130

Глава 9. Шифрмашина "Энигма"

Историческая справка

В Главе 2 мы познакомились с шифрами простой замены и узнали, как их можно вскрыть при помощи подсчета частот, при условии, что имеется "достаточное" количество текста. Какое количество букв будет "достаточным" во всех случаях –это спорный вопрос, но скорее всего двухсот букв обычно бывает достаточно, а пятидесяти может оказаться мало. Для наших целей допустим, что при наличии только 25 букв шифрованного текста этот шифр будет стойким. Поскольку ограничение длины сообщения 25 буквами является для нас слишком жестким, можно сделать вывод, что использовать шифр простой замены нецелесообразно. Однако стойкость системы можно повысить, если использовать не один, а несколько различных алфавитов простой замены, переходя от одного алфавита к другому при зашифровании очередной буквы. Приблизительной оценкой стойкости системы может служить следующее правило: если использовать N различных алфавитов, то вполне возможно сделать шифр стойким относительно дешифрования отдельных сообщений длиной до 25N букв шифрованного текста. Однако это простое правило требует уточнения. Если алфавиты замены некоторым образом связаны друг с другом, то восстановление одного из них может привести к вскрытию остальных. С другой стороны, в некоторых системах стойкость шифрованных сообщений, длина которых гораздо больше, чем 25N знаков, обеспечивается дополнительными мерами. Так, например, при использовании цилиндра Джефферсона, как шифрмашины особого типа, отправитель и получатель могли бы

–либо договориться о том, что шифрованный текст считывается со строки, находящейся на определенном расстоянии от букв открытого текста (это расстояние можно задавать с помощью индикатора определенного вида);

–либо, если индикатора нет, использовать новое значение расстояния для зашифрования каждой следующей строки.

Ихотя в последнем случае получателю придется перебрать все 25 строк цилиндра, чтобы найти среди них ту, которая имеет смысл, стойкость системы значительно возрастет. В системе с "фиксированным расстоянием" и цилиндром, скажем, из 40 дисков, буквы шифрованного текста, отстоящие друг от друга на 40 позиций, получаются с помощью одинаковых алфавитов простой замены. Отсюда следует, что совокупность сообщений, суммарная длина которых составляет, скажем, более 2000 знаков, уязвима относительно метода дешифрования, основанного на подсчете частот монографов, поскольку все сообщения будут "одноключевыми", и каждый алфавит будет представлен выборкой из 50 знаков шифрованного текста. В системе с

131

переменным расстоянием сообщения не имеют "общего ключа"; для дешифрования такой системы могут понадобиться еще несколько тысяч знаков шифрованного текста; очевидно, количество необходимого материала будет зависеть от того, насколько случайно выбираются переменные расстояния.

Очевидно, что система, основанная на N алфавитах замены, обладает уровнем стойкости, который повышается с ростом N. Однако, с другой стороны, если шифрование производится вручную, то вместе с N возрастает также сложность применения системы и вероятность появления ошибок. Поэтому в данном случае (как это часто случается в жизни) перед нами противоречивые требования: с одной стороны, нам бы хотелось, чтобы N было большим для увеличения стойкости системы, но с другой, нам бы хотелось, чтобы N было маленьким, ради простоты ее использования. Удовлетворить оба эти требования одновременно мы не можем.

Во время войны 1914-1918гг военные подразделения стали пользоваться радиосвязью для обмена сообщениями друг с другом и со штабами. Радиопередачи обладали преимуществом мгновенной связи с подразделениями, расположенными на значительных расстояниях от базы, в том числе с кораблями и подводными лодками, находящимися в море. В то же время их недостаток заключался в возможности перехвата сообщений противником. Поэтому такие сообщения необходимо было шифровать с помощью стойкой системы. Были разработаны довольно сложные системы шифрования. К несчастью, чем сложнее система, тем сильнее была нагрузка на шифровальщиков, и тем больше риск возникновения ошибок, что могло привести к трагическим последствиям. Возникла потребность иметь очень стойкие системы шифрования, которые удовлетворяли бы этим противоречивым требованиям и в то же время щадили бы пользователей.

После Первой мировой войны в разных странах многие специалисты пришли к выводу, что единственный способ обеспечить высокий уровень секретности, не обременяя в то же время шифровальщиков трудоемким, долгим и чреватым ошибками процессом шифрования, заключается в использовании машин, которые будут выполнять операции зашифрования и расшифрования. Одним из этих специалистов был Артур Шербиус (Arthur Scherbius), совладелец одной немецкой инженерной компании. В начале 1920-х годов Шербиус изобрел несколько шифровальных машин, предназначением каждой из которых было создание очень большого числа алфавитов замены. В этих машинах для зашифрования каждой следующей буквы использовался новый алфавит; причем надо было зашифровать много тысяч знаков, прежде чем алфавиты начали бы повторяться. Остановившись на одном из проектов, Шербиус построил машину и назвал ее "Энигма".

