Шифровальная машина энигма история. Как были взломаны шифровальные коды гитлеровской германии

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…

История самой известной электрической роторной шифровальной машины - «Энигма» - начинается в 1917 году - с патента, полученного голландцем Хьюго Кохом. В следующем году патент был перекуплен Артуром Шербиусом, начавшим коммерческую деятельность с продажи экземпляров машины как частным лицам, так и немецким армии и флоту.

Германские военные продолжают совершенствовать «Энигму». Без учёта настройки положения колец (нем. Ringstellung), количество различных ключей составляло 1016. В конце 1920-х - начале 1930 годов, несмотря на переданные немецким аристократом Хансом Тило-Шмидтом данные по машине, имевшиеся экземпляры коммерческих вариантов, британская и французская разведка не стали браться за задачу криптоанализа. Вероятно, к тому времени они уже сочли, что шифр является невзламываемым. Однако группа из трёх польских математиков так не считала, и, вплоть до 1939 года, вела работы по «борьбе» с «Энигмой», и даже умела читать многие сообщения, зашифрованными «Энигмой» (в варианте до внесения изменений в протокол шифрования от декабря 1938 года). Среди результатов, переданных британским разведчикам перед захватом Польши Германией, были и «живые» экземпляры «Энигмы», и электромеханическая машина «Bomba», состоявшая из шести спаренных «Энигм» и помогавшая в расшифровке (прототип для более поздней «Bombe» Алана Тьюринга), а также уникальные методики криптоанализа.

1. Что такое шифровальная машина «Энигма»?

Шифровальная машина Энигма — переносная шифровальная машина, использовавшаяся для шифрования и расшифрования секретных сообщений. Более точно, «Энигма» - целое семейство электромеханических роторных машин, применявшихся с 20-х годов XX века.

«Энигма» использовалась в коммерческих целях, а также в военных и государственных службах во многих странах мира, но наибольшее распространение получила в нацистской Германии во время Второй мировой войны. Именно германская военная модель чаще всего является предметом дискуссий.

2. Работа по взлому.

Работа по взлому была организована в Блетчли-парке (англ. Bletchley Park), сегодня являющемся одним из предметов национальной гордости Великобритании. В разгар деятельности центр «Station X» насчитывал 12 тысяч человек, но, несмотря на это, немцы не узнали о нём до самого конца войны. Сообщения, расшифрованные центром, имели гриф секретности «Ultra» - выше, чем использовавшийся до этого «Top Secret» (по одной из версий отсюда и название всей британской операции - «Операция Ультра»). Англичане предпринимали повышенные меры безопасности, чтобы Германия не догадалась о раскрытии шифра. Ярким эпизодом является случай с бомбардировкой Ковентри 14 февраля 1940 года, о которой премьер-министру Великобритании Уинстону Черчиллю было известно заранее благодаря расшифровке приказа. Однако Черчилль, опираясь на мнение аналитиков о возможности Германии догадаться об операции «Ультра», принял решение о непринятии мер к защите города и эвакуации жителей.

3. «Энигма», то есть «Загадка»!

Во время Второй мировой войны упорная борьба шла не только на фронтах почти всего мира. Не менее упорно противостояли друг другу шифровальные службы.

Берлинский инженер Артур Шербиус назвал первую в истории криптографии изобретенную им автоматическую шифровальную машину греческим словом «Энигма», то есть «Загадка». Несмотря на столь громкое название, работать на ней было довольно просто: текст набирался на клавиатуре и шифровался совершенно автоматически. На принимающей стороне достаточно было настроить свою «Энигму» на аналогичный режим, и кодограмма расшифровывалась также автоматически.

А вот чтобы разгадать «загадку» при дешифровке сообщений, противник должен был знать систему замены вариантов настройки, а их чередование было непредсказуемым. Поистине бесценное преимущество этой машины заключалось в возможности приема-передачи оперативной информации в реальном масштабе времени. При этом полностью исключались потери, связанные с применением таблиц сигналов, шифроблокнотов, журналов перекодирования и других компонентов криптографии, требующих долгих часов кропотливой работы и связанных с почти неизбежными ошибками.

