Содержание:
1. Краткая история криптографии
2. Роторные шифровальные машины и первые образцы Энигмы
3. Значение Энигмы в эпоху Второй Мировой Войны
4. Принцип работы Энигмы
5. Расшифровка кода Энигмы
6. Источники
1. Краткая история криптографии
1.1 Тайнопись древних цивилизаций.
Криптография - искусство охраны информации.
Желание человека скрыть информацию привело к возникновению криптографии. Письменность сама по себе первоначально была формой шифрования, создавая потребность в сложных системах для обеспечения секретности.
В различных сферах, от военных операций до торговли и религиозных обрядов, криптография играла важную роль. Древние примеры шифрования включают:
• Древнеегипетский папирус с измененными иероглифами
• Атбаш, древнесемитский шифр, использующий замену букв
• Скитала, спартанский шифр с пергаментом, обернутым вокруг цилиндра
• Шифровальный диск Энея Тактика
• Шифр Цезаря, один из первых зафиксированных шифров, основанный на сдвиге букв
В период расцвета арабской цивилизации криптография получила значительное развитие благодаря прогрессу в математике и лингвистике.
Эволюция криптографии привела к появлению научного криптоанализа и внедрению все более сложных шифров, заменивших простые загадки.
1.2 Эпоха шифровальных машин
Промышленная революция не обошла своим вниманием криптографию. Около 1790 года Томас Джефферсон, один из отцов-основателей США, создал "цилиндр Джефферсона" — дисковый шифр, ставший первым криптоустройством Нового времени. Основанный на роторной системе, этот прибор автоматизировал процесс шифрования.
Потребность в надежном шифровании во время военных конфликтов XIX-XX веков оказала значительное влияние на развитие криптографии. Британские военные использовали шифр Плейфера, шифрующий биграммы, до Второй мировой войны. Во время войны противники применяли сложные электромеханические шифровальные машины, такие как немецкая "Энигма" и американская M-209. Советский Союз также разработал роторную шифровальную машину "Фиалка", которая использовала 10 роторов и бумажную ленту для вывода информации.
2. Роторные шифровальные машины и первые образцы Энигмы
2.1 Основные принципы работы роторных машин
Роторные шифровальные машины — это электромеханические устройства, используемые для шифрования сообщений с помощью сложных алгоритмов. Они сыграли фундаментальную роль в развитии криптографии в начале 20-го века и по сей день остаются важными инструментами в области информационной безопасности.
Основные принципы работы роторных машин включают в себя:
2.1.1 Механизмы шифрования
Роторные шифровальные машины отличаются применением роторов – дисковых или барабанных элементов с размещенными на них символами алфавита. При шифровании нажатие на любую клавишу заставляет роторы двигаться, изменяя соотношение между вводимыми символами и их аналогами на роторах. Таким образом, создаются сложные шифры путем применения полиалфавитной замены.
2.1.2 Полиалфавитная шифровка
Роторные шифровальные машины используют принцип полиалфавитной подстановки. В отличие от традиционных методов, где каждый символ исходного текста заменяется одним новым символом, в этой системе каждому символу соответствуют несколько возможных шифров. Этот подход усложняет взлом, поскольку частотное распределение символов в зашифрованном тексте становится менее очевидным, снижая эффективность методов статистического анализа.
2.1.3. Ключ шифрования
Эффективная работа роторной шифровальной машины зависит от секретного ключа шифрования. Этот ключ определяет исходное положение роторов и дополнительные параметры, влияющие на процесс шифрования. Без знания этого ключа взлом шифра становится практически невыполнимой задачей. Сложность поиска правильного ключа значительно увеличивается из-за огромного количества возможных комбинаций, что делает роторные машины чрезвычайно устойчивыми к попыткам дешифрования.
2.1.4 Инверсия шифра
Роторные шифровальные машины обладают способностью не только шифровать, но и дешифровать сообщения. Этот процесс осуществляется на приемной стороне с помощью такой же машины, настроенной с использованием идентичного ключа шифрования, который был использован на передающей стороне. Поступающее зашифрованное сообщение проходит через роторную машину в обратном направлении, что позволяет восстановить исходный текст. Это удобство делает роторные машины эффективными устройствами как для шифрования, так и для дешифрования конфиденциальной информации.
Таким образом, в основе работы роторных шифровальных машин лежит принцип использования роторов для создания сложных шифров с применением полиалфавитной подстановки, контролируемой ключом шифрования. Эти устройства стали значительным шагом вперед в развитии криптографии, обеспечивая более надежную защиту информации. Роторные машины продолжают оставаться актуальными и в настоящее время, играя важную роль в обеспечении конфиденциальности и безопасности данных.
