Історія створення: як з'явилась шифрувальна машина Еніґма

1917 року голландець Кох запатентував електричний роторний шифрувальнй пристрій для захисту комерційної інформації. 1918 року німець Шербіус купив цей патент, доопрацював його і побудував шифрувальну машину Еніґма, що в перекладі з грецької означає “загадка”. Наприкінці 1920-х років німецька армія вперше придбала Еніґму і та відразу ж стала головною шифрувальною машиною німецької армії, перш за все на флоті і в авіації. Чому саме Еніґма? Ймовірно, тому, що в її основі замість лінгвістичних шифрів (популярних в роки Першої світової війни) лежав багатоалфавітний шифр підстановки. Будова Еніґми вимагає детальних пояснень, але ми спробуємо в загальних рисах окреслити її особливості. Це свого роду електрична друкарська машинка, що складається з клавіатури на 26 літер латинського алфавіту, регістру на 26 лампочок з буквами, комутаційної панелі, батареї 4,5 вольта та роторів з шифрувальними дисками (3-4 робочих плюс 0-8 змінних). 

Ротори - це диски з ебоніту або бакеліту з пружинними штирьовими контактами, розташованими по колу на одному боці ротора і відповідною кількістю плоских електричних контактів з іншого. Штирьові і плоскі контакти відповідали літерам алфавіту (як правило, 26 літер від A до Z). Функція кожного ротора була проста - елементарний шифр заміни. Наприклад, контакт, відповідний букві О, міг бути з'єднаний з буквою Z на іншому боці ротора. Однак більш вдосконалені версії Еніґми використовували 3-4 ротора одночасно, для кожного з яких існувало 26 можливих положень. Більш того, всі ротори були “крокуючі”, це означає, що кожен з них змінював своє положення при кожному натисканні клавіші на клавіатурі. Таким чином, за допомогою роторів кожне таємне послання багаторазово змінювалося, перш ніж воно було готове до відправки.

Ротори пов'язані між собою як шестерні в одометрі (автомобільний лічильник пробігу). Але тут, на відміну від одометра, крайній правий диск при введенні літери повертається на змінний крок, величина якого задається за розкладом. Зробивши повний оберт, він передає поворот на крок на наступний ротор і т. Д. Правий диск - найшвидший, а передавальне відношення редуктора – змінне. Схема комутації змінюється з кожною введеною літерою (одна й та сама літера шифрується по- різному). На ротори задано алфавіт, що дозволяє змінювати їх початкову установку за заздалегідь обумовленими правилами. Родзинка Еніґми - відбивач, статично закріплений ротор, який, отримавши сигнал від обертових роторів, посилає його назад і в 3-роторної машині сигнал перетворюється 7 разів.

Який же принцип роботи Еніґми? Оператор працює так: натискає клавішу з черговою літерою повідомлення, що шифрується - на регістрі загоряється лампочка, яка відповідає (лише в даний момент!) цій літері - оператор, бачачи літеру на лампочці, вписує її до тексту шифровки. Йому не потрібно розуміти процес шифрування, він відбувається повністю автоматично. На виході - повна абракадабра, яка йде радіограмою адресату. Прочитати її може лише “свій”, що має синхронно налаштовану Еніґму, тобто знає, які саме ротори і в якому порядку використовуються для шифрування; його машина дешифрує послання теж автоматично, в зворотньому порядку.

 “Загадка” різко прискорила процес зв'язку, виключивши застосування таблиць, шифр-блокнотів, журналів перекодування, довгі години кропіткої роботи, неминучі помилки. Після кожного натискання клавіші трансформація змінюється. Для свого часу Еніґма була досить проста і надійна. Її поява не спантеличила нікого з можливих противників Німеччини, крім польської розвідки. Німецькі військові та МЗС, новинку проігнорувавши, продовжили працювати вручну. А потім 1923 року британське Адміралтейство випустило “Історію Першої світової війни”, розповівши всьому світові про свою перевагу в тій війні завдяки зламу німецького коду. 1914 року російські війська, потопивши німецький крейсер “Магдебург”, виловили труп офіцера, що притискає до грудей журнал з військово-морським кодом. Знахідкою поділилися і з союзником Англією.

