Криптоанализ «Энигмы» — криптоанализ немецкой шифровальной машины « Энигма » во время Второй мировой войны , осуществлённый силами польских и британских спецслужб. Расшифровка сообщений внесла заметный вклад в поражение нацистской Германии .

Впервые шифр «Энигмы» удалось дешифровать в польском « Бюро шифров » в декабре 1932 года . Четверо сотрудников разведки — Мариан Реевский , Ежи Ружицкий , Генрих Зыгальский и Иоганн Ревклид — с помощью данных французской разведки, математической теории и методов обратной разработки разработали специальное устройство для дешифровки закодированных сообщений, которое назвали криптологической бомбой .

Появление «Энигмы»

История электрической роторной шифровальной машины «Энигма» начинается в 1917 году с патента , полученного голландцем . В следующем году патент был перекуплен Артуром Шербиусом , начавшим коммерческую деятельность с продажи экземпляров машины как частным лицам, так и немецкой армии и флоту . До середины 1920-х годов продажи шли плохо, в частности из-за высокой цены .

В июне 1924 года британская криптографическая служба ( ) заинтересовалась устройством машины. С этой целью была закуплена партия машин у германской компании Chiffrier-maschinen AG, производившей «Энигму». Одним из условий сделки была регистрация патента в британском патентном бюро, благодаря чему криптографическая служба получила доступ к описанию криптографической схемы .

Начиная с 1925 года , когда германские военные начали массовые закупки шифровальной машины, и до конца Второй мировой войны было произведено около 200 тысяч машин . С 1926 года на использование машины переходит германский флот, с 1928 года — сухопутные войска. Они применялись также в службе безопасности и разведке .

Польский этап

Первые перехваты сообщений, зашифрованных при помощи «Энигмы», относятся к 1926 году. Однако прочитать их долгое время не могли. В январе 1929 года коробка с коммерческим вариантом «Энигмы» случайно попала на варшавскую таможню. Германия попросила вернуть коробку, после чего её содержимым заинтересовались поляки. По поручению польского «Бюро шифров» машина была изучена специалистами фирмы «AVA», в том числе её руководителем криптоаналитиком Антонием Пальтхом, после чего коробку отправили в германское посольство. Изучение машины не позволило дешифровать сообщения, к тому же германские военные использовали свой, усиленный вариант «Энигмы» .

В 1928—1929 годах в Польше были организованы первые математические курсы по криптографии. Слушателями были два десятка студентов-математиков со знанием немецкого языка. Трое из слушателей — Мариан Реевский, Генрих Зыгальский и Ежи Рожицкий — поступили на службу в « Бюро шифров ». Впоследствии именно они получат первые результаты по вскрытию кода «Энигмы» .

• 
  Генрик Зигальский
• 
  Ежи Рожицкий
• 
  Мариан Реевский

В 1931 году сотрудник шифрбюро министерства обороны Германии Ганс-Тило Шмидт , ставший уже агентом «Аше», начал передавать французской разведке вышедшие из употребления коды, которые, согласно служебным обязанностям, ему требовалось уничтожать, а также передал инструкцию по использованию военного варианта «Энигмы». Среди причин, побудивших Ганс-Тило сделать это, были и материальное вознаграждение, и обида на родную страну, не оценившую его успехи во время Первой мировой войны , и зависть к армейской карьере брата Рудольфа Шмидта . Первыми двумя документами стали «Gebrauchsanweisung für die Chiffriermaschine Enigma» и «Schlüsselanleitung für die Chiffriermaschine Enigma» . Французская и английская разведки, однако, не проявили интереса к полученным данным — возможно, считалось, что вскрыть шифр «Энигмы» невозможно. Полковник французской разведки Гюстав Бертран передал материалы польскому « Бюро шифров » и продолжал передавать им дальнейшую информацию от агента до осени 1939 года .

Благодаря полученным документам, криптоаналитики знали, что для шифрования сообщения оператор машины должен был выбрать из кодовой книги так называемый дневной ключ , который состоял из :

1. настроек коммутационной панели ( нем. Steckerverbindungen );
2. порядка установки роторов ( нем. Walzenlage );
3. положений колец ( нем. Ringstellung );
4. начальных установок роторов ( нем. Kenngruppen ).

