Перейти к содержанию

Роторные шифровальные машины

Материал из Энциклопедия История. Главное
Роторные шифровальные машины
Роторная шифровальная машина «Фиалка» и её роторный блок. Музей крепости Ройенталь, Швейцария.
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.
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. ↑ 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.
  2. ↑ National Security Agency. Pre-1952 Historical Timeline.
  3. ↑ 3,0 3,1 Wilcox J. Solving the Enigma: History of the Cryptanalytic Bombe. Center for Cryptologic History, National Security Agency.
  4. ↑ National Security Agency. About the National Cryptologic Museum.
  5. ↑ National Security Agency. Marian Rejewski.
  6. ↑ GCHQ. The Pyry Forest Meeting.