Как работала шифровальная машина “Энигма”.

29.09.2019

Передача секретных сообщений является жизненно важной необходимостью при ведении боевых действий, и если противник получает доступ к зашифрованному каналу связи, это дает ему массу преимуществ. Мы много слышали и смотрели фильмов о том, как был взломан код Энигмы, немецкой портативной шифровальной машины, использовавшейся во время Второй мировой войны. Однако не менее захватывающей является история взлома другого средства защиты сообщений – кодирующей приставки, использующейся в качестве дополнения к телетайпу Lorenz.

И если Энигма применялась в основном в полевых условиях, машина «Лоренц» служила для коммуникации высокого уровня – она передавала распоряжения высшего немецкого руководства.

Внешне обе машины похожи – в обоих используется ротор и диски, и с точки зрения криптографии они обе передают поточный шифр. Но Лоренц имеет более сложное строение и принцип работы. Общее число шифровальных дисков - 12: по пять с каждой стороны для генерации пятиразрядного кода плюс еще два диска в центре для создания эффекта «спотыкания кода» (придавал вид случайной последовательности). Это давало 16 квинтиллионов вариантов и абсолютную невозможность взлома методом грубой силы (перебора вариантов). При этом в отличие от Энигмы, первый Лоренц попал в руки союзников только в конце войны, то есть все выводы об устройстве машины были сделаны дедуктивным методом.

Сами немцы считали этот вариант передачи секретных сообщений абсолютно надежным. Они не сомневались в его криптостойкости, за что и поплатились, но обо всем по порядку.

Хотя сама машина не могла оказаться во вражеских руках, факт ее существования невозможно было скрыть. О существовании машины англичанам стало известно в начале 1940 года. Это случилось, когда среди радиоперехватов, выполненных в Бличли-Парке, главном шифровальном подразделении Великобритании, один из ведущих английских криптоаналитиков Джон Тильман обнаружил необычные сообщения, переданные с использованием пятиразрядной таблицы символов. Новой шифровальной машине было присвоено кодовое имя Fish («Рыба»), а данному типу сообщений - Tunny («Тунец»). По итогам предварительного анализа было сделано предположение о том, что расшифровка не даст результатов, пока не будет перехвачено два отличающихся сообщения с одной кодовой последовательностью. И долго ждать не пришлось.

Несмотря на строжайшие требования, ошибка была совершена 30 августа 1941 года при передаче защищенного сообщения длиной около 4 тыс. символов из Вены в Афины. Венский оператор, получив из Афин просьбу повторить сообщение, нарушил все возможные инструкции: передал то же самое сообщение с несколькими измененными словами без смены позиций шифратора. При этом изменения в тексте были незначительными, например, в первом сообщении он написал слово «номер» целиком – Nummer, а во втором сократил до Nr.

Такая, казалось бы, незначительная оплошность персонала позволила англичанам взломать код самой защищенной шифровальной машины Германии и в течение нескольких лет иметь доступ к секретной информации Вермахта. Конечно, потребовалось огромное количество ресурсов и таланта для того, чтобы сократить время расшифровки секретных сообщений. Для даже этого был разработан первый в мире компьютер – Colossus. Но главный прорыв в ситуации произошел, когда оператор продублировал сообщение, не изменив первоначальные настройки машины – печально известный человеческий фактор.

Теперь каждый может попробовать Лоренц в действии, благодаря программам, симулирующим работу данной шифровальной машины. Например, http://adamsgames.com/lorenz/index.htm

Проведем параллели между машинами Лоренц и Энигма и современными методами защиты информации от несанкционированного доступа. Взлом шифровальных машин показал, что использование секретных алгоритмов шифрования имеет довольно низкую эффективность. Да, их нельзя взломать простым перебором вариантов, но благодаря анализу косвенных признаков, например, ошибок в криптографических протоколах, можно понять механизм защиты. При этом во время войны большой вклад был сделан в методы анализа шифров – многими из них пользуются до сих пор.

Также есть компоненты, которые из физической криптографии перешли в цифровое шифрование. Такие понятия как защита с секретным ключом, генерация сеансового ключа актуальны как тогда, так и сейчас.

