1.   Краткая История и развитие  шифровальной машины  «Энигма»

А) Энигма
Б) Польский след
В) Французский след

Г) Британский след

       Эни́гма (Enigma) — портативная шифровальная машина, использовавшаяся для шифрования и дешифрования секретных сообщений. Более точно, Энигма —  это целое семейство электромеханических роторных машин, применявшихся с 20-х годов XX века.       

            В конце XIX века  с расширением связных коммуникаций занялись автоматизацией процесса шифрования.   Появился телеграф, нужно біло шифровать и его. Любопытно, что  перове цифровое шифрующее колесо было изобретено госсекретарем Томасом Джефферсоном в 1790 году, ставшим потом третьим президентом США.

            Однако первая практически используемая криптографическая машина была предложена Жильбером  Вернамом лишь в 1917 году. Применение машин в криптографии расширялось, что привело к созданию частных фирм, занимающихся их серийным выпуском.   При э том,  шифровальная  аппаратура  создавалась  в  Германии,  Японии,  США  и  ряде  других  развитых  стран.

А) Enigma, краткая история

           Почему же на фоне других машин именно к Enigma приковано столь заметное внимание? Повторюсь, скорее всего, из-за массовости ее применения: все остальные машины оставались по сути штучными или в лучшем случае малосерийными, являясь принадлежностью структур, которые не любят гласности, а Enigma, нацеленная на блицкриг, использовалась повсеместно. Машина была проста, надежна, могла работать в полевых условиях, на подводных лодках, в бронетранспортере, практически где угодно. Количество перешло в качество. Не слишком сложная машина превратилась в опасное оружие, и противодействие именно ему приобрело принципиально иное, гораздо более существенное значение, нежели перехват отдельной, пусть очень секретной, но все же не массовой переписки.

          Собственная история Enigma началась с патента, полученного голландцем Хьюго Кочем в 1917 году. Через несколько месяцев, в 1918 году, патент на нее был перекуплен Артуром Шербиусом, который с помощью Enigma начал собственную предпринимательскую деятельность. Поначалу в открытую продажу поступала коммерческая версия, в таком виде ее использовали немецкая армия и флот. Но уже в 1930 году немцы стали разрабатывать специальные военные версии Enigma; эта работа продолжалась вплоть до окончания Второй мировой войны.

         Предшественницей  современных  криптографических машин была роторная машина,  изобретенная Эдвардом Хеберном в 1917 году и названная впоследствии Энигмой  (Слово  «enigma»  переводится  как  «загадка».  Промышленные  образцы  этой  машины  изготовляла  фирма  Siemens.   Независимая промышленная ее версия создана чуть позже берлинским инженером Артуром Кирхом (некоторые источники называют его Артуром Шербиусом).

                                                   1.1 Коммерческая  «Энигма»

           18 февраля 1918 года немецкий инженер Артур Шербиус (Arthur Scherbius) запросил патент на шифровальную машину, использующую роторы, и совместно с Рихардом Риттером (E. Richard Ritter) основал фирму Шербиус и Риттер (Scherbius & Ritter). Они пытались наладить отношения с германским военно-морским флотом и с Министерством иностранных дел, но на тот момент те не были заинтересованы в шифровальных машинах. В дальнейшем они зарегистрировали патенты на предприятие Геверкшафт Секуритас (Gewerkschaft Securitas), которое 9 июля 1923 года основало корпорацию производителей шифровальных машин Chiffriermaschinen Aktien-Gesellschaft. Шербиус и Риттер состояли в совете директоров этой корпорации. 

          Корпорация Chiffriermaschinen AG начала рекламировать роторную машину, Энигму модели «A», которая была выставлена на обозрение на конгрессе Международного почтового союза в 1923 и 1924 годах. Машина была тяжёлой, очень большой и напоминала печатную машину. Её размеры были 65×45×35 см, и весила она около 50 кг. Потом была представлена модель «B» подобной же конструкции. Первые две модели «A» и «B» были совсем не похожи на более поздние версии. Они были различных размеров и формы. Отличались они и с шифровальной точки зрения — в ранних версиях не хватало рефлектора. 

           Рефлектор — идея, предложенная коллегой Шербиуса Вилли Корном (Willi Korn) — впервые был внедрён в Энигме модели «C» (1926).     