4. Эффективность и надежность «Энигмы»

Эффективность и надежность «Энигмы» была оценена германским генштабом по достоинству: еще в конце 20 – начале 30-х годов XX века она была принята на оснащение всех видов немецких вооруженных сил. Однако примерно в то же время польская разведка сумела раздобыть пять таких аппаратов с комплектами импульсной настройки. По одной машинке они передали англичанам и французам, но к началу Второй мировой войны немцы полностью перестроили систему настройки, и союзники оказались беспомощны при расшифровке перехватов.

Ни французы, ни поляки так и не смогли извлечь пользу из «Энигмы», а вот экземпляр, доставшийся англичанам, был передан сэру Элистеру Деннисону, начальнику Государственной школы кодов и шифров (ГШКШ), которая размещалась в огромном замке Блетчли-парк в 50 милях от Лондона. В нем работали несколько тысяч сотрудников, именно здесь была задумана и проведена операция «Ультра», нацеленная на дешифровку материалов «Энигмы», в изобилии поставлявшихся службой радиоперехвата.

Благодаря молодым и талантливым аналитикам - питомцам Кембриджа и Оксфорда - во время операции применялась современнейшая вычислительная техника. Ее участники свято хранили в тайне методы своей работы не только во время войны, но и последующие 30 лет. Материалы расшифровки поступали только начальникам разведслужб вооруженных сил и главе «Интеллидженс сервис» сэру Стюарту Мензису. В остальные инстанции направлялись только распоряжения, основанные на сведениях, полученных в ходе операции «Ультра». Но и они составлялись так, чтобы немцы не смогли догадаться, что получены от расшифровки материалов «Энигмы».

Иногда расшифровка играла лишь вспомогательную роль. Это были случаи, когда немцы не использовали радиосвязь, отправляя донесения по проводам, фельдъегерями, собаками или голубями. Такое случалось часто, ибо подобными способами во время Второй мировой войны передавались более половины сведений и распоряжений.

К сожалению, английские «парни из Блетчли» сумели расшифровать далеко не все коды. К примеру, весьма крепким орешком оказался шифр «Тритон», введенный на германском флоте в 1942 году и успешно действовавший около года. Даже когда в ГШКШ его раскрыли, от перехвата до передачи информации британским морякам уходило столько времени, что сведения теряли всякую ценность.

Еще хуже было, когда командиры игнорировали точные указания «Ультры», если они не подтверждали их собственные соображения. Так, фельдмаршал Монтгомери, своевременно предупрежденный о наличии в Арнеме двух германских танковых соединений, все-таки приказал выбросить полки 1-й парашютно-десантной дивизии именно в этом районе, где они были почти полностью уничтожены.

В Германии иногда догадывались о раскрытии шифров. Так, в сентябре 1942 года немцы обнаружили на британском эсминце схему маршрутов своих конвоев. И варианты импульсной настройки «Энигмы» были тотчас заменены. Вообще было бы глупо считать германских штабистов профанами в том, что касалось криптографии. Они хорошо знали, что любой транспозиционный код уязвим. В Германии имелось шесть организаций, занимавшихся криптоаналитикой. Все они были вполне компетентными, но главной их слабостью являлась именно децентрализация, которая всегда вызывает соперничество.

5. Криптография в Москве.

В Москве до 1938 года задачи кодирования и дешифровки выполняло объединенное подразделение НКВД и военной разведки. Но когда наркомом стал Берия, он арестовал и казнил руководителя криптографической службы НКВД Бокия и большинство его сотрудников. С тех пор вопросами тайнописи занимались только в ГРУ ГШ.

В феврале 1941 года шифр-отделение НКВД было восстановлено с задачей раскрытия дипломатической переписки. Естественно, физическое уничтожение квалифицированных специалистов в ходе репрессий не могло не сказаться на эффективности работы этого отделения. Однако англичане все же зря обольщались на этот счет. Москва получила данные о ГШКШ еще в 1939 году от Кима Филби, которому тогда же предложили туда проникнуть. Это сумел сделать в 1942 году Джон Кэрнкросс. Он поступил на службу в Блетчли-парк и снабжал Москву не только содержанием расшифровок «Энигмы», но и подлинными документами.

