Кто расшифровал код энигмы. Информационная безопасность времен Второй мировой: взлом «Энигмы

Про немецкую шифровальную машину «Энигма» слышали, наверное, все. Не в последнюю очередь благодаря тому, что ее историю любят писатели и сценаристы, а ко взлому ее шифра причастен отец современного компьютера Алан Тьюринг.

Во время войны он, как и многие другие математики (а также лингвисты, египтологи, шахматисты и даже составители кроссвордов), работал в так называемой Правительственной школе кодов и шифров, расположившейся в имении Блетчли-парк в Англии и являвшейся операционным и интеллектуальным центром работы по перехвату и расшифровке коммуникаций противника.

Шифровальная машина «Энигма»

В двух словах история выглядит примерно так: «Энигма» была самой совершенной на тот момент шифровальной машиной, которая позволяла защищать коммуникации флота и армии нацистской Германии таким образом, что взлом представлялся неразрешимой задачей. Однако польским и британским криптоаналитикам удалось найти способ расшифровывать сообщения «Энигмы» , что дало коалиции существенное преимущество в войне, по мнению Черчилля и Эйзенхауэра - решающее.

Подробно о том, как работала «Энигма», можно , а в этом ролике можно даже посмотреть, как она работает:

В самом общем виде схема выглядит примерно следующим образом: когда оператор, набирая сообщение, нажимал клавишу с буквой на клавиатуре, сигнал проходил по электрической цепи, образуемой несколькими роторами с контактами, и на панели с буквами загоралась уже другая буква, которую и нужно было включить в зашифрованное сообщение. Роторы поворачивались после каждого ввода каждого знака, и в следующий раз та же буква кодировалась уже другой.

Создание криптоаналитической машины «Бомба», которая и позволила поставить взлом сообщений «Энигмы» на поток, стало результатом не только научной и аналитической работы, но и ошибок немецкой стороны

Создание криптоаналитической машины «Бомба», которая и позволила поставить взлом сообщений «Энигмы» на поток, стало результатом сочетания не только колоссальной научной и аналитической работы, но и ошибок немецкой стороны в работе с «Энигмой», захвата различных экземпляров машины и шифроблокнотов, а также спецопераций, позволявших криптоаналитикам работать с сообщениями, исходный текст которых содержал заведомо известные слова.

Чем поучительна история «Энигмы» для нас сегодня? Сама по себе машина с точки зрения современных представлений о защите информации практического интереса уже не представляет, однако многие из уроков истории «Энигмы» актуальны и сегодня:

1. Не стоит полагаться на собственное технологическое превосходство. У немецкой стороны были все основания считать «Энигму» абсолютно надежной, но союзники создали свою машину, которая обладала достаточной «мощностью», чтобы за короткое время перебирать возможные варианты настроек «Энигмы» в поисках правильного и расшифровывать сообщения. Это был технологический скачок, который трудно было предсказать. Сегодня мы довольно точно знаем, как называется «Бомба» для всей современной криптографии: .

2. Иногда сложно предположить, что именно окажется «слабым звеном» в хорошо продуманной схеме защиты информации. Невозможность совпадения буквы в исходном сообщении и его зашифрованном варианте может показаться несущественной деталью или даже правильным решением, однако именно это помогло наладить машинную отбраковку неприменимых вариантов ключа - надо было просто отбросить все варианты, дававшие хотя бы одно совпадение буквы в исходной и зашифрованной версиях.

3. Никогда не надо лениться усложнять ключ. Для большинства пользователей этот совет в первую очередь . В свое время добавление лишнего ротора к военно-морской модификации «Энигмы» на полгода парализовало работу криптоаналитиков, и начать расшифровку сообщений усовершенствованной машины удалось только после захвата ее экземпляра с потопленной подлодки. Как вы можете легко убедиться с помощью нашего сервиса проверки пароля , всего один дополнительный знак может увеличить время подбора вашего пароля на порядок.

4. Человеческий фактор играет огромную роль даже в высокотехнологичных системах. Неизвестно, удалось бы взломать «Энигму», если бы не различные мелкие ошибки и послабления, которые позволяли себе ее операторы. К человеческому фактору, по-видимому, надо отнести и упорство, с которым немецкое командование искало иные объяснения неожиданной прозорливости союзников, вместо того чтобы допустить мысль о компрометации «Энигмы».

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

Мы совершенствуем наши технологии, наращиваем вычислительную мощность день ото дня, но базовые принципы работы с информацией и ее защиты меняются гораздо медленнее, и прошлое по-прежнему несет в себе много полезных уроков.

5 по-прежнему актуальных уроков, которые можно извлечь из взлома «Энигмы» во время Второй мировой

Но первым «Энигму» начал использовать ВМФ Германии. Это была модель Funkschlьssel C 1925 года. В 1934 году флот взял на вооружение морскую модификацию армейской машины (Funkschlьssel M или M3). Армейцы использовали на тот момент всего 3 ротора, а в М3 для большей безопасности можно было выбирать 3 ротора из 5. В 1938 году в комплект добавили еще 2 ротора, в 1939 году еще 1, так что появилась возможность выбирать 3 из 8 роторов. А в феврале 1942 года подводный флот Германии оснастили 4-роторной М4. Портативность сохранилась: рефлектор и 4-й ротор были тоньше обычных. Среди массовых «Энигм» М4 была самой защищенной. Она имела принтер (Schreibmax) в виде удаленной панели в каюте командира, а связист работал с зашифрованным текстом, без доступа к секретным данным. Но была еще и спец-спец-техника. абвер (военная разведка) применял 4-роторную «Энигму G». Уровень шифрования был так высок, что другие немецкие инстанции читать ее не могли. Ради портативности (27x25x16 см) Абвер отказался от коммутационной панели. В результате англичанам удалось взломать защиту машины, что сильно осложнило работу немецкой агентуры в Британии. «Энигму Т» («Тирпиц-машина») создали специально для связи с союзником Японией. При 8 роторах надежность была очень высока, но машина почти не использовалась. На базе М4 разработали модель М5 с комплектом из 12 роторов (4 работающих/8 сменных). А на М10 был принтер для открытого/закрытого текстов. В обеих машинах было еще одно новшество - ротор для заполнения промежутков, значительно повышавший надежность шифрования. Армия и ВВС шифровали сообщения группами по 5 символов, ВМФ - по 4 символа. Для усложнения дешифровки перехватов противником тексты содержали не более 250 символов; длинные разбивали на части и шифровали разными ключами. Для повышения защиты текст забивался «мусором» («буквенный салат»). Перевооружить все рода войск на М5 и М10 планировали летом 45-го года, но время ушло.

