Роторные шифровальные машины

Роторная шифровальная машина «Фиалка» и её роторный блок. Музей крепости Ройенталь, Швейцария.

Электромеханические шифровальные машины, в которых последовательность замен меняется при каждом вводимом знаке благодаря вращению электрически соединённых роторов.

Тип: класс электромеханических шифровальных устройств
Период: 1910-е — вторая половина XX века
Происхождение: США; Германия; Нидерланды; Швеция

Роторные шифровальные машины — класс электромеханических устройств для шифрования, в которых одна или несколько вращающихся контактных систем — роторов — последовательно меняют соответствие между буквами открытого и шифрованного текста. Их появление в конце Первой мировой войны стало важным этапом перехода от ручных шифров к машинной криптографии. Самой известной роторной машиной стала немецкая Энигма, однако сам принцип не был исключительно немецким изобретением и почти одновременно разрабатывался в нескольких странах.^[1]

Роторные машины существенно увеличили число возможных преобразований текста: одна и та же буква могла шифроваться по-разному в зависимости от текущего положения роторов. Но большое число формально возможных ключей само по себе не гарантировало неуязвимость. Конструкция машины, порядок работы операторов и повторяющиеся особенности сообщений создавали закономерности, которыми пользовались криптоаналитики. История роторных машин поэтому тесно связана не только с электротехникой, но и с математикой, статистикой, радиоразведкой и ранней автоматизацией вычислительных задач.

Принцип действия

Основной элемент роторной машины — диск с электрическими контактами на обеих сторонах. Внутри диска провода соединяют входные контакты с выходными в некоторой перестановке. При прохождении электрического сигнала буква заменяется другой буквой. После ввода знака ротор поворачивается, поэтому для следующего знака действует уже иная перестановка.

Если в машине установлено несколько роторов, сигнал последовательно проходит через них. Механизм шагания заставляет один или несколько роторов менять положение. В результате устройство создаёт последовательность различных подстановочных алфавитов, а не один постоянный алфавит простой замены.

Конкретные машины существенно различались. В одних использовался отражатель, возвращавший электрический сигнал через роторы в обратном направлении; в других его не было. Некоторые системы дополнялись коммутационными панелями, сменными наборами роторов, нерегулярным шаганием или дополнительными механизмами, призванными увеличить криптографическую стойкость. Поэтому выражение «роторная машина» обозначает принцип построения, а не одну конкретную схему.

Независимое возникновение идеи

Однороторная шифровальная машина Эдварда Хеберна, около 1918 года. Один из ранних независимых вариантов роторного принципа. Национальный криптологический музей США.

В 1917–1919 годах идея электрической шифровальной машины с вращающимся контактным колесом появилась независимо у нескольких изобретателей. Луис Кру и Сайфер Диворс выделяют четыре ранние линии: Эдварда Хеберна в США в 1917 году, Артура Шербиуса в Германии в 1918 году, Хуго Александра Коха в Нидерландах и Арвида Герхарда Дамма в Швеции в 1919 году.^[1]

Такое почти одновременное появление сходных решений было связано с общим технологическим контекстом. Телеграф, радио и электрические средства связи резко увеличили объём передаваемой информации, а Первая мировая война показала значение перехвата и дешифровки сообщений. Ручные системы становились неудобными для больших потоков связи, поэтому возник спрос на устройства, которые могли быстро выполнять сложные преобразования текста.

Американец Эдвард Хеберн разработал собственную систему с электрически соединённым ротором и получил патент. Швед Арвид Дамм создал несколько вариантов механических и электромеханических шифраторов; его разработки позднее стали одним из истоков бизнеса Бориса Хагелина. Наиболее известной оказалась линия Артура Шербиуса, получившая название Enigma.^[2]

От коммерческой машины к Enigma

Артур Шербиус подал германскую патентную заявку на роторную шифровальную систему в 1918 году. Вместе с инженером Эрнстом Рихардом Риттером он пытался заинтересовать новой техникой государственные учреждения, а затем вышел на коммерческий рынок. В 1923 году была основана Chiffriermaschinen Aktien-Gesellschaft, занимавшаяся продвижением Enigma. Машину показывали на международных почтовых конгрессах, а в течение 1920-х годов появилось несколько коммерческих моделей.^[1]

Ранние Enigma заметно отличались друг от друга. Важным шагом стало применение отражателя: электрический сигнал после прохождения роторов возвращался через них обратно. Такая схема упрощала работу, поскольку одна и та же установка могла использоваться и для шифрования, и для дешифрования. Одновременно она делала преобразование взаимным и создавала характерное ограничение: в машинах этого семейства буква не могла зашифроваться сама в себя.^[1]