После Сталинграда англичане резко сократили объем предоставляемой информации из «Энигмы», и деятельность Кэрнкросса приобрела для русских особое значение. Правда, 30 апреля 1943 года по личному распоряжению Черчилля Кремль все же предупредили о подготовке крупной германской операции под Курском. Но об этом там и так уже знали от своих разведчиков, в том числе - и от Кэрнкросса. Он информировал о расположении авиабаз частей люфтваффе, нацеленных на действия в операции «Цитадель», и за два месяца до ее начала советская авиация нанесла по ним три упреждающих удара. Были уничтожены 17 аэродромов, немцы потеряли около 500 самолетов. Но когда контроль Лондона возрос и передавать информацию стало почти невозможно, Кэрнкросс ушел из Блетчли-парка.

Но почему в Москве не расшифровывали радиоперехваты «Энигмы»? Ведь там прекрасно знали о ее существовании. Более того, имели несколько вполне исправных таких аппаратов. Два были захвачены еще в 1941 году. Еще три - при ликвидации Сталинградского котла. Да и среди военнопленных было несколько операторов-шифровальщиков, которых чекистам ничего не стоило принудить к сотрудничеству, что и было сделано. Однако расшифровать удалось только старые радиоперехваты. Дело было в том, что уже в январе 1943 года немцы ввели в свои системы импульсной настройки ряд дополнительных уровней защиты. «Расколоть» эти новинки советские криптологи не сумели - сказалось отсутствие новейшей электронной техники.

6. Заключение

В течение всего периода активного применения «Энигм», различные правительственные организации стран Европы предпринимали попытки «взлома» машины с целью защиты от нарастающей угрозы со стороны Германии. «Энигма» была необходима Германии для проведения быстрого и скоординированного наступления против ряда стран в рамках Второй мировой войны. В довоенном периоде наибольших успехов в дешифровке сообщений «Энигмы» достигло польское Бюро шифров и лично Мариан Реевский. Во время Второй мировой войны пальму первенства в деле криптоанализа «Энигмы» взял центр британской разведки «Station X», также известный как Блетчли-парк.

С её помощью, имела кодовое название «Ultra » . Утверждалось, что это достижение явилось решающим фактором в победе союзников .

Несмотря на то, что с точки зрения современной криптографии шифр «Энигмы» 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 .

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

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ 158,962,555,217,826,360,000 (Энигма) - Numberphile по-русски

✪ Шифровальная машина "Энигма" (учебный пример)

✪ Изъян в коде Энигмы - Numberphile по-русски

✪ Взломать Энигму. Секретный шифр

✪ Засекреченную шифровальную машину третьего Рейха «Энигма» продали в Румынии

Субтитры

Описание

Как и другие роторные машины, «Энигма» состояла из комбинации механических и электрических подсистем. Механическая часть включала в себя клавиатуру , набор вращающихся дисков - роторов, - которые были расположены вдоль вала и прилегали к нему, и ступенчатого механизма, двигающего один или несколько роторов при каждом нажатии на клавишу. Электрическая часть, в свою очередь, состояла из электрической схемы, соединяющей между собой клавиатуру, коммутационную панель, лампочки и роторы (для соединения роторов использовались скользящие контакты) .

Конкретный механизм работы мог быть разным, но общий принцип был таков: при каждом нажатии на клавишу самый правый ротор сдвигается на одну позицию, а при определённых условиях сдвигаются и другие роторы. Движение роторов приводит к различным криптографическим преобразованиям при каждом следующем нажатии на клавишу на клавиатуре .

