Lorenz SZ 40/42
- Тип
- электромеханическая приставка для шифрования телетайпной связи
- Период
- 1940–1945 годы
- Происхождение
- Германия
Lorenz SZ 40/42 (нем. Schlüssel-Zusatz 40/42) — семейство германских электромеханических шифровальных приставок для телетайпной связи, применявшихся во время Второй мировой войны прежде всего на уровне высшего военного командования. Британская радиоразведка обозначала эту систему кодовым словом Tunny. В отличие от Enigma, которая массово применялась в тактических и оперативных радиосетях, Lorenz обслуживал длинные телетайпные сообщения между командными центрами и поэтому мог давать союзникам сведения стратегического уровня.[1]
Криптоанализ Tunny стал самостоятельной ветвью работы Блетчли-парка. Джон Тилтман в 1941 году использовал грубую ошибку немецкого оператора для восстановления длинного фрагмента открытого текста, а Уильям Тьют затем реконструировал логическую структуру неизвестной машины, не видя самой Lorenz. Автоматизация атаки привела сначала к Heath Robinson, а затем к Colossus — серии электронных программируемых вычислительных устройств.[2]
Назначение и место в системе связи
Lorenz создавался не как переносная клавиатурная машина наподобие Enigma. Он подключался к телетайпу и автоматически накладывал ключевую последовательность на пятибитный телеграфный код. Оператор набирал текст обычным образом, а шифрующая приставка преобразовывала поток перед передачей.
Такой способ особенно подходил для длинных сообщений между крупными штабами. По данным Национального криптологического музея США, Tunny использовался германской армией для передачи высокоуровневых телетайпных сообщений; британский анализ показал, что среди пользователей были структуры высшего командования.[1]
Именно уровень связи придавал этим сообщениям особую разведывательную ценность. Enigma могла раскрывать положение и намерения отдельных соединений; Tunny позволял в ряде случаев видеть переписку, отражавшую решения германского верховного командования.
Пятибитный телетайпный код
Телетайпы представляли знак как комбинацию пяти двоичных импульсов. Lorenz создавал для каждого из пяти каналов собственную ключевую последовательность и складывал её с исходным знаком по правилу, эквивалентному операции XOR.
В результате шифрование представляло собой не буквенную замену в обычном смысле, а преобразование пяти параллельных двоичных потоков. Это обстоятельство определяло и методы криптоанализа: исследовались статистические зависимости между битами, движение колёс и структура ключевой последовательности.
При правильной синхронизации на принимающей стороне такая же ключевая последовательность складывалась с шифртекстом ещё раз и восстанавливала исходный текст.
Двенадцать колёс
Машина использовала двенадцать колёс, которые британские криптоаналитики разделили на три функциональные группы.
Пять колёс χ (chi) двигались регулярно — на один шаг при каждом передаваемом знаке. Пять колёс ψ (psi) также создавали ключевые биты, но их движение было нерегулярным. Ещё два колеса μ (mu, «моторные») управляли шаганием ψ-колёс.[3]
Такое устройство давало длинную и сложную ключевую последовательность. Однако криптографическая стойкость зависела не только от числа возможных положений колёс. Повторное использование одинаковой или связанной ключевой последовательности могло дать криптоаналитику гораздо больше информации, чем формально огромное пространство настроек.
Ошибка 30 августа 1941 года
Ключевой эпизод произошёл 30 августа 1941 года. Немецкий оператор передал длинное сообщение, после чего получатель запросил повтор из-за проблем с приёмом. Передатчик начал вторую передачу практически с той же установки машины, но сократил некоторые слова и внёс другие небольшие изменения.
Для потокового шифра повторное применение одного и того же ключевого потока к двум различным текстам является серьёзной уязвимостью. Сложение двух шифртекстов устраняет сам ключевой поток и оставляет отношение между двумя открытыми текстами.
Британский криптоаналитик Джон Тилтман сумел вручную восстановить значительную часть обоих текстов и тем самым получить около четырёх тысяч знаков ключевой последовательности. NSA рассматривает этот успех как исходный прорыв против высокоуровневой системы Lorenz.[4]
Реконструкция Тьютта
Получение ключевой последовательности ещё не означало знания устройства машины. Союзники не имели экземпляра Lorenz и не знали её внутренней схемы.
Уильям Тьют исследовал повторения в ключевом потоке и пришёл к выводу, что система использует несколько последовательностей с различными периодами. Затем он восстановил длины колёс и основные отношения между ними. GCHQ характеризует эту работу как один из наиболее значительных интеллектуальных прорывов криптоанализа Второй мировой войны.[2]
Особенность результата состоит в том, что Тьют фактически реконструировал логическую архитектуру машины по её выходу. Физический образец не требовался для создания математической модели, достаточной для систематической атаки.
Testery и ручной криптоанализ
После первоначального прорыва в Блетчли-парке возникло подразделение, известное как Testery, по имени Ральфа Тестера. Его сотрудники занимались практическим чтением Tunny.
