Enigma - машинка загадка
«Эни́гма» (от нем. Änigma — загадка) — переносная шифровальная машина, использовавшаяся для шифрования и расшифрования секретных сообщений. Первую версию роторной шифровальной машины запатентовал в 1918 году Артур Шербиус. На основе конструкции первоначальной модели «Энигмы» было создано целое семейство электромеханических роторных машин под тем же названием, применявшихся с 1920-х годов в сфере коммерческой и военной связи во многих странах мира, но наибольшее распространение получили в гитлеровской Германии во время Второй мировой войны. Именно германская военная модель чаще всего подразумевается при упоминании «Энигмы».
По приблизительным оценкам, было выпущено около 100 000 экземпляров шифровальных машин «Энигма».
Впервые шифр «Энигмы» удалось дешифровать в польском Бюро шифров в декабре 1932 года. Четверо сотрудников разведки — Мариан Реевский, Ежи Ружицкий, Генрих Зыгальский и Иоганн Ревклид — с помощью данных французской разведки, математической теории и методов обратной разработки смогли разработать и построить специальное устройство для дешифровки закодированных сообщений, которое назвали «криптологической бомбой» (см. Криптоанализ «Энигмы»). После этого немецкие инженеры усложнили устройство «Энигмы» и в 1938 году выпустили обновлённую версию, для дешифровки которой требовалось построить более сложные механизмы.
9 мая 1941 года при захвате силами Великобритании подводной лодки U-110 в руки союзников впервые попала шифровальная машина Энигма вместе с кодами, радиограммами и другими связанными документами. С помощью полученных материалов английские криптографы начали чтение сообщений немецких подлодок, использовавших «Дельфин» на трёхроторной «Энигме».
В августе 1941-го англичане создали более совершенные «Бомбы», позволившие им оперативно расшифровывать немецкие радиограммы. Через два месяца немцы ввели новый код для подлодок, но Блетчли-парк сумел взломать и его.
Англичане читали вражеские шифрограммы до февраля 1942-го, когда немецкий флот начал использовать новую четырёхроторную «Энигму». Ситуацию удалось исправить только когда 30 октября 1942 года противолодочный корабль Petard захватил модернизированную «Энигму» и документацию к ней с подводной лодки U-559. Это позволило расшифровывать немецкие сообщения до самого конца войны.
Во время Второй мировой войны в Англии для расшифровки сообщений, зашифрованных с помощью «Энигмы», была создана машина с кодовым названием «Turing Bombe», оказавшая значительную помощь антигитлеровской коалиции. С целью сохранения секретности вся информация, полученная криптоанализом с её помощью, получила кодовое название «Ultra» и предназначалась для распространения среди очень ограниченного круга лиц.
Несмотря на то, что с точки зрения современной криптографии шифр «Энигмы» был слаб.
Фото: artfile.ru, Enigma немецкая шифровальная машина
Как и другие роторные машины, «Энигма» состояла из комбинации механических и электрических систем. 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.
Механические части двигались, замыкая контакты и образуя меняющийся электрический контур (то есть, фактически, сам процесс шифрования букв реализовывался электрически). При нажатии на клавишу клавиатуры контур замыкался, ток проходил через различные цепи и в результате включал одну лампочку из набора, отображающую искомую букву кода. (Например: при шифровке сообщения, начинающегося с ANX…, оператор вначале нажимал на клавишу A — загоралась лампочка Z — то есть Z и становилась первой буквой криптограммы. Далее оператор нажимал N и продолжал шифрование таким же образом далее).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 источника питания (часто это была батарея) через переключатель в коммутационную панель. Коммутационная панель позволяла перекоммутировать соединения между клавиатурой и неподвижным входным колесом. Далее ток проходил через разъём, в данном примере неиспользуемый, входное колесо и схему соединений трёх (в армейской модели) или четырёх (в военно-морской модели) роторов и входил в рефлектор. 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, 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.