Итак, соседи «ослепли» в отношении военных приготовлений Германии. Активность радиосвязи немцев возросла во много раз, а расшифровать перехваты стало невозможно. Первыми встревожились поляки. Следя за опасным соседом, в феврале 1926 года они вдруг не смогли читать шифровки немецкого ВМФ, а с июля 1928 года - и шифровки рейхсвера. Стало ясно: там перешли на машинное шифрование. В январе 29-го варшавская таможня нашла «заблудившуюся» посылку. Жесткая просьба Берлина ее вернуть привлекла внимание к коробке. Там была коммерческая «Энигма». Лишь после изучения ее отдали немцам, но это не помогло вскрыть их хитрости, да и у них уже был усиленный вариант машины. Специально для борьбы с «Энигмой» военная разведка Польши создала «Шифровальное бюро» из лучших математиков, свободно говоривших по-немецки. Повезло им лишь после 4 лет топтания на месте. Удача явилась в лице офицера минобороны Германии, «купленного» в 1931 году французами. Ганс-Тило Шмидт («агент Аше»), отвечая за уничтожение устаревших кодов тогдашней 3-роторной «Энигмы», продавал их французам. Добыл им и инструкции на нее. Разорившийся аристократ нуждался в деньгах и был обижен на родину, не оценившую его заслуги в Первой мировой. Французская и английская разведки интереса к этим данным не проявили и передали их союзникам-полякам. В 1932 году талантливый математик Мариан Реевский с командой взломал чудо-машину: «Документы Аше стали манной небесной: все двери моментально открылись». Информацией агента Франция снабжала поляков до самой войны, и тем удалось создать машину-имитатор «Энигмы», назвав ее «бомбой» (популярный в Польше сорт мороженого). Ее ядром были 6 соединенных в сеть «Энигм», способных за 2 часа перебрать все 17576 положений трех роторов, т. е. все возможные варианты ключа. Ее сил хватало для вскрытия ключей рейхсвера и ВВС, а вот расколоть ключи ВМФ не получалось. «Бомбы» делала фирма AVA Wytwуrnia Radiotechniczna (это она в 1933 году воспроизвела немецкую «Энигму» - 70 штук!). За 37 дней до начала Второй мировой поляки передали союзникам свои познания, дав и по одной «бомбе». Раздавленные вермахтом французы машину потеряли, а вот англичане сделали из своей более продвинутую машину-циклометр, ставшую главным инструментом программы «Ультра». Эта программа противодействия «Энигме» была самым охраняемым секретом Британии. Расшифрованные здесь сообщения имели гриф Ultra, что выше Top secret. Блетчли-Парк: Station X: После Первой мировой англичане своих криптологов сократили. Началась война с нацистами - и пришлось срочно мобилизовать все силы. В августе 1939 года в имение Блетчли-Парк в 50 милях от Лондона под видом компании охотников въехала группа специалистов по взлому кодов. Сюда, в центр дешифровки Station X, бывший под личным контролем Черчилля, сходилась вся информация со станций радиоперехвата на территории Великобритании и за ее пределами. Фирма «British Tabulating Machines» построила здесь первую дешифровочную машину «бомба Тьюринга» (это был главный британский взломщик), ядром которой были 108 электромагнитных барабанов. Она перебирала все варианты ключа шифра при известной структуре дешифруемого сообщения или части открытого текста. Каждый барабан, вращаясь со скоростью 120 оборотов в минуту, за один полный оборот проверял 26 вариантов буквы. При работе машина (3,0 x2,1 x0,61 м, вес 1 т) тикала, как часовой механизм, чем подтвердила свое название. Впервые в истории шифры, массово создаваемые машиной, ею же и разгадывались.