Для успешной дешифровки требовалось решать несколько разных задач: восстанавливать узоры выступов на колёсах, определять начальные положения и затем получать ключевой поток для конкретного сообщения.
Даже после появления вычислительных машин ручной анализ не исчез. Специализированная техника ускоряла отдельные стадии, но постановка задачи, выбор статистических критериев и окончательная обработка результатов оставались работой людей.
Newmanry и Heath Robinson
Макс Ньюман предложил механизировать наиболее трудоёмкую статистическую часть поиска. Созданное вокруг него подразделение получило неофициальное название Newmanry.
Первым крупным устройством стал Heath Robinson. Он сравнивал два синхронно движущихся бумажных перфоленты — одну с шифртекстом, другую с моделируемой последовательностью. Практика показала, что удерживать две ленты в точной синхронизации на высокой скорости трудно.
Тем не менее Robinson доказал полезность машинного статистического перебора. По хронологии NSA, Heath Robinson начал использоваться против Tunny весной 1943 года.[5]
Переход к Colossus
Инженер британского почтового ведомства Томми Флауэрс предложил отказаться от второй бумажной ленты и генерировать моделируемые последовательности электронным способом. Это требовало большого числа электронных ламп, которые многие инженеры считали недостаточно надёжными для столь сложной машины.
Флауэрс исходил из опыта телефонных электронных систем: если лампы постоянно находятся под напряжением и не подвергаются частым тепловым циклам, их отказоустойчивость значительно выше. Проект привёл к Colossus. GCHQ указывает, что первая машина была доставлена в Блетчли-парк 18 января 1944 года.[6]
Colossus не заменял математический криптоанализ. Он реализовывал статистические тесты, разработанные для атаки на структуру Tunny, и многократно ускорял поиск настроек.
SZ 42 и развитие системы
Исходная SZ 40 была в ходе войны усовершенствована. В 1943 году её сменила линия SZ 42; изменения затрагивали управление движением колёс и должны были повысить стойкость.[7]
Постепенное усложнение германской системы требовало соответствующих изменений союзных методов. Colossus Mark II получил более развитую логику и позволял выполнять более сложные статистические условия.
Германские специалисты сами изучали безопасность собственных телетайпных систем. Послевоенные материалы TICOM показывают, что внутри германских криптологических служб существовало понимание части слабостей машин, хотя действительная глубина британского проникновения оставалась неизвестна.
Lorenz и Enigma
Lorenz и Enigma часто упоминаются рядом, но технологически и организационно это разные системы.
Enigma была автономной клавиатурно-ламповой роторной машиной, широко применявшейся в радиообмене. Lorenz был автоматической телетайпной приставкой. Enigma работала с 26 буквами; Lorenz — с пятибитным телеграфным кодом. Британская Bombe применялась против Enigma, тогда как Heath Robinson и Colossus создавались для Tunny.
И разведывательное значение отличалось: массовая Enigma давала огромный объём тактических и оперативных сообщений, а Tunny — меньшее число, но зачастую более высокоуровневых сообщений.
Значение для истории вычислительной техники
Атака на Lorenz стала одним из важнейших мостов между криптоанализом и электронной вычислительной техникой. Задача была достаточно формализованной, чтобы часть статистического поиска можно было передать машине, и достаточно тяжёлой, чтобы электромеханические средства оказались слишком медленными.
Именно в этой задаче электронные лампы стали не просто вспомогательными компонентами, а основой крупной программируемой цифровой системы. Поэтому связь Lorenz с историей компьютеров значительно прямее, чем распространённая формула «Enigma привела к компьютеру».
Литература
- Copeland B. J. (ed.). Colossus: The Secrets of Bletchley Park's Code-breaking Computers. Oxford University Press, 2006.
- Good I. J., Michie D., Timms G. General Report on Tunny: With Emphasis on Statistical Methods. GC&CS, 1945; рассекреченное издание.
- Hinsley F. H., Stripp A. (eds.). Codebreakers: The Inside Story of Bletchley Park. Oxford University Press, 1993.
- Bauer F. L. Decrypted Secrets: Methods and Maxims of Cryptology. 4th ed. Springer, 2007.
См. также
- Немецкие шифровальные машины Второй мировой войны
- Colossus
- Блетчли-парк и Enigma
- ULTRA
- Энигма
- Криптоанализ Enigma
- Портал: История науки
Примечания
- ↑ 1,0 1,1 National Security Agency. Tunny and Sturgeon. National Cryptologic Museum.
- ↑ 2,0 2,1 GCHQ. William Thomas 'Bill' Tutte.
- ↑ National Security Agency. American Spy Machine From WWII Featured by National Cryptologic Museum Ahead of Reopening. 2022.
- ↑ National Security Agency. Brigadier John H. Tiltman: "The Great Man of Bletchley Park". Center for Cryptologic History.
- ↑ National Security Agency. Historical Events Timeline.
- ↑ GCHQ. Dr Maxwell Herman Alexander Newman.
- ↑ National Security Agency. European Axis Signal Intelligence in World War II. Vol. II: Notes on German High Level Cryptography.