Двухшаговое движение отличает функционирование роторов от нормального одометра. Двойной шаг реализовывался следующим образом: первый ротор поворачивался, заставляя второй также повернуться на один шаг. И, если второй ротор продвинулся в нужную позицию, то третья собачка зацепляла третью шестерёнку. На следующем шаге эта собачка толкала шестерёнку и продвигала её, а также продвигала и второй ротор. С тремя дисками и только с одной выемкой в первом и втором диске машина имела период 26 × 25 × 26 = 16 900. Как правило, сообщения не превышали пары сотен символов, и, следовательно, не было риска повтора позиции роторов при написании одного сообщения. При нажатии клавиши роторы поворачивались до замыкания электрической цепи.
Входное колесо
Входное колесо (нем. Eintrittswalze), или входной статор, соединяло коммутационную панель или (в случае её отсутствия) клавиатуру и ламповую панель с роторами. Несмотря на то, что фиксированное соединение проводов играло сравнительно небольшую роль с точки зрения безопасности, именно это оказалось некоторым препятствием в работе польского криптоаналитика Мариана Реевского, когда он пытался определить способ соединения проводов внутри роторов. Коммерческая модель «Энигмы» соединяла буквы в порядке их следования на клавиатуре: Q→A, W→B, E→C и так далее. Однако военная модель соединяла их в прямом алфавитном порядке: A→A, B→B, C→C и т. д. Только интуитивная догадка Реевского позволила ему изменить расчёты и решить уравнения.
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 версия. 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 принимающему 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.
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.
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 и вводил его на клавиатуре. 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. Во время Второй мировой войны немецкие операторы использовали шифровальную книгу только для установки роторов и настройки колец. Для каждого сообщения оператор выбирал случайную стартовую позицию, к примеру, WZA, и случайный ключ сообщения, допустим, SXT. Далее оператор устанавливал роторы в стартовую позицию WZA, и шифровал ключ сообщения SXT. Предположим, что в результате получится UHL. После этого оператор устанавливал слово SXT как начальную позицию роторов и ключ к сообщению. Далее он отправлял стартовую позицию WZA и шифровальный ключ UHL вместе с сообщением. Получатель устанавливал стартовую позицию роторов в соответствии с первой триграммой WZA и расшифровывал вторую триграмму UHL для распознания ключа сообщения SXT. Далее получатель использовал этот ключ как стартовую позицию для расшифровки сообщения. Таким образом, каждый раз главный ключ оказывался различным и был ликвидирован недостаток, свойственный процедуре с двойным шифрованием ключа.
Аббревиатуры и директивы
Армейская версия «Энигмы» использовала только 26 букв. Прочие символы заменялись редкими комбинациями букв. Пробел пропускался либо заменялся на «X». Символ «X» в основном использовался для обозначения точки либо конца сообщения. В отдельных подразделениях использовались некоторые особые символы. В шифровках армии запятая заменялась на сочетание «ZZ», а вопросительный знак — на «FRAGE» либо «FRAQ». В шифровках, использовавшихся военно-морскими силами, запятая заменялась на «Y», а вопросительный знак — на комбинацию «UD». Комбинация символов «CH», например, в словах «ACHT» (восемь), «RICHTUNG» (направление) заменялась символом «Q» («AQT», «RIQTUNG»). Два, три или четыре нуля заменялись словами «CENTA», «MILLE» и «MYRIA» соответственно. Шифровальщики в армии и люфтваффе отправляли сообщения группами по пять символов. Военно-морские шифровальщики, использующие, как сказано выше, четырёхроторные машины, отправляли сообщения группами по четыре символа. Часто употребляемые слова и имена очень сильно варьировались. Например, слово «Minensuchboot» (минный тральщик) могло быть написано как «MINENSUCHBOOT», «MINBOOT», «MMMBOOT» или «MMM354». Чтобы осложнить криптоанализ, отдельные сообщения не содержали более 250 символов. Более длинные сообщения разбивались на части, и каждая часть использовала свой ключ. Кроме того, иногда операторы специально забивали зашифрованные сообщения «мусором» (например, бессвязный набор букв, несвязанные с основным текстом слова́) для усложнения дешифровки перехватов противником. источник
По приблизительным оценкам, было выпущено около 100 000 экземпляров шифровальных машин «Энигма».