            Рефлектор был ключевой особенностью Энигмы модели «С».  Модель «C» была меньше по размеру и более портативной, чем предшественники. В этой модели не хватало пишущей машинки, чтобы заменить дополнительного оператора, следящего за лампочками, отсюда и альтернативное название «Glowlamp Enigma», для отличия её от моделей «A» и «B». Энигма модели «C» вскоре устарела, уступая новой модели «D» (1927). Эта версия широко использовалась в Швеции, Нидерландах, Великобритании, Японии, Италии, Испании, США и Польше.

          С «электрической» точки зрения конструкция Enigma тривиально проста. В ней есть клавиатура, состоящая в распространенном случае из 26 кнопок, соответственно 26 лампочек, на которых нанесены трафареты букв, включаемых с помощью клавиатуры, и батарея. Процедура работы такова: оператор нажимает на клавишу, соответствующую очередному символу зашифровываемого или расшифровываемого сообщения, в ответ загорается одна из регистра лампочек, та, которая в данный момент соответствует вводимому символу. Оператор считывает букву на трафарете и вписывает в формируемое сообщение. Механизм шифрования Enigma, в конечном счете, представляет собой сложную систему коммутации, врезанную в цепь между кнопкой и лампочкой, которая обеспечивает в каждый данный момент времени передачу тока по одному из огромного числа потенциально возможных соединений. Коммутацию этого псевдослучайного соединения обеспечивают несколько элементов конструкции, прежде всего роторы. По мере совершенствования число роторов возрастало с трех до пяти, рабочий комплект роторов можно было составлять из стека (или  ряда) , состоящего из большего числа роторов, появлялись дополнительные устройства, но конструкция самого ротора оставалась неизменной. Его суть в том, что ротор представляет собой многополюсник, у него 26 входных и 26 выходных контактов, внутренняя проводка, размещенная в нем,   соединяет  контакты  между  собой   в тонко сконструированном «случайном» порядке, который сохраняется для данного типа ротора. На разных устройствах Enigma находились роторы одних и тех же типов. В качестве одной из мер, на которые немцы шли для повышения секретности, стало увеличение числа роторов, на машине мог находиться набор сменных роторов, которые можно было чередовать в заданной последовательности. Сами роторы были очень дороги, поэтому к экземплярам старым прибавляли новые.

        Между собой роторы были связаны примерно так, как шестерни  в одометре (счетчик пробега в автомобильном спидометре). Но в отличие от автомобильного одометра в Enigma при вводе символа крайнее правое колесо поворачивалось на переменный, задаваемый шаг, его величина могла задаваться по расписанию. По совершении полного оборота оно передавало поворот на шаг на следующий ротор и т.д. Правое колесо было самым быстрым, а передаточное отношение редуктора — переменным. Это значит, что система коммутации изменялась с каждым введенным символом. Кроме того, на роторы был нанесен алфавит, что позволяло менять начальную установку роторов тоже по определенным заранее правилам. Изюминкой Enigma, отличающей ее от других механических устройств шифрования, было наличие отражателя, представлявшего статически закрепленного ротора, который получал сигнал, прошедший через вращающиеся роторы и направлял его обратно. Таким образом, в трехроторной машине сигнал проходил семикратное преобразование. Отражение стало одновременно и силой, и слабостью машины; оно накладывало ограничение на случайность внутренней проводки роторов и сильно помогло  впоследствии А.Тьюрингу в разработке алгоритмов дешифровки.

        Примерно такой функциональностью обладала коммерческая версия Enigma и потом ее варианты. Позже военную версию оснастили еще одним, на первый взгляд, несложным устройством. В систему коммутации к роторам добавили коммутационную панель, которая делала простую подстановку, т.е. в чистом виде код Цезаря. По сути, это еще один не вращающийся ротор, но не с прошитой на заводе коммутацией, а, если можно так сказать, «программируемой». Такую коммутацию можно сделать в большей степени случайной, чем роторную и менять намного чаще. Идея включения коммутационной панели появилась у немцев, когда им самим удалось расшифровать сообщения, переданные из испанской республиканской армии, которая использовала коммерческую версию Enigma. В 1942 году на смену трехроторной машине пришла морская четырехроторная; в результате сложность задач, возникших перед криптоаналитиками, возросла на порядки. И так было постоянно, появление каждой новой модификации ставило перед английскими криптографами и военными новые задачи, на решение которых уходило от нескольких дней до нескольких месяцев. Между периодами, когда расшифровка была возможна, возникали паузы — обычная игра оружия и контроружия.