Однако оператор не должен был использовать дневной ключ для шифрования сообщений. Вместо этого оператор придумывал новый ключ из трёх букв ( нем. Spruchschlüssel ) и дважды шифровал его с использованием дневного ключа. После чего настройки роторов менялись в соответствии с придуманным ключом и производилось шифрование сообщения .

В декабре 1932 года Реевский получил кодовые книги с дневными ключами для сентября и октября 1932 года. Данные материалы позволили восстановить внутреннюю электропроводку роторов и построить военный вариант «Энигмы» (коммерческий вариант уже был, но он имел другую электропроводку роторов) . Более ни он, ни его коллеги не имели доступа к кодовым книгам, хотя агент «Аше» их успешно поставлял. Вероятно, это было вызвано тем, что начальство хотело заставить криптоаналитиков суметь найти дневной ключ без кодовых книг, чтобы подготовиться к тому моменту, когда агент больше не сможет их поставлять .

Усилия Мариана сосредоточились на анализе уязвимости протокола обмена сообщениями, а именно — на повторении ключа сообщения. Из ежедневных сообщений выбирались первые шесть букв и на их основе составлялась таблица соответствия (примеры взяты из книги Сингха ):

Сообщение 1		L	O	K	R	G	M	…
Сообщение 2		M	V	T	X	Z	E	…
Сообщение 3		J	K	T	M	P	E	…
Сообщение 4		D	V	Y	P	Z	X	…

1-я буква

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

P

Q

R

S

T

U

V

W

X

Y

Z

4-я буква

P

M

R

X

Если сообщений было достаточно, то таблица заполнялась полностью.

1-я буква

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

P

Q

R

S

T

U

V

W

X

Y

Z

4-я буква

F

Q

H

P

L

W

O

G

B

M

V

R

X

U

Y

C

Z

I

T

N

J

E

A

S

D

K

Особенность полного варианта таблицы заключалась в том, что пока дневной ключ остаётся без изменений, содержимое таблицы также не меняется. И, с большой степенью вероятности, наоборот. Можно было бы составить каталог таблиц, однако их количество равнялось 26!, что делало завершение этой работы невозможным в обозримое время. Реевский стал пытаться выделить из таблиц некоторые шаблоны или найти некоторые структурные закономерности. И это ему удалось. Он стал рассматривать цепочки букв следующего вида :

1-я буква

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

P

Q

R

S

T

U

V

W

X

Y

Z

A → F → W → A

↓

↓

↓

4-я буква

F

Q

H

P

L

W

O

G

B

M

V

R

X

U

Y

C

Z

I

T

N

J

E

A

S

D

K

В примере полной таблицы выше таких цепочек оказалось 4:

1. A → F → W → A
2. B → Q → Z → K → V → E → L → R → I → B
3. C → H → G → O → Y → D → P → C
4. J → M → X → S → T → N → U → J

Следующим открытием Мариана стало то, что хотя конкретные буквы зависели от дневной настройки «Энигмы» полностью, количество цепочек и букв в них задавалось только настройками роторов. Так как количество роторов было равно 3 (но они могли стоять в любом порядке), а начальная настройка состояла из трёх букв латинского алфавита, то число вариантов было равно ${\displaystyle 3!\cdot 26^{3}=105\,456}$ . Это было значительно меньше, чем ${\displaystyle 26!\approx 4\cdot 10^{26}}$ , что позволило, используя построенные (или украденные) машины «Энигма», составить каталог, содержащий все возможные цепочки. Данная работа заняла почти год, однако результатом стала возможность читать германскую переписку .

Как отмечает Сингх, именно возможность разделить задачу на две составляющих (настройки роторов и настройки коммутационной панели) позволили Реевскому справиться с данной задачей, а также помощь как математиков «Бюро шифров», так и Шмидта :

Документы Аше стали манной небесной — все двери в тот же момент открылись.

Оригинальный текст (англ.)

Asche's documents were welcomed like manna from heaven, and all doors were immediately open.

— Мариан Реевский

После того как настройки роторов для дневного сообщения были восстановлены, оставалось выяснить настройки коммутационной панели. С криптографической точки зрения это был простой моноалфавитный шифр , дополнительно ограниченный лишь 6 парами замен букв. Текст даже часто не требовалось подвергать частотному криптоанализу, а всего лишь присмотреться к строкам вроде «alliveinbelrin» ( англ. arrive in Berlin с заменой R ↔ L) и другим, которые было легко восстановить «на глаз» .

