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»
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.
"Enigma" auf U-Boot U-124
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.
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.
История самой известной электрической роторной шифровальной машины - «Энигма» - начинается в 1917 году - с патента, полученного голландцем Хьюго Кохом. В следующем году патент был перекуплен Артуром Шербиусом, начавшим коммерческую деятельность с продажи экземпляров машины как частным лицам, так и немецким армии и флоту.
Германские военные продолжают совершенствовать «Энигму». Без учёта настройки положения колец (нем. Ringstellung), количество различных ключей составляло 1016. В конце 1920-х - начале 1930 годов, несмотря на переданные немецким аристократом Хансом Тило-Шмидтом данные по машине, имевшиеся экземпляры коммерческих вариантов, британская и французская разведка не стали браться за задачу криптоанализа. Вероятно, к тому времени они уже сочли, что шифр является невзламываемым. Однако группа из трёх польских математиков так не считала, и, вплоть до 1939 года, вела работы по «борьбе» с «Энигмой», и даже умела читать многие сообщения, зашифрованными «Энигмой» (в варианте до внесения изменений в протокол шифрования от декабря 1938 года). Среди результатов, переданных британским разведчикам перед захватом Польши Германией, были и «живые» экземпляры «Энигмы», и электромеханическая машина «Bomba», состоявшая из шести спаренных «Энигм» и помогавшая в расшифровке (прототип для более поздней «Bombe» Алана Тьюринга), а также уникальные методики криптоанализа.
| Содержание: |
1. Что такое шифровальная машина «Энигма»?
Шифровальная машина Энигма — переносная шифровальная машина, использовавшаяся для шифрования и расшифрования секретных сообщений. Более точно, «Энигма» - целое семейство электромеханических роторных машин, применявшихся с 20-х годов XX века.
«Энигма» использовалась в коммерческих целях, а также в военных и государственных службах во многих странах мира, но наибольшее распространение получила в нацистской Германии во время Второй мировой войны. Именно германская военная модель чаще всего является предметом дискуссий.
2. Работа по взлому.
Работа по взлому была организована в Блетчли-парке (англ. Bletchley Park), сегодня являющемся одним из предметов национальной гордости Великобритании. В разгар деятельности центр «Station X» насчитывал 12 тысяч человек, но, несмотря на это, немцы не узнали о нём до самого конца войны. Сообщения, расшифрованные центром, имели гриф секретности «Ultra» - выше, чем использовавшийся до этого «Top Secret» (по одной из версий отсюда и название всей британской операции - «Операция Ультра»). Англичане предпринимали повышенные меры безопасности, чтобы Германия не догадалась о раскрытии шифра. Ярким эпизодом является случай с бомбардировкой Ковентри 14 февраля 1940 года, о которой премьер-министру Великобритании Уинстону Черчиллю было известно заранее благодаря расшифровке приказа. Однако Черчилль, опираясь на мнение аналитиков о возможности Германии догадаться об операции «Ультра», принял решение о непринятии мер к защите города и эвакуации жителей.
3. «Энигма», то есть «Загадка»!
Во время Второй мировой войны упорная борьба шла не только на фронтах почти всего мира. Не менее упорно противостояли друг другу шифровальные службы.
Берлинский инженер Артур Шербиус назвал первую в истории криптографии изобретенную им автоматическую шифровальную машину греческим словом «Энигма», то есть «Загадка». Несмотря на столь громкое название, работать на ней было довольно просто: текст набирался на клавиатуре и шифровался совершенно автоматически. На принимающей стороне достаточно было настроить свою «Энигму» на аналогичный режим, и кодограмма расшифровывалась также автоматически.
А вот чтобы разгадать «загадку» при дешифровке сообщений, противник должен был знать систему замены вариантов настройки, а их чередование было непредсказуемым. Поистине бесценное преимущество этой машины заключалось в возможности приема-передачи оперативной информации в реальном масштабе времени. При этом полностью исключались потери, связанные с применением таблиц сигналов, шифроблокнотов, журналов перекодирования и других компонентов криптографии, требующих долгих часов кропотливой работы и связанных с почти неизбежными ошибками.
4. Эффективность и надежность «Энигмы»
Эффективность и надежность «Энигмы» была оценена германским генштабом по достоинству: еще в конце 20 – начале 30-х годов XX века она была принята на оснащение всех видов немецких вооруженных сил. Однако примерно в то же время польская разведка сумела раздобыть пять таких аппаратов с комплектами импульсной настройки. По одной машинке они передали англичанам и французам, но к началу Второй мировой войны немцы полностью перестроили систему настройки, и союзники оказались беспомощны при расшифровке перехватов.