 Німецька військова еліта, переживши шок і проаналізувавши хід бойових дій після того випадку, зробила висновок, що подібного фатального витоку інформації надалі допускати не можна. “Енігма” відразу ж стала затребуваною, масово закуповувалася військовими, зникла з вільного продажу. А коли Гітлер почав готувати нову війну, шифрувальне диво увійшло в обов'язкову програму. Підвищуючи захищеність зв'язку, конструктори постійно додавали в машину нові елементи. Навіть в першій, трьохроторній, моделі кожна літера мала 17576 варіантів (26x26x26). При застосуванні в довільному порядку трьох робочих роторів з п’яти, що входять до комплекту, число варіантів складає вже 1054560.

Додавання четвертого робочого ротора ускладнює шифрування на порядки; при використанні змінних роторів число варіантів вимірюється вже мільярдами. Це і переконало німецьких військових. Знаряддя бліцкригу. Еніґма - всього лише один з видів електромеханічного дискового шифратора. Але ось її масовість ... З 1925 року і до кінця Другої світової війни було випущено близько 100 тисяч машин. У цьому вся справа: шифрувальна техніка інших країн була штучною, працювала в спецслужбах, за закритими дверима. Еніґма ж - знаряддя бліцкригу - воювала в польових умовах на рівнях вище дивізії, на борту бомбардувальника, корабля, підводного човна; була в кожному порту, на кожній великій залізничній станції, в кожній бригаді СС, кожному штабі гестапо. Кількість перейшла в якість. Не надто складний прилад став небезпечною зброєю і боротьба з ним була принципово важливіша за перехоплення окремих, навіть дуже секретних листів. Компактну в порівнянні із зарубіжними аналогами машину можна було швидко знищити в разі небезпеки.

Еніґма працювала шляхом постійної зміни електричного кола за рахунок обертання внутрішніх роторів, через які йшов струм. При кожному натисканні букви на клавіатурі машина видавала букву шифру, а ротори ставали в нову позицію. Таким чином працював поліалфавітних шифр підстановки. Код для розшифровки інформації, засекреченої за допомогою Еніґми, змінювався щодня. По-перше, його ставив вибір роторів і їх початкове положення. Крім того, використовувався ще один пристрій - комутаційна панель під назвою Steckerbrett. Вона дозволяла будь-якому оператору ускладнювати шифр за рахунок варіювання з'єднання проводів ще до проходження сигналу через роторну частину. Еніґму з комутаційної панеллю було набагато складніше “зламати”, оскільки неможливо було математично пояснити принцип заміни літер (це було довільне рішення оператора, який міг на свій розсуд змінювати з'єднання проводів).

Таким чином, оператор військової версії Еніґми для розшифровки повідомлень повинен був знати наступне:

• розташування роторів - вибір роторів (їх було п'ять типів) і порядок, в якому вони були встановлені;
• початкове положення роторів – його обирав оператор, воно відрізнялося для кожного повідомлення/дня/періоду. Перш ніж відправити зашифроване послання, оператор набирав повідомлення-ключ, що містить літери, видимі в вихідній позиції роторів;
• налаштування комутаційної панелі - з'єднання проводів в комутаційній панелі Steckerbrett.