Военно-морские силы Германии решили использовать Enigma в середине 1920-х годов; армия затем потребовала усилить систему. К 1930 году появилась стандартная армейская Enigma I с коммутационной панелью и другими изменениями. Именно эта линия стала основой наиболее известных немецких военных вариантов Второй мировой войны.^[1]^[3]

Роторные машины во Второй мировой войне

Enigma была наиболее массовой и известной роторной системой стран оси, но не единственной машиной этого класса в мировой войне. Великобритания использовала Typex, конструктивно восходившую к коммерческой Enigma, но имевшую собственные средства повышения стойкости. В США применялась SIGABA — более сложная роторная система с нерегулярным управлением движением роторов. По данным Национального криптологического музея США, противнику не известно успешного эксплуатационного вскрытия SIGABA за время её службы.^[4]

После войны роторный принцип продолжал использоваться. К этому поколению относятся, в частности, швейцарская NEMA, американская KL-7 и советская М-125 «Фиалка». Их развитие и переход к полностью электронной криптографии рассмотрены в статье Роторные шифровальные машины после Второй мировой войны.

Роторная машина и криптоанализ

Появление машинного шифрования изменило и методы криптоанализа. Для атаки уже было недостаточно только частотного анализа в его классической форме. Приходилось восстанавливать устройство машины, анализировать порядок применения ключей, искать повторяющиеся процедуры и математически описывать перестановки, создаваемые роторами.

Наиболее ярким примером стала борьба против Enigma. С 1932 года польское Бюро шифров использовало математические методы для восстановления внутренней схемы германской военной машины. Мариан Реевский применил теорию перестановок, а вместе с Ежи Ружицким и Генриком Зыгальским разработал методы определения ежедневных установок. Для ускорения поиска поляки создали циклометр, перфорированные листы и электромеханическую bomba kryptologiczna.^[5]

В июле 1939 года польская сторона передала британским и французским специалистам результаты своей работы, включая устройство военной Enigma и методы её анализа. Этот обмен существенно изменил британскую программу криптоанализа. В Блетчли-парке Алан Тьюринг, Гордон Уэлчман и их коллеги разработали британскую Bombe — специальную электромеханическую машину для проверки возможных установок Enigma по ограничениям, выведенным из предполагаемых фрагментов открытого текста.^[6]^[3]

Эти устройства не были универсальными компьютерами и не «расшифровывали текст нажатием кнопки». Они механизировали определённые стадии перебора и проверки гипотез. Результат зависел от перехвата радиосвязи, работы аналитиков, знания процедур противника, захваченных документов и ошибок операторов.

Значение для истории вычислительной техники

Роторные машины занимают промежуточное место между классической криптографией и электронной вычислительной техникой. Сами по себе они не были компьютерами общего назначения, однако противоборство вокруг машинных шифров ускорило развитие методов формализации, логического поиска и специализированных вычислительных устройств.

Эта история непосредственно связана с более широкой проблемой представления информации. В дальнейшем Клод Шеннон сформулировал математическую теорию связи и дал более общий язык для анализа информации, избыточности и секретности. Поэтому история роторных машин связывает в одном графе историю криптографии, радиоразведки, математики и вычислительной техники.

Литература

Deavours C. A., Kruh L. Machine Cryptography and Modern Cryptanalysis. Artech House, 1985.
Bauer F. L. Decrypted Secrets: Methods and Maxims of Cryptology. 4th ed. Springer, 2007.
Kruh L., Deavours C. A. The Commercial Enigma: Beginnings of Machine Cryptography // Cryptologia. 2002. Vol. 26, No. 1. P. 1–16.

См. также

Примечания

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 Kruh L., Deavours C. A. The Commercial Enigma: Beginnings of Machine Cryptography // Cryptologia. 2002. Vol. 26, No. 1. P. 1–16.
↑ National Security Agency. Pre-1952 Historical Timeline.
↑ ^3,0 ^3,1 Wilcox J. Solving the Enigma: History of the Cryptanalytic Bombe. Center for Cryptologic History, National Security Agency.
↑ National Security Agency. About the National Cryptologic Museum.
↑ National Security Agency. Marian Rejewski.
↑ GCHQ. The Pyry Forest Meeting.

[KruhDeavours-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 Kruh L., Deavours C. A. The Commercial Enigma: Beginnings of Machine Cryptography // Cryptologia. 2002. Vol. 26, No. 1. P. 1–16.

[NSA-timeline-2] National Security Agency. Pre-1952 Historical Timeline.

[Wilcox-3] 3,0 ^3,1 Wilcox J. Solving the Enigma: History of the Cryptanalytic Bombe. Center for Cryptologic History, National Security Agency.

[NCM-4] National Security Agency. About the National Cryptologic Museum.

[Rejewski-5] National Security Agency. Marian Rejewski.

[Pyry-6] GCHQ. The Pyry Forest Meeting.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]