разрушали пристань в порту Калле, заведомо зная, что последует сообщение немецких служб об этом с набором заранее известных англичанам слов! Кроме того, немецкие службы передавали это сообщение много раз, каждый раз кодируя его разными шифрами, но слово в слово…

Наконец, важнейшим фронтом для Англии была подводная война, где немцы использовали новую модификацию Энигма М3. Английский флот смог изъять такую машину с захваченной им немецкой подводной лодки. С 1 февраля 1942 года ВМФ Германии перешел на пользование моделью М4. Но некоторые немецкие сообщения, зашифрованные по-старому, по ошибке содержали информацию об особенностях конструкции этой новой машины. Это сильно облегчило задачу команде Тюринга. Уже в декабре 1942г. была взломана Энигма М4. 13 декабря 1942 году английское Адмиралтейство получило точные данные о местоположении 12 немецких подводных лодок в Атлантике…

По мнению Тюринга, для ускорения дешифровки необходимо было переходить к использованию электроники, так как электромеханические релейные устройства эту процедуру выполняли недостаточно быстро. 7 ноября 1942 года Тюринг отправился в США, где вместе с командой из лабораторий Белла создал аппарат для сверхсекретных переговоров между Черчиллем и Рузвельтом. Одновременно под его руководством были усовершенствованы американские дешифровальные машины, так что Энигма М4 была взломана окончательно и до конца войны давала англичанам и американцам исчерпывающую разведывательную информацию. Только в ноябре 1944 года у немецкого командования возникли сомнения в надежности своей шифровальной техники, однако ни к каким мерам это не привело…

(Примечание переводчика: так как начиная с 1943 года во главе английской контрразведки стоял советский разведчик Ким Филби, то вся информация сразу же поступала в СССР! Часть такой информации передавалась Советскому Союзу и официально через английское бюро в Москве, а также полуофициально через советского резидента в Швейцарии Александра Радо.)

Chiffriermaschinen und Entzifferungsgeräte
im Zweiten Weltkrieg:
Technikgeschichte und informatikhistorische Aspekte
Von der Philosophischen Fakultät der Technischen Universität Chemnitz genehmigte
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades doctor philosophiae (Dr.phil.)
von Dipl.-Ing.Michael Pröse

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.

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.

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…

Рис. 3.1. Внешний вид шифровальной машины Энигма

Эни́гма (Enigma ) - портативная 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 Германии во время второй мировой войны. Именно Энигма Вермахта (Wehrmacht Enigma) - немецкая военная модель - чаще всего является предметом изучения.

Хотя шифр Энигмы, с точки зрения криптографии, был достаточно слаб, но на практике лишь сочетание этого фактора с другими, такими, как ошибки операторов, процедурные изъяны и захваты экземпляров Энигмы и шифровальных книг, позволило английским криптоаналитикам вскрывать сообщения, зашифрованные шифром Энигмы.

Рис. 3.2. Электрическая схема Энигмы (замена в тексте буквы "A" буквой "D")

Шифрующее действие Энигмы показано для двух последовательно нажатых клавиш - ток течет через роторы, "отражается" от рефлектора, затем снова возвращается через роторы. Серыми линиями на рисунке показаны другие возможные электрические цепи внутри каждого ротора. Буква “A” заменяется в шифротексте по-разному при последовательных нажатиях клавиши, сначала на “G”, затем на “C”. Сигнал идет по другому маршруту за счет поворота ротора.

Как и другие роторные машины, Энигма состояла из комбинации механических и электрических систем. Механическая часть включала клавиатуру, набор вращающихся дисков (роторов), расположенных вдоль вала, и ступенчатого механизма, приводящего в движение один или более роторов при каждом нажатии клавиши. Движение роторов приводит к различным вариантам подстановки символов при каждом следующем нажатии клавиши на клавиатуре.

Механические части двигались, образуя меняющийся электрический контур - то есть, фактически, шифрование осуществлялось электрически. При нажатии клавиш контур замыкался, ток проходил через различные компоненты и в итоге включал одну из множества лампочек, отображавшую выводимую букву. Например, при шифровании сообщения, начинающегося “ANX...”, оператор вначале нажимал кнопку “A”, и загоралась лампочка “Z”, то есть “Z” становилась первой буквой криптограммы. Оператор продолжал шифрование, нажимая на клавиатуре “N” и, так далее, до конца исходного сообщения.

Постоянное изменение электрической цепи, через которую шел ток, вследствие вращения роторов, позволяло реализовать многоалфавитный шифр подстановки, что давало высокую стойкость для того времени.

Роторы

Рис. 3.3. Левая сторона ротора Энигмы, видны плоские электрические контакты

.