Вважалося, що завдяки настільки складному механізму, Еніґму неможливо зламати, тому французька та британська розвідки вірили, що розшифрувати повідомлення нацистів можна, лише викравши одну з машин і запровадивши в німецьку армію спецагента, який буде інформувати союзників про налаштування Еніґми, які щодня змінювалися. Цей план був недовговічний. Зникнення будь-якої з машин Еніґма відразу б помітили, і машину негайно переробили. А що стосується подвійних агентів, які шпигують за нацистами, то і їх вік був короткий…

Невдачі переслідували французьку та англійську розвідки до кінця 1931 року. Того року Гансу Тіло-Шмідту, німецькому аристократу і співробітнику шифрувального штабу німецьких збройних сил, було доручено знищити застарілі списки кодів Еніґми, включаючи налаштування Еніґми для різних днів. З якоїсь причини, ймовірно, фінансової, він вирішив продати ці коди Гюставові Бертрану, агенту французької розвідки. Бертран негайно створив спеціальну групу для аналізу отриманих даних, але інформацію визнали застарілою і непотрібною, до того ж даних було недостатньо навіть для того, щоб зрозуміти, з чого почати.

Після цього Бертран вирішив передати документи полякам і британцям. Першими занепокоїлися поляки. Стежачи за небезпечним сусідом, в лютому 1926 року ці фірми раптом не змогли читати шифровки німецького ВМФ, а з липня 1928 року - і шифровки рейхсверу. Стало ясно: там перейшли на машинне шифрування. Вже 1930 року Польське бюро шифрів (спеціальний підрозділ польської військової розвідки) першим зробило спробу зламати шифр Енігми. Будучи найближчими сусідами Німеччини, тут дуже добре знали про небезпеку. Починалося дослідження комерційної версії Енігми. Бюро найняло на роботу трьох молодих блискучих математиків з Познанського університету: Маріан Реєвський, Єжи Ружицький і Генріх Зигальській.

Реєвський, в чиєму розпорядженні вже була “громадянська” копія Еніґми (куплена в Німеччині), відразу ж зрозумів, що успіх близько. Він використовував матеріал, отриманий від Бертрана, і, порівнюючи наявні тексти з шифровками, зміг обчислити формули, які дозволили встановлювати з'єднання проводів роторів в тій версії Еніґми, яку використовувала німецька армія. Для цього треба було знання теорії перестановок найвищого рівня.

Восени 1930 року Рожицький і Зігальскій почали працювати в новому відділенні Бюро шифрів в Познані, маючи всього лише декілька перехоплених повідомлень. Це відділення знаходилося під командуванням регіональної армії в будинку, побудованому Кайзером Вільгельмом II і вважався офіційною резиденцією Крон-принца. Пізніше до них приєднався і Реєвський. З вересня 1932 року Рожицький став повноправним співробітником військової контррозвідки (Бюро шифрів № 4) Відділ II Генерального штабу у Варшаві. Їхнім головним завданням було злам шифру машини Еніґма, який на той момент вважався невразливим. Реєвський розробив математичну схему дешифрування, яка виявляє внутрішню конфігурацію проводки роторів машини і за допомогою якої потім вдалося створити копії Еніґми. Реєвський, в розпорядженні якого вже була “громадянська” копія Еніґми (куплена в Німеччині), відразу ж зрозумів, що успіх близько. Він використовував матеріал, отриманий від Бертрана, і, порівнюючи наявні тексти з шифровками, зміг обчислити формули, які дозволили встановлювати з'єднання проводів роторів в тій версії Еніґми, яку використовувала німецька армія. Для цього треба було знання теорії перестановок найвищого рівня.

Маріан Реєвський зайнявся проблемою в кінці 1932 року, і через кілька тижнів домігся першого прориву: розібрав секретну внутрішню розводку Enigma. Разом зі своїми колегами він почав розробляти різні техніки розшифровки німецького трафіку. У комерційних машинах Еніґма (як та, що використовував Реєвський) клавіші завжди були влаштовані так само, як в німецьких друкарських машинках: за схемою A-> Q B-> W C-> E і так далі, так, що кожна буква алфавіту замінювалося відповідною буквою з клавіатури QWERTZ. Незважаючи на те, що варіантів з'єднання проводів могло бути сотні тисяч, Реєвський твердо вирішив спробувати всі можливі комбінації.