Другое дело человеческий фактор – он всегда остается слабым звеном даже при использовании самых взломостойких алгоритмов. Поэтому основной задачей на современном этапе является нейтрализация риска случайной или намеренной утечки секретных сообщений. Здесь присутствуют следующие угрозы:

Утечка со стороны отправителя секретного сообщения (отправитель намеренно поставил в скрытую копию несогласованного человека, случайно включил в список адресатов несогласованного человека).
Перехват секретного сообщения (атака «человек посередине»).
Утечка со стороны получателя секретного сообщения (пересылка третьим лицам, передача информации на флешке и т.д.).

В данном случае можно использовать специальный метод шифрования сообщения и вложенных документов в комбинации с гибким распределением прав на доступ к конкретному документу/письму. То есть файл сможет открыть только человек, у которого есть право на открытие именно этого документа/группы документов. Управление правами может быть реализовано на основе привязки к конкретным пользовательским устройствам – рабочим компьютерам. Таким образом, можно нейтрализовать все перечисленные выше угрозы и отправлять действительно секретные сообщения.

Немецкая шифровальная машинка была названа «Загадкой» не для красного словца. Вокруг истории ее захвата и расшифровки радиоперехватов ходят легенды, и во многом этому способствует кинематограф. Мифы и правда о немецком шифраторе - в нашем материале.

Перехвату противником сообщений, как известно, можно противопоставить только их надежную защиту или шифрование. История шифрования уходит корнями в глубь веков - один из самых известных шифров называется шифром Цезаря. Потом предпринимались попытки механизации процесса шифрования и дешифрования: до нас дошел диск Альберти, созданный в 60-х годах XV века Леоном Баттиста Альберти, автором «Трактата о шифрах» - одной из первых книг об искусстве шифровки и дешифровки.

Машинка Enigma, использовавшаяся Германией в годы Второй мировой войны, была не уникальна. Но от аналогичных устройств, взятых на вооружение другими странами, она отличалась относительной простотой и массовостью использования: применить ее можно было практически везде - и в полевых условиях, и на подводной лодке. История Enigma берет начало в 1917 году - тогда голландец Хьюго Коч получил на нее патент. Работа ее заключалась в замене одних букв другими за счёт вращающихся валиков.

Историю декодирования машины Enigma мы знаем в основном по голливудским блокбастерам о подводных лодках. Однако фильмы эти, по мнению историков, имеют мало общего с реальностью.

Например, в картине 2000 года U-571 рассказывается о секретном задании американских моряков захватить шифровальную машинку Enigma, находящуюся на борту немецкой субмарины U-571. Действие разворачивается в 1942 году в Северной Атлантике. Несмотря на то, что фильм отличается зрелищностью, история, рассказанная в нем, совершенно не отвечает историческим фактам. Подводная лодка U-571 действительно состояла на вооружении нацистской Германии, но была потоплена в 1944 году, а машинку Enigma американцам удалось захватить лишь в самом конце войны, и серьезной роли в приближении Победы это не сыграло. К слову, в конце фильма создатели сообщают исторически верные факты о захвате шифратора, однако появились они по настоянию консультанта картины, англичанина по происхождению. С другой стороны режиссер фильма Джонатан Мостов заявил, что его лента «представляет собой художественное произведение».

Европейские же фильмы стараются соблюсти историческую точность, однако доля художественного вымысла присутствует и в них. В фильме Майкла Аптеда «Энигма», вышедшего в 2001 году, рассказывается история математика Тома Джерико, которому предстоит всего за четыре дня разгадать обновленный код немецкой шифровальной машинки. Конечно, в реальной жизни на расшифровку кодов ушло гораздо больше времени. Сначала этим занималась криптологическая служба Польши. И группа математиков - Мариан Реевский, Генрих Зыгальский и Ежи Рожицкий, - изучая вышедшие из употребления немецкие шифры, установили, что так называемый дневной код, который меняли каждый день, состоял из настроек коммутационной панели, порядка установки роторов, положений колец и начальных установок ротора. Случилось это в 1939 году, еще перед захватом Польши нацистской Германией. Также польское «Бюро шифров», созданное специально для «борьбы» с Enigma, имело в своем распоряжении несколько экземпляров работающей машинки, а также электромеханическую машинку Bomba, состоявшую из шести спаренных немецких устройств, которая помогала в работе с кодами. Именно она впоследствии стала прототипом для Bombe - изобретения Алана Тьюринга.