Для работы было необходимо до мельчайших деталей знать физические принципы работы «Энигмы», а немцы ее постоянно изменяли. Британское командование поставило задачу: во что бы то ни стало добывать новые экземпляры машины. Началась целенаправленная охота. Сначала на сбитом в Норвегии «юнкерсе» взяли «Энигму-люфтваффе» с набором ключей. Вермахт, громя Францию, наступал так быстро, что одна рота связи обогнала своих и попала в плен. Коллекцию «Энигм» пополнила армейская. С ними разобрались быстро: шифровки вермахта и люфтваффе стали ложиться на стол британского штаба почти одновременно с немецким. Позарез была нужна самая сложная - морская М3. Почему? Главным фронтом для англичан был фронт морской. Гитлер пытался задушить их блокадой, перекрыв островной стране подвоз продовольствия, сырья, горючего, техники, боеприпасов. Его орудием был подводной флот рейха. Групповая тактика «волчьих стай» наводила ужас на англосаксов, их потери были огромны.О существовании М3 знали: на подлодке U-33 были захвачены 2 ротора, на U-13 - инструкция по ней. Во время рейда коммандос на Лофотенские острова (Норвегия) на борту немецкого сторожевика «Краб» захватили 2 ротора от М3 и ключи за февраль, машину немцы успели утопить. Более того, совершенно случайно выяснилось, что в Атлантике ходят немецкие невоенные суда, на борту которых есть спецсвязь. Так, эсминец королевского флота «Грифон» досмотрел у берегов Норвегии якобы голландское рыболовное судно «Поларис». Состоявший из крепких ребят экипаж успел бросить за борт две сумки, одну из них англичане выловили. Там были документы для шифрующего устройства. Кроме того, в войну международный обмен метеоданными прекратился - и из рейха в океан пошли переоборудованные «рыбаки». На их борту были «Энигма» и настройки на каждый день 2–3 месяцев, в зависимости от срока плавания. Они регулярно передавали погоду, и запеленговать их было легко. На перехват «метеорологов» вышли специальные оперативные группы Royal Navy. Быстроходные эсминцы буквально брали противника «на пушку». Стреляя, они старались не потопить «немца», а вогнать его экипаж в панику и не дать уничтожить спецтехнику. 7 мая 1941 года был перехвачен траулер «Мюнхен», но радист успел выбросить за борт «Энигму» и майские ключи. Но в сейфе капитана нашли ключи на июнь, шифровальную книгу ближней связи, кодовый метеожурнал и координатную сетку ВМФ. Для сокрытия захвата английская пресса писала: «Наши корабли в бою с немецким «Мюнхеном» взяли в плен его экипаж, который покинул судно, затопив его». Добыча помогла: время от перехвата сообщения до его дешифровки сократилось с 11 дней до 4 часов! Но вот срок действия ключей истек, были нужны новые.тОшибка капитана ЛемптСдача немецкой подводной лодки U-110 в плен к англичанам. 9 мая 1941г. Главный улов был сделан 8 мая 1941 г. при захвате подлодки U-110 капитан-лейтенанта Юлиуса Лемпа, атаковавшего конвой ОВ-318. Отбомбившись по U-110, суда охранения заставили ее всплыть. Капитан эсминца HMS Bulldog пошел на таран, но, увидев, что немцы в панике прыгают за борт, вовремя отвернул. Проникнув в полузатопленную лодку, абордажная группа обнаружила, что команда даже не пыталась уничтожить секретные средства связи. В это время другой корабль поднял из воды выживших немцев и запер их в трюме, чтобы скрыть происходящее. Это было очень важно. U-110 взяли: исправную «Энигму М3», комплект роторов, ключи на апрель-июнь, инструкции по шифрованию, радиограммы, журналы (личного состава, навигационный, сигнальный, радиопереговоров), морские карты, схемы минных полей в Северном море и у побережья Франции, инструкцию по эксплуатации лодок типа IXB. Добычу сравнили с победой в Трафальгарской битве, эксперты назвали ее «даром небес». Награды морякам вручал сам король Георг VI: «Вы достойны большего, но сейчас я не могу этого сделать» (через систему награждений немецкая агентура могла бы выйти на факт потери машины). Со всех была взята подписка, захват U-110 не разглашался до 1958 года. Выпотрошенную лодку утопили ради сохранения секретности. Капитан Лемп погиб. Допрос остальных немцев выявил, что они не знают об утрате секрета. На всякий случай были приняты меры по дезинформации, при пленных сетовали и сожалели: «Высадиться на лодку не удалось, она внезапно затонула». Ради секретности даже закодировали ее захват: «Операция Примула». Потрясенный успехом, первый морской лорд Паунд радировал: «Сердечно поздравляю. Ваш цветок редкостной красоты». Трофеи с U-110 принесли много пользы. Получив свежую информацию, взломщики из Блетчли-Парка стали регулярно читать связь между штабом подводных сил рейха и лодками в океане, расколов большинство сообщений, защищенных шифром «Гидра». Это помогло вскрыть другие коды ВМФ: «Нептун» (для тяжелых кораблей), «Зюйд» и «Медуза» (для Средиземного моря) и т. д. Удалось разгромить в Атлантике немецкую сеть судов разведки и снабжения подводного флота («дойные коровы»). Оперативный разведцентр узнал детали каботажного плавания немцев, схемы минирования прибрежных вод, сроки рейдов подлодок и т. д. Морские конвои стали идти в обход «волчьих стай»: с июня по август «волки Деница» нашли в Атлантике лишь 4% конвоев, с сентября по декабрь - 18%. А немцы, считая, что U-110 унесла свою тайну в пучину, систему связи не сменили. Адмирал Дениц: «Лемп исполнил свой долг и погиб как герой». Однако после выхода в 1959 году книги Роскилла «The Secret Capture» герой стал в глазах немецких ветеранов негодяем, запятнавшим свою честь: «Он не выполнил приказ об уничтожении секретных материалов! Были потоплены сотни наших лодок, напрасно погибли тысячи подводников», «не умри он от рук англичан, его должны были бы расстрелять мы». А в феврале 1942 года 4-роторная М4 заменила на лодках 3-роторную М3. Блетчли-Парк снова натолкнулся на стену. Оставалось надеяться на захват новой машины, что и произошло 30 октября 1942 года. В этот день U-559 капитан-лейтенанта Хайдтманна северо-восточнее Порт-Саида была сильно повреждена английскими глубинными бомбами. Увидев, что лодка тонет, экипаж прыгнул за борт, не уничтожив шифровальную технику. Ее нашли моряки с эсминца «Петард». Как только они передали добычу подоспевшей абордажной группе, искореженная лодка внезапно перевернулась, и двое смельчаков (Colin Grazier, Antony Fasson) ушли с нею на километровую глубину. Добычей были М4 и брошюрки «Краткий журнал позывных»/«Краткий метеошифр», напечатанные растворимой краской на розовой промокательной бумаге, которую радист должен бросать в воду при первых признаках опасности. Именно с их помощью 13 декабря 1942 года были вскрыты коды, тут же давшие штабу точные данные о позициях 12 немецких лодок. После 9 месяцев перерыва (black-out) снова началось чтение шифрограмм, не прерывавшееся уже до конца войны. Отныне уничтожение «волчьих стай» в Атлантике было лишь вопросом времени. Сразу после подъема из воды, немецких подводников полностью раздевали и отбирали всю одежду на предмет поиска документов, представляющих интерес для разведки (например, кодовых таблиц шифровальной машины Энигма). Выработалась целая технология таких операций. Бомбами лодку принуждали к всплытию и начинали обстрел из пулеметов, чтобы немцы, оставаясь на борту, не начали затопление. Тем временем к ней шла абордажная партия, нацеленная искать «что-то типа печатной машинки рядом с радиостанцией», «диски диаметром 6 дюймов», любые журналы, книги, бумаги.Действовать нужно было быстро, и удавалось это не всегда. Нередко люди гибли, не добыв ничего нового. Всего британцы захватили 170 «Энигм», в т. ч. 3–4 морских М4. Это позволило ускорить процесс дешифровки. При одновременном включении 60 «бомб» (т. е. 60 комплектов по 108 барабанов) поиск решения сокращался с 6 часов до 6 минут. Это уже позволяло оперативно реагировать на вскрытую информацию. На пике войны круглосуточно работало 211 «бомб», читавших ежедневно до 3 тысяч немецких шифровок. Их посменно обслуживали 1675 женщин-операторов и 265 механиков. Когда Station X перестала справляться с огромным потоком радиоперехватов, часть работ перенесли в США. К весне 1944 года там работало 96 «бомб Тьюринга», возникла целая фабрика по дешифровке. В американской модели с ее 2000 оборотов в минуту соответственно и расшифровка шла в 15 раз быстрее. Противоборство с М4 стало рутиной. Собственно, на этом борьба с «Энигмой» закончилась.

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

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

Роторные машины

Впервые шифровальные роторные машины начали использоваться в начале 20 века. Основным компонентом таких устройств является диск (он же ротор) с 26 электрическими контактами на обоих сторонах диска. Каждый контакт соответствовал букве английского алфавита. Соединение контактов левой и правой сторон реализовывало шифр простой замены. При вращении диска контакты смещались, изменяя тем самым подстановку для каждой буквы. Один диск обеспечивал 26 различных подстановок. Это означает, что при шифровании одного и того же символа, получаемая в результате последовательность начинает повторяться через 26 шагов.
Для увеличения периода последовательности можно использовать несколько роторов, соединенных последовательно. При совершении полного оборота одного из дисков, следующий диск сдвигается на одну позицию. Это увеличивает длину последовательности до 26 n , где n - количество соединенных последовательно роторов.
В качестве примера рассмотрим следующее изображение упрощенной роторной машины:

Приведенная машина состоит из клавиатуры (для ввода символа), трех дисков, индикатора (для отображения криптотекста) и реализует шифрование 4 символов: A, B, C, D. В начальной позиции первый диск реализует подстановку: A-C; B-A; C-B; D-D. Подстановки второго и третьего дисков равны A-B; B-C; C-A; D-D и A-A; B-C; C-B; D-D соответственно.
При нажатии буквы B на клавиатуре замыкается электрическая цепь, зависящая от текущего положения роторов, и на индикаторе загорается лампочка. В приведенном выше примере буква B будет зашифрована в C. После чего первый ротор сдвинется на одну позицию и настройки машины приобретут следующий вид:

Энигма

Энигма является наиболее популярным представителем мира шифровальных роторных машин. Она использовалась германскими войсками во время второй мировой войны и считалась практически не взламываемой.
Процедура шифрования Энигмы реализована как в приведенном выше примере за исключением некоторых дополнительных штрихов.
Во-первых, число роторов в разных версиях Энигмы могло отличаться. Наиболее распространенной была Энигма с тремя роторами, но использовался так же вариант с четырьмя дисками.
Во-вторых, процесс расшифровки демонстрационной роторной машины, описанной выше, отличается от процесса шифрования. Каждый раз для расшифровки придется менять левый и правый ротор местами, что может быть не совсем удобным. Для решения этой проблемы в Энигме был добавлен еще один диск, который назывался рефлектор. В рефлекторе все контакты были соединены попарно, реализуя тем самым повторное прохождение сигнала через роторы, но уже по другому маршруту. В отличие от остальных роторов рефлектор всегда находился в фиксированном положении и не вращался.