Ни французы, ни поляки так и не смогли извлечь пользу из «Энигмы», а вот экземпляр, доставшийся англичанам, был передан сэру Элистеру Деннисону, начальнику Государственной школы кодов и шифров (ГШКШ), которая размещалась в огромном замке Блетчли-парк в 50 милях от Лондона. В нем работали несколько тысяч сотрудников, именно здесь была задумана и проведена операция «Ультра», нацеленная на дешифровку материалов «Энигмы», в изобилии поставлявшихся службой радиоперехвата.
Благодаря молодым и талантливым аналитикам - питомцам Кембриджа и Оксфорда - во время операции применялась современнейшая вычислительная техника. Ее участники свято хранили в тайне методы своей работы не только во время войны, но и последующие 30 лет. Материалы расшифровки поступали только начальникам разведслужб вооруженных сил и главе «Интеллидженс сервис» сэру Стюарту Мензису. В остальные инстанции направлялись только распоряжения, основанные на сведениях, полученных в ходе операции «Ультра». Но и они составлялись так, чтобы немцы не смогли догадаться, что получены от расшифровки материалов «Энигмы».
Иногда расшифровка играла лишь вспомогательную роль. Это были случаи, когда немцы не использовали радиосвязь, отправляя донесения по проводам, фельдъегерями, собаками или голубями. Такое случалось часто, ибо подобными способами во время Второй мировой войны передавались более половины сведений и распоряжений.
К сожалению, английские «парни из Блетчли» сумели расшифровать далеко не все коды. К примеру, весьма крепким орешком оказался шифр «Тритон», введенный на германском флоте в 1942 году и успешно действовавший около года. Даже когда в ГШКШ его раскрыли, от перехвата до передачи информации британским морякам уходило столько времени, что сведения теряли всякую ценность.
Еще хуже было, когда командиры игнорировали точные указания «Ультры», если они не подтверждали их собственные соображения. Так, фельдмаршал Монтгомери, своевременно предупрежденный о наличии в Арнеме двух германских танковых соединений, все-таки приказал выбросить полки 1-й парашютно-десантной дивизии именно в этом районе, где они были почти полностью уничтожены.
В Германии иногда догадывались о раскрытии шифров. Так, в сентябре 1942 года немцы обнаружили на британском эсминце схему маршрутов своих конвоев. И варианты импульсной настройки «Энигмы» были тотчас заменены. Вообще было бы глупо считать германских штабистов профанами в том, что касалось криптографии. Они хорошо знали, что любой транспозиционный код уязвим. В Германии имелось шесть организаций, занимавшихся криптоаналитикой. Все они были вполне компетентными, но главной их слабостью являлась именно децентрализация, которая всегда вызывает соперничество.
5. Криптография в Москве.
В Москве до 1938 года задачи кодирования и дешифровки выполняло объединенное подразделение НКВД и военной разведки. Но когда наркомом стал Берия, он арестовал и казнил руководителя криптографической службы НКВД Бокия и большинство его сотрудников. С тех пор вопросами тайнописи занимались только в ГРУ ГШ.
В феврале 1941 года шифр-отделение НКВД было восстановлено с задачей раскрытия дипломатической переписки. Естественно, физическое уничтожение квалифицированных специалистов в ходе репрессий не могло не сказаться на эффективности работы этого отделения. Однако англичане все же зря обольщались на этот счет. Москва получила данные о ГШКШ еще в 1939 году от Кима Филби, которому тогда же предложили туда проникнуть. Это сумел сделать в 1942 году Джон Кэрнкросс. Он поступил на службу в Блетчли-парк и снабжал Москву не только содержанием расшифровок «Энигмы», но и подлинными документами.
После Сталинграда англичане резко сократили объем предоставляемой информации из «Энигмы», и деятельность Кэрнкросса приобрела для русских особое значение. Правда, 30 апреля 1943 года по личному распоряжению Черчилля Кремль все же предупредили о подготовке крупной германской операции под Курском. Но об этом там и так уже знали от своих разведчиков, в том числе - и от Кэрнкросса. Он информировал о расположении авиабаз частей люфтваффе, нацеленных на действия в операции «Цитадель», и за два месяца до ее начала советская авиация нанесла по ним три упреждающих удара. Были уничтожены 17 аэродромов, немцы потеряли около 500 самолетов. Но когда контроль Лондона возрос и передавать информацию стало почти невозможно, Кэрнкросс ушел из Блетчли-парка.
Но почему в Москве не расшифровывали радиоперехваты «Энигмы»? Ведь там прекрасно знали о ее существовании. Более того, имели несколько вполне исправных таких аппаратов. Два были захвачены еще в 1941 году. Еще три - при ликвидации Сталинградского котла. Да и среди военнопленных было несколько операторов-шифровальщиков, которых чекистам ничего не стоило принудить к сотрудничеству, что и было сделано. Однако расшифровать удалось только старые радиоперехваты. Дело было в том, что уже в январе 1943 года немцы ввели в свои системы импульсной настройки ряд дополнительных уровней защиты. «Расколоть» эти новинки советские криптологи не сумели - сказалось отсутствие новейшей электронной техники.