Коли з'єднання проводів кожного з п'яти типів роторів були встановлені, Маріан Реєвський наказав своїм інженерам переналаштувати копію німецької Еніґми, встановив ротори в ту ж вихідну позицію, що і в зашифрованому тексті, ввів закодоване послання і ... отримав на виході повну абракадабру. Лише хаотичний набір букв, що нагадує будь-який зашифроване послання. Він почав зі стандартного алфавітного порядку. A-> A, B-> B, C-> C і ... отримав правильний текст! Реєвський зумів розгадати код. Тепер польська розвідка мала повністю функціонуючої копією німецької військової Еніґми! Чому схема виявилася такою простою? Цього так ніхто і не дізнався. Налаштування змінювалися щодня, але принаймні код був розшифрований.

Завдяки зламу машини в грудні 1932 року були розшифровані військові переговори Німецького командування. Також це дозволило варшавської фірмі AVA виготовити понад десяток копій машин Еніґма.

Після успішної розгадки шифру Рожицький і Зігальский працювали над розробкою методів використання Еніґми як інтелектуального пристрою.

 Спільно з Реєвським в 1934-1935 роках вони розробили дешифрувальний пристрій, шифрограму Еніґми - так званий циклометр, який готував каталог з перерахованими довжинами і числом циклів для кожної з 17576 позицій заданої послідовності роторів. Всього було 3 ротора, отже - 6 різних послідовностей і циклометр зберігав 105456 записів. Потім - після удосконалення німцями техніки шифрування - так звану криптологічну бомбу, яка була основним засобом для дешифрування повідомлень Еніґми під час Другої світової війни. Її перевагою була швидка адаптація до нових методів шифрування.

 Після збільшення числа роторів в грудні 1938 року було винайдено листи Зигальського. 

Генріх Зигальській розробив так звані листи Зігальского. Пізніше цей метод було автоматизовано – створено легендарну “бомбу”.

Робота Рожицькoго ж полягала в часовому методі, що дозволяє визначити вибір і установку ротора в механізмі Еніґми. 

1939 року розробки польських вчених і копія шифрувальної машини Еніґма військового зразка були надані делегації французьких і британських учених, які високо оцінили виконану роботу. Ця зустріч відбулася в Бюро шифрів у Варшаві. Британці вважали, що польські вчені зустрілися з великими труднощами дешифрування через збільшення числа роторів машини. Але Маріан Реєвський пізніше написав, що у них не було жодних труднощів, вони передали свої розробки на увазі, що погіршуються політичних відносин між країнами-союзниками в боротьбі проти нацистської Німеччини.

Ідеї та розробки Реєвського і його колег з Бюро шифрів лягли в основу подальших робіт з дешифрування постійно мінливих кодів Еніґми. Після 1940 року команда Блетчлі-парк очолила роботу з дешифрування Еніґми. Інженери Блетчлі-парк винайшли власну версію “бомби” і до закінчення війни розсекречували майже 100% німецьких повідомлень. Дуайт Ейзенхауер сказав, що розгадка коду Еніґми мала вирішальне значення для перемоги армій союзників і багато істориків вважають, що це скоротило війну на два роки і тим самим врятувала життя мільйонам людей.

Злом кодів Еніґми забезпечив англосаксам доступ майже до всієї секретної інформації Третього рейху (всі збройні сили, СС, СД, МЗС, пошта, транспорт, економіка), дав великі стратегічні переваги, допоміг здобувати перемоги малою кров'ю. “Битва за Британію” (1940 г.): насилу відбиваючи повітряний натиск німців, в квітні англійці почали читати радіограми люфтваффе. Це допомогло їм правильно оперувати останніми резервами і битву вони виграли. Без зламу Еніґми вторгнення німців в Англію було б дуже ймовірно. “Битва за Атлантику” (1939-1945 рр.): не взявши ворога з повітря, Гітлер душив його блокадою. Здавалося, ще трохи - і Британія впаде на коліна. Але англійці, читаючи шифрозв’язок “вовків”, стали їх нещадно топити і виграли битву. Операція “Оверлорд” (1945 г.): перед висадкою в Нормандії союзники знали з розшифровки про ВСІ німецькі контрзаходи щодо відображення десанту, кожен день отримували точні дані щодо позицій і сил оборони.