Свои наработки польская сторона сумела передать британским спецслужбам, которые и организовали дальнейшую работу по взлому «загадки». Кстати, впервые британцы заинтересовались Enigma еще в середине 20–х годов, однако, быстро отказались от идеи расшифровать код, видимо, посчитав, что сделать это невозможно. Однако,с началом Второй мировой войны ситуация изменилась: во многом благодаря загадочной машинке Германия контролировала половину Атлантики, топила европейские конвои с продуктами и боеприпасами. В этих условиях Великобритании и другим странам антигитлеровской коалиции обязательно нужно было проникнуть в загадку Enigma.

Сэр Элистер Деннисон, начальник Государственной школы кодов и шифров, которая располагалась в огромном замке Блетчли -парк в 50 милях от Лондона, задумал и провел секретную операцию Ultra, обратившись к талантливым выпускникам Кембриджа и Оксфорда, среди которых был и известный криптограф и математик Алан Тьюринг. Работе Тьюринга над взломом кодов машинки Enigma посвящен вышедший в 2014 году фильм «Игра в имитацию». Еще в 1936 году Тьюринг разработал абстрактную вычислительную «машину Тьюринга», которая может считаться моделью компьютера - устройства, способного решить любую задачу, представленную в виде программы - последовательности действий. В школе кодов и шифров он возглавлял группу Hut 8, ответственную за криптоанализ сообщений ВМФ Германии и разработал некоторое количество методов взлома немецкого шифратора. Помимо группы Тьюринга, в Блетчли–парке трудились 12 тысяч сотрудников. Именно благодаря их упорному труду коды Enigma поддались расшифровке, но взломать все шифры так и не удалось. Например, шифр «Тритон» успешно действовал около года, и даже когда «парни из Блетчли» раскрыли его, это не принесло желаемого результата, так как с момента перехвата шифровки до передачи информации британских морякам проходило слишком много времени.

Все дело в том, что по распоряжению Уинстона Черчилля все материалы расшифровки поступали только начальникам разведслужб и сэру Стюарту Мензису, возглавлявшему МИ-6. Такие меры предосторожности были предприняты, чтобы немцы не догадались о раскрытии шифров. В то же время и эти меры не всегда срабатывали, тогда немцы меняли варианты настройки Enigma, после чего работа по расшифровке начиналась заново.

В «Игре в имитацию» затронута и тема взаимоотношений британских и советских криптографов. Официальный Лондон действительно был не уверен в компетенции специалистов из Советского Союза, однако по личному распоряжению Уинстона Черчилля 24 июля 1941 года в Москву стали передавать материалы с грифом Ultra. Правда, для исключения возможности раскрытия не только источника информации, но и того, что в Москве узнают о существовании Блетчли–парка, все материалы маскировались под агентурные данные. Однако в СССР узнали о работе над дешифровкой Enigma еще в 1939 году, а спустя три года на службу в Государственную школу кодов и шифров поступил советский шпион Джон Кэрнкросс, который регулярно отправлял в Москву всю необходимую информацию.

Многие задаются вопросами, почему же СССР не расшифровал радиоперехваты немецкой «Загадки», хотя советские войска захватили два таких устройства еще в 1941 году, а в Сталинградской битве в распоряжении Москвы оказалось еще три аппарата. По мнению историков, сказалось отсутствие в СССР современной на тот момент электронной техники.

К слову, специальный отдел ВЧК, занимающийся шифровкой и дешифровкой, был созван в СССР 5 мая 1921 года. На счету сотрудников отдела было не очень много, по понятным причинам – отдел работал на разведку и контрразведку, - афишируемых побед. Например, раскрытие уже в двадцатых годах дипломатических кодов ряда стран. Был создан и свой шифр - знаменитый «русский код», который, как говорят, расшифровать не удалось никому.

Немецкая шифровальная машинка была названа "Загадкой" не для красного словца. Вокруг истории ее захвата и расшифровки радиоперехватов ходят легенды, и во многом этому способствует кинематограф. Мифы и правда о немецком шифраторе - в нашем материале.

Перехвату противником сообщений, как известно, можно противопоставить только их надежную защиту или шифрование. История шифрования уходит корнями в глубь веков — один из самых известных шифров называется шифром Цезаря. Потом предпринимались попытки механизации процесса шифрования и дешифрования: до нас дошел диск Альберти, созданный в 60-х годах XV века Леоном Баттиста Альберти, автором "Трактата о шифрах" — одной из первых книг об искусстве шифровки и дешифровки.

Машинка Enigma, использовавшаяся Германией в годы Второй мировой войны, была не уникальна. Но от аналогичных устройств, взятых на вооружение другими странами, она отличалась относительной простотой и массовостью использования: применить ее можно было практически везде — и в полевых условиях, и на подводной лодке. История Enigma берет начало в 1917 году — тогда голландец Хьюго Коч получил на нее патент. Работа ее заключалась в замене одних букв другими за счёт вращающихся валиков.