Для объяснения принципа работы машины приведена диаграмма слева. Диаграмма упрощена: на самом деле механизм состоял из 26 лампочек, клавиш, разъёмов и электрических схем внутри роторов. Ток шёл от (часто это была батарея) (1) через переключатель (2) в коммутационную панель (3). Коммутационная панель позволяла перекоммутировать соединения между клавиатурой (2) и неподвижным входным колесом (4). Далее ток проходил через разъём (3), в данном примере неиспользуемый, входное колесо (4) и схему соединений трёх (в армейской модели) или четырёх (в военно-морской модели) роторов (5) и входил в рефлектор (6). Рефлектор возвращал ток обратно, через роторы и входное колесо, но уже по другому пути, далее через разъём «S», соединённый с разъёмом «D», через другой переключатель (9), и зажигалась лампочка .

Таким образом, постоянное изменение электрической цепи , через которую шёл ток вследствие вращения роторов, позволяло реализовать многоалфавитный шифр подстановки , что давало высокую, для того времени, устойчивость шифра .

Роторы

Роторы - сердце «Энигмы». Каждый ротор представлял собой диск примерно 10 см в диаметре, сделанный из эбонита или бакелита , с пружинными штыревыми контактами на правой стороне ротора, расположенными по окружности. На левой 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 был различным для каждого ротора .

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 .

Военные модели «Энигмы» выпускались с различным количеством роторов. Первая модель содержала только три. В более поздних моделях была возможность выбора из пяти (1934 г.), семи (1938 г.) или восьми (1939 г.) роторов. Роторы отмечались римскими цифрами I, …, VIII. До 1938 года германская армия использовала только три из пяти доступных роторов .

Четырёхроторная военно-морская модель «Энигмы», «Kriegsmarine 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

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 обращения .

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.

При нажатии клавиши роторы поворачивались до замыкания электрической цепи.

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 расшифрование 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 «Энигма-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 (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. Обычно, «Энигма» поставлялась с шестью кабелями .

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 печатающее 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 ρ i R ρ − i {\displaystyle \rho ^{i}R\rho ^{-i}} , 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 .

История и развитие машины

Семейство шифровальных машин «Энигма» насчитывает огромное количество моделей и вариаций дизайна. Ранние модели были коммерческими, начиная с 1920-х годов. Начиная с середины 1920-х различные немецкие военные службы стали использовать эти машины, внося большое количество собственных изменений для повышения безопасности. Кроме того, другие страны использовали чертежи Энигмы для создания своих собственных шифровальных машин.

Коммерческая «Энигма»

23 февраля 1918 года немецкому инженеру Артуру Шербиусу (Arthur Scherbius) был выдан патент на шифровальную машину, использующую роторы (эта машина и является первым вариантом «Энигмы») , и совместно с Рихардом Риттером (E. Richard Ritter) основал фирму Шербиус и Риттер (Scherbius & Ritter). Они пытались наладить отношения с германским военно-морским флотом и с Министерством иностранных дел, но на тот момент те не были заинтересованы в шифровальных машинах . В дальнейшем они зарегистрировали патенты на предприятие Геверкшафт Секуритас (Gewerkschaft Securitas), которое 9 июля 1923 года основало корпорацию производителей шифровальных машин Chiffriermaschinen Aktien-Gesellschaft. Шербиус и Риттер состояли в совете директоров этой корпорации.

Корпорация «Chiffriermaschinen AG» начала рекламировать роторную машину, «Энигму» модели «A», которая была выставлена на обозрение на конгрессе Международного почтового союза в 1923 и 1924 годах. Машина была тяжёлой и очень большой и напоминала печатную машину. Её размеры были 65×45×35 см, и весила она около 50 кг . Потом была представлена модель «B» подобной же конструкции. Первые две модели «A» и «B» были совсем не похожи на более поздние версии. Они были различных размеров и формы. Отличались они и с шифровальной точки зрения - в ранних версиях не хватало рефлектора.

Рефлектор - идея, предложенная коллегой Шербиуса Вилли Корном (Willi Korn) - впервые был внедрён в «Энигме» модели «C» (1926). Рефлектор был ключевой особенностью «Энигмы» .

Модель «C» была меньше по размеру и более портативной, чем предшественники . В этой модели не хватало пишущей машинки, чтобы заменить дополнительного оператора, следящего за лампочками, отсюда и альтернативное название «Glowlamp Enigma», для отличия её от моделей «A» и «B». «Энигма» модели «C» вскоре устарела, уступая новой модели «D» (1927). Эта версия широко использовалась в Швеции, Нидерландах, Великобритании, Японии, Италии, Испании, США и Польше .