Німці постійно вдосконалювали Еніґму. Операторів вчили як її знищити у разі небезпеки. Ключі під час війни змінювали кожні 8 годин. Шифродокументи розчинялися у воді. Мали рацію і творці “Загадки”: розшифрувати її повідомлення вручну неможливо в принципі. А що, якщо противник протиставить цій машині свою? Але ж він так і вчинив. Захоплюючи нові екземпляри техніки, удосконалював свою антиЕніґму. Роботу йому полегшували самі німці. Так, у них була “індикаторна процедура”: на початку шифрограми двічі відправлялося налаштування (№ роторів / їх стартові позиції), де було видно закономірне схожість між 1-м і 4-м, 2-м і 5-м, 3-м і 6-м символами. Поляки помітили це ще в 1932 році і зламали код.

Суттєвою тріщиною в безпеці були метеозведення. Підводники отримували їх з бази “надійно” зашифрованими. На суші ці ж дані шифрувалися звичайним шляхом - і ось в руках хакерів вже набір відомих комбінацій, і вже ясно, які ротори працюють, як побудований ключ. Розшифровку полегшувала стандартна мова повідомлень, де вирази і слова часто повторювалися. Так, щодня о 06:00 метеослужба давала зашифрований прогноз. Слово “погода” було обов'язковим, а, відповідно до правил німецької граматики, це слово було на певному місці у реченні. Ще: німці часто вживали слова “фатерланд” і “рейх”. 

У англійців були співробітники, рідною мовою яких була німецька (native speakers). Ставлячи себе на місце ворожого шифрувальника, вони перебрали масу кодувань на наявність цих слів - і наблизили перемогу над “Енігмою”. Допомогло й те, що на початку сеансу радист завжди вказував позивний човна. Знаючи всі їхні позивні, англійці визначали роторну схему, отримуючи приблизні шифркомбінаціі деяких символів. Використовувалася “примусова інформація”. Так, англійці бомбили порт Кале, і німці давали шифровку, а в ній - вже відомі слова! Дешифрування полегшувала лінь деяких радистів, які по 2-3 дні не змінювали налаштувань. Нацистів підвела схильність до складних технічних рішень там, де надійніше обійтися більш простими методами. Вони навіть гадки не мали про програму “Ультра”. Зациклені на ідеї арійської переваги, вважали Еніґму непробивною, а інформованість ворога - результатом шпигунства і зради. Вони зуміли влізти в мережу урядового зв'язку Лондон-Вашингтон, читали всі перехоплення. Розкривши коди морських конвоїв, наводили на них “вовчі зграї” підводних човнів, що обійшлося англосаксів в 30 000 життів моряків. 

Однак при зразковому порядку в організації справ у них не було єдиної служби дешифрування. Цим займалося шість відомств, які не тільки не працювали разом, але і приховували свої навички від колег-конкурентів. Систему зв'язку на стійкість до злому оцінювали не криптографи, а техніки. Так, розслідування підозр про витік по лінії Еніґми були, але фахівці не змогли відкрити начальству очі на проблему. “Головний підводник рейху адмірал Деніц так і не зрозумів, що не радари, у яких стався збій у пеленгуванні, а читання шифрограм дозволило знаходити і знищувати їхні човни” (післявоєнна доповідь Army Security Agency / США).

Кажуть, що без зламу головної шифрувальної машини нацистів війна тривала б на два роки довше, коштувала б великих жертв і, можливо, не була б закінчена без атомного бомбардування Німеччини. Але це перебільшення. Звичайно, приємніше грати, заглядаючи в карти супротивника і розшифровка дуже важлива. Однак нацистів перемогла не вона. Адже з лютого по грудень 1942-го, не маючи жодного дешифрування, союзники знищили 82 німецькі субмарини. А на суші німці у величезній кількості операцій відправляли інформацію, використовуючи дроти, фельд'єгерів, собак або голубів.