УДК 003.26:004.056.5

ШИФРОВАНИЕ ENIGMA

№26,

Технические науки

Зюзин Владислав Дмитриевич
Коробов Александр Владимирович
Лопухов Роман Сергеевич


Ключевые слова: ДИСК; БУКВА; СООБЩЕНИЕ; ЗАШИФРОВАТЬ; ПОСЛАНИЕ; ШПАРГАЛКА; DISK, LETTER; MESSAGE; ENCRYPT; MESSAGE; CHEAT SHEET.


Аннотация: В данной статье описывается принцип работы немецкой шифровальной машины под названием «Enigma». Её начало положено в 15 веке, когда Леон Баттист Альберти изобрел кодовый диск, а затем в 90-е годы 18 века Томас Джеферсон разработал диск до стадии опытного образца.

Начало Enigma начинается с применением кодового диска Альберти. Его секрет – колесо в колесе способен рандомизировать алфавиты до такой степени, что они становятся практически неразбираемыми.

Около 1470 года изобретение Леона Баттиса Альберти навсегда изменило криптологию.


Рисунок 1 — Кодовый диск

Кодовый диск действовал по принципу многоалфавитной подстановки. Её называют многоалфавитной, потому что, вращаясь этот диск выдаёт ни один, а много зашифрованных алфавитов. Каждый из двух вращающихся дисков содержит 24 буквы латинского алфавита. Буквы внутреннего диска расставлены в случайном порядке. Принцип шифрования Альберти строится на том, что отправитель и адресат пользуются одними и теми же дисками и между ними есть предварительная договорённость об индексе или ключевой букве на внутреннем из них. Отправитель начинает сообщение с помещения индексной буквы на любой другой символ внешнего диска. Так получается первая заглавная буква зашифрованного сообщения. Он продолжает своё послание, считывая символы с внутреннего диска на внешний. Написав 3 или 4 слова, автор передвигает индексную букву на произвольное количество позиций. Это передвижение он обозначает для получателя заглавной буквой. Таким образом каждая часть письма шифруется отдельно. Хотя код практически невозможно взломать, применение самого диска требует много времени, поэтому изобретение Альберти не получает широкого применения.

Однако в 90-ые годы 18 века будущий президент Томас Джеферсон разрабатывает диск до стадии опытного образца. Он изобрёл один из наиболее гениальных и хитрых методов шифровки. Глядя на замок, вроде замка на дипломате с 3 цифрами, выстроенными в ряд, он понял, если заменить эти цифры на буквы получится система шифрования. Принцип его метода заключается в следующем.


Рисунок 2 — Диски шифрования

Даны 24 пронумерованных диска, на окружности каждого из которых в произвольном порядке изображён алфавит. Отправитель и получатель нанизывают диски на стержень в одном и том же порядке. Затем, чтобы зашифровать сообщение все его буквы выстраиваются в одну линию. Диски скрепляются вместе, чтобы предотвратить смещение. Далее, вращая всю катушку отправитель выбирает любую другую строку в качестве зашифрованного сообщения и отсылает её получателю. Он, в свою очередь, расположив диски точно также, как отправитель выставляет все буквы послания на одной строке и вращает всю катушку до тех пор, пока не увидит единственную строку, несущую семантический смысл – это и есть сообщение.

Это приспособление применялось в американской армии вплоть до 20 века, пока в Европе не был разработан прибор, затмивший колесо Джеферсона. После первой мировой войны конфиденциальность приобретает величайшее значение для находившихся в состоянии страха народах Европы, а рост международной торговли создаёт для кампании необходимость содержать свои данные в тайне от конкурентов.


Рисунок 3 — Enigma

Машина под названием Enigma, разработанная немцем Артуром Шербиусом для обеспечения безопасности коммерческой информации работает, подавая электрический ток при нажатии любой клавиши. Механические части машины двигаясь, рандомизируют электрический контур каждый раз при нажатии клавиши, создавая разные буквы. Enigma становится самым мощным шифровальным приспособлением немецкой армии во время Второй Мировой Войны – оружием, целью которого является содержать в тайне все военные коды. Эта машина, даже попадя в руки противника, может сохранить тайны, выдавая слишком большое количество возможных вариантов, чтобы расшифровать сообщение за приемлемый период времени.

Как и кодовое колесо Альберти, Enigma создают неразрешимый с виду многоалфавитный шифр многократной подстановки, делает это автоматически и очень быстро. Это приспособление для превращения читабельных посланий в послании нечитабельные. Enigma с целым комплектом дисков или ротеров может быть настроена в 186 триллионах комбинаций. Получение такого количества преобразований становится возможным при помощи параметров, применяемых при настройке машины. В самый разгар войны параметры выставлялись оператором по-новому каждый день. Роторы помещались в указанном порядке слева направо. Настройки алфавитных колец, совпадающих с ротерами, изменялись ежедневно, так же, как и соединения штепселей на коммутационной панели. Эти меры предосторожности делали Enigma практически неуязвимой против частотного анализа. Германия считала, что код, составленный этой машиной, взломать невозможно. Ни у кого не хватит математических способностей и времени, чтобы проработать триллионы возможных комбинаций. Обычный немецкий текст вводился в машину, после чего защифрованное сообщение передавалось при помощи азбуки морзе. С началом войны, в сентябре 1937 года радиоволны наводнились шифрованными посланиями нацистов.