Например, в картине 2000 года U-571 рассказывается о секретном задании американских моряков захватить шифровальную машинку Enigma, находящуюся на борту немецкой субмарины U-571. Действие разворачивается в 1942 году в Северной Атлантике. Несмотря на то, что фильм отличается зрелищностью, история, рассказанная в нем, совершенно не отвечает историческим фактам. Подводная лодка U-571 действительно состояла на вооружении нацистской Германии, но была потоплена в 1944 году, а машинку Enigma американцам удалось захватить лишь в самом конце войны, и серьезной роли в приближении Победы это не сыграло. К слову, в конце фильма создатели сообщают исторически верные факты о захвате шифратора, однако появились они по настоянию консультанта картины, англичанина по происхождению. С другой стороны режиссер фильма Джонатан Мостов заявил, что его лента "представляет собой художественное произведение".

Европейские же фильмы стараются соблюсти историческую точность, однако доля художественного вымысла присутствует и в них. В фильме Майкла Аптеда "Энигма", вышедшего в 2001 году, рассказывается история математика Тома Джерико, которому предстоит всего за четыре дня разгадать обновленный код немецкой шифровальной машинки. Конечно, в реальной жизни на расшифровку кодов ушло гораздо больше времени. Сначала этим занималась криптологическая служба Польши. И группа математиков — Мариан Реевский, Генрих Зыгальский и Ежи Рожицкий, — изучая вышедшие из употребления немецкие шифры, установили, что так называемый дневной код, который меняли каждый день, состоял из настроек коммутационной панели, порядка установки роторов, положений колец и начальных установок ротора. Случилось это в 1939 году, еще перед захватом Польши нацистской Германией. Также польское "Бюро шифров", созданное специально для "борьбы" с Enigma, имело в своем распоряжении несколько экземпляров работающей машинки, а также электромеханическую машинку Bomba, состоявшую из шести спаренных немецких устройств, которая помогала в работе с кодами. Именно она впоследствии стала прототипом для Bombe — изобретения Алана Тьюринга.

Свои наработки польская сторона сумела передать британским спецслужбам, которые и организовали дальнейшую работу по взлому "загадки". Кстати, впервые британцы заинтересовали Enigma еще в середине 20-х годов, однако, быстро отказались от идеи расшифровать код, видимо, посчитав, что сделать это невозможно. Однако с началом Второй мировой войны ситуация изменилась: во многом благодаря загадочной машинке Германия контролировала половину Атлантики, топила европейские конвои с продуктами и боеприпасами. В этих условиях Великобритании и другим странам антигитлеровской коалиции обязательно нужно было проникнуть в загадку Enigma.

Сэр Элистер Деннисон, начальник Государственной школы кодов и шифров, которая располагалась в огромном замке Блетчли-парк в 50 милях от Лондона, задумал и провел секретную операцию Ultra, обратившись к талантливым выпускникам Кембриджа и Оксфорда, среди которых был и известный криптограф и математик Алан Тьюринг. Работе Тьюринга над взломом кодов машинки Enigma посвящен вышедший в 2014 году фильм "Игра в имитацию". Еще в 1936 году Тьюринг разработал абстрактную вычислительную "машину Тьюринга", которая может считаться моделью компьютера — устройства, способного решить любую задачу, представленную в виде программы — последовательности действий. В школе кодов и шифров он возглавлял группу Hut 8, ответственную за криптоанализ сообщений ВМФ Германии и разработал некоторое количество методов взлома немецкого шифратора. Помимо группы Тьюринга, в Блетчли-парке трудились 12 тысяч сотрудников. Именно благодаря их упорному труду коды Enigma поддались расшифровке, но взломать все шифры так и не удалось. Например, шифр "Тритон" успешно действовал около года, и даже когда "парни из Блетчли" раскрыли его, это не принесло желаемого результата, так как с момента перехвата шифровки до передачи информации британских морякам проходило слишком много времени.

