Енигма — шифровъчната машина: история, принцип и разбиване на кода

Енигма — шифровъчната машина: история, принцип и разбиване на кода. Научете как работи Енигма, полското и британското крипторазбиване и ключовата роля на „Ултра“ във Втората световна.

Машината "Енигма" е създадена за Германия от Артур Шербиус по време на Първата световна война.Тя е шифровъчна машина: начин да се променят буквите на съобщението, така че то да изглежда като зашифровани букви (или произволни букви).

Всеки път, когато се въведе буква, тя се появява като друга буква от азбуката. Изборът не е случаен. Те се определят от поредица от ротори, които всеки ден се настройват на различна начална позиция. Всяко натискане на клавиш завърта роторите в нова позиция.

Германските военни съобщения, написани на машината "Енигма", са разбити за първи път от Полското бюро за шифриране през декември 1932 г. По-късно те разработват механични устройства за разбиване на шифрите на Енигма. От 1938 г. към машините Енигма се добавя все по-голяма сложност, което прави дешифрирането по-трудно.

На 25 юли 1939 г. във Варшава поляците показват на френските и британските разузнавателни агенти своя криптоанализ на "Енигма" и обещават на всяка делегация по една "Енигма", произведена в Полша. Демонстрацията е важно начало за по-късната британска работа в Блетчли Парк.

"Hut 6 Ultra" никога нямаше да започне работа, ако не бяхме научили от поляците, навреме, подробностите както за германската военна версия на търговската машина "Енигма", така и за използваните оперативни процедури". Гордън Уелчман, "Историята на Хижата Шест", 1982 г., стр. 289.

По време на нахлуването в Полша (1939 г.) полските шифровчици са изпратени на безопасно място във Франция. По-късно те бягат във Великобритания. Благодарение на техническите подобрения британските кодоразбивачи разгадават огромен брой съобщения от "Енигма" и предават открития текст на военния персонал. Получената от това информация, наречена от британците "Ултра", е от голяма полза за военните усилия на Съюзниците. Ултра включваше и дешифрирането на други германски, италиански и японски шифри и кодове, включително шифъра на германското върховно командване.

Грешките на германските оператори помагат за криптоанализа на енигмите на Луфтвафе, а британското заснемане на ключови таблици и машина от германска подводница помага за разбиването на военноморските енигми.

На 15 юли 2011 г. кралица Елизабет II посещава Блетчли Парк, където машината се съхранява в музея, за да отдаде почит на работещите там, тъй като те са прекъснали войната, разбивайки шифрите на нацистка Германия.

Как работи Енигма — принципът в прост вид

На опростено ниво една машина Енигма превръща всеки натиснат клавиш в лампа, която свети за друга буква. Това се постига чрез електрическа верига, която преминава през няколко основни елемента:

• Клавиатура — потребителят въвежда буквата.
• Пътека през букви (лампборд) — показва изходния символ.
• Плъгборд (Steckerbrett) — сменя някои букви в началото и в края на веригата, увеличавайки бройката на възможните комбинации.
• Ротори (Wälzen) — въртящи се барабани с вътрешни проводящи връзки, които променят електрическата свързаност след всяко натискане на клавиш.
• Рефлектор (Umkehrwalze) — ограничава посоката на тока и прави шифрирането обратимо (при същите настройки процесът дешифрира).

Важно свойство на класическата Енигма е, че тя никога не замества буква със същата буква — при никакви настройки буквата не може да стане сама себе си. Това и други особености са използвани от криптоаналитици при търсене на т.нар. "cribs" (подозирани откъси от открит текст).

Технически подробности и сложност

Комбинацията от избор на ротори, тяхната подредба, начални позиции (позиции на въртене), настройки на пръстените (ring settings) и свързаност на плъгборда дава изключително много възможни ключови конфигурации. За трироторна военна Енигма с 5 налични ротора, комбинациите са в порядъка на стотици квадрилиони (приблизително 1,59×10^20 възможности при типична настройка с 6 двойки на плъгборда). Въвеждането на четвърти ротор за подводниците (М4) още увеличава сложността.