6. Заключение
В течение всего периода активного применения «Энигм», различные правительственные организации стран Европы предпринимали попытки «взлома» машины с целью защиты от нарастающей угрозы со стороны Германии. «Энигма» была необходима Германии для проведения быстрого и скоординированного наступления против ряда стран в рамках Второй мировой войны. В довоенном периоде наибольших успехов в дешифровке сообщений «Энигмы» достигло польское Бюро шифров и лично Мариан Реевский. Во время Второй мировой войны пальму первенства в деле криптоанализа «Энигмы» взял центр британской разведки «Station X», также известный как Блетчли-парк.
Энигма
Трёхроторная военная немецкая шифровальная машина Энигма (версия с метками).
Энигма использовалась в коммерческих целях, а также в военных и государственных службах во многих странах мира, но наибольшее распространение получила в нацистской Германии во время Второй мировой войны - именно Энигма вермахта (Wehrmacht Enigma ) - германская военная модель - чаще всего является предметом дискуссий.
Эта машина получила дурную славу, потому что криптоаналитики Антигитлеровской коалиции (точнее, Великобритании) смогли расшифровать большое количество сообщений, зашифрованных с её помощью. Специально для этих целей была создана машина с кодовым названием Turing Bombe , оказавшая значительную помощь Антигитлеровской коалиции (точнее, Великобритании) в войне. Вся информация, полученная криптоанализом с её помощью, имела кодовое название ULTRA .
Несмотря на то, что с точки зрения современной криптографии шифр Энигмы и был слаб , на практике только сочетание этого фактора с другими (такими как ошибки операторов, процедурные изъяны, заведомо известный текст сообщений (например, при передаче метеосводок), захваты экземпляров Энигмы и шифровальных книг) позволили взломщикам шифров разгадывать шифры Энигмы и читать сообщения . Также есть мнение, что это был один из самых сильных шифров времён Второй мировой войны. И только захват англичанами неповреждённой Энигмы с подводной лодки и бомбардировщика (что принципиально важно, эти факты так и остались неизвестными немцам), с учётом высочайшего научного и высокого технологического уровня Великобритании, позволили ей (после напряжённых и продолжительных работ в этом направлении) создать контр-Энигму. Важность и уникальность этого успеха прекрасно понимало руководство Великобритании - оставив свой успех «за семью печатями», до конца держа его в тайне даже от партнёров по Антигитлеровской коалиции.
Было выпущено, по приблизительным оценкам, около 100 000 экземпляров шифровальных машин Энигма.
Описание
Роторы
|
Левая сторона ротора Энигмы, видны плоские электрические контакты. |
Правая сторона ротора, видны штыревые контакты. Римская V идентифицирует электропроводку ротора. |
Роторы - сердце Энигмы. Каждый ротор представлял собой диск примерно 10 см в диаметре, сделанный из эбонита или бакелита , с пружинными штыревыми контактами на одной стороне ротора, расположенными по окружности. На другой стороне находилось соответствующее количество плоских электрических контактов. Штыревые и плоские контакты соответствовали буквам в алфавите (обычно это были 26 букв от A до Z). При соприкосновении контакты соседних роторов замыкали электрическую цепь. Внутри ротора каждый штыревой контакт был соединён с одним из плоских. Порядок соединения мог быть различным.
Три ротора и шпиндель, к которому они крепятся.
Сам по себе ротор производил очень простой тип шифрования: элементарный шифр замены . Например, контакт, отвечающий за букву E, мог быть соединён с контактом буквы T на другой стороне ротора. Но при использовании нескольких роторов в связке (обычно трёх или четырёх) за счёт их постоянного движения получается более надёжный шифр.
| Ротор в разобранном виде | Три последовательно соединённых ротора | ||
|---|---|---|---|
 |
|
 |
|
Военные модели Энигмы выпускались с различным количеством роторов. Первая модель содержала только три. 15 декабря 1938 года их стало пять, но только три из них одновременно использовались в машине. Эти типы роторов были маркированы римскими числами от I до V, и у каждого была одна выемка, расположенная в разных местах алфавитного кольца. В военно-морских моделях всегда содержалось бо́льшее количество роторов, чем в других: шесть, семь или восемь. Эти дополнительные роторы маркировались числами VI, VII и VIII, все с различной электропроводкой. Все они содержали по две выемки около букв «N» и «A», что обеспечивало более частые повороты роторов.
Четырёхроторная военно-морская модель Энигмы, M4 имела один дополнительный ротор, хотя была такого же размера, что и трёхроторная, за счёт более тонкого рефлектора. Существовало два типа этого ротора: Бета и Гамма. В процессе шифрования он не двигался, но мог быть установлен вручную на любую из 26 различных позиций.
