Войти
Серия из трех роторов машины Enigma, использовавшейся Германией во время Второй мировой войны В криптографии, роторная машина представляет собой электромеханическое устройство потокового шифрования, используемое для шифрования и дешифрования сообщений. Роторные машины были последним словом в области криптографии в течение выдающегося периода истории; они широко использовались в 1920–1970-х годах. Самый известный пример - немецкая машина Enigma, выходные данные которой были расшифрованы союзниками во время Второй мировой войны, давая разведывательные данные под кодовым названием Ultra.
Первичный компонент представляет собой набор роторов, также называемых колесами или барабанами, которые представляют собой вращающиеся диски с набором электрических контактов с обеих сторон. Соединение между контактами реализует фиксированную замену букв, заменяя их сложным образом. Само по себе это не дало бы никакой безопасности; однако после шифрования каждой буквы роторы продвигаются вперед, изменяя замену. Таким образом, роторная машина создает сложный полиалфавитный шифр замещения, который изменяется при каждом нажатии клавиши.
40-точечные роторы машины, созданной Татьяной ван Варк В классической криптографии одним из самых ранних методов шифрования был простой шифр замещения, где буквы в сообщении систематически заменялись по какой-то секретной схеме. Моноалфавитные шифры замещения использовали только одну схему замещения, иногда называемую «алфавитом»; это можно легко сломать, например, используя частотный анализ. Несколько более безопасными были схемы, включающие несколько алфавитов, полиалфавитные шифры. Поскольку такие схемы реализовывались вручную, можно было использовать лишь несколько различных алфавитов; что-либо более сложное было бы непрактичным. Однако использование всего нескольких алфавитов сделало шифры уязвимыми для атак. Изобретение роторных машин механизировало полиалфавитное шифрование, обеспечивающее практический способ использования гораздо большего количества алфавитов.
Самым ранним криптоаналитическим методом был частотный анализ, в котором шаблоны букв, уникальные для каждого языка, могли использоваться для обнаружения информации об алфавитах замены, используемых в моно-алфавитном шифр подстановки. Например, в английском языке буквы открытого текста E, T, A, O, I, N и S обычно легко идентифицировать в зашифрованном тексте, поскольку они очень часто встречаются (см. ETAOIN SHRDLU ), соответствующие им буквы зашифрованного текста также будут такими же частыми. Кроме того, комбинации биграмм, такие как NG, ST и другие, также очень часты, в то время как другие действительно редки (например, за Q следует что-либо, кроме U). Простейший частотный анализ основан на том, что одна буква зашифрованного текста всегда подставляется вместо буквы открытого текста в шифре: если это не так, расшифровать сообщение будет сложнее. В течение многих лет криптографы пытались скрыть контрольные частоты, используя несколько различных замен для общих букв, но этот метод не смог полностью скрыть закономерности в заменах букв открытого текста. К XVI веку подобные схемы стали широко нарушаться.
В середине 15 века Альберти изобрел новую технику, теперь известную как полиалфавитные шифры, которая признала достоинства использования более чем одного алфавит замены; он также изобрел простую технику «создания» множества шаблонов подстановки для использования в сообщении. Две стороны обменялись небольшим объемом информации (называемым ключом ) и использовали его для создания множества алфавитов подстановки и множества различных подстановок для каждой буквы открытого текста в течение одного открытого текста. Идея проста и эффективна, но использовать ее оказалось труднее, чем можно было ожидать. Многие шифры были лишь частичными реализациями алгоритмов Альберти, поэтому их было легче взломать, чем могло бы быть (например, шифр Виженера ).
Только в 1840-х (Бэббидж) не было известно какой-либо метод, который мог бы надежно взломать любой из полиалфавитных шифров. Его техника также искала повторяющиеся шаблоны в зашифрованном тексте, которые дают подсказки о длине ключа. Как только это станет известно, сообщение по существу становится серией сообщений, каждое из которых имеет длину ключа, к которым может применяться обычный частотный анализ. Чарльз Бэббидж, Фридрих Касиски и Уильям Фридман относятся к числу тех, кто больше всего сделал для развития этих методов.
Разработчики шифров пытались заставить пользователей использовать разные подстановки для каждой буквы, но обычно это означало очень длинный ключ, что было проблемой по нескольким причинам. Длинный ключ требует больше времени для передачи (надежно) сторонам, которые в нем нуждаются, поэтому ошибки при распределении ключей более вероятны. Кроме того, у многих пользователей нет терпения проводить длительные, безупречные эволюции, и уж тем более не в условиях цейтнота или стресса на поле боя. «Окончательный» шифр этого типа - это тот, в котором такой «длинный» ключ может быть сгенерирован из простого шаблона (в идеале автоматически), создавая шифр, в котором так много подстановок алфавитов, что частота подсчет и статистические атаки были бы практически невозможны. Enigma и роторные машины в целом были именно тем, что было нужно, поскольку они были серьезно полиалфавитными, с использованием другого алфавита замены для каждой буквы открытого текста и автоматическими, не требующими от пользователей каких-либо экстраординарных способностей. Их сообщения, как правило, было намного труднее взломать, чем любые предыдущие шифры.
Создать машину для выполнения простой замены несложно. В электрической системе с 26 переключателями, прикрепленными к 26 лампочкам, любой из переключателей будет освещать одну из лампочек. Если каждый переключатель приводится в действие ключом на пишущей машинке, а лампочки обозначены буквами, то такую систему можно использовать для шифрования, выбрав проводку между клавишами и лампочкой: например, набрав при букве Aзагорится лампочка с надписью Q. Однако проводка фиксирована, что обеспечивает небольшую безопасность.
Роторные машины меняют соединительную проводку при каждом нажатии клавиши. Проводка помещается внутри ротора, а затем вращается с помощью шестерни каждый раз, когда нажимается буква. Таким образом, при нажатии Aв первый раз может сгенерироваться Q, в следующий раз он может сгенерировать J. Каждая буква, нажатая на клавиатуре, увеличивает положение ротора и получает новую замену, реализуя полиалфавитный шифр замены.
В зависимости от размера ротора, это может быть или не быть более надежным, чем ручные шифры. Если на роторе всего 26 позиций, по одному на каждую букву, то все сообщения будут иметь (повторяющуюся) клавишу длиной 26 букв. Хотя сам ключ (в основном скрытый в проводке ротора) может быть неизвестен, методы атаки на эти типы шифров не нуждаются в этой информации. Таким образом, хотя такая машина с одним ротором, безусловно, проста в использовании, она не более безопасна, чем любая другая система частичного полиалфавитного шифрования.
Но это легко исправить. Просто сложите несколько роторов рядом друг с другом и включите их вместе. После того, как первый ротор вращается "до упора", заставьте ротор рядом с ним вращаться на одно положение. Теперь вам нужно будет ввести 