Вступление
Созданная в начале 20-ого века шифровальная машина Enigma(для удобства далее – Энигма) оказала огромное влияние на ход Второй Мировой войны. Именно об этой машине прежде всего вспоминают, когда речь заходит о криптографии, потому многие желали бы узнать, как же она устроена, каков принцип её работы и какова история её применения. И если о её истории можно найти немало легко усвояемой информации, которая, тем не менее, порой всё равно содержит немало ошибок, то информация касательно её строения обычно описана довольно запутанным языком.
Именно поэтому мы решили рассказать достоверную историю участия Энигмы во Второй Мировой Войне и понятным языком объяснить то, как ей пользовались и как она устроена.
Шифровальная машина Энигма
23 февраля 1918 была запатентована первая роторная шифровальная машина с названием «Энигма». (роторная машина – это в широком смысле любая машина, рабочим органом к-рой является ротор)
Механизм Энигмы
Как же работает механизм Энигмы? При нажатии какой-либо кнопки на клавиатуре с определённой буквой (одной из 26 букв латинского алфавита) правый ротор сдвигается на одну (из 26 в соответствии с количеством букв) позиций. После того как предыдущий ротор совершает полный оборот текущий ротор тоже начинает своё движение и сдвигается на 1 деление.
У каждого ротора каждое деление отмечено соответствующим числом, при чём текущее число можно увидеть через специальное отверстие в корпусе. Числа, соответствующие установленным до начала шифровки делениям, представляют из себя код, необходимый для дальнейшей дешифрации. Этот код передавался радистам.
Механические детали приходят в движение, в следствии чего происходит замыкание контактов и образование электрического контура. После нажатия кнопки с определённой буквой загорается лампочка с другой буквой, заменяющей изначальную. При этом выгодной особенностью данной машины является то, что при вводе одной и той же буквы машина не выдавала одинаковый результат, что лишний раз уверяло немцев в невозможности дешифровки.
Также ещё одной особенностью машины Энигма, значительно усложнявшей дешифрацию закодированных сообщений, являлся так называемый коммутатор, устройство для замыкания электрической цепи или для изменения направления тока.
На определённом участке электрической цепи, соединявшей изначальную букву с её аналогом, использовавшимся для дешифрации, располагаются провода – отсоединяемая часть коммутатора. Коммутатор внешним видом напоминает часть механизма телефонной станции, позволявшей соединять разных абонентов, потому и носит с ней одинаковое название. Коммутатор позволяет вручную изменять электрическую цепь, соединяющую буквы по парам, что делает дешифровку ещё труднее.
Дополнительной трудностью для дешифраторов стало и то, что у немецких солдат было 5 роторов, из которых 3 могли быть установлены в саму Энигму. Зная это и предыдущие факторы, можно вывести следующую формулу:
1) Найдём количество вариантов расстановки 5 роторов на 3 деления
5 * 4 * 3 = 60, где 5 – кол-во вариантов для установки 1-ого ротора; 4 – кол-во вариантов для установки 2-ого ротора, при чём кол-во вариантов сократилось, так как один из роторов по условию уже был установлен в предыдущий паз, потому и число роторов, из которых можно выбрать сократилось на 1; 3 – кол-во вариантов для установки 3 – его ротора, логика аналогичная.
2) Далее вычислим количество вариантов кода, составленного из 26-и возможных значений на каждом из 3-ёх роторов без учёта вариантов, полученных при помощи манипуляций с коммутатором:
26 * 26 * 26 = 263 = 17 576
Данное вычисление необходимо для того, чтобы показать ужасающе громадное количество вариантов кода, которое лишь увеличится с применением коммутатора.
3) Найдём конечное число вариантов, которое можно получить при помощи коммутатора:
4) В конечном итоге можно вычислить, что число комбинаций, которое можно получить при помощи Энигмы таково:
158 962 555 217 826 360 000
158 квинтиллионов 962 квадриллиона 555 триллионов 217 миллиардов 826 миллионов 360 тысяч
Сама Энигма никак не могла осуществлять передачу кода, потому передача кодов осуществлялась посредством громадных листов с параметрами настройки Энигмы для каждого дня. Каждый такой лист был разделён на 5 столбцов, в которых слева направо указывались: Дата, Номер ротора (римскими цифрами от 1 до 5), Код роторов (3 числа для 3-ёх роторов соответственно), Пары букв (для правильного соединения коммутаторов) и Комбинация из трёх букв.
Такие листы писались невидимыми чернилами, чтобы в случае неминуемого попадания к противнику солдату было легче избавиться от секретной информации. При этом подобные листы обновлялись ежемесячно.