Ступенчатое движение роторов
Ступенчатое движение роторов Энигмы. Все три собачки (обозначены зелёным) двигаются одновременно. Для первого ротора (1), храповик (красный) всегда зацеплен, и он поворачивается при каждом нажатии клавиши. В данном случае выемка на первом роторе позволяет собачке зацепить и второй ротор (2), он повернётся при следующем нажатии клавиши. Третий ротор (3) не зацеплен, так как собачка третьего ротора не попала в выемку второго, собачка будет просто скользить по поверхности диска.
Каждый ротор был прикреплён к шестерёнке с 26 зубцами (храповику), а группа собачек зацепляла зубцы шестерёнок. Собачки выдвигались вперёд одновременно с нажатием клавиши на машине. Если собачка цепляла зубец шестерёнки, то ротор поворачивался на один шаг.
В армейской модели Энигмы каждый ротор был прикреплён к регулируемому кольцу с выемками. Пять базовых роторов (I-V) имели по одной выемке, тогда как в военно-морской модели (VI-VIII) - по две. В определённый момент выемка попадала напротив собачки, позволяя ей зацепить храповик следующего ротора при последующем нажатии клавиши. Когда же собачка не попадала в выемку, она просто проскальзывала по поверхности кольца, не цепляя шестерёнку. В системе с одной выемкой второй ротор продвигался вперёд на одну позицию за то же время, что первый - на 26. Аналогично, третий ротор продвигался на один шаг за то же время, за которое второй делал 26 шагов. Особенностью машины было то, что второй ротор также поворачивался, если поворачивался третий. Это означает, что второй ротор мог повернуться дважды при двух последовательных нажатиях клавиш - так называемое «двухшаговое движение», - что приводило к уменьшению периода .
Двухшаговое движение отличает функционирование роторов от нормального одометра . Двойной шаг реализовывался следующим образом: первый ротор поворачивался, заставляя второй также повернуться на один шаг. И, если второй ротор продвинулся в нужную позицию, то третья собачка зацепляла третью шестерёнку. На следующем шаге эта собачка толкала шестерёнку и продвигала её, а также продвигала и второй ротор.
С тремя дисками и только с одной выемкой в первом и втором диске, машина имела период 26×25×26 = 16 900. Как правило, сообщения не превышали пары сотен символов, и, следовательно, не было риска повтора позиции роторов при написании одного сообщения.
В четырёхроторных военно-морских моделях никаких изменений в механизм внесено не было. Собачек было только три, то есть четвёртый ротор никогда не двигался, но мог быть вручную установлен на одну из 26 позиций.
При нажатии клавиши роторы поворачивались до замыкания электрической цепи.
Роторы Энигмы в собранном состоянии. Три подвижных ротора помещены между двумя неподвижными деталями: входное кольцо и рефлектор (помечен «B» слева).
Входное колесо
Рефлектор
За исключением ранних моделей A и B, за последним ротором следовал рефлектор (нем. Umkehrwalze ), запатентованная деталь, отличавшая семейство Энигмы от других роторных машин, разработанных в то время. Рефлектор соединял контакты последнего ротора попарно, коммутируя ток через роторы в обратном направлении, но по другому маршруту. Наличие рефлектора гарантировало, что преобразование, осуществляемое Энигмой, есть инволюция , то есть дешифрование представляет собой то же самое, что и шифрование . Однако наличие рефлектора делает невозможным шифрование какой-либо буквы через саму себя. Это было серьёзным концептуальным недостатком, впоследствии пригодившимся дешифровщикам.
В коммерческой модели Энигмы C рефлектор мог быть расположен в двух различных позициях, а в модели D - в 26 возможных позициях, но при этом был неподвижен в процессе шифрования. В модели, применявшейся в абвере , рефлектор двигался во время шифрования, как и остальные диски.
В армейской и авиационной моделях Энигмы рефлектор был установлен, но не вращался. Он существовал в четырёх разновидностях. Первая разновидность была помечена буквой A. Следующая, Umkehrwalze B , была выпущена 1 ноября 1937 года. Третья, Umkehrwalze C , появилась в 1941 году. Четвёртая, Umkehrwalze D , впервые появившаяся 2 января 1944 года, позволяла оператору Энигмы управлять настройкой коммутации внутри рефлектора.
Коммутационная панель
Коммутационная панель в передней части машины. Могло использоваться до 13 соединений. На фотографии переключены две пары букв (S-O и J-A).
Коммутационная панель (нем. Steckerbrett ) позволяет оператору варьировать соединения проводов. Впервые она появилась в немецких армейских версиях в 1930 году и вскоре успешно использовалась и в военно-морских версиях. Коммутационная панель внесла огромный вклад в усложнение шифрования машины, даже больший, чем введение дополнительного ротора. С Энигмой без коммутационной панели можно справиться практически вручную, однако после добавления коммутационной панели взломщики были вынуждены конструировать специальные машины.
