Enigma — vācu šifrēšanas mašīna: konstrukcija, vēsture un kriptoanalīze

Enigma — vācu šifrēšanas mašīna: detalizēta konstrukcija, vēsture un kriptoanalīze; no poļu atklājumiem līdz Bletčlija parka Ultra un Otrā pasaules kara izlūkdatiem.

Enigma mašīnu Pirmajā pasaules karā Vācijai izveidoja Artūrs Šerbijs.Tā ir šifrēšanas mašīna: tā ir veids, kā mainīt ziņojuma burtus tā, lai tas izskatītos pēc šifrētiem burtiem (vai nejauši izvēlētiem burtiem).

Katru reizi, kad burts tiek ievadīts, tas tiek parādīts kā cits alfabēta burts. Izvēle nav nejauša. Tās nosaka virkne rotoru, kas katru dienu tiek iestatīti uz citu sākuma iestatījumu. Katrs taustiņa nospiedums pagriež rotorus jaunā pozīcijā.

Vācu militāros ziņojumus, kas tika sūtīti ar Enigma mašīnu, 1932. gada decembrī pirmais lauza Polijas Šifru birojs. Vēlāk viņi izstrādāja mehāniskas ierīces Enigma šifru laušanai. No 1938. gada Enigma mašīnām tika pievienota vēl lielāka sarežģītība, kas apgrūtināja atšifrēšanu.

1939. gada 25. jūlijā Varšavā poļi parādīja franču un britu izlūkdienestu aģentiem savu Enigmas kriptoanalīzi un apsolīja katrai delegācijai po vienu poļu izgatavotu Enigmu. Šī demonstrācija bija būtisks sākums vēlākajam britu darbam Bletčlija parkā.

"Hut 6 Ultra nekad nebūtu sākusies, ja mēs no poļiem laikus nebūtu uzzinājuši detaļas gan par komerciālās Enigma iekārtas vācu militāro versiju, gan par izmantotajām darbības procedūrām." Gordon Welchman, The Hut Six Story, 1982, 289. lpp.

Polijas iebrukuma laikā (1939. gadā) poļu šifratori tika nosūtīti uz Franciju, lai būtu drošībā. Vēlāk viņi aizbēga uz Lielbritāniju. Veicot tehniskus uzlabojumus, britu šifratori atrisināja milzum daudzus Enigma ziņojumus un atklātu tekstu nodeva militārajiem darbiniekiem. Šādā veidā iegūtā informācija, ko briti dēvēja par "Ultra", bija liels palīgs sabiedroto kara centieniem. Ultra ietvēra arī citu vācu, itāļu un japāņu šifru un kodu atšifrējumus, tostarp vācu virspavēlniecības šifru.

Vācu operatoru kļūdas palīdzēja Luftwaffe Enigmas kriptoanalīzē, un britu sagūstītās atslēgas tabulas un mašīna no vācu zemūdenes palīdzēja uzlauzt Navy Enigmas.

2011. gada 15. jūlijā karaliene Elizabete II apmeklēja Bletčlija parku, kurā atrodas mašīna, lai izrādītu cieņu tiem, kas tur strādāja, jo viņi pārtrauca karu, laužot nacistiskās Vācijas šifrus.

Konstrukcija un darbība

Enigma būtībā ir elektro-mehāniska šifrēšanas iekārta ar šādām galvenajām sastāvdaļām:

• Taustiņu paneļš un lampu paneļš: operators ievada burtu, un uz paneļa iedegas lampa, kas rāda šifrēto burtu.
• Steckerbrett (savienotāju panelis): ļauj pāris burtus savienot savā starpā, ieviešot papildu apmaiņu pirms un pēc rotoriem (latviski bieži dēvēts par “kontaktplati” vai “savienotāju paneli”).
• Rotoru bloks: rotori (parasti 3 vai vairāk) satur iekšēju vadu shēmu, kas realizē permutācijas. Rotori ir apgriežami un maināmi, un tie griežas ar katru nospiešanu, nodrošinot polialfabētisku substitūciju.
• Atgriezējs (Reflector): nosūta elektrisko signālu atpakaļ caur rotoriem, padarot šifrēšanu atgriezenisku (tas nozīmē, ka Enigma ir simetriska: ar tādu pašu iestatījumu to pašu burtu var gan šifrēt, gan atšifrēt).

Elektriskais ceļš: taustiņš → savienotāju panelis → rotori (no priekšpuses uz atgrieztāju) → atgrieztājs → rotori atpakaļ → savienotāju panelis → lampu panelis. Jo īpaši atgrieztājs nodrošina, ka nekad burtam nebūs tāda pati iznākuma vērtība (burts nekad neparādīs sevi), kas bija gan priekšrocība, gan vājums kriptoanalīzē.