Британская военная разведка была тем временем занята обустройством наисекретнейшего места дислокации в истории Великобритании – именно здесь планировалось взломать код Enigma. Парк Блетчли, в 80 километров на север от Лондона – стал станцией Х для тех немногих людей, которые знали о его существовании. Там работала тщательно отобранная команда математиков и учёных, включая Алана Тьюринга – одного из прородителей современной обработки данных. Тьюрингу и его команде было поручено любым способом (математическим или механическим) взломать код Enigma.

В это время, в 1940-ом году флотилии немецких подводных лодок топят многочисленные грузовые судна антифашисткой коалиции в Северном Атлантическом океане. Приказы поступают к ним в виде зашифрованной с помощью Enigma радиосообщений. Подлодки находились в постоянной зашифрованной связи с Германией, откуда им передавалось местонахождение противника и слаженное нападение на него. Все сообщения шифровались с помощью Enigma и взлом её кода дал бы возможность найти подводные лодки и прикрыть свои суда.

Тьюринг начинает с анализа факторов математических и человеческих слабостей Enigma. Машина не может зашифровать букву символом той же буквы, таким образом отметаются уже тысячи преобразований. Количество шансов увеличивается, принимая во внимание то, что уставшие или небрежные операторы иногда забывают ежедневную смену своих личных настроек. Но за свой главный прорыв англичане должны быть благодарны прогнозу погоды. Погода в Северном Атлантическом океане каждый день передавалась по радио с подводных лодок и каждый день она следовала одному и тому же формату (скорость ветра, атмосферное давление и температура). Ежедневная несменная схема сообщений наводит Тьюринга на мысль воспользоваться «шпаргалкой».

Эта «шпаргалка» основывается на прогнозе погоды для района Бискайского залива.


Рисунок 4 — «Шпаргалка»

Предположительное содержание послания сопоставляется с полученным зашифрованным сообщением. При совпадении букв, то есть если символы в шифровке и расшифровке совпадают – «шпаргалка» признается неверной, так как Enigma не может шифровать букву той же буквой. Придётся ждать сообщения, где не появится ни одного совпадения. Теперь у англичан есть подсказка о содержании послания, но всё равно людям приходится тратить массу времени на проработку всех комбинаций расшифровку тысячи ежедневных сообщений.

И тогда они разрабатывают свою собственную машину – соперника Enigma (Bomba). Прибор, целью которого является реверсировать процесс шифрования Enigma. Эта машина еще не компьютер, так как еще не может быть запрограммирована, но уже больше, чем калькулятор. Она работает как поисковая система, сравнивая зашифрованные тексты с возможными решениями. У британских дешифровщиков из парка Блетчли теперь есть оружие против нацисткой Enigma. Эта машина создана не для дешифрования шифрованных сообщений, а для проработки миллионов комбинаций, полученных из «шпаргалок», то есть повторяющихся прогнозов погоды, приветствий и проверочных сигналов.

Оператор приводит каждый барабан в положение, соответствующее зашифрованному сообщению из проверяемой «шпаргалки». При помощи меняющихся электрических контуров, машина проверяет каждый зашифрованный текст при всех возможных настройках Enigma. Целью является найти разомкнутый контур – это значит, что Bomba нашла настройку, которая переводит все зашифрованные символы в обычный текст без единой ошибки. Это чрезвычайно сложная установка, состоящая из 20 километров проводки и 97 тысяч тщательно подогнанных деталей.

Немцы даже не знали о существовании такой машины и что все их сообщения расшифровывались. Таким образом создание Bomba изменило ход Второй Мировой Войны.


Список литературы

  1. Энигма // ru.wikipedia.org URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%BC%D0%B0 (дата обращения: 15.06.2020).
  2. Криптоанализ «Энигмы» // ru.wikipedia.org URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%B8%D0%BF%D1%82%D0%BE%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7_%C2%AB%D0%AD%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%BC%D1%8B%C2%BB (дата обращения: 18.06.2020).
  3. 158,962,555,217,826,360,000 (Энигма) — Numberphile по-русски // www.youtube.com URL: https://www.youtube.com/watch?v=eJXmdi41Z2U (дата обращения: 20.06.2020).
  4. Изъян в коде Энигмы — Numberphile по-русски // www.youtube.com URL: https://www.youtube.com/watch?v=p8K1BTCGTXw (дата обращения: 23.06.2020).