Кабель, помещённый на коммутационную панель, соединял буквы попарно, например, E и Q могли быть соединены в пару. Эффект состоял в перестановке этих букв до и после прохождения сигнала через роторы. Например, когда оператор нажимал E, сигнал направлялся в Q, и только после этого уже во входной ротор. Одновременно могло использоваться несколько таких пар (до 13).
Каждая буква на коммутационной панели имела два гнезда. Вставка штепселя разъединяла верхнее гнездо (от клавиатуры) и нижнее гнездо (к входному ротору) этой буквы. Штепсель на другом конце кабеля вставлялся в гнезда другой буквы, переключая тем самым соединения этих двух букв.
Аксессуары
Удобной деталью, использовавшейся на Энигме модели M4, был так называемый «Schreibmax», маленькое печатающие устройство, которое могло печатать все 26 букв на небольшом листе бумаги. В связи с этим, не было необходимости в дополнительном операторе, следящем за лампочками и записывающем буквы. Печатное устройство устанавливалось поверх Энигмы и было соединено с панелью лампочек. Чтобы установить печатающее устройство, необходимо было убрать крышечки от ламп и все лампочки. Кроме того, это нововведение повышало безопасность: теперь офицеру-связисту не обязательно было видеть незашифрованный текст. Печатающее устройство было установлено в каюте командира подводной лодки, а офицер-связист только вводил зашифрованный текст, не получая доступа к секретной информации.
Другим аксессуаром была отдельная удалённая панель с лампочками. В варианте с дополнительной панелью деревянный корпус Энигмы был более широким. Существовала модель панели с лампочками, которая могла быть впоследствии подключена, но это требовало, как и в случае с печатающим устройством «Schreibmax», замены заводской панели с лампочками. Удалённая панель позволяла человеку прочитать расшифрованный текст без участия оператора. В 1944 году военно-воздушные силы ввели дополнительный переключатель коммутационной панели, названный «Uhr» (часы). Это была небольшая коробка, содержащая переключатель с 40 позициями. Он заменял стандартные штепсели. После соединения штепселей, как определялось в списке кодов на каждый день, оператор мог поменять переключатель в одной из этих 40 позиций. Каждая позиция приводила к различной комбинации телеграфирования штепселя. Большинство из этих соединений штепселей, в отличие от стандартных штепселей, были непарными.
Математическое описание
Преобразование Энигмы для каждой буквы может быть определено математически как результат перестановок . Рассмотрим трёхроторную армейскую модель. Положим, что P обозначает коммутационную панель, U обозначает отражатель, а L, M, R обозначают действия левых, средних и правых роторов соответственно. Тогда шифрование E может быть выражено как:
После каждого нажатия клавиш ротор движется, изменяя трансформацию. Например, если правый ротор R проворачивается на i позиций, происходит трансформация , где ρ - циклическая перестановка, проходящая от A к B, от B к C, и так далее. Таким же образом, средний и левый ротор могут быть обозначены как j и k вращений M и L. Функция шифрования в этом случае может быть отображена следующим образом:
Процедуры для использования Энигмы
В германских вооружённых силах средства связи были разделены на разные сети, причём у каждой были собственные настройки кодирования для машин Энигмы. В английском центре дешифровки Блетчли-Парк (англ. Bletchley Park ) эти коммуникационные сети именовались ключами и им были присвоены кодовые имена, такие как Red, Chaffinch или Shark. Каждой единице, работающей в сети, на новый промежуток времени назначались новые настройки. Чтобы сообщение было правильно зашифровано и расшифровано, машины отправителя и получателя должны были быть одинаково настроены, конкретно идентичными должны были быть: выбор роторов, начальные позиции роторов и соединения коммутационной панели. Эти настройки оговаривались заранее и записывались в специальных шифровальных книгах.
Первоначальное состояние шифровального ключа Энигмы включает следующие параметры:
- Расположение роторов: выбор роторов и их расположение.
- Первоначальные позиции роторов: выбранные оператором, различные для каждого сообщения.
- Настройка колец: позиция алфавитного кольца, совпадающая с роторной схемой.
- Настройки штепселей: соединения штепселей на коммутационной панели.
Энигма была разработана таким образом, чтобы безопасность сохранялась даже в тех случаях, когда шпиону известны роторные схемы, хотя на практике настройки хранятся в секрете. С неизвестной схемой общее количество возможных конфигураций может быть порядка 10 114 (около 380 бит), с известной схемой соединений и других операционных настроек этот показатель снижается до 10 23 (76 бит). Пользователи Энигмы были уверены в её безопасности из-за большого количества возможных вариантов. Нереальным было даже начать подбирать возможную конфигурацию.