2.1.5 Первые прототипы Энигмы
Роторные шифровальные машины достигли своего расцвета во время мировых войн, когда потребность в надежной передаче зашифрованных сообщений стала критически важной. Несмотря на то, что в Первую мировую войну они еще не были широко распространены, изобретение прототипа Энигмы Эдвардом Хэпберном в 1917 году заложило основу для будущей популярности этих устройств.
Энигма, известная своей симметрией (двойное шифрование восстанавливало исходное сообщение), стала массово производиться с 1923 года благодаря немецкому инженеру Артуру Шребиусу. В последующие 25 лет было разработано множество различных моделей Энигмы, от простых устройств с ламповыми дисплеями до сложных машин, печатающих сообщения на бумаге.
Первой массовой моделью стала Enigma A, послужившая прототипом для знаменитой Enigma I, использовавшейся во время Второй мировой войны. После нее появились модели B, C и D, отличавшиеся только конфигурацией роторов, но сохранявшие принцип вывода сообщений на ламповые дисплеи.
В 1926 году была разработана Schreibende Enigma (Пишущая Энигма). Она имела 4 шифровальных ротора и 28 клавиш для ввода сообщений. Положение роторов регулировалось вручную с помощью ручек на корпусе машины. Уникальной особенностью Schreibende Enigma была возможность печатать зашифрованные сообщения на бумаге, что значительно повысило удобство и эффективность ее использования.
3. Значение Энигмы в эпоху Второй Мировой Войны
Во время Второй мировой войны шифровальная машина "Энигма" оказала огромное влияние на военные действия.
Использование "Энигмы" немецким командованием привело к созданию надежного и сложного шифра. Эта машина служила основой для обмена секретной информацией между высшим эшелоном Третьего Рейха и его армией.
Сложность шифра "Энигмы" создавала значительные трудности в дешифровке сообщений для криптоаналитиков союзников. В течение длительного времени немцы считали свой шифр практически нерушимым, получая преимущество в передаче конфиденциальных данных.
Однако благодаря неустанным усилиям криптоаналитиков, особенно из Великобритании и США, шифр "Энигмы" был взломан. В результате были разработаны передовые криптоаналитические методы, включая использование электромеханических анализаторов, статистического анализа и в дальнейшем компьютеров.
Взлом кодов "Энигмы" имел огромное стратегическое значение. Анализ зашифрованных сообщений позволил союзникам получить ценные сведения о планах и действиях нацистской Германии. Благодаря этому стали возможны обоснованные стратегические решения, предотвращение катастроф и, в конечном счете, решающий вклад в исход войны.
Таким образом, "Энигма" не только стала одним из самых сложных шифровальных устройств своей эпохи, но и стала символом преобладания технологий, вписав себя в анналы криптографии и военной разведки.
4. Принцип работы Энигмы
Устройство состояло из определенного числа дисков, уложенных на единой оси (обычно их было 36). Каждый диск разделялся на 26 сегментов, каждый из которых представлял определенную букву алфавита. Буквы на дисках располагались в случайном порядке. Оператор мог вращением дисков составить нужное сообщение, а затем записать его на другом носителе. Чтобы расшифровать сообщение, получатель должен был обладать идентичным устройством с аналогичной раскладкой букв. Этот метод и его улучшения были довольно эффективными для своего времени. Однако, с наступлением XX века появилась потребность в автоматизации процесса шифрования.
В 1920 году голландский изобретатель Александр Кох создал первую роторную шифровальную машину. Благодаря немецким изобретателям, которые усовершенствовали машину и выпустили её под названием "Энигма" (от греческого слова "загадка"), данное изобретение стало широко распространенным среди компаний, желавших сохранить конфиденциальность своих сообщений. Главная изюминка "Энигмы" заключалась в том, что все знали алгоритм шифрования, но никто не мог догадаться нужного ключа, потому что количество возможных комбинаций превышало 15 квадриллионов.
Рассмотрим алгоритм работы трехроторной Энигмы. В устройстве было предусмотрено три специальных отсека для размещения трех роторов, а также дополнительный отсек для установки рефлектора. В период Второй мировой войны было произведено восемь различных роторов и четыре виды рефлекторов, однако одновременно использовалось только столько, сколько было необходимо для работы машины. Когда оператор выбирал нужную букву и нажимал на нее, происходило замыкание электрической цепи, что в итоге приводило к появлению зашифрованной буквы. Этот процесс замыкания цепи осуществлялся с помощью рефлектора.