Добавим рефлектор, реализующий замену (A-B; C-D) к нашей демонстрационной шифровальной машине. При нажатии на клавишу B сигнал проходит через роторы и поступает в рефлектор через контакт C. Здесь сигнал «отражается» и возвращается обратно, проходя через роторы в обратном порядке и по другому пути. В результате чего буква B на выходе преобразуется в D.
Обратите внимание, что если нажать клавишу D, то сигнал пойдет по той же самой цепи, преобразовывая D в B. Таким образом наличие рефлектора делало процессы шифрования и дешифрования идентичными.
Еще одно свойство Энигмы, связанное с рефлектором, заключается в невозможности шифрования какой-либо буквы в саму себя. Это свойство сыграло очень важную роль при взломе Энигмы.

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

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

Анализ стойкости Энигмы

Реальная Энигма отличалась от описанной демонстрационной машиной только в одном. А именно в устройстве роторов. В нашем примере ротор изменяет свое положение только при совершении полного оборота предыдущим диском. В настоящей Энигме каждый диск имел специальную выемку, которая в определенной позиции подцепляла следующий ротор и сдвигала его на одну позицию.
Расположение выемки для каждого из роторов можно было регулировать с помощью специальных внешних колец. Начальное положение колец не влияло на коммутацию роторов и на результат шифрования отдельно взятой буквы, поэтому кольца не учитываются при расчете пространства ключей Энигмы.
Итак, базовая модель Энигмы имела 3 различных ротора, пронумерованных римскими цифрами I, II, III и реализующих следующие подстановки:
Entry = ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
I = EKMFLGDQVZNTOWYHXUSPAIBRCJ
II = AJDKSIRUXBLHWTMCQGZNPYFVOE
III = BDFHJLCPRTXVZNYEIWGAKMUSQO
При шифровании роторы можно было располагать в любой последовательности, что для трех роторов дает 6 разных комбинаций.
Помимо этого каждый ротор мог быть установлен в одной из 26 возможных стартовых позиций. Т.е. начальное положение роторов имеет всего
6*26 3 =105456 комбинаций.
Количество всех возможных соединений на коммутационной панели вычисляется по формуле n! /((n-2m)! m! 2 m), где n - количество букв алфавита, m - количество соединенных пар.
Для 26 буква английского алфавита и 10 пар это составляет 150738274937250=2 47 различных комбинаций.
Таким образом базовая версия Энигмы с тремя роторами имела солидное даже по современным меркам пространство ключей:
150738274937250*105456=15,896,255,521,782,636,000≈2 64 .
Такое огромное число вариантов внушало обманчивое чувство неуязвимости.

Криптоанализ Энигмы

Большое пространство ключей обеспечивает шифру Энигмы достаточно серьезный уровень стойкости к атакам по известному шифртексту.
Полный перебор 2 64 вариантов даже на современных компьютерах дело не простое.
Однако все меняется если применить атаку с известным открытым текстом. Для такого случая существует весьма хитроумный метод, позволяющих пренебречь настройками коммутационной панели в процессе поиска ключевой комбинации, что сводит пространство ключей Энигмы всего к 105456 комбинациям и делает весь шифр фатально уязвимым.

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

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

Обратите внимание на подстановки, реализуемые энигмой в 14, 15 и 20 позициях. На 14 шаге буква A шифруется в G. Последняя, в свою очередь, шифруется в K на 15 шаге. И затем буква K зашифровывается в A на 20 шаге, закольцовывая тем самым цепочку A-G-K-A. Такие закольцованные цепочки называются циклами. Наличие циклов позволяет разделить задачу взлома Энигмы на две простые составные части: 1) поиск стартового положения роторов и 2) поиск соединений коммутационной панели при известных установках роторов.

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

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

P.S.

Очень медленную, но вполне рабочую реализацию атаки на Python можно посмотреть на

Войны ведутся с помощью оружия. Однако только оружия мало. Побеждает тот, кто владеет информацией! Чужую информацию нужно получить, а свою защитить. Этот особый вид борьбы ведется постоянно.

Древние египтяне защищали свои секреты шифр-иероглифами, римляне — шифром Цезаря, венецианцы — шифровальными дисками Альберти. С развитием техники поток информации увеличился, и ручное шифрование стало серьезной обузой, да и не обеспечивало должной надежности. Появились шифровальные машины. Самая знаменитая среди них — Энигма, получившая распространение в нацистской Германии. Вообще-то «Энигма» — это целое семейство из 60 электромеханических роторных шифровальных устройств, работавших в первой половине XX века в коммерческих структурах, армиях и службах многих стран. Ряд книг и фильмы типа голливудского блок-бастера «Enigma» познакомили нас с немецкой военной «Энигмой» (Enigma Wehrmacht). У нее — дурная слава, поскольку английские криптоаналитики смогли читать ее сообщения, и нацистам это вышло боком.

В этой истории были гениальные идеи, уникальные достижения техники, сложнейшие военные операции, пренебрежение человеческими жизнями, мужество, предательство. Она показала, как умение предвидеть действия противника нейтрализует грубую силу оружия.

Появление «Загадки»

В 1917 году голландец Кох запатентовал электрическое роторное шифрующее устройство для защиты коммерческой информации. В 1918 году немец Шербиус купил этот патент, доработал его и построил шифровальную машину Энигма (от греч. ανιγμα — «загадка»). Создав фирму Chiffriermaschinen AG, деловой берлинец стал поднимать спрос на свою еще не секретную новинку, выставив ее в 1923 году на международном почтовом конгрессе в Берне, через год — в Стокгольме. «Загадку» рекламировали германские пресса, радио, австрийский институт криминологии, но желающих купить ее почти не было — дороговата. Штучные «Энигмы» ушли в Швецию, Нидерланды, Японию, Италию, Испанию, США. В 1924 году машину взяли англичане, зарегистрировав ее в своем патентном бюро, и их криптографическая служба (Room 40) заглянула в ее внутренности.