В 1934 году Германия начала менять конфигурацию положения роторов каждый месяц вместо каждого квартала. В ответ на это Мариан Реевский спроектировал устройство под названием «циклометр», позволяющий быстро воссоздать каталог циклов .

15 сентября 1938 года Германия изменила процедуру шифрования, сделав невозможным использование каталогов, составленных с использованием циклометра. Польские криптографы были вынуждены искать другие методы для расшифровки. Такими стали использование машин bombe и перфорированных листов Зыгальского .

15 декабря 1938 года Германия добавила 4-й и 5-й роторы, а 1 января 1939 года увеличила количество соединений коммутационной панели с 6 до 10. Всё это значительно затруднило криптоанализ «Энигмы» .

Летом 1939 года, когда неизбежность вторжения в Польшу стала очевидна, бюро передало результаты своей работы английской и французской разведкам. Хотя польские математики так и не сумели вскрыть шифр, среди результатов были и «живые» экземпляры машины, и электромеханическая «Bomba», состоявшая из двух спаренных «Энигм» и помогавшая в расшифровке, а также уникальные методики криптоанализа .

PC Bruno

Британский этап

Дальнейшая работа по взлому «Энигмы» проходила в секретном центре британской разведки «Station X», известном впоследствии как Блетчли-парк .

Кадры

Руководителем проекта был назначен ветеран военной разведки Алистер Деннистон . Работу по дешифровке возглавил коллега Деннистона по комнате № 40 , известный лингвист и криптоаналитик Альфред Нокс ( англ. «Dilly» Knox ). За общую организацию работы отвечал профессор-математик Гордон Уэлчман . Деннистон начал набирать штат криптоаналитиков по принципу умственных способностей: лингвистов, математиков, шахматистов, чемпионов по решению кроссвордов , египтологов и даже палеонтологов . В частности, одним из первых был принят известный шахматный мастер ( англ. Stuart Milner-Barry ). Среди математиков был и молодой профессор логики из Кембриджа — Алан Тьюринг .

Метод

Перехват радиосообщений противника выполняли десятки приёмных станций, имевших кодовое название « ». Ежедневно в Блетчли-парк поступали тысячи таких сообщений. Блетчли-парк имел в своем распоряжении точную копию «Энигмы», поэтому расшифровка сообщений сводилась к подбору установки дисков и, для более поздних моделей, — штекерного коммутатора. Сложность задачи усугублялась тем, что установки роторов менялись ежедневно, поэтому службы дешифровки работали круглосуточно в три смены .

Конструкция «Энигмы» при правильном использовании обеспечивала практически полную секретность . На практике, однако, со стороны немецких пользователей «Энигмы» зачастую допускались небрежные действия, дававшие подсказки британским аналитикам (такие подсказки на сленге английских студентов назывались cribs ). Именно на использовании и систематизации таких погрешностей и был основан метод дешифровки.

Подсказками служили любые часто повторяющиеся тексты, такие как приветствия, цифры (кодировались по произношению: «один», «два» и т. д. ). Все подсказки заносились в картотеку (Index) вместе с контекстом: почерком радиста, местом и временем передачи и т. п.

При отсутствии необходимого количества подсказок, особенно накануне крупных операций, проводились специальные мероприятия по их получению. Этот приём получил кодовое название « садоводство » ( англ. gardening ). Например, перед выходом очередного полярного конвоя проводилось демонстративное минирование определённого участка моря. Если противник докладывал результаты разминирования с указанием заранее известных координат, это давало искомую подсказку.

Тьюринг

Одним из основных теоретиков Блетчли-парка был Алан Тьюринг . После изучения польских материалов Тьюринг пришёл к выводу, что использовать прежний подход с полным перебором сообщений уже не получится. Во-первых, это потребует создания более 30 машин польского типа, что во много раз превышало годовой бюджет «Station X», во-вторых, можно было ожидать, что Германия может исправить конструктивный недостаток, на котором основывался польский метод. Поэтому он разработал собственный метод, основанный на переборе последовательностей символов исходного текста.

Вскоре немцы добавили в конструкцию Энигмы коммутирующее устройство, существенно расширив этим количество вариантов кода. Возникшую для англичан задачу решил Гордон Уэлчман , предложив конструкцию «диагональной доски». В результате этой работы в августе 1940 года была построена криптоаналитическая машина Bombe . Со временем в Блетчли-Парке было установлено более 200 машин , что позволило довести темп расшифровки до двух-трёх тысяч сообщений в день .