Индикаторы
Большинство ключей хранилось лишь определённый период времени, обычно сутки. Однако для каждого нового сообщения задавались новые начальные позиции роторов. Это обуславливалось тем, что если число сообщений, посланных с идентичными настройками, будет велико, то криптоаналитик , досконально изучивший несколько сообщений, может подобрать шифр к сообщениям, используя частотный анализ. Подобная идея используется в принципе «инициализационного вектора» в современном шифровании. Эти начальные позиции отправлялись вместе с криптограммой, перед зашифрованным текстом. Такой принцип именовался «индикаторная процедура». И именно слабость подобных индикационных процедур привела к первым успешным случаям взлома кода Энигмы.
Одни из ранних индикационных процедур использовались польскими криптоаналитиками для взлома кода. Процедура заключалась в том, что оператор настраивал машину в соответствии со списком настроек, которые содержат главные первоначальные стартовые позиции роторов. Допустим, главное ключевое слово - AOH. Оператор вращал роторы вручную до тех пор, пока слово AOH не читалось в роторных окошках. После этого оператор выбирал свой собственный ключ для нового сообщения. Допустим, оператор выбрал слово EIN. Это слово становилось ключевым для данного сообщения. Далее оператор ещё один раз вводил слово EIN в машину для избежания ошибок при передаче. В результате, после двойного ввода слова EIN в криптограмме отображалось слово XHTLOA, которое предшествовало телу основного сообщения. И наконец, оператор снова поворачивал роторы в соответствии с выбранным ключом, в данном примере EIN, и вводил далее уже основной текст сообщения.
При получении данного шифрованного сообщения вся операция выполнялась в обратном порядке. Оператор-получатель вводил в машину начальные настройки (ключевое слово AOH) и вводил первые шесть букв полученного сообщения (XHTLOA). В приведённом примере отображалось слово EINEIN, то есть оператор-получатель понимал, что ключевое слово - EIN. После этого он устанавливал роторы на позицию EIN, и вводил оставшуюся часть зашифрованного сообщения, на выходе получая чистый дешифрованный текст.
В этом методе было два недостатка. Во-первых, использование главных ключевых настроек. Впоследствии это было изменено тем, что оператор выбирал собственные начальные позиции для шифрования индикатора и отправлял начальные позиции в незашифрованном виде. Вторая проблема состояла в повторяемости выбранного оператором-шифровщиком слова-индикатора, которая была существенной трещиной в безопасности. Ключ сообщения шифровался дважды, в результате чего прослеживалось закономерное сходство между первым и четвёртым, вторым и пятым, третьим и шестым символами. Этот недостаток позволил польским дешифровщикам взломать код Энигмы уже в 1932 году. Однако, начиная с 1940 года, немцы изменили процедуры для повышения безопасности.
- «GREEN» - японский клон Энигмы, малоиспользуемая машина, содержащая четыре ротора, расположенных вертикально.
- В США криптоаналитик Уильям Фридман изобрёл «M-325», шифровальную машину, подобную Энигме в логических операциях, хотя отличную по конструкции.
- Уникальная роторная машина была изобретена в 2002 году голландским криптоаналитиком Татьяной ван Варк (Tatjana van Vark).
Энигма сегодня
Попытки «взломать» Энигму не предавались гласности до конца
Как мы помним, сюжетная линия фильма "Из России с любовью" крутилась вокруг дешифратора, с помощью которого открывался доступ к советским государственным тайнам. За чем же охотился Джеймс Бонд и стоило ли оно того?
Хитрый Геродот
Испокон веков успех многих военных операций зависел от точности и своевременности информации о противнике. Потому качество разведки (читай "шпионажа") всегда ставилось во главу угла. Для защиты от перехвата важные сведения необходимо качественно шифровать. На решение этой проблемы всегда бросали лучшие умы. Например, еще Цезарь для секретной переписки использовал специфический шифр: каждый символ сообщения заменялся на другой, отстоящий от него на определенное число позиций в алфавите.
Другой античный гений - Геродот - был куда как изобретательнее в своих шифровальных изысканиях. Однажды он создал секретное послание в виде татуировки на обритой голове раба. Лысина затянулась свежей волосяной порослью, под которой месседж не был виден. Там же - на родине Геродота - был изобретен едва ли не первый шпионский гаджет - скитала. Она представляла собой палочку, которая использовалась для перестановочного шифрования (примерно то же, чем занимался Цезарь).
Со временем шпионские машинки становились все более затейливыми и оригинальными. В эпоху Средневековья различные девайсы активно выдумывала инквизиция, в век Просвещения и в Новое время - ученые мужи. Назначение их изобретений, например, шифра Джефферсона, было далеко от военных дел. Хотя многие наработки впоследствии нашли свое применение в шифровальных машинах разведок многих стран мира.
ЗАГАДКИ И РЕБУСЫ
Внешний вид шифровальной машинки Enigma.
Расцвет различных механических шифраторов\дешифраторов приходится на эпоху величайших по размаху войн - на начало ХХ века. Разработки подобных машин велись с переменным успехом и в странах Европы (в первую очередь в Англии и Германии), и в США, и в Советской России. Наибольшую популярность приобрела Enigma - разработка немецких инженеров.