В "Игре в имитацию" затронута и тема взаимоотношений британских и советских криптографов. Официальный Лондон действительно был не уверен в компетенции специалистов из Советского Союза, однако по личному распоряжению Уинстона Черчилля 24 июля 1941 года в Москву стали передавать материалы с грифом Ultra. Правда, для исключения возможности раскрытия не только источника информации, но и того, что в Москве узнают о существовании Блетчли-парка, все материалы маскировались под агентурные данные. Однако в СССР узнали о работе над дешифровкой Enigma еще в 1939 году, а спустя три года на службу в Государственную школу кодов и шифров поступил советский шпион Джон Кэрнкросс, который регулярно отправлял в Москву всю необходимую информацию.

Многие задаются вопросами, почему же СССР не расшифровал радиоперехваты немецкой "Загадки", хотя советские войска захватили два таких устройства еще в 1941 году, а в Сталинградской битве в распоряжении Москвы оказалось еще три аппарата. По мнению историков, сказалось отсутствие в СССР современной на тот момент электронной техники.

К слову, специальный отдел ВЧК, занимающийся шифровкой и дешифровкой, был созван в СССР 5 мая 1921 года. На счету сотрудников отдела было много не очень, по понятным причинам - отдел работал на разведку и контрразведку, — афишируемых побед. Например, раскрытие уже в двадцатых годах дипломатических кодов ряда стран. Был создан и свой шифр — знаменитый "русский код", который, как говорят, расшифровать не удалось никому.

Энигма

Трёхроторная военная немецкая шифровальная машина Энигма (версия с метками).

Энигма использовалась в коммерческих целях, а также в военных и государственных службах во многих странах мира, но наибольшее распространение получила в нацистской Германии во время Второй мировой войны - именно Энигма вермахта (Wehrmacht Enigma ) - германская военная модель - чаще всего является предметом дискуссий.

Эта машина получила дурную славу, потому что криптоаналитики Антигитлеровской коалиции (точнее, Великобритании) смогли расшифровать большое количество сообщений, зашифрованных с её помощью. Специально для этих целей была создана машина с кодовым названием Turing Bombe , оказавшая значительную помощь Антигитлеровской коалиции (точнее, Великобритании) в войне. Вся информация, полученная криптоанализом с её помощью, имела кодовое название ULTRA .

Несмотря на то, что с точки зрения современной криптографии шифр Энигмы и был слаб , на практике только сочетание этого фактора с другими (такими как ошибки операторов, процедурные изъяны, заведомо известный текст сообщений (например, при передаче метеосводок), захваты экземпляров Энигмы и шифровальных книг) позволили взломщикам шифров разгадывать шифры Энигмы и читать сообщения . Также есть мнение, что это был один из самых сильных шифров времён Второй мировой войны. И только захват англичанами неповреждённой Энигмы с подводной лодки и бомбардировщика (что принципиально важно, эти факты так и остались неизвестными немцам), с учётом высочайшего научного и высокого технологического уровня Великобритании, позволили ей (после напряжённых и продолжительных работ в этом направлении) создать контр-Энигму. Важность и уникальность этого успеха прекрасно понимало руководство Великобритании - оставив свой успех «за семью печатями», до конца держа его в тайне даже от партнёров по Антигитлеровской коалиции.

Было выпущено, по приблизительным оценкам, около 100 000 экземпляров шифровальных машин Энигма.

Описание

Роторы

Левая сторона ротора Энигмы, видны плоские электрические контакты.

Правая сторона ротора, видны штыревые контакты. Римская V идентифицирует электропроводку ротора.

Роторы - сердце Энигмы. Каждый ротор представлял собой диск примерно 10 см в диаметре, сделанный из эбонита или бакелита , с пружинными штыревыми контактами на одной стороне ротора, расположенными по окружности. На другой стороне находилось соответствующее количество плоских электрических контактов. Штыревые и плоские контакты соответствовали буквам в алфавите (обычно это были 26 букв от A до Z). При соприкосновении контакты соседних роторов замыкали электрическую цепь. Внутри ротора каждый штыревой контакт был соединён с одним из плоских. Порядок соединения мог быть различным.

Три ротора и шпиндель, к которому они крепятся.

Сам по себе ротор производил очень простой тип шифрования: элементарный шифр замены . Например, контакт, отвечающий за букву E, мог быть соединён с контактом буквы T на другой стороне ротора. Но при использовании нескольких роторов в связке (обычно трёх или четырёх) за счёт их постоянного движения получается более надёжный шифр.