Первые попытки расшифровать Энигму
Первый экземпляр шифровальной машины попал в руки Польской разведки в 1929 году. Коробку с машиной конфисковали на таможне. Началась дешифровка. В этом процессе были задействованы умы множества профессиональных дешифраторов. Навсегда в истории осталось имена трёх математиков: Мариан Реевский, Генрих Зыгальский и Ежи Рожицкий. На взлом им понадобилось почти три года.
Изначальная стратегия заключалась в создании таблиц соответствий. То есть, в рамках Бюро шифров пытались вычислить, какую букву можно получить из "А" при использовании дневного кода "АБВ", из "Б" при коде "БВГ" и так далее. Однако вскоре стало ясно, что количество вариантов таблиц оценивается числом с двадцатью шестью нулями.
Дальнейшая работа позволила сократить это число примерно до 10 тысяч комбинаций. Кроме того, для упрощения расшифровки было создано устройство, называемое шифровальной бомбой. Она позволяет считывать зашифрованный текст, но ненадолго. В 1938 году немцы усложнили механизм шифрования, затруднив дальнейшую работу дешифраторов и отбросив их работу на годы назад. Полный взлом новой версии «Энигмы» поляки не успели завершить, и с началом войны передали все разработки британцам.
Блетчли-парк
В начале 1940-х работа по взлому «Энигмы» проходила в секретном центре британской разведки Station X, известном впоследствии как Блетчли-парк.
Весь процесс дешифрования был строго засекречен и получил условное название — операция «Ультра». В ней принимали участие тысячи специалистов-дешифраторов, шахматистов, физиков и лингвистов. Некоторые занимались радиоперехватом, другие — работали над аппаратурой, криптоаналитики разрабатывали методы взлома и искали уязвимости в системе, операторы же занимались расшифровкой сообщений. Всё было настолько секретно, что многие из них даже не подозревали о существовании такой машины, как «Энигма», они просто выполняли свою работу.
Согласно слухам, при принятии на работу в Блетчли-парк, у офицера на столе обычно лежал револьвер, и кандидатов откровенно предупреждали о том, что они могут быть застрелены, если раскроют информацию о своей деятельности. Даже собственная мать была включена в список тех, кому нельзя было раскрывать никаких деталей. Лишние разговоры могли привести к гибели целого города. Секретность операции «Ультра» сохранялась до середины 1970-х годов, а некоторые ее документы до сих пор остаются засекреченными.
В математико-криптографический отдел разведки Блетчли-парка вошли учёные Алан Тьюринг, Адьфред Нокс и Гордон Уэлчман, внёсшие главный вклад во взлом Энигмы.
Британцы обнаружили, что операторы часто повторяли одни и те же фразы в течение дня. Например, концы сообщений часто совпадали (содержали нацистские приветствия) или иногда передавались одинаковые метеосводки. Это позволило им составить таблицу соответствий. Однако количество вариантов, которые необходимо было рассмотреть, было огромным, и все математики из центра не справлялись с этой задачей. Дешифровка сообщений начиналась утром и заканчивалась вечером. После этого ключ менялся, и все начиналось заново.
В результате, Алан Тьюринг принял решение выбрать иной путь, создав электромеханическое устройство, основанное на работе польской "Шифровальной бомбы", которое было соединено с шифровальной машиной «Энигма», добытой в ходе войны. Это устройство было способно гораздо быстрее подбирать комбинации по сравнению с человеком, что позволяло расшифровывать до 3 тысяч сообщений в день. Таким образом, машина Тьюринга стала одним из исходных прототипов для современных компьютеров.
Заключение
Шифровальная машина Enigma, действительно, была страшным оружием в руках нацистов, которое оказывало ключевое влияние на весь ход Второй Мировой Войны. Если бы по итогу не удалось создать аппарат для расшифровки закодированных сообщений, история могла бы пойти по совершенно иному пути, вплоть до победы Третьего Рейха. Хотя «история не знает сослагательного наклонения», поэтому это лишь теории. Подобную значимость Enigma могла иметь лишь в связи со сложностью своего строения. И доказательством этому служит, как её строение, методы её эксплуатации, так и история попыток её взлома. Подобное гениальное изобретение достойно того, чтобы оставаться не затерянным в анналах истории, и, как, мы считаем, наша статья и выступление прекрасно этому способствуют. Поставленные задачи были выполнены и работа, как нам кажется, может быть охарактеризована как успешная.
Благодарим за внимание!