Машина названа так не по имени своего изобретателя - слово есть такое, в переводе обозначает "загадка". А придумал и запатентовал эту машинку Артур Шербиус. В разное время были разработаны и запатентованы четыре варианта, но ни один не получил коммерческого успеха ввиду дороговизны. Шербиус не сдавался и перешел работать в контору, которая купила у него патент на изобретение. До триумфа своего детища Артур не дожил. Прошло несколько лет, прежде чем стараниями инженеров "Энигма" не стала вызывать интерес различных структур. В первую очередь ею заинтересовались офицеры Рейхсвера. Жребий брошен…
Модификации
Схема работы шифровальной машины Enigma.
Силами специалистов Вермахта "Энигма" постоянно совершенствовалась и пережила несколько модификаций: А,В,С и др. Один из простейших вариантов - модификация В - представляла собой своего рода электрическую пишущую машинку. Она состояла из комбинации механических и электрических систем. Механическая часть - это клавиатура раскладки QWERTY, набор вращающихся роторов, расположенных вдоль вала. Роторы приводились в движение ступенчатым механизмом при нажатии той или иной клавиши. Конкретный механизм работы от модификации к модификации мог варьироваться, но в общих чертах был таким.
Механические части агрегата двигались, образуя меняющийся электрический контур. То есть шифрование букв осуществлялось электрически. При каждом нажатии клавиши самый правый ротор сдвигался на одну позицию, а при определенных условиях сдвигались и другие роторы. Их движения приводило к различным криптографическим преобразованиям при каждом следующем нажатии клавиши на клавиатуре. Постоянное изменение электрической цепи вследствие вращения роторов позволяло реализовать многоалфавитный шифр подстановки. Например, контакт, отвечающий за букву E, мог быть соединен с контактом буквы T на другой стороне ротора. Но при использовании нескольких роторов в связке (3-4) за счет их постоянного движения шифрование получалось более надежным.
На каждый хитрый шифр всегда найдется…
"Всем peace!", - сказал Уинстон Черчилль и бросил на расшифровку кода Enigma лучшие умы Великобритании.
Заметив шифровальную активность Германии, потенциальные противники занялись контрмерами. Например, в Польше начали с теоретических основ машинной криптологии и потихоньку практиковались в деле расшифровки. После безоговорочного разгрома Польши пальму первенства в этих начинаниях подхватила Франция. Которую, как мы помним, тоже оккупировали. Потому хитрые англичане выступили преемниками и добились в деле расшифровки хороших результатов. Они начали с детального криптологического и математического анализа. Для этого были необходимы и сами шифровки, и уже готовые расшифрованные тексты. На следующем этапе англичане подключили целую армию экспертов в различных отраслях: лингвистики, математики, механики - всего, по разным данным, до 10.000 человек. Весь кропотливый процесс работы курировал лично Уинстон Черчилль, который понял важность подобного рода работы еще в 1914 году.
Процесс расшифровки пошел гораздо быстрее, когда в команде шифровальщиков появился Алан Тюринг. Им была создана модель анализа, получившая название "машина Тюринга". Алан первым догадался внимательно вслушиваться в ежеутренние зашифрованные метеосводки. В них обязательно содержалось слово "погода" (Wetter), которое стояло в строго определенном месте предложения, согласно правилам немецкой грамматики. Плюс ко всему на руку криптологам сыграло множество факторов: ошибки немецких операторов, захваты экземпляров "Энигмы" и шифровальных книг… Одним словом, с начала лета 1940 года англичане расшифровывали все сообщения, передаваемые при помощи "Энигмы". Есть мнение, что без такого успеха Вторая мировая война могла продолжаться на пару лет дольше. Хотя не исключено, что англичане преувеличивают свой вклад. Машинка машинкой, а значение Второго фронта еще никто не отменял…
Шпионские истории всегда вызывают повышенный интерес у публики. Дух авантюризма и невероятная смекалка секретных агентов, взламывающих сейфы и разгадывающих без проблем суперсекретные шифры завораживают зрителей. Но на самом деле как минимум с последним пунктом всё куда прозаичнее.
30 09 2015
16:19
В секретных службах у каждого своя задача – та, с которой именно этот специалист справляется лучше всего. А в сфере шифрования данных наиболее эффективными работниками являются вовсе не люди, а машины. О них и поговорим.
Самая известная в мире шифровальная машина, которая использовалась фашистской Германией во времена Второй Мировой Войны. Именно с её помощью командование Третьего Рейха передавало большую часть секретной информации. Знать планы врага было необходимо, а вот захватить того, кто бы поведал секрет Enigma, оказалось невозможно.
Сегодня, спустя десятилетия, мы можем достаточно подробно объяснить её устройство кому угодно.