Ротор в разобранном виде			Три последовательно соединённых ротора
	кольцо с выемками маркирующая точка для контакта «A» алфавитное кольцо залужённые контакты электропроводка штыревые контакты пружинный рычаг для настройки кольца втулка пальцевое кольцо храповое колесо

Военные модели Энигмы выпускались с различным количеством роторов. Первая модель содержала только три. 15 декабря 1938 года их стало пять, но только три из них одновременно использовались в машине. Эти типы роторов были маркированы римскими числами от I до V, и у каждого была одна выемка, расположенная в разных местах алфавитного кольца. В военно-морских моделях всегда содержалось бо́льшее количество роторов, чем в других: шесть, семь или восемь. Эти дополнительные роторы маркировались числами VI, VII и VIII, все с различной электропроводкой. Все они содержали по две выемки около букв «N» и «A», что обеспечивало более частые повороты роторов.

Четырёхроторная военно-морская модель Энигмы, M4 имела один дополнительный ротор, хотя была такого же размера, что и трёхроторная, за счёт более тонкого рефлектора. Существовало два типа этого ротора: Бета и Гамма. В процессе шифрования он не двигался, но мог быть установлен вручную на любую из 26 различных позиций.

Ступенчатое движение роторов

Ступенчатое движение роторов Энигмы. Все три собачки (обозначены зелёным) двигаются одновременно. Для первого ротора (1), храповик (красный) всегда зацеплен, и он поворачивается при каждом нажатии клавиши. В данном случае выемка на первом роторе позволяет собачке зацепить и второй ротор (2), он повернётся при следующем нажатии клавиши. Третий ротор (3) не зацеплен, так как собачка третьего ротора не попала в выемку второго, собачка будет просто скользить по поверхности диска.

Каждый ротор был прикреплён к шестерёнке с 26 зубцами (храповику), а группа собачек зацепляла зубцы шестерёнок. Собачки выдвигались вперёд одновременно с нажатием клавиши на машине. Если собачка цепляла зубец шестерёнки, то ротор поворачивался на один шаг.

В армейской модели Энигмы каждый ротор был прикреплён к регулируемому кольцу с выемками. Пять базовых роторов (I-V) имели по одной выемке, тогда как в военно-морской модели (VI-VIII) - по две. В определённый момент выемка попадала напротив собачки, позволяя ей зацепить храповик следующего ротора при последующем нажатии клавиши. Когда же собачка не попадала в выемку, она просто проскальзывала по поверхности кольца, не цепляя шестерёнку. В системе с одной выемкой второй ротор продвигался вперёд на одну позицию за то же время, что первый - на 26. Аналогично, третий ротор продвигался на один шаг за то же время, за которое второй делал 26 шагов. Особенностью машины было то, что второй ротор также поворачивался, если поворачивался третий. Это означает, что второй ротор мог повернуться дважды при двух последовательных нажатиях клавиш - так называемое «двухшаговое движение», - что приводило к уменьшению периода .

Двухшаговое движение отличает функционирование роторов от нормального одометра . Двойной шаг реализовывался следующим образом: первый ротор поворачивался, заставляя второй также повернуться на один шаг. И, если второй ротор продвинулся в нужную позицию, то третья собачка зацепляла третью шестерёнку. На следующем шаге эта собачка толкала шестерёнку и продвигала её, а также продвигала и второй ротор.

С тремя дисками и только с одной выемкой в первом и втором диске, машина имела период 26×25×26 = 16 900. Как правило, сообщения не превышали пары сотен символов, и, следовательно, не было риска повтора позиции роторов при написании одного сообщения.

В четырёхроторных военно-морских моделях никаких изменений в механизм внесено не было. Собачек было только три, то есть четвёртый ротор никогда не двигался, но мог быть вручную установлен на одну из 26 позиций.

При нажатии клавиши роторы поворачивались до замыкания электрической цепи.

Роторы Энигмы в собранном состоянии. Три подвижных ротора помещены между двумя неподвижными деталями: входное кольцо и рефлектор (помечен «B» слева).

Входное колесо

Рефлектор

За исключением ранних моделей A и B, за последним ротором следовал рефлектор (нем. Umkehrwalze ), запатентованная деталь, отличавшая семейство Энигмы от других роторных машин, разработанных в то время. Рефлектор соединял контакты последнего ротора попарно, коммутируя ток через роторы в обратном направлении, но по другому маршруту. Наличие рефлектора гарантировало, что преобразование, осуществляемое Энигмой, есть инволюция , то есть дешифрование представляет собой то же самое, что и шифрование . Однако наличие рефлектора делает невозможным шифрование какой-либо буквы через саму себя. Это было серьёзным концептуальным недостатком, впоследствии пригодившимся дешифровщикам.