Впервые шифр «Энигмы» удалось дешифровать в польском Бюро шифров в декабре 1932 года. Четверо сотрудников разведки — Мариан Реевский, Ежи Ружицкий, Генрих Зыгальский и Иоганн Ревклид — с помощью данных французской разведки, математической теории и методов обратной разработки смогли разработать и построить специальное устройство для дешифровки закодированных сообщений, которое назвали «криптологической бомбой» (см. Криптоанализ «Энигмы»). После этого немецкие инженеры усложнили устройство «Энигмы» и в 1938 году выпустили обновлённую версию, для дешифровки которой требовалось построить более сложные механизмы.
9 мая 1941 года при захвате силами Великобритании подводной лодки U-110 в руки союзников впервые попала шифровальная машина Энигма вместе с кодами, радиограммами и другими связанными документами. С помощью полученных материалов английские криптографы начали чтение сообщений немецких подлодок, использовавших «Дельфин» на трёхроторной «Энигме».
В августе 1941-го англичане создали более совершенные «Бомбы», позволившие им оперативно расшифровывать немецкие радиограммы. Через два месяца немцы ввели новый код для подлодок, но Блетчли-парк сумел взломать и его.
Англичане читали вражеские шифрограммы до февраля 1942-го, когда немецкий флот начал использовать новую четырёхроторную «Энигму». Ситуацию удалось исправить только когда 30 октября 1942 года противолодочный корабль Petard захватил модернизированную «Энигму» и документацию к ней с подводной лодки U-559. Это позволило расшифровывать немецкие сообщения до самого конца войны.
Во время Второй мировой войны в Англии для расшифровки сообщений, зашифрованных с помощью «Энигмы», была создана машина с кодовым названием «Turing Bombe», оказавшая значительную помощь антигитлеровской коалиции. С целью сохранения секретности вся информация, полученная криптоанализом с её помощью, получила кодовое название «Ultra» и предназначалась для распространения среди очень ограниченного круга лиц.
Несмотря на то, что с точки зрения современной криптографии шифр «Энигмы» был слаб.
Фото: artfile.ru, Enigma немецкая шифровальная машина
Как и другие роторные машины, «Энигма» состояла из комбинации механических и электрических систем. 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.
Механические части двигались, замыкая контакты и образуя меняющийся электрический контур (то есть, фактически, сам процесс шифрования букв реализовывался электрически). При нажатии на клавишу клавиатуры контур замыкался, ток проходил через различные цепи и в результате включал одну лампочку из набора, отображающую искомую букву кода. (Например: при шифровке сообщения, начинающегося с ANX…, оператор вначале нажимал на клавишу A — загоралась лампочка Z — то есть Z и становилась первой буквой криптограммы. Далее оператор нажимал N и продолжал шифрование таким же образом далее).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 источника питания (часто это была батарея) через переключатель в коммутационную панель. Коммутационная панель позволяла перекоммутировать соединения между клавиатурой и неподвижным входным колесом. Далее ток проходил через разъём, в данном примере неиспользуемый, входное колесо и схему соединений трёх (в армейской модели) или четырёх (в военно-морской модели) роторов и входил в рефлектор. 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, 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.