Портативное устройство 20-х годов выпуска выглядело как чемодан, как и обычные печатные машинки того времени. Но помимо стандартной клавиатуры и валиков, двигающих лист бумаги, в Enigma значительную часть пространства занимали электронная и механическая составляющие.
В основе машины лежит работа трёх роторов и ступенчатого механизма, который двигал при нажатии на клавишу один или несколько роторов.
Схема без пояснения выглядит достаточно сложно, поэтому требуется краткое объяснение. При нажатии на клавишу проходящий ток двигал правый ротор. В зависимости от того, какая буква или символ шёл дальше, последовательно сдвигались второй и третий роторы (в некоторых моделях роторов было 4). Затем ток отражался от рефлектора, расположенного в электрической цепи после роторов, и возвращался на них же, но уже другим путём, соответственно сдвигая их. Соответственно, на выходе получался текст, состоящий из совершенно других букв, нежели те, что были набраны оператором. За счёт постоянного изменения конфигурации электрической цепи шифр получался более надёжным, хотя и представлял собой элементарную замену одних букв на другие.
Минусов у такого способа шифрования было несколько, и одним из главных была невозможность шифрования какого-либо символа через самого себя. Этим Энигма была обязана рефлектору, который помогал сделать шифр сложнее, но в итоге сильно упростил работу дешифровщикам.
Дешифровка кода Enigma принесла всемирную известность человеку, расшифровавшему её код – Алану Тьюрингу. Вернее, именно так этот факт упоминается чаще всего. На самом деле непосредственного участия в дешифровке британский математик и криптограф не принимал. Он разработал математический логический аппарат для Bombe – машины, с помощью которого специалистами разведки и контрразведки был уже непосредственно расшифрован код.
Если сама Enigma была размером с печатную машинку, то Bombe весила 2,5 тонны и представляла собой аналог большого шкафа габаритами 3х2,1х0,6 метра. После войны все Bombe были уничтожены за ненадобностью (и для сохранения секретности). На её восстановление у современных учёных ушло 2 года – настолько сложной она оказалась.
Было бы странным и небезопасным решением шифровать все сообщения как между рядовыми подразделениями, так и в рядах командования, одним способом. Поэтому второй, чуть менее известной шифровальной машиной Второй Мировой Войны стал Lorenz. В отличие от Энигмы этот аппарат был весьма громоздким и не подходил для временных лагерей и быстрых перемещений, в связи с чем устанавливался в основном в крупных штабах. Почему же немцы, которые понимали преимущества мобильности, не сделали его более компактным? Ответ на это в его предназначении – он производил потоковое шифрование с использованием телетайпа. Телетайп – это устройство, представляющее собой печатную машинку с включением электронных элементов для передачи сообщения по каналу (чаще всего проводному каналу).
Фото: Lorenz с кожухом и без него
Одна и та же машина могла как шифровать, так и дешифровывать текст, что было довольно-таки рискованно, но оправдано, так как в случае захвата командования никакие устройства уже не помогут. Информация кодировалась при помощи 12 дисков, которые располагались в двух частях машины. Они разделялись на 3 части – пси-, хи- и мю-диски, каждый из которых имел определённое количество контактов. Контакты меняли раз в квартал, раз в месяц и раз в день соответственно. Сообщение передавалось с использованием бумажной перфорированной ленты (прообраза современных носителей информации), на которой его пробивала машина получающей стороны.
Однако на каждую хитрую гайку найдётся свой болт с резьбой. Британской разведке потребовалось создать машину, названную Colossus, которая была мощнее (относительно выполняемых задач) вышедшего много позже Pentium 1996.
Этот аппарат иногда называют одним из первых компьютеров в мире, хотя таковым в прямом смысле этого слова он не является. В его механизме присутствовали электронные схемы, выполнявшие цифровые функции, но отсутствовала как таковая память – вместо этого использовалась замкнутая перфолента. Полторы тысячи электронных ламп, несколько операторов, сменявших друг друга, отдельное помещение и невероятный метраж перфоленты – вот как выглядела установка для дешифровки сообщений немецкого командования.
Как она работала? Перехватываемые сообщения пробивались на перфоленте и проходили через машину на скорости около 80 км/ч. Каждый символ кодировался 5 областями, на месте которых могло располагаться либо отверстие, либо участок ленты. Далее при помощи построенной Биллом Таттом статистической модели Lorenz, машина прогоняла полученную информацию по 501 шаблону (именно столько их было выявлено для данного типа шифрования) и находила соответствия, анализируя данные и выдавая результат в печатном виде. Этот метод позволил сократить расходы времени на расшифровку с нескольких дней до пары часов.
Можно заметить, насколько сильно различались по размеру машины для создания и взлома тайных кодов. Другими словами, это как раз тот случай, когда ломать не проще, чем строить.
Цикл статей о технологиях шифрования и дешифровки будет продолжен.
Дмитрий Потапкин, специально для Обзор.press.