На изображении проиллюстрирована последовательность действий при нажатии клавиши "А", приводящей к дешифровке буквы "G". После ввода символа крайний правый ротор смещался, изменяя ключ шифрования.
Для работы машины "Энигма" были разработаны восемь типов роторов. Каждый ротор содержал 26 контактов с различными соединениями. Например, если на вход первого ротора подается буква "N", то выходным сигналом будет только буква "W". При поступлении сигнала на второй ротор, он преобразуется в "T" и так далее. Каждый ротор выполнял определенную последовательность изменений.
Роторы устанавливались в конкретной последовательности, а внутренние кольца имели свою конфигурацию. Например, если используются роторы III, II и I, то кольца устанавливаются в порядке "C", "U" и "Q".
Рассмотрим работу "Энигмы" при нажатии клавиши "A".
Крайний правый ротор (ротор I) сдвигается на один шаг, перемещая букву "Q" на позицию "R". Ротор II также сдвигается на шаг, останавливаясь на букве "V".
В первом отсеке, где установлен ротор I, буква "A" преобразуется путем сложения с буквой "R" по модулю 26 (шифр Цезаря). Результатом является "R". Затем буква "R" преобразуется ротором I в "U".
Во втором отсеке буква "U" преобразуется путем сложения с разницей значений букв на втором и первом роторах ("V" - "R" = 4). Результатом является "Y". Затем буква "Y" преобразуется ротором II в "O".
В третьем отсеке буква "O" преобразуется путем сложения с разницей значений букв на третьем и втором роторах ("C" - "V" = 7). Результатом является "V". Затем буква "V" преобразуется ротором III в "M".
Перед рефлектором из буквы "M" вычитается буква "C" (результат "K"). Рефлектор (обозначенный как "B") заменяет "K" на "N".
На обратном пути буква "N" преобразуется путем обратных операций:
• Прибавление значения буквы "C" (результат "P").
• Вычитание разницы значений букв на третьем и втором роторах (результат "H").
• Вычитание разницы значений букв на втором и первом роторах (результат "W").
• Вычитание значения буквы "R" (результат "G").
Для повышения безопасности в "Энигму" была добавлена коммутационная панель, позволяющая попарно менять местами буквы. Например, если "Q" и "W" были поменяны местами, то нажатие клавиши "A" привело бы к выводу буквы "Q".
Порядок смещения роторов в "Энигме":
• Крайний правый ротор (ротор I) поворачивается на один шаг при каждом нажатии клавиши.
• Когда ротор I проходит через определенную позицию (в нашем примере "R"), он приводит в движение средний ротор (ротор II) на один шаг.
• В более совершенных моделях "Энигмы" ротор II мог поворачиваться два или три раза, когда ротор I проходил через определенные позиции. Такая схема движения роторов обеспечивала дополнительную безопасность, предотвращая повторяющиеся последовательности смещений.
5. Расшифровка кода Энигмы
Алан Тьюринг, выдающийся британский математик, логик и криптограф, оставил неизгладимый след в истории. Во время Второй мировой войны его блестящий ум и инновационные разработки сыграли решающую роль в победе над фашизмом.
Тьюринг был ключевым участником команды Блетчли-парка, которая расшифровывала секретные немецкие шифровки, передаваемые машиной "Энигма". Он разработал электромеханическую машину под названием "бомба", способную автоматизировать процесс дешифровки. Обнаружение секретов "Энигмы" предоставило Союзникам неоценимое преимущество, позволяя им прогнозировать немецкие планы и перехватывать вражеские сообщения. Это, в свою очередь, способствовало спасению бесчисленных жизней и приблизило победу.
Помимо своих достижений в криптографии, Тьюринг является основоположником теории вычислений. Он создал концепцию "машины Тьюринга", абстрактного устройства, способного выполнять различные вычисления. Эта концепция стала основой для развития современных компьютеров и положила начало цифровому веку.
Наследие Алана Тьюринга продолжает вдохновлять исследователей и инженеров по всему миру. Его вклад в криптографию и теорию вычислений сделал возможным современное общество, основанное на информации и технологиях.
6. Источники:
1. https://habr.com/ru/articles/534066/
2. https://rostec.ru/news/kriptografiya-istoriya-shifrovalnogo-dela/
3. https://moluch.ru/young/archive/47/2524/
4. Х\ф «Игра в имитацию» реж. Мортен Тильдум, 2014 год.