             Семейство шифровальных машин Энигма насчитывает огромное количество моделей и вариаций дизайна. Ранние модели были коммерческими, начиная с 1920-х годов  и хорошо себя зарекомендовали с практической точки зрения.  Поэтому,  начиная с середины 1920-х г. различные немецкие военные службы стали использовать эти машины, внося большое количество собственных изменений для повышения безопасности  и секретности. Кроме того, другие страны использовали чертежи Энигмы для создания своих собственных шифровальных машин.

1.2  «Энигма»  на  военной  службе  Германии

         1.2.1. КРИГСМАРИН (ВМФ)  Немецкий военно-морской флот первым начал использовать машины Энигма. Модель, названная «Funkschlüssel C», начала разрабатываться с 1925 года и начала выпускаться с 1929 года. Клавиатура и панель с лампочками состояли из 29 букв от A до Z, а также Ä, Ö и Ü, расположенных в алфавитном порядке, в отличие от системы QWERTZU.  Роторы имели по 28 контактов, буква X кодировалась напрямую, не зашифрованной. Три ротора из пяти и рефлектор могли быть установлены в четыре различные позиции, обозначенные буквами  α, β, γ и δ. Незначительные исправления в машину были внесены в июле 1933 года. 

           1.2.2.  ВЕРМАХТ  15 июля 1928 года немецкой армией была внедрена собственная модель Энигмы — «Энигма G», модифицированная в июне 1930 года в модель «Энигма I». «Энигма I», также известная как «Энигма вермахта», или «войсковая» Энигма, широко использовалась немецкими военными службами и другими государственными организациями (например, железными дорогами) во время Второй мировой войны. Существенное различие между «Энигмой I»  и коммерческими  моделями Энигмы  была  коммутационная панель для замены пар букв, существенно увеличившая уровень защиты шифрограмм. Также были и другие отличия: использование неподвижного рефлектора и перемещение прорезей с тела ротора на движущиеся буквенные кольца. Размеры машины составляли 28×34×15 см, она весила около 12 кг.

          В 1934 году ВМФ взял на вооружение военно-морскую модификацию армейской Энигмы, которая была названа «Funkschlüssel M» или «M3». В то время как армейские  модели  использовали  на тот момент всего три ротора, для большей  безопасности  в  морской модификации можно было  выбирать три ротора из пяти. В декабре 1938 года в модель вермахта были также добавлены два дополнительных ротора. Позднее, в 1938 году в комплект Энигмы ВМФ было добавлено ещё два дополнительных ротора, а потом и ещё один в 1939 году, так что появилась возможность выбирать  из  восьми роторов.

             1.2.3.  ЛЮФТВАФФЕ.   В августе 1935 года военно-воздушные силы также стали использовать армейские модели Энигмы для собственной секретной связи.

            1.2.4. ПОДВОДНЫЙ ФЛОТ.  С 1 февраля 1942 года немецкие подводные лодки стали использовать четырёхроторную Энигма, названную «M4» (в немецком наименовании эта новая сеть получила название «Triton», а у союзников — «Shark»). Дополнительный ротор не занимал большего пространства благодаря разделению рефлектора на комбинацию более тонкого рефлектора и тонкого четвёртого ротора.

           Также существовала «Энигма II» — большая восьмироторная печатающая модель. В 1933 году польские специалисты по взламыванию шифров обнаружили, что «Энигма II» использовалась для связи высших армейских структур, но вскоре Германия прекратила её использование — машина была слишком ненадёжна и часто заклинивала  (Польский след)

           1.2.5.  АБВЕР.  Немецкая военная разведка (абвер) использовала «Энигму G» (известна как Энигма абвера). Эта была четырёхроторная модель Энигмы без контактной панели, но с бо́льшим количеством выемок на роторах. Эта модель была оснащена счётчиком нажатий клавиш, поэтому она также известна как «счётная машина» (counter machine).