Компоненти в повече детайли

• Роторите имат вътрешна електрическа схема, която свързва входни контакти с изходни по определен начин. Всеки ротор има и т.нар. "turnover" зъбец, който предизвиква стъпване (advancement) на следващия ротор при определени позиции.
• Плъгбордът (Steckerbrett) позволява свързване на двойки букви с кабели — това значително увеличава общия брой на възможните ключове и е една от най-силните защити.
• Рефлекторът връща тока обратно през роторите, благодарение на което същите машини и настройки могат да кодират и декодират.

Криптоанализ и разбиване на кода

Разбиването на Енигма е комплексен процес, включващ математическа мисъл, инженерни решения и оперативна информация. Основните подходи бяха:

• Използване на математически методи за възстановяване на невидими връзки в конфигурациите (работа на полските математици).
• Механизация на търсенето чрез специални устройства — полската "бомба" и по-късно британската электрическа машина „Bombe“.
• Експлоатиране на оперативни грешки и рутинни навици на операторите (повтаряне на ключове, предвидими фрази, незачитане на процедури).
• Заловени материали — улавяне на машини, ключови таблици и оперативни книги от германските кораби и подводници.

Роля на полските математици

До 1932–1933 година Полското бюро за шифриране, с ключови фигури като Мариан Ржевски (Marian Rejewski), Йерзи Ружицки (Jerzy Różycki) и Хенрик Зигалски (Henryk Zygalski), прави пробиви, използвайки теория на permutation-и и практически устройства (като "циклometer" и първите бомби). Тези открития и възстановените принципи на машината позволяват на поляците да четат Енигма и в края на 1930-те да предадат методите си на британците и французите — ключов момент, описан по-горе с демонстрацията във Варшава.

Блетчли Парк, Тюринг и "Bombe"

Във Великобритания работата продължава и се разраства в Блетчли Парк. Алън Тюринг проектира подобрена версия на машината "Bombe", а Гордън Уелчман въвежда усъвършенствования (като диагоналната връзка), които значително ускоряват търсенето на верните настройки. Различни "хижи" (Huts) в комплекса имат специализации — например Hut 6 и Hut 8, занимаващи се с армейските/въздушните и с военноморските шифри.

Оперативни грешки и уязвимости

Няколко вида грешки на германските оператори и процедурни слабости улесняваха криптоаналитиците:

• Повторение на идентични или предсказуеми начални индикатори (message keys).
• Употреба на стандартни фрази и поздравления, които служеха като "cribs".
• Неспазване на правилата за смяна на ключове и случайни настройки.
• Фактическият капан — свойството на Енигма да не замества буквите със самите тях — което ограничва възможностите за съвпадение и помага при филтриране на тестовете.

Заловени машини и документи

Капаните и грабежите на кораби и подводници донесоха жизнено важни материали за криптоанализата. Един от най-известните случаи е залавянето на германската подводница, която достави книги с ключове и машина — това значително улесняваше дешифрирането на моряците и навигационните съобщения (в оригиналния текст горе се споменава помощ от германска подводница).

Въздействие върху военните операции

Информацията, получавана от дешифрираните съобщения — кодово наричана "Ултра" — даваше на Съюзниците прецизни сведения за планове, позиции и намерения на противника. Тази информация допринесе за успехи в битки, разкриване на подводни маршрути, защита на конвои и много други операции. Въпреки огромната полза, използването на Ултра беше строго пазено в тайна дълго след края на войната.

Заключение

Енигма е пример за това как инженерна иновация и математическата мисъл могат да се срещнат с военно-политическите реалности. Машината като холистичен проблем — механика, електроника, човешки фактор и оперативни процедури — изискваше също толкова разнообразни решения: от математически доказателства и механични устройства до човешко наблюдение и рисковани подводни операции. Работата на полските и британските криптоаналитици наистина е една от ключовите истории в историята на криптографията и на Втората световна война.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява машината "Енигма"?

Въпрос: Кой пръв разбива германските военни съобщения, написани на машината "Енигма"?

В: Как британските кодоразбивачи разгадават огромния брой съобщения от Енигма?

В: Какви грешки са допускали германските оператори, които са помогнали за криптоанализа на "Енигма" на Луфтвафе?

Въпрос: Как британското заснемане на ключови таблици и машини от германски подводници помогна за разбиването на флотските?

В: Кога кралица Елизабет II посещава Блетчли Парк?

Търсене по буква