Рис. 3.4. Правая сторона ротора, видны штыревые контакты

Роторы - это сердце Энигмы. Каждый ротор представляет собой диск примерно 10 см в диаметре, сделанный из твердой резины или бакелита, с пружинными штыревыми контактами на одной стороне ротора, расположенными по окружности; на другой стороне соответствующее количество плоских электрических контактов. Штыревые и плоские контакты соответсвуют буквам в алфавите; обычно это 26 букв “A”…“Z”. При соприкосновении контакты соседних роторов замыкают электрическую цепь. Внутри ротора каждый штыревой контакт соединен с некоторым плоским. Порядок соединения может быть различным.

Сам по себе ротор воспроизводит шифрование простой заменой символов. Например, контакт, отвечающий за букву “Е”, может быть соединен с контактом буквы “Т” на другой стороне ротора. Но при использовании нескольких роторов в связке (обычно трех или четырех), за счет их постоянного движения, получается более стойкий тип многоалфавитного шифрования.

Ротор может занимать одну из 26 позиций в машине. Он может быть повернут вручную при помощи рифленого пальцевого колесика, которое выдается наружу, как показано на Рис. 3.5. Чтобы оператор всегда мог определить положение ротора, на каждом ободе находится алфавитное кольцо; одна из букв видна через окошко. В ранних моделях Энигмы алфавитное кольцо было фиксировано; в более поздних версиях ввели усложненную конструкцию с возможностью его регулировки. Каждый ротор содержит выемку (или несколько выемок), используемых для управления движением роторов.

Рис. 3.5. Ротор в разобранном виде

1. кольцо с выемками
2. маркирующая точка для контакта "A"
3. алфавитное кольцо
4. залуженные контакты
5. электропроводка
6. штыревые контакты
7. пружинный рычаг для настройки кольца
8. втулка
9. пальцевое кольцо
10. храповое колесо

Рис. 3.6. Три последовательно соединенных ротора

Военные версии Энигмы выпускались с несколькими роторами; первая модель содержала только три. В 1938 г. их стало пять, но только три из них одновременно использовались в машине. Эти типы роторов были маркированы римскими цифрами I, II, III, IV, V, и все с одной выемкой, расположенной в разных местах алфавитного кольца. В военно-морских версиях Wehrmacht Enigma содержалось большее количество роторов, чем в других: шесть, семь или восемь.

В Wehrmacht Enigma каждый ротор прикреплен к регулируемому кольцу с выемками. Пять базовых роторов (I-V) имели по одной выемке, тогда как военно-морские с дополнительными роторами (VI-VIII) - по две. В определенный момент, выемка попадает напротив собачки, позволяя ей зацепить храповик следующего ротора при последующем нажатии клавиши. Когда же собачка не попадает в выемку, она просто проскальзывает по поверхности кольца, не цепляя шестеренки. В системе с одной выемкой второй ротор продвигается вперед на одну позицию в то время, как первый продвигается на 26. Аналогично, третий ротор продвигается на один шаг в то время, как второй делает 26 шагов. Особенностью 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 приводит к уменьшению периода при шифровании.

Рис. 3.7. Роторы Энигмы в собранном состоянии. Три подвижных ротора помещены между двумя неподвижными деталями: входное кольцо и рефлектор (помечен "B" слева)

Входное колесо

Входное колесо (Eintrittswalze по-немецки), или входной статор, соединяет коммутационную панель, или (в случае ее отсутствия) клавиатуру и ламповую панель, с роторами. Несмотря на то, что фиксированное соединение проводов имеет сравнительно небольшее значение с точки зрения безопасности, это оказалось некоторым препятствием в работе польского криптоаналитика Марьяна Реджевски, когда он пытался определить способ коммутации проводов внутри роторов. Коммерческая версия Энигмы соединяла буквы в порядке их следования на клавиатуре: QA, WB, EC и так далее. Однако, военная версия соединяла их в прямом алфавитном порядке: AA, BB, CC и т.д.

Рефлектор

За исключением ранних моделей A и B, за последним ротором следовал рефлектор (Umkehrwalze по-немецки), запатентованная деталь, отличавшая семейство Энигмы от других роторных машин, разработанных в то время. Рефлектор соединяет контакты последнего ротора попарно, коммутируя ток через роторы в обратном направлении, но по другому маршруту. Рефлектор гарантирует, что преобразование, реализуемое Энигмой, есть инволюция, т.е. процесс расшифрования симметричен процессу шифрования. Кроме того, рефлектор придает Энигме то свойство, что никакая буква не может быть зашифрована собой же. Это было серьезным концептуальным недостатком, впоследствии использованным дешифровальщиками.