«Энигма» на военной службе

Немецкий военно-морской флот первым начал использовать машины «Энигма». Модель, названная «Funkschlüssel C», начала разрабатываться с 1925 года и уже в следующем году массово поступать в армию . Клавиатура и панель с лампочками состояли из 29 букв от A до Z, а также Ä, Ö и Ü, расположенных в алфавитном порядке, в отличие от системы QWERTZU. Роторы имели по 28 контактов, буква X кодировалась напрямую, не зашифрованной. Три ротора из пяти и рефлектор могли быть установлены в четыре различные позиции, обозначенные буквами α, β, γ и δ. Незначительные исправления в машину были внесены в июле 1933 года.

15 июля 1928 года немецкой армией была внедрена собственная модель «Энигмы» - «Энигма G», модифицированная в июне 1930 года в модель «Энигма I» . «Энигма I», также известная как «Энигма» вермахта, или «войсковая» «Энигма», широко использовалась немецкими военными службами и другими государственными организациями (например, железными дорогами) во время Второй мировой войны . Существенное различие между «Энигмой I» и коммерческими моделями «Энигмы» была коммутационная панель для замены пар букв, существенно увеличившая уровень защиты шифрограмм . Также были и другие отличия: использование неподвижного рефлектора и перемещение прорезей с тела ротора на движущиеся буквенные кольца. Размеры машины составляли 28×34×15 см, она весила около 12 кг.

Также существовала «Энигма II» - большая восьмироторная печатающая модель. В 1933 году польские специалисты по взламыванию шифров обнаружили, что «Энигма II» использовалась для связи высших армейских структур, но вскоре Германия прекратила её использование - машина была слишком ненадёжна и часто заклинивала .

Другие страны также использовали «Энигму». Итальянские военно-морские силы использовали коммерческий вариант «Энигмы» под названием «Navy Cipher D», испанцы также использовали коммерческую «Энигму» во время гражданской войны. Британские специалисты по взламыванию шифров преуспели в дешифровке этих машин, лишённых коммутационной панели. Швейцарцы использовали для военных и дипломатических целей «Энигму K», которая была похожа на коммерческую «Энигму D». Эти машины были взломаны большим числом дешифровщиков, включая польских, французских, британских и американских. «Энигма T» (кодовое название «Тирпиц») была выпущена для Японии.

По приблизительным оценкам, всего было выпущено около 100 000 экземпляров шифровальных машин «Энигма»

Enigma была для своего времени тероретически и практически весьма надежной машиной. Немцы полностью доверяли ее возможностям. Именно это стало их роковой ошибкой.
Специалисты и ученые из Франции, США, Польши и Англии всерьез занялись вопросом взлома кода шифровальной машины. Существенные работы в этом направлении были произведены, в частности, криптологами Польши и Англии. Сам проект взлома кода получил кодовое название ULTRA.

Польские математики, считавшиеся в то время одними из лучших в мире, еще до начала Второй мировой войны осознавали важность Энигмы как основы немецкой шифровальной техники. По этой причине еще в 1928 г. в Польше было создано специальное армейское подразделение, которое занималось лишь вопросами дешифрования передваемых с помощью Энигмы сообщений.
За четре года не было достигнуто ни одного положительного результата. Создавалось впечатление, что зашифрованные сообщение не поддаются расшифровке. Только в 1932 г. математику Мариану Реевски и его сотрудникам удалось взломать первое сообщение Энигмы.
Приниц работы машины предполагал, что перед ее использованием шифровальщик выбирал определенное исходное позиционирование валов. Передача каждого нового сообщения предполагала обязательную необходимость нового позиционирования комплекта валов. Со временем немецкие шифровальщики обленились настолько, что использовали первоначально выставленное позиционирование валов в течение целого дня. Это привело к тому, что каждое новое сообщение в этот день начиналось с одних и тех же первых шести букв. Это заметил Реевски, который исследовал каждое перехваченное переданное немцами сообщение. Он прекрасно разбирался в устройстве машины, поскольку сразу после ее пантентования ее можно было свободно купить, и сразу понял связь между одинаковыми буквами и исходным позиционированием валов. После еще более тщательной проработки проблемы поляки, наконец, смогли расшифровывать немецкие передачи.
В 1938 г. немцы дооснастили "Энигму" еще двумя сменными валами. В результате этого система машины существенно усложнилась и поляки вновь начали "блуждать в темноте".
В июле 1939 г. к полякам присоединилась группа английских и францзуских криптологов с целью совместно поиска пути решения проблемы.