           Другие страны также использовали Энигму. Итальянские военно-морские силы использовали коммерческий вариант Энигмы под названием «Navy Cipher D», испанцы также использовали коммерческую Энигму во время гражданской войны. Британские специалисты  по взламыванию шифров  преуспели в дешифровке этих машин, лишённых коммутационной панели. (Британский  след).  Швейцарцы использовали для военных и дипломатических целей «Энигму K», которая была похожа на коммерческую «Энигму D». Эти машины были взломаны большим числом дешифровщиков, включая польских, французских, британских и американских. «Энигма T» (кодовое название «Тирпиц») была выпущена для Японии.

          По приблизительным оценкам, всего было выпущено около 100 000 экземпляров шифровальных машин Энигма. По окончании Второй мировой войны союзнические силы продали трофейные машины, по прежнему считавшиеся на тот момент надёжными, в различные развивающиеся страны.

          Охота за черткжами.  Это стало возможным лишь благодаря польской разведке, которая к злополучному 1939 году смогла получить чертежи Энигмы и разобраться в ее устройстве (ПОЛЬСКИЙ СЛЕД) После нападения гитлеровцев на Польшу чертежи немецкой шифровальной машины были переданы Англии. Довольно быстро британские криптоаналитики установили, что для взлома шифра, нужно знать распайку проводов в шифрующих колесах.

Охота за  образцами.  Началась охота британских спецслужб за образцами Энигмы  (БРИТАНСКИЙ  СЛЕД). Первый удалось выкрасть прямо с завода на юго-востоке Германии, второй сняли со сбитого в небе Норвегии немецкого бомбардировщика, третий был найден во время боев за Францию у немецких военных связистов, взятых в плен  (ФРАНЦУЗСКИЙ  СЛЕД).  Остальные Энигмы сняты водолазами с немецких подводных лодок, за которыми специально стали охотиться и топить на малых глубинах, чтобы была возможность спуститься водолазам и достать с потопленной подлодки Энигму.  Британский  военно-морской  флот  устроил настоящую охоту за подводными лодками, на которых можно было найти сами устройства и сопровождающую их информацию. Победы над лодками U-110 и U-559 сравнивают по важности с Трафальгарской битвой.

        О событиях, связанных с этой невидимой, но чрезвычайно важной стороной войны, остававшейся под секретом до 90-х годов, написано множество книг, снят известный фильм Enigma.

            Клоны Энигмы

          Enigma — одна из возможных реализаций электромеханического дискового шифратора, в отличие от других выпущенная примерно в 100 тыс. экземпляров и в нескольких модификациях.

         «Энигма» внесла существенное влияние в сферу изобретения шифровальных машин вообще и роторных машин в частности. Британская «Тайпекс» («Typex») была разработана по чертежам Энигмы — она даже содержит детали, изъятые из Энигмы. В результате необходимости сокрытия этих шифровальных систем правительство Великобритании не выплатило ни гроша за использование патентов на подобные шифровальные машины.      

          «GREEN» — японский клон Энигмы, малоиспользуемая машина, содержащая четыре ротора, расположенных вертикально.

           В США  криптоаналитик  Уильям  Фридман  изобрёл «M-325», шифровальную машину, подобную Энигме в логических операциях, хотя отличную по конструкции.

           Уникальная роторная машина была изобретена в 2002 году голландским криптоаналитиком Татьяной ван Варк (Tatjana van Vark).

1.4  Энигма сегодня

         Попытки «взломать» «Энигму»  конечно предпринимались,  начиная с момента её появления, но они не предавались гласности до конца  1970-х. После этого интерес к Энигме значительно возрос, и множество шифровальных машин представлено к публичному обозрению в музеях США и Европы.

          В Немецком музее в Мюнхене находятся оба немецких военных варианта трёх- и четырёхроторной Энигмы, есть и устаревшие гражданские модели. Работающая модель представлена также в Международном шифровальном музее в Форт-Миде (Fort Meade), в Музее компьютерной истории (Computer History Museum) в США, в Блетчли-Парке (Bletchley Park) в Великобритании, в Австралийском военном мемориале (Australian War Memorial) в Канберре, а также в Германии, США, Великобритании и в некоторых других странах Европы.