А они просты. Это своего рода электрическая пишущая машинка: клавиатура на 26 букв латинского алфавита, регистр на 26 лампочек с буквами, коммутационная панель, батарея 4,5 вольта, кодирующая система в виде роторов с шифровальными дисками (3-4 рабочих плюс 0-8 сменных). Роторы связаны между собой, как шестерни в одометре (автомобильный счетчик пробега). Но здесь в отличие от одометра крайний правый диск при вводе буквы поворачивается на переменный шаг, величина которого задается по расписанию. Сделав полный оборот, он передает поворот на шаг на следующий ротор и т. д. Правый диск — самый быстрый, а передаточное отношение редуктора — переменное, т. е. схема коммутации меняется с каждой введенной буквой (одна и та же буква шифруется по-разному). На роторы нанесен алфавит, что позволяет менять их начальную установку по заранее оговоренным правилам. Изюминка «Энигмы» — отражатель, статически закрепленный ротор, который, получив сигнал от вращающихся роторов, посылает его обратно и в 3-роторной машине сигнал преобразовывается 7 раз.
Оператор работает так: нажимает клавишу с очередной буквой шифруемого сообщения — на регистре загорается лампочка, соответствующая (лишь в данный момент!) этой букве — оператор, видя букву на лампочке, вписывает ее в текст шифровки. Ему не нужно понимать процесс шифрования, оно совершается полностью автоматически. На выходе — полная абракадабра, которая уходит радиограммой адресату. Прочесть ее может лишь «свой», имеющий синхронно настроенную «Энигму», т. е. знающий, какие именно роторы и в каком порядке используются для шифрования; его машина дешифрует послание тоже автоматически, в обратном порядке.
«Загадка» резко ускорила процесс связи, исключив применение таблиц, шифр-блокнотов, журналов перекодирования, долгие часы кропотливой работы, неизбежные ошибки.
С точки зрения математики такое шифрование — это результат перестановок, которые невозможно отследить, не зная стартовой установки роторов. Функция шифрования Е самой простой 3-роторной «Энигмы» выражается формулой E = P (pi Rp-i) (pj Mp-j) (pk Lp-k)U (pk L-1 p-k) (pj M-1 p-j) (pi R-1 p-i) P-1, где P — коммутационная панель, U — отражатель, L, M, R — действия трех роторов, средний и левый ротор — это j и k вращений M и L. После каждого нажатия клавиши трансформация меняется.
Для своего времени «Энигма» была достаточно проста и надежна. Ее появление не озадачило никого из возможных противников Германии, кроме польской разведки. Немецкие военные и МИД, новинку проигнорировав, продолжили работать вручную (метод ADFGX, шифровальные книги).
А потом в 1923 году британское Адмиралтейство выпустило «Историю Первой мировой войны», поведав всему миру о своем преимуществе в той войне благодаря взлому германского кода. В 1914 году русские, потопив немецкий крейсер «Магдебург», выловили труп офицера, прижимавшего к груди журнал с военно-морским кодом. Находкой поделились и с союзником Англией.

Немецкая военная элита, испытав шок и проанализировав ход боевых действий после того случая, сделала вывод, что подобной фатальной утечки информации впредь допускать нельзя. «Энигма» сразу же стала востребованной, массово закупалась военными, исчезла из свободной продажи. А когда Гитлер начал готовить новую войну, шифровальное чудо вошло в обязательную программу. Повышая защищенность связи, конструкторы постоянно добавляли в машину новые элементы. Даже в первой 3-роторной модели каждая буква имеет 17576 вариантов (26x26x26). При применении в произвольном порядке 3 рабочих роторов из 5, входящих в комплект, число вариантов составляет уже 1054560. Добавление 4-го рабочего ротора усложняет шифрование на порядки; при использовании сменных роторов число вариантов измеряется уже миллиардами. Это и убедило немецких военных.

Орудие блицкрига

Энигма — всего лишь один из видов электромеханического дискового шифратора. Но вот ее массовость… С 1925 года и до конца Второй мировой войны было выпущено около 100 тысяч машин.
В этом все дело: шифровальная техника других стран была штучной, работая в спецслужбах, за закрытыми дверями. «Энигма» же — орудие блицкрига — воевала в полевых условиях на уровнях выше дивизии, на борту бомбардировщика, корабля, подлодки; была в каждом порту, на каждой крупной ж.-д. станции, в каждой бригаде СС, каждом штабе гестапо. Количество перешло в качество. Не слишком сложный прибор стал опасным оружием, и борьба с ним была принципиально важнее перехвата отдельной, даже очень секретной, но все же не массовой переписки. Компактную по сравнению с зарубежными аналогами машину можно было быстро уничтожить в случае опасности.

Первая — модель А — была большой, тяжелой (65x45x35 см, 50 кг), похожей на кассовый аппарат. Модель В уже выглядела как обычная пишущая машинка. Рефлектор появился в 1926 году на действительно портативной модели С (28x34x15 см, 12 кг). Это были коммерческие приборы с шифрованием без особой стойкости к взлому, интереса к ним не было. Он появился в 1927 году с модели D, работавшей потом на железной дороге и в оккупированной Восточной Европе. В 1928 году появилась Enigma G, она же Enigma I, она же «Энигма вермахта»; имея коммутационную панель, отличалась усиленной криптостойкостью и работала в сухопутных войсках и ВВС.
Но первым «Энигму» начал использовать ВМФ Германии. Это была модель Funkschlьssel C 1925 года. В 1934 году флот взял на вооружение морскую модификацию армейской машины (Funkschlьssel M или M3). Армейцы использовали на тот момент всего 3 ротора, а в М3 для большей безопасности можно было выбирать 3 ротора из 5. В 1938 году в комплект добавили еще 2 ротора, в 1939 году еще 1, так что появилась возможность выбирать 3 из 8 роторов. А в феврале 1942 года подводный флот Германии оснастили 4-роторной М4. Портативность сохранилась: рефлектор и 4-й ротор были тоньше обычных. Среди массовых «Энигм» М4 была самой защищенной. Она имела принтер (Schreibmax) в виде удаленной панели в каюте командира, а связист работал с зашифрованным текстом, без доступа к секретным данным.
Но была еще и спец-спец-техника. абвер (военная разведка) применял 4-роторную «Энигму G». Уровень шифрования был так высок, что другие немецкие инстанции читать ее не могли. Ради портативности (27x25x16 см) Абвер отказался от коммутационной панели. В результате англичанам удалось взломать защиту машины, что сильно осложнило работу немецкой агентуры в Британии. «Энигму Т» («Тирпиц-машина») создали специально для связи с союзником Японией. При 8 роторах надежность была очень высока, но машина почти не использовалась. На базе М4 разработали модель М5 с комплектом из 12 роторов (4 работающих/8 сменных). А на М10 был принтер для открытого/закрытого текстов. В обеих машинах было еще одно новшество — ротор для заполнения промежутков, значительно повышавший надежность шифрования. Армия и ВВС шифровали сообщения группами по 5 символов, ВМФ — по 4 символа. Для усложнения дешифровки перехватов противником тексты содержали не более 250 символов; длинные разбивали на части и шифровали разными ключами. Для повышения защиты текст забивался «мусором» («буквенный салат»). Перевооружить все рода войск на М5 и М10 планировали летом 45-го года, но время ушло.

«Бомба Реевского»

Блетчли-Парк: Station X

После Первой мировой англичане своих криптологов сократили. Началась война с нацистами — и пришлось срочно мобилизовать все силы. В августе 1939 года в имение Блетчли-Парк в 50 милях от Лондона под видом компании охотников въехала группа специалистов по взлому кодов. Сюда, в центр дешифровки Station X, бывший под личным контролем Черчилля, сходилась вся информация со станций радиоперехвата на территории Великобритании и за ее пределами. Фирма «British Tabulating Machines» построила здесь первую дешифровочную машину «бомба Тьюринга» (это был главный британский взломщик), ядром которой были 108 электромагнитных барабанов. Она перебирала все варианты ключа шифра при известной структуре дешифруемого сообщения или части открытого текста. Каждый барабан, вращаясь со скоростью 120 оборотов в минуту, за один полный оборот проверял 26 вариантов буквы. При работе машина (3,0 x2,1 x0,61 м, вес 1 т) тикала, как часовой механизм, чем подтвердила свое название. Впервые в истории шифры, массово создаваемые машиной, ею же и разгадывались.

"Enigma" auf U-Boot U-124

Ошибка капитана Лемпа

Сдача немецкой подводной лодки U-110 в плен к англичанам. 9 мая 1941г.