В коммерческой модели Энигмы C рефлектор мог быть расположен в двух различных позициях, а в модели D - в 26 возможных позициях, но при этом был неподвижен в процессе шифрования. В модели, применявшейся в абвере , рефлектор двигался во время шифрования, как и остальные диски.

В армейской и авиационной моделях Энигмы рефлектор был установлен, но не вращался. Он существовал в четырёх разновидностях. Первая разновидность была помечена буквой A. Следующая, Umkehrwalze B , была выпущена 1 ноября 1937 года. Третья, Umkehrwalze C , появилась в 1941 году. Четвёртая, Umkehrwalze D , впервые появившаяся 2 января 1944 года, позволяла оператору Энигмы управлять настройкой коммутации внутри рефлектора.

Коммутационная панель

Коммутационная панель в передней части машины. Могло использоваться до 13 соединений. На фотографии переключены две пары букв (S-O и J-A).

Коммутационная панель (нем. Steckerbrett ) позволяет оператору варьировать соединения проводов. Впервые она появилась в немецких армейских версиях в 1930 году и вскоре успешно использовалась и в военно-морских версиях. Коммутационная панель внесла огромный вклад в усложнение шифрования машины, даже больший, чем введение дополнительного ротора. С Энигмой без коммутационной панели можно справиться практически вручную, однако после добавления коммутационной панели взломщики были вынуждены конструировать специальные машины.

Кабель, помещённый на коммутационную панель, соединял буквы попарно, например, E и Q могли быть соединены в пару. Эффект состоял в перестановке этих букв до и после прохождения сигнала через роторы. Например, когда оператор нажимал E, сигнал направлялся в Q, и только после этого уже во входной ротор. Одновременно могло использоваться несколько таких пар (до 13).

Каждая буква на коммутационной панели имела два гнезда. Вставка штепселя разъединяла верхнее гнездо (от клавиатуры) и нижнее гнездо (к входному ротору) этой буквы. Штепсель на другом конце кабеля вставлялся в гнезда другой буквы, переключая тем самым соединения этих двух букв.

Аксессуары

Удобной деталью, использовавшейся на Энигме модели M4, был так называемый «Schreibmax», маленькое печатающие устройство, которое могло печатать все 26 букв на небольшом листе бумаги. В связи с этим, не было необходимости в дополнительном операторе, следящем за лампочками и записывающем буквы. Печатное устройство устанавливалось поверх Энигмы и было соединено с панелью лампочек. Чтобы установить печатающее устройство, необходимо было убрать крышечки от ламп и все лампочки. Кроме того, это нововведение повышало безопасность: теперь офицеру-связисту не обязательно было видеть незашифрованный текст. Печатающее устройство было установлено в каюте командира подводной лодки, а офицер-связист только вводил зашифрованный текст, не получая доступа к секретной информации.

Другим аксессуаром была отдельная удалённая панель с лампочками. В варианте с дополнительной панелью деревянный корпус Энигмы был более широким. Существовала модель панели с лампочками, которая могла быть впоследствии подключена, но это требовало, как и в случае с печатающим устройством «Schreibmax», замены заводской панели с лампочками. Удалённая панель позволяла человеку прочитать расшифрованный текст без участия оператора. В 1944 году военно-воздушные силы ввели дополнительный переключатель коммутационной панели, названный «Uhr» (часы). Это была небольшая коробка, содержащая переключатель с 40 позициями. Он заменял стандартные штепсели. После соединения штепселей, как определялось в списке кодов на каждый день, оператор мог поменять переключатель в одной из этих 40 позиций. Каждая позиция приводила к различной комбинации телеграфирования штепселя. Большинство из этих соединений штепселей, в отличие от стандартных штепселей, были непарными.