Хотя Bombe претерпевала некоторые изменения в деталях, её общий вид оставался прежним: шкаф массой около тонны, передняя панель два на три метра и 36 групп роторов на ней, по три в каждой. Использование машины требовало специальных навыков и сильно зависело от квалификации обслуживающего персонала — девушек-добровольцев из Женской вспомогательной службы ВМС . Впоследствии, когда часть работ была перенесена в США, вместе с технологиями была направлена и часть сотрудниц .

«Живая» информация

Время от времени Германия вносила в машину конструктивные изменения или каким-либо способом усиливала криптографическую защиту. В таких случаях криптоаналитики из Блетчли-парка оказывались бессильными, и для дальнейшей работы срочно требовалось найти описание изменений или хотя бы новые экземпляры инструкций и машин «Энигма» .

В 1940 году морской флот Германии внёс некоторые изменения в машину. Лишь после захвата 9 мая 1941 года подводной лодки U-110 вместе с несколькими новыми экземплярами машины британские криптоаналитики смогли разобраться в изменениях .

В 1942 году , после ввода в строй четырёхроторной машины, Блетчли-парк не мог расшифровывать сообщения в течение полугода. Лишь 30 октября 1942 года противолодочный корабль Petard ценой жизни двух моряков захватил модернизированную «Энигму» с подводной лодки .

4 июня 1944 года ВМС США захватили шифровальную машину «Энигма» с кодами на подводной лодке U-505 .

Секретность

Английское правительство делало всё возможное для того, чтобы скрыть успехи в расшифровке немецких шифров как от противника, так и от руководства СССР. С этой целью все действия, основанные на данных программы «Ультра», должны были сопровождаться операциями прикрытия, маскирующими истинный источник информации . Так, для передачи сведений «Ультра» в СССР использовалась швейцарская организация , располагавшая, по , источником в верхах немецкого руководства. Информацию, полученную от Lucy, передавал в СССР резидент советской разведки в Швейцарии Шандор Радо .

Для маскировки «Ультры» применялись фиктивные разведывательные полёты, радиоигра и т. п. мероприятия.

О существовании программы «Ультра» было известно строго ограниченному кругу лиц, число которых составляло порядка десяти человек. Необходимые сведения передавались по назначению сетью подразделений разведки, прикомандированных к штабам командующих армии и флота. Источник сведений при этом не раскрывался, что иногда приводило к недооценке британским командованием вполне надёжных сведений «Ультры» и крупным потерям (См. Гибель авианосца «Глориес» ).

СССР

В числе полученной Великобританией информации были и сведения о подготовке вторжения в СССР . Несмотря на риск раскрытия источника, сведения были переданы советскому правительству . Однако Сталин требовал, чтобы информация приходила от трёх независимых источников .

Несмотря на опасения о возможности Германии слушать советские радиопереговоры, 24 июля 1941 года Черчилль распорядился всё-таки делиться с СССР информацией, получаемой в результате операции «Ультра» , при условии полного исключения риска компрометации источника .

Оценки результатов

Некоторые авторы указывают, что с современной точки зрения шифр «Энигмы» был не очень надёжным . Однако в своё время его абсолютная надёжность не вызывала никаких сомнений у немецких специалистов: до самого конца войны немецкое командование искало причины утечек секретной информации где угодно, но не в раскрытии «Энигмы». Именно поэтому успех британских дешифровщиков стал особенно ценным вкладом в дело победы над нацизмом.

После войны

После окончания войны почти все дешифровальные машины были уничтожены. В начале XXI века группа британских энтузиастов воссоздала машину Colossus , на что ушло около 10 лет .

См. также

• История криптографии
• « Игра в имитацию » (фильм, 2014 год)

Примечания

Источники

Литература

• Анин, Б. Ю. . Англичане. Тайна. На службе у КГБ // Радиоэлектронный шпионаж. — М. : Центрполиграф, 2000. — 491, [2] с., [8] л. ил., портр. — (Секретная папка). — 10 000 экз. — ISBN 5-227-00659-8 .
• Lewin, Ronald (2001) [1978], Ultra Goes to War: The Secret Story , Classic Military History (Classic Penguin ed.), London, England: Hutchinson & Co, ISBN 978-1-56649-231-7 .

Ссылки