Главный улов был сделан 8 мая 1941 г. при захвате подлодки U-110 капитан-лейтенанта Юлиуса Лемпа, атаковавшего конвой ОВ-318. Отбомбившись по U-110, суда охранения заставили ее всплыть. Капитан эсминца HMS Bulldog пошел на таран, но, увидев, что немцы в панике прыгают за борт, вовремя отвернул. Проникнув в полузатопленную лодку, абордажная группа обнаружила, что команда даже не пыталась уничтожить секретные средства связи. В это время другой корабль поднял из воды выживших немцев и запер их в трюме, чтобы скрыть происходящее. Это было очень важно.
На U-110 взяли: исправную «Энигму М3», комплект роторов, ключи на апрель-июнь, инструкции по шифрованию, радиограммы, журналы (личного состава, навигационный, сигнальный, радиопереговоров), морские карты, схемы минных полей в Северном море и у побережья Франции, инструкцию по эксплуатации лодок типа IXB. Добычу сравнили с победой в Трафальгарской битве, эксперты назвали ее «даром небес». Награды морякам вручал сам король Георг VI: «Вы достойны большего, но сейчас я не могу этого сделать» (через систему награждений немецкая агентура могла бы выйти на факт потери машины). Со всех была взята подписка, захват U-110 не разглашался до 1958 года.
Выпотрошенную лодку утопили ради сохранения секретности. Капитан Лемп погиб. Допрос остальных немцев выявил, что они не знают об утрате секрета. На всякий случай были приняты меры по дезинформации, при пленных сетовали и сожалели: «Высадиться на лодку не удалось, она внезапно затонула». Ради секретности даже закодировали ее захват: «Операция Примула». Потрясенный успехом, первый морской лорд Паунд радировал: «Сердечно поздравляю. Ваш цветок редкостной красоты».
Трофеи с U-110 принесли много пользы. Получив свежую информацию, взломщики из Блетчли-Парка стали регулярно читать связь между штабом подводных сил рейха и лодками в океане, расколов большинство сообщений, защищенных шифром «Гидра». Это помогло вскрыть другие коды ВМФ: «Нептун» (для тяжелых кораблей), «Зюйд» и «Медуза» (для Средиземного моря) и т. д. Удалось разгромить в Атлантике немецкую сеть судов разведки и снабжения подводного флота («дойные коровы»). Оперативный разведцентр узнал детали каботажного плавания немцев, схемы минирования прибрежных вод, сроки рейдов подлодок и т. д. Морские конвои стали идти в обход «волчьих стай»: с июня по август «волки Деница» нашли в Атлантике лишь 4% конвоев, с сентября по декабрь — 18%. А немцы, считая, что U-110 унесла свою тайну в пучину, систему связи не сменили. Адмирал Дениц: «Лемп исполнил свой долг и погиб как герой». Однако после выхода в 1959 году книги Роскилла «The Secret Capture» герой стал в глазах немецких ветеранов негодяем, запятнавшим свою честь: «Он не выполнил приказ об уничтожении секретных материалов! Были потоплены сотни наших лодок, напрасно погибли тысячи подводников», «не умри он от рук англичан, его должны были бы расстрелять мы».
А в феврале 1942 года 4-роторная М4 заменила на лодках 3-роторную М3. Блетчли-Парк снова натолкнулся на стену. Оставалось надеяться на захват новой машины, что и произошло 30 октября 1942 года. В этот день U-559 капитан-лейтенанта Хайдтманна северо-восточнее Порт-Саида была сильно повреждена английскими глубинными бомбами. Увидев, что лодка тонет, экипаж прыгнул за борт, не уничтожив шифровальную технику. Ее нашли моряки с эсминца «Петард». Как только они передали добычу подоспевшей абордажной группе, искореженная лодка внезапно перевернулась, и двое смельчаков (Colin Grazier, Antony Fasson) ушли с нею на километровую глубину.
Добычей были М4 и брошюрки «Краткий журнал позывных»/«Краткий метеошифр», напечатанные растворимой краской на розовой промокательной бумаге, которую радист должен бросать в воду при первых признаках опасности. Именно с их помощью 13 декабря 1942 года были вскрыты коды, тут же давшие штабу точные данные о позициях 12 немецких лодок. После 9 месяцев перерыва (black-out) снова началось чтение шифрограмм, не прерывавшееся уже до конца войны. Отныне уничтожение «волчьих стай» в Атлантике было лишь вопросом времени.

Сразу после подъема из воды, немецких подводников полностью раздевали и отбирали всю одежду на предмет поиска документов, представляющих интерес для разведки (например, кодовых таблиц шифровальной машины Энигма).

Выработалась целая технология таких операций. Бомбами лодку принуждали к всплытию и начинали обстрел из пулеметов, чтобы немцы, оставаясь на борту, не начали затопление. Тем временем к ней шла абордажная партия, нацеленная искать «что-то типа печатной машинки рядом с радиостанцией», «диски диаметром 6 дюймов», любые журналы, книги, бумаги.Действовать нужно было быстро, и удавалось это не всегда. Нередко люди гибли, не добыв ничего нового.
Всего британцы захватили 170 «Энигм», в т. ч. 3-4 морских М4. Это позволило ускорить процесс дешифровки. При одновременном включении 60 «бомб» (т. е. 60 комплектов по 108 барабанов) поиск решения сокращался с 6 часов до 6 минут. Это уже позволяло оперативно реагировать на вскрытую информацию. На пике войны круглосуточно работало 211 «бомб», читавших ежедневно до 3 тысяч немецких шифровок. Их посменно обслуживали 1675 женщин-операторов и 265 механиков.
Когда Station X перестала справляться с огромным потоком радиоперехватов, часть работ перенесли в США. К весне 1944 года там работало 96 «бомб Тьюринга», возникла целая фабрика по дешифровке. В американской модели с ее 2000 оборотов в минуту соответственно и расшифровка шла в 15 раз быстрее. Противоборство с М4 стало рутиной. Собственно, на этом борьба с «Энигмой» закончилась.