Математическое описание

Преобразование Энигмы для каждой буквы может быть определено математически как результат перестановок . Рассмотрим трёхроторную армейскую модель. Положим, что P обозначает коммутационную панель, U обозначает отражатель, а L, M, R обозначают действия левых, средних и правых роторов соответственно. Тогда шифрование E может быть выражено как:

После каждого нажатия клавиш ротор движется, изменяя трансформацию. Например, если правый ротор R проворачивается на i позиций, происходит трансформация , где ρ - циклическая перестановка, проходящая от A к B, от B к C, и так далее. Таким же образом, средний и левый ротор могут быть обозначены как j и k вращений M и L. Функция шифрования в этом случае может быть отображена следующим образом:

Процедуры для использования Энигмы

В германских вооружённых силах средства связи были разделены на разные сети, причём у каждой были собственные настройки кодирования для машин Энигмы. В английском центре дешифровки Блетчли-Парк (англ. Bletchley Park ) эти коммуникационные сети именовались ключами и им были присвоены кодовые имена, такие как Red, Chaffinch или Shark. Каждой единице, работающей в сети, на новый промежуток времени назначались новые настройки. Чтобы сообщение было правильно зашифровано и расшифровано, машины отправителя и получателя должны были быть одинаково настроены, конкретно идентичными должны были быть: выбор роторов, начальные позиции роторов и соединения коммутационной панели. Эти настройки оговаривались заранее и записывались в специальных шифровальных книгах.

Первоначальное состояние шифровального ключа Энигмы включает следующие параметры:

Расположение роторов: выбор роторов и их расположение.
Первоначальные позиции роторов: выбранные оператором, различные для каждого сообщения.
Настройка колец: позиция алфавитного кольца, совпадающая с роторной схемой.
Настройки штепселей: соединения штепселей на коммутационной панели.

Энигма была разработана таким образом, чтобы безопасность сохранялась даже в тех случаях, когда шпиону известны роторные схемы, хотя на практике настройки хранятся в секрете. С неизвестной схемой общее количество возможных конфигураций может быть порядка 10 114 (около 380 бит), с известной схемой соединений и других операционных настроек этот показатель снижается до 10 23 (76 бит). Пользователи Энигмы были уверены в её безопасности из-за большого количества возможных вариантов. Нереальным было даже начать подбирать возможную конфигурацию.

Индикаторы

Большинство ключей хранилось лишь определённый период времени, обычно сутки. Однако для каждого нового сообщения задавались новые начальные позиции роторов. Это обуславливалось тем, что если число сообщений, посланных с идентичными настройками, будет велико, то криптоаналитик , досконально изучивший несколько сообщений, может подобрать шифр к сообщениям, используя частотный анализ. Подобная идея используется в принципе «инициализационного вектора» в современном шифровании. Эти начальные позиции отправлялись вместе с криптограммой, перед зашифрованным текстом. Такой принцип именовался «индикаторная процедура». И именно слабость подобных индикационных процедур привела к первым успешным случаям взлома кода Энигмы.

Одни из ранних индикационных процедур использовались польскими криптоаналитиками для взлома кода. Процедура заключалась в том, что оператор настраивал машину в соответствии со списком настроек, которые содержат главные первоначальные стартовые позиции роторов. Допустим, главное ключевое слово - AOH. Оператор вращал роторы вручную до тех пор, пока слово AOH не читалось в роторных окошках. После этого оператор выбирал свой собственный ключ для нового сообщения. Допустим, оператор выбрал слово EIN. Это слово становилось ключевым для данного сообщения. Далее оператор ещё один раз вводил слово EIN в машину для избежания ошибок при передаче. В результате, после двойного ввода слова EIN в криптограмме отображалось слово XHTLOA, которое предшествовало телу основного сообщения. И наконец, оператор снова поворачивал роторы в соответствии с выбранным ключом, в данном примере EIN, и вводил далее уже основной текст сообщения.

При получении данного шифрованного сообщения вся операция выполнялась в обратном порядке. Оператор-получатель вводил в машину начальные настройки (ключевое слово AOH) и вводил первые шесть букв полученного сообщения (XHTLOA). В приведённом примере отображалось слово EINEIN, то есть оператор-получатель понимал, что ключевое слово - EIN. После этого он устанавливал роторы на позицию EIN, и вводил оставшуюся часть зашифрованного сообщения, на выходе получая чистый дешифрованный текст.

В этом методе было два недостатка. Во-первых, использование главных ключевых настроек. Впоследствии это было изменено тем, что оператор выбирал собственные начальные позиции для шифрования индикатора и отправлял начальные позиции в незашифрованном виде. Вторая проблема состояла в повторяемости выбранного оператором-шифровщиком слова-индикатора, которая была существенной трещиной в безопасности. Ключ сообщения шифровался дважды, в результате чего прослеживалось закономерное сходство между первым и четвёртым, вторым и пятым, третьим и шестым символами. Этот недостаток позволил польским дешифровщикам взломать код Энигмы уже в 1932 году. Однако, начиная с 1940 года, немцы изменили процедуры для повышения безопасности.