Англия
В первое время англичане недооценивали важность "Энигмы". Конечно, в армии существовали специальные отделы, но дешифрование осуществлялось исключительно по шифровальным книгам. Кроме того, из-за скудного финанансирования эти отделы развивались весьма медленно и их рукодство не могло привлекать к своей работе гражданских специалистов при одновременной нехватке специалистов в этой области в ВМФ. Когда в Англии поняли важность проблемы, было уже поздно. "Энигма", которая в довоенное время была доступна в свободной продаже, была известна англичанам, равно как они постоянно вели радиоперехват сообщений немцев, однако, англичанам не удалось добиться того, чего давно добились поляки.
В 1938 г.руководительно отдела Betchley Park по имени Dillwyn Knox принял участие в конференции с поляками. Первоначально он отнесся к достижениям поляков пессимизмом, однако, уже в июле 1939 г. англичане получили от Польши соответствующую документацию по "Энигме" и могли начинать работать.

Ошибка немцев
Как это не парадоксально, но и сами немцы внесли существенную лепту в решении проблемы взлома Энигмы.
Метеосводки, которыми обменивались немецкие субмарины, передавались как в зашифрованном виде, так и открытым текстом, что существенно облегчило работу английских и польских дешифровальщиков на основе сравнения шифрованных и переданных открытым текстом сообщений.
В свое время стал известен случай, когда немецкий шифровальщик "от скуки" нажимал одну и ту же буквенную клавишу. Здесь следует отметить, что особенностью Энгимы была невозможность заменения определенной буквы на ту же букву, то есть машина не могла зашифровать "A" как "А" или "В" как "В". То есть при длительном однократном нажатии одной и той же буквенной клавиши машина выдавала длинную цепочку различных букв, которые содержали любые буквы, кроме нажатой, что было незамедлительно зафиксировано противниками в Betchley Park. Эти данные оказались весьма полезными экспертами в вопросе определения позиционирования роторов. Кроме того, как уже отмечалось, некоторые немецкие шифровальщики иногда работали целыми днями на одной базовой настройке машины без изменения позиций валов.
Следующая ошибка немецких солдат заключалась в том, что практически в любом сообщении присутствовало слово"Vaterland" ("отчизна") и "Kaiserreich" ("имперский рейх"), чем, в свою очередь, незамедлительно воспользовались эксперты по "native speakers", то есть носители немецкого языка, фильтровавшие зашифрованные сообщения по этим словам. В результате им достаточно быстро удавалось определить использующийся код.

Использовавшие "Энигму" немцы были вполне уверены в невозможности расшировки переданных машиной сообщений с помощью обычных методов. В свое время такая уверенность была обоснована. Немцы не учли, однако, что при дешифровании ручным методом может использоваться также метод машинного цифрового дешифрования. В целом же машина проявила себя как чрезвычайно надежное средство для передачи зашифрованных сообщений. Ошибка немцев выразилась в слепом доверии к высокому уровню надежности шифрования посредством "Энигмы".

После завершения Второй мировой войны "Энигма" продолжала активно использоваться. Ее продавали на Ближний Восток и в Африку и в целом она использовалась вплоть до 1975 г. Сейчас исправных экземпляров "Энигмы" практически не осталось, а если таковой и найдется, то желающий приобрести ее должен быть готов выложить немалые деньги. Так, в апреле 2006 г. одна из последних машин была продана за 55.050 долларов США.

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.