Последствия

Взлом кодов «Энигмы» обеспечил англосаксам доступ почти ко всей секретной информации Третьего рейха (все вооруженные силы, СС, СД, МИД, почта, транспорт, экономика), дал большие стратегические преимущества, помог одерживать победы малой кровью.
«Битва за Британию» (1940 г.): с трудом отражая воздушный напор немцев, в апреле англичане начали читать радиограммы люфтваффе. Это помогло им правильно оперировать последними резервами, и битву они выиграли.Без взлома «Энигмы» вторжение немцев в Англию было бы очень вероятно.
«Битва за Атлантику» (1939-1945 гг.): не взяв врага с воздуха, Гитлер душил его блокадой. В 1942 году было потоплено 1006 судов водоизмещением 5,5 млн. брутто-тонн. Казалось, еще чуть-чуть — и Британия упадет на колени. Но англичане, читая шифрсвязь «волков», стали их нещадно топить и выиграли битву.
Операция «Оверлорд» (1945 г.): перед высадкой в Нормандии союзники знали из расшифровки обо ВСЕХ немецких контрмерах по отражению десанта, каждый день получали точные данные по позициям и силам обороны.
Немцы постоянно совершенствовали «Энигму».Операторов натаскивали на ее уничтожение в случае опасности.Ключи во время войны меняли каждые 8 часов. Шифродокументы растворялись в воде. Правы были и создатели «Загадки»: расшифровать ее сообщения вручную невозможно в принципе. А что, если противник противопоставит этой машине свою? А ведь он так и поступил; захватывая новые экземпляры техники, совершенствовал свою «антиЭнигму».
Работу ему облегчали сами немцы. Так, у них была «индикаторная процедура»: в начале шифрограммы дважды отправлялась настройка (№ роторов/их стартовые позиции), где было видно закономерное сходство между 1-м и 4-м, 2-м и 5-м, 3-м и 6-м символами. Поляки заметили это еще в 1932 году и взломали код. Существенной трещиной в безопасности были метеосводки. Подводники получали их с базы «надежно» зашифрованными. На суше эти же данные шифровались обычным путем — и вот в руках взломщиков уже набор известных комбинаций, и уже ясно, какие роторы работают, как построен ключ. Расшифровку облегчал стандартный язык сообщений, где выражения и слова часто повторялись. Так, ежедневно в 6:00 метеослужба давала зашифрованный прогноз. Слово «погода» было обязательным, а неуклюжая немецкая грамматика ставила его на точное место в предложении. Еще: немцы часто употребляли слова «фатерланд» и «рейх». У англичан были сотрудники с родным немецким языком (native speakers). Ставя себя на место вражеского шифровщика, они перебрали массу шифровок на наличие этих слов — и приблизили победу над «Энигмой». Помогло и то, что в начале сеанса радист всегда указывал позывной лодки. Зная все их позывные, англичане определяли роторную схему, получая примерные шифркомбинации некоторых символов. Использовалась «принудительная информация». Так, англичане бомбили порт Кале, и немцы давали шифровку, а в ней — уже известные слова! Дешифровку облегчала лень некоторых радистов, по 2-3 дня не менявших настройки.

Нацистов подвела склонность к сложным техническим решениям там, где надежнее обойтись более простыми методами. Они даже понятия не имели о программе «Ультра». Зацикленные на идее арийского превосходства, считали «Энигму» непробиваемой, а информированность врага — результатом шпионажа и предательства. Они сумели влезть в сеть правительственной связи Лондон-Вашингтон, читали все перехваты. Раскрыв коды морских конвоев, наводили на них «волчьи стаи» подлодок, что обошлось англосаксам в 30 000 жизней моряков. Однако при образцовом порядке в организации дел у них не было единой службы дешифровки. Этим занималось 6 ведомств, не только не работавших вместе, но и скрывавших свои навыки от коллег-конкурентов. Систему связи на стойкость к взлому оценивали не криптографы, а техники. Да, расследования подозрений об утечке по линии «Энигмы» были, но спецы не смогли открыть начальству глаза на проблему. «Главный подводник рейха адмирал Дениц так и не понял, что не радары, не пеленгация, а чтение шифрограмм позволило находить и уничтожать их лодки» (послевоенный доклад Army Security Agency/США).
Говорят, что без взлома главной шифровальной машины нацистов война продлилась бы на два года дольше, стоила бы больших жертв и, возможно, не была бы закончена без атомной бомбардировки Германии. Но это преувеличение. Конечно, приятнее играть, заглядывая в карты противника, и расшифровка очень важна. Однако нацистов победила не она. Ведь с февраля по декабрь 42-го, не имея ни одной дешифровки, союзники уничтожили 82 германские субмарины. А на суше немцы в огромном количестве операций отправляли информацию по проводам, фельдъегерями, собаками или голубями. Такими способами во время Второй мировой передавалась половина всех сведений и распоряжений.
…Летом 45-го парни из TICOM (Target Intelligence Committee, англо-американская контора по изъятию немецких информационных технологий) конфисковали и вывезли новейшие «Энигмы» и специалистов по ним. Но машину (Schlьsselkasten 43) продолжали выпускать: в октябре — 1000, в январе 46-го — уже 10 000 штук! Ее взлом остался секретом, а миф об абсолютной надежности продукта «немецкой гениальности» расползся по всей планете. Тысячи «Энигм» англосаксы продали в десятки стран «Британского содружества наций» на всех континентах. Там они работали до 1975 года, а «благодетели» читали секреты любого правительства.
«Энигму» использовали многие: испанцы — коммерческую, ВМФ Италии — Navy Cipher D, швейцарцы — «Энигму K». Японским клоном «Энигмы» была 4-роторная GREEN. Англичане сделали свою Typex по чертежам и даже из деталей «Энигмы», пиратски использовав патент.
На сегодня в мире есть до 400 рабочих экземпляров «Энигмы», и желающий может приобрести ее за 18-30 тысяч евро.

Болтун будет расстрелян!

Меры по сокрытию программы «Ультра» были беспрецедентны. Немецкие суда и подлодки после потрошения топили, чтобы противник не догадался об их захвате. Пленных изолировали на годы, их письма домой перехватывались. Своих моряков-болтунов ссылали служить в тьмутаракань типа Фолклендских островов. Полученные разведданные проходили доработку/искажение, и лишь потом передавались в войска. В полном объеме овладение «Загадкой» скрывалось в течение всей войны даже от «большого брата» США. Зная из шифровки о предстоящей 14 ноября 1940 г. бомбардировке Ковентри, население города не эвакуировали, чтобы немцы не догадались, что их «читают». Это стоило жизней полутысячи горожан.
В разгар войны в программе «Ультра» работало до 12 тысяч человек: математики, инженеры, лингвисты, переводчики, военные эксперты, шахматисты, специалисты по ребусам, операторы. Две трети персонала составляли девушки-военнослужащие wrens (Women’s Royal Naval Service). Выполняя свою крошечную часть работы, никто не знал, чем они занимаются в целом, и слово «Enigma» никогда не слышал. Людям, не знавшим, что происходит за соседней дверью, постоянно напоминали: «За болтовню о работе — расстрел». Лишь через 30 лет, после снятия секретности некоторые из них отважились признаться, чем занимались во время войны. А. Тьюринг написал книгу о взломе «Энигмы»: правительство Великобритании не разрешало ее выпуск до 1996 года!
Своего «крота» у нацистов в Блетчли-Парке не было. А вот для СССР происходящее там секрета не представляло. Малые дозы информации категории «ультра» Москва получала по прямому распоряжению Черчилля, несмотря на протесты его штаба. Кроме того, офицер британской разведки Джон Кэрнкросс, имевший доступ к секретным данным, снабжал русских ими уже без ограничения, в т. ч. и расшифровками «Энигмы».

Успех взломщиков «Энигмы» базировался всего лишь на нескольких вовремя высказанных гениальных идеях. Без них «Энигма» так бы и осталась «Загадкой». Стюарт Милнер-Берри, чемпион Британии по шахматам, один из главных взломщиков Блетчли-Парка: «Подобного примера нет с античных времен: война велась так, что один противник постоянно мог читать самые важные сообщения армии и флота другого».
После войны «бомбы Тьюринга» разрушили из соображений безопасности. Через 60 лет общество Enigma & Friends попыталось воссоздать одну из них. Лишь сбор комплектующих занял 2 года, а сборка самой машины — 10 лет.