Двухшаговое движение отличает функционирование роторов от нормального одометра. Двойной шаг реализовывался следующим образом: первый ротор поворачивался, заставляя второй также повернуться на один шаг. И, если второй ротор продвинулся в нужную позицию, то третья собачка зацепляла третью шестерёнку. На следующем шаге эта собачка толкала шестерёнку и продвигала её, а также продвигала и второй ротор. С тремя дисками и только с одной выемкой в первом и втором диске машина имела период 26 × 25 × 26 = 16 900. Как правило, сообщения не превышали пары сотен символов, и, следовательно, не было риска повтора позиции роторов при написании одного сообщения. При нажатии клавиши роторы поворачивались до замыкания электрической цепи.
Входное колесо
Входное колесо (нем. Eintrittswalze), или входной статор, соединяло коммутационную панель или (в случае её отсутствия) клавиатуру и ламповую панель с роторами. Несмотря на то, что фиксированное соединение проводов играло сравнительно небольшую роль с точки зрения безопасности, именно это оказалось некоторым препятствием в работе польского криптоаналитика Мариана Реевского, когда он пытался определить способ соединения проводов внутри роторов. Коммерческая модель «Энигмы» соединяла буквы в порядке их следования на клавиатуре: Q→A, W→B, E→C и так далее. Однако военная модель соединяла их в прямом алфавитном порядке: A→A, B→B, C→C и т. д. Только интуитивная догадка Реевского позволила ему изменить расчёты и решить уравнения.
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 версия. 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 принимающему 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.
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.
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 и вводил его на клавиатуре. 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. Во время Второй мировой войны немецкие операторы использовали шифровальную книгу только для установки роторов и настройки колец. Для каждого сообщения оператор выбирал случайную стартовую позицию, к примеру, WZA, и случайный ключ сообщения, допустим, SXT. Далее оператор устанавливал роторы в стартовую позицию WZA, и шифровал ключ сообщения SXT. Предположим, что в результате получится UHL. После этого оператор устанавливал слово SXT как начальную позицию роторов и ключ к сообщению. Далее он отправлял стартовую позицию WZA и шифровальный ключ UHL вместе с сообщением. Получатель устанавливал стартовую позицию роторов в соответствии с первой триграммой WZA и расшифровывал вторую триграмму UHL для распознания ключа сообщения SXT. Далее получатель использовал этот ключ как стартовую позицию для расшифровки сообщения. Таким образом, каждый раз главный ключ оказывался различным и был ликвидирован недостаток, свойственный процедуре с двойным шифрованием ключа.
Аббревиатуры и директивы
Армейская версия «Энигмы» использовала только 26 букв. Прочие символы заменялись редкими комбинациями букв. Пробел пропускался либо заменялся на «X». Символ «X» в основном использовался для обозначения точки либо конца сообщения. В отдельных подразделениях использовались некоторые особые символы. В шифровках армии запятая заменялась на сочетание «ZZ», а вопросительный знак — на «FRAGE» либо «FRAQ». В шифровках, использовавшихся военно-морскими силами, запятая заменялась на «Y», а вопросительный знак — на комбинацию «UD». Комбинация символов «CH», например, в словах «ACHT» (восемь), «RICHTUNG» (направление) заменялась символом «Q» («AQT», «RIQTUNG»). Два, три или четыре нуля заменялись словами «CENTA», «MILLE» и «MYRIA» соответственно. Шифровальщики в армии и люфтваффе отправляли сообщения группами по пять символов. Военно-морские шифровальщики, использующие, как сказано выше, четырёхроторные машины, отправляли сообщения группами по четыре символа. Часто употребляемые слова и имена очень сильно варьировались. Например, слово «Minensuchboot» (минный тральщик) могло быть написано как «MINENSUCHBOOT», «MINBOOT», «MMMBOOT» или «MMM354». Чтобы осложнить криптоанализ, отдельные сообщения не содержали более 250 символов. Более длинные сообщения разбивались на части, и каждая часть использовала свой ключ. Кроме того, иногда операторы специально забивали зашифрованные сообщения «мусором» (например, бессвязный набор букв, несвязанные с основным текстом слова́) для усложнения дешифровки перехватов противником. источник
-
- Популярные Рубрики