Galvenās vājības un darbības procedūras

Lai gan aparatūra bija sarežģīta, Enigma drošība ļoti atkarīga no operatoru procedūrām un ikdienas atslēgu (rotoru izvēle, to secība, sākuma pozīcijas un savienotāju iestatījumi). Galvenās vājības, ko izmantoja kriptoanalītiķi:

• procedūras kļūdas un atkārtojumi (piemēram, iepriekšējās metodes, kuras izmantoja atkārtotu ziņojuma atslēgas kodēšanu);
• atgriezēja īpašība — burts nekad netiek šifrēts par sevi — ļāva veidot neitrālas sakritības;
• statistiskas un permutāciju īpašības, kas izriet no rotoru un savienotāju konfigurācijas;
• sastāvdaļu fiziskas detaļas un ierobežotas kombinācijas (piem., sākotnēji trīs rotoru izvēle no ierobežota kopuma), kas ļāva kriptoanalītiķiem ierobežot meklēšanas telpu.

Poļu sasniegumi

Polijas matemātiķi un kriptoanalītiķi Marian Rejewski, Jerzy Różycki un Henryk Zygalski izmantoja grupu teoriju un permutāciju analīzi, lai atklātu rotoru vadu sakarus un atšifrēšanas metodes. Polijas komanda izstrādāja mehāniskas ierīces, tā saucamo "bomba" (bomba kryptologiczna) un Zygalski lapas, kas automatizēja iespējamību pārbaudi un ļāva ātri atrast atslēgas kombinācijas. Polijas atklājumi un pašu izgatavotās ierīces 1939. gadā tika nodotas frančiem un britiem — notikums, kas būtiski paātrināja Allied kriptoanalīzi.

Britu darbs Bletčlija parkā

Britu kriptoanalītiķi Bletčlija parkā, kuru rindās bija Alan Turing, Gordon Welchman, Dilly Knox un daudzi citi, paplašināja un uzlaboja poļu idejas. Turing izstrādāja konceptuālo un praktisko pamatu Bombe ierīcei, kas automatizēja iespējamo iestatījumu pārbaudi, bet Welchman ieviesa uzlabojumus, kas padarīja ierīci efektīvāku darbībā (piem., "diagonāla" metode savienotāju panelim). Hut 6 un Hut 8 bija slaveni nodaļu nosaukumi, kas strādāja pie armijas/Luftwaffe un jūras Enigma šifrējumu atšifrēšanas.

Vācu jūras Enigma un sagūstītās ierīces

Navy Enigma (it īpaši U‑bātu komunikācijās) izmantoja stingrākas procedūras un vēlāk ieviesa četru rotoru versijas, kas ievērojami palielināja sarežģītību. Tomēr britu spēkos izdevās iegūt materiālus — piemēram, atslēgu tabulas un faktiskas mašīnas un kodgrāmatas, kas tika izņemti no sagūstītām vai pamestām zemūdenēm. Šādas iegūtas ierīces un dokumenti deva būtisku papildus informāciju, kas palielināja izlaušanās iespējas pret Navy Enigma.

Tehnoloģija un rīki

• Bombe: elektromehāniska ierīce, kas pārbaudīja iespējamus rotoru un savienotāju iestatījumus, meklējot saskaņas starp zināmajiem un iespējamajiem permutācijas modeļiem;
• Zygalski lapas: perforētas metāla lapas, ko izmantoja kā kombinatorisku rīku noteiktu konfigurāciju izslēgšanai;
• Ciklometri un permutāciju analīze: matemātiskās metodes, ko izmantoja, lai atšifrētu rotoru iedarbību uz permutācijām.

Ietekme un noslēpums

Informācijas ieguve, ko briti dēvēja par "Ultra", sniedza augsti vērtīgu izlūkdatu plūsmu sabiedroto komandieriem, un daudzi vēsturnieki uzskata, ka tas būtiski saīsināja Otrā pasaules kara gaitu. Tomēr Ultra tika glabāts stingrā slepenībā daudzus gadus pēc kara, un to slēpums kavēja publisku atzinību tiem, kuri strādāja kriptoanalīzē.

Pēcnācēji un muzejs

Pēckara gados Enigma un Bletčlija parka darbs kļuva par kriptogrāfijas un datorzinātnes vēstures svarīgu elementu. Bletčlija parks ir pārvērsts par muzeju, kur tiek demonstrētas gan Enigma mašīnas, gan Bombe principi, un vieta reglamentē piemiņu tiem, kuri darbojās, lai lauztu šos šifrus.

Ja vēlaties padziļināt zināšanas, noderīgi virzieni lasīšanai ir gan matemātiskā permutāciju teorija, gan operacionālo procedūru vēsture (piem., ziņojumu formāti, atslēgu lapas un savienotāju pieraksti), kā arī individuālo kriptoanalītiķu biogrāfijas (Marian Rejewski, Alan Turing, Gordon Welchman u. c.), kas skaidro gan tehnisko, gan cilvēkresursu lomu šajā vēsturiskajā darbā.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir Enigma mašīna?

Jautājums: Kurš pirmais lauza vācu militāros ziņojumus, kas tika nosūtīti ar Enigma mašīnu?

Jautājums: Kā britu šifratori atrisināja milzīgo skaitu Enigma ziņu?

J: Kādas kļūdas vācu operatori pieļāva, kas palīdzēja Luftwaffe Enigmas kriptoanalīzē?

J: Kā britu noķertās atslēgu tabulas un mašīnas no vācu zemūdenēm palīdzēja uzlauzt flotes atslēgas?

J: Kad Bletčlija parku apmeklēja karaliene Elizabete II?

Meklēt pēc burta