Криптография

В данном сообществе я нашел много статей про известную шифровальную машинку «Enigma», но нигде из них не описывался подробный алгоритм ее работы. Наверняка многие скажут, что это не нуждается в афишировании, - я же надеюсь, что кому-нибудь да будет полезно об этом узнать. С чего все началось? Во времена Первой мировой войны большой популярностью пользовался шифр Playfair. Его суть заключалась в том, что буквы латинского алфавита записывались в квадрат 5х5, после чего буквы исходного алфавита разбивались по парам. Далее, используя квадрат в качестве ключа, эти биграммы заменяли на другие по определенному алгоритму. Преимущество данного шифра было в том, что он не требовал дополнительных устройств, и, как правило, к тому моменту, когда сообщение расшифровывали, оно уже теряло актуальность. Еще одним способом тайнописи был шифратор Джефферсона.

Сие устройство состояло из определенного количества дисков, нанизанных на единую ось (обычно, дисков было 36). Каждый из них делился на 26 частей, каждая из которых обозначало букву. Буквы на дисках были расставлены в случайном порядке. Оператор путем вращения дисков набирал нужное сообщение, а затем переписывал другую строчку. Человек, принявший данное сообщение, должен был обладать точно таким же устройством с точно такой же расстановкой букв. И тот и другой способы были относительно неплохими для тех времен, но учитывая, что человечество вступило уже в XX век, возникла необходимость механизации процесса шифрования. В 1920 году голландский изобретатель Александр Кох изобрел первую роторную шифровальную машинку. Затем, на нее получили патент немецкие изобретатели, которые усовершенствовали ее и выпустили в производство, под названием «Enigma» (от греч. – загадка). Таким образом, эта машинка приобреталась многими фирмами, которые желали сохранить в тайне свои переписки. В этом и состояла вся гениальность Энигмы – все знали алгоритм шифрования, но никто не мог подобрать нужный ключ, так как число возможных комбинаций превосходило 15 квадриллионов. Если хотите узнать, каким образом Энигму взламывали, советую прочитать книгу Саймона Сингха «Книга шифров». Подытоживая все вышесказанное, хочу сказать, что шифр Энигмы являлся некой смесью шифратора Джефферсона и шифра Цезаря.

Итак, приступим к изучению алгоритма. На данном сайте имеется очень неплохой симулятор, который в доступной и наглядной форме показывает весь процесс целиком и полностью. Давайте же разберем принцип работы трехроторной Энигмы. В ней имелось три отсека для помещения трех роторов и дополнительный отсек для размещения рефлектора. Всего за время Второй мировой войны было изготовлено восемь роторов и четыре рефлектора, но одновременно могло использоваться ровно столько, на сколько была рассчитана машина. Каждый ротор имел 26 сечений, что соответствовало отдельной букве алфавита, а так же 26 контактов для взаимодействия с соседними роторами. Как только оператор нажимал на нужную букву, - замыкалась электрическая цепь, в результате чего появлялась шифрованная буква. Замыкание цепи происходило за счет рефлектора.

На рисунке представлена иллюстрация нажатия клавиши «А» с последующей дешифрацией в букву «G». После ввода буквы крайний правый ротор перемещался вперед, меняя тем самым ключ. Так каким же образом одна букву заменялась на другую? Как я уже говорил, для Энигмы было разработано восемь различных роторов. Внутри каждого из них было установлено 26 различных коммутаций. представлена подробная спецификация на каждый из них. Например, если на вход первого ротора поступала буква «N», то на выходе должна быть только «W» и никакая другая буква больше. Попади это буква на второй ротор, она бы уже преобразовалась в «T» и т.д. То есть, каждый ротор выполнял четко поставленную задачу в плане коммуникации. А какую же роль играли кольца? Рассмотрим следующий пример. Установим роторы III, II и I, а порядок колец «C», «U» и «Q».

Нажмем на клавишу «A». Крайний правый ротор повернется вперед на один шаг, то есть, буква «Q» перейдет в «R». Ротор посередине также повернется вперед на букву «V», но об этом я расскажу чуть позже. Итак, наша буква «А» начинает путешествие с первого отсека, в котором установлен ротор I и на котором выставлена уже буква «R». Уже перед тем как попасть на первый ротор буква претерпевает свое первое преобразование, а именно: сложение с буквой «R» по модулю 26. Фактически, это шифр Цезаря. Если пронумеровать все буквы от 0 до 25, то буква «А» будет как раз таки нулевой. Значит, результатом сложения будет буква «R». Далее, мы с вами знаем, что в первом отсеке ротор I, а в его конструкции заложено, что буква «R» всегда переходит в «U». Теперь на очереди второй отсек с ротором II. Опять, перед попаданием на второй ротор, теперь уже буква «U» меняется по несколько иному алгоритму: к ней прибавляется разница значений последующего ротора и предыдущего. Поясню. На втором роторе ожидает нас буква «V», а на предыдущем, - «R», их разница равна четырем буквам, и именно они прибавляются к нашей букве «U». Поэтому, на второй ротор поступает буква «Y». Далее по таблице находим, что во втором роторе букве «Y» соответствует «O». Далее опять смотрим разницу букв «C» и «V», - она равна семи. Значит, букву «O» сдвигаем на семь позиций и получаем «V». В роторе III «V» переходит в «M». Перед тем как попасть на рефлектор, из нашей буквы вычитается буква «C», преображая ее в букву «K». Далее происходит отражение. Если вы заметите, то в каждом роторе образуются большие циклические группы, например: (A – E – L – T – P – H – Q – X – R – U), а в рефлекторе они разбиты по парам: (A - Y)(B - R)(C - U) и т.д. Это сделано для того, чтобы потом это возможно было расшифровать. Предположим, что установлен рефлектор B, в котором «K» заменяется на «N» (и наоборот). Половина пути пройдена. Теперь мы опять прибавляем значение буквы «С», получив тем самым букву «P». Здесь наоборот, в строке третьего ротора находим «P» и смотрим, в при нажатии какой буквы она бы появилась. Это буква «H». Преобразование в третьем роторе закончено. Теперь из этой буквы вычитается разница букв «C» и «V», то есть семь. Получаем букву «A». Во втором роторе она переходит саму в себя, поэтому оставляем ее без изменений. Далее, вычитаем разницу букв «V» и «R», то есть четверку и получаем букву «W». В первом роторе её обратно преобразование отображается в букву «N». Остается только вычесть из нее букву «R» и получим искомую букву «W». Как видите, алгоритм работы машинки оказался не таким сложным каким казался. Для усовершенствования шифра немцы внедрили коммутационную панель, которая позволяла попарно менять местами буквы. Если мы соединим буквы «Q» и «W», то при вводе той же «A» мы получили бы «Q», так как по факту должна быть «W», но она заменена буквой «Q». Вот прилагаемая схема действия.

Осталось лишь рассказать про смещения роторов относительно друг друга. Правый ротор поворачивался всегда при нажатии клавиши на один шаг. Например, для ротора I эта позиция равна букве «R». Именно поэтому в нашем примере второй ротор повернулся: первый ротор прошел через букву «R». Далее, пройдя через определенную позицию, правый ротор приводил в движение левый на один шаг. В более усовершенствованных моделях левый ротор прокручивался два, а то и три раза.

В завершение скажу, что