132

Первая "Энигма"

"Энигма", которую Шербиус создал и продемонстрировал в 1923 году на Международном Конгрессе Почтового Союза в Вене, состояла из следующих частей:

(1)26-буквенной клавиатуры для ввода открытых сообщений;

(2)26 лампочек, которые при включении подсвечивали нужные буквы шифрованного текста;

(3)источника питания (3,5-вольтовой батареи или ее эквивалента);

(4)трех съемных контактных колес, которые вращались на общей оси;

(5)неподвижного контактного отражателя;

(6)неподвижного контактного колеса ввода.

Клавиатура была похожа на клавиатуру, которая используется на английских пишущих машинках, за исключением некоторых незначительных деталей, а именно: (1) буквы Y и Z поменялись местами, так что Z помещалась в верхнем ряду, а Y- в нижнем; (2) буква P стояла в нижнем ряду, а не в верхнем. Использовались только заглавные буквы; цифры отсутствовали, не было и букв с умляутом, таких как U. Буквы на лампочках располагались в том же порядке.

Источник питания использовался только для подачи напряжения на электрические контакты колес, отражателя, а также для подсветки ламп. Для приведения колес в движение ток не использовался, колеса вращались механически.

Внутри каждого съемного колеса было 26 проводов, которые в "случайном порядке" соединяли 26 контактов на одной стороне колеса с 26 контактами на другой стороне колеса. Контактные точки на одной стороне колеса (на левой стороне, если смотреть спереди) были выполнены заподлицо с поверхностью колеса, а контакты на другой (правой) стороне выступали над поверхностью колеса на маленьких пружинках. Это было сделано для обеспечения хорошего контакта между соседними колесами. Подобным же образом обеспечивался хороший контакт между крайним правым колесом и колесом ввода, а также между крайним левым колесом и отражателем. По окружности каждого колеса шла алфавитная "шина"; на левой стороне каждого съемного колеса было укреплено металлическое кольцо ("кольцо с выемкой"). V-образная выемка на нем располагалась напротив одной из букв на шине. На правой стороне этих колес было смонтировано зубчатое кольцо с 26 зубцами ("установочное кольцо"), которое давало шифровальщику возможность установить колесо в любое нужное положение.

(Словосочетание "случайный порядок", употребленное по отношению к внутренней распайке контактов колеса, нуждается в уточнении, но объяснение этого термина требует специального математического аппарата,

133

который приведен в [M14]). На фото 9.1 и 9.2 показаны обе стороны реального колеса шифрмашины "Энигма"*) .

Отражатель был закреплен неподвижно и имел 26 контактов только на одной стороне. Внутри отражателя 13 проводов соединяли попарно 26 контактов; таким образом, ток, подаваемый на одну из контактных точек отражателя, выходил в другой контактной точке. Внутренняя распайка отражателя также была "случайной". В отличие от трех контактных колес, отражатель был постоянным, неподвижным элементом машины. За период с 1930 по 1945 годы его заменяли только однажды, в 1937 году.

Колесо ввода обеспечивало связь между крайним правым колесом и клавиатурой, а также между крайним правым колесом и лампочками. Удивительно, но колесо ввода было соединено с буквами клавиатуры в обычном алфавитном порядке, а не в порядке их расположения на клавиатуре. Это не давало никаких криптографических преимуществ и, должно быть, сильно усложняло его внутреннюю распайку.

Упрощенная схематическая диаграмма шифрмашины "Энигма" показана на рис. 9.1.*)

Машина помещалась в деревянном ящике. При закрытой крышке машины наружу выступали только установочные кольца трех подвижных колес; но в маленькое "окошечко" над каждым колесом можно было видеть букву на его алфавитной шине. Это было сделано для того, чтобы шифровальщик мог с помощью установочного кольца повернуть каждое колесо в нужное начальное положение. При открытой крышке машины шифровальщик мог видеть все колеса внутри и, нажав на рычаг, расположенный рядом с отражателем, извлечь все три подвижных колеса из машины, снять их с общей оси и изменить порядок их расположения. Поскольку в первой "Энигме", в отличие от более поздних моделей, было только три колеса, взаимных расположений колес было только шесть. Машина была переносной, но довольно тяжелой, весом около 12 килограммов (почти 30 фунтов).

На фото 9.3 и 9.4 показана шифрмашина "Энигма" с закрытой и открытой верхней крышкой.**)

Три съемных контактных колеса на диаграмме (рис. 9.1) обозначаются

*) Подпись под фото 9.1: Фото 9.1. Правая сторона колеса шифрмашины "Энигма". С этой стороны видны 26 пружинных контактов, а также установочное кольцо с гладкими выступами по его внешнему диаметру. Машина имеет идентификационный номер M3564; колесо помечено римской цифрой 2 (II).

Подпись под фото 9.2: Фото 9.2. Левая сторона колеса шифрмашины "Энигма". На этой стороне расположены 26 плоских контактов. Видны алфавитная шина, установочное кольцо и кольцо с выемкой. На нем всего одна выемка, расположенная напротив буквы M алфавитной шины.

*) Подпись к рисунку 9.1.: Рис. 9.1. Шифрмашина "Энигма". Буква открытого текста. Буква шифрованного

использованию. Сквозь окошки можно видеть текущее положение трех колес.

Подпись под фото 9.4.: Фото 9.4. Шифрмашина "Энигма" с открытыми крышкой и передней стенкой. Видны три колеса, отражатель, а также штепсельный коммутатор спереди.