6 Роторні машини

У 20-х роках XX століття були винайдені електромеханічні пристрої шифрування, що автоматизують процес шифрування. Принцип роботи таких машин заснований на багатоалфавітній заміні символів вихідного тексту згідно з значенням довгого ключа відповідно до версії шифру Віженера. Більшість із них – американська машина SIGABA (М-134), англійська TYPEX, німецька ENIGMA, японська PURPLE - були роторними машинами.

Головною деталлю роторної машини є ротор (або колесо) із дротовими перемичками усередині. Ротор має форму диска (розміром з хокейну шайбу). На кожній стороні диска рівномірно по колу розташовано m електричних контактів, де m – число знаків алфавіту (у випадку латинського алфавіту m=26). Кожен контакт на передній стороні диска з'єднаний з одним із контактів задньої сторони, як показано на рис. 6. У результаті електричний сигнал, що являє собою символ відкритого тексту, буде поданий відповідно до того, як він проходить через ротор від передньої сторони до задньої. Наприклад, ротор можна закомутувати дротовими перемичками для підстановки G замість A, U замість В, R замість С і т.д.

Ротори () можна об'єднати в банк роторів таким чином, щоб вихідні контакти одного ротора торкалися вхідних контактів наступного ротора (рис. 6). При цьому електричний імпульс від натиснутої клавіші з буквою вихідного тексту, що входить із одного кінця банку роторів, буде переставлятися кожним з роторів, доти, поки не залишить банк.

Рисунок 6 – Банк роторів

Шифротекст отриманий за допомогою роторної машини ускладнюється ще й тим, що ротори можуть обертатися по осі відносно один одного. Для одержання стійкої криптографічної системи розташування роторів повинне мінятися при переході від знаку до знаку повідомлення.

Роторна машина складається з банку роторів і механізму для зміни положення роторів з кожним зашифрованим знаком, об'єднаного із пристроями введення й виведення.

Найпростіше з можливих рухів ротора – це рух за принципом одометра; воно використовувалося в німецькій машині Enigma під час Другої світової війни. При шифруванні одного знаку праве крайнє колесо повертається на одну позицію. Коли це (і будь-яке інше) колесо переміститься на m позицій і зробить повний оборот, колесо, розміщене ліворуч від нього, пересунеться на одну позицію, і процес буде повторюватися. Цей процес проведе банк роторів крізь всі його можливі положення, перш ніж цикл повториться. Оскільки всі ротори переміщаються з різними швидкостями, період n-роторної машини становить (при m = 26).

Для закону руху ротора бажані такі характеристики:

• період повинен бути більшим;

• після шифрування кожного знаку всі ротори або більша їхня частина повинні повернутися один щодо іншого.

Рух за принципом одометра оптимально в змісті першої вимоги, але зовсім незадовільно відносно другої вимоги. Поліпшення руху за принципом одометра можна одержати, якщо повертати кожен ротор більш ніж на одну позицію. Якщо зсуву кожного ротора не мають загальних множників з обсягом алфавіту m, то період залишиться максимальним.

Інше рішення полягає в обмеженні числа допустимих зупинних місць для кожного ротора за рахунок введення зовнішнього фіксуючого кільця, на якому певним способом зафіксовані місця зупинок. При використанні латинського алфавіту можна змусити машини повертатися та зупинятися в такий спосіб. Першому колесу дозволяється зупинятися в кожній з 26 позицій, другому колесу - тільки в 25 позиціях, третьому колесу - тільки в 23 позиціях і так далі до шостого колеса, якому дозволяється зупинятися тільки в 17 позиціях. Період такої роторної машини тепер становить 101 млн, а не 26⁶≈309 млн, як у випадку руху за принципом одометра. Втрата в довжині періоду з успіхом окупається отриманою складністю руху роторів. Тепер друга вимога задовольняється досить добре, оскільки кожне з коліс прокручується після шифрування кожного знаку і колеса можуть рухатися відносно одне до одного.

Роторна машина може бути настроєна за ключем зміною будь-яких її змінних:

• роторів;

• порядку розміщення роторів;

• числа місць зупинки на колесо;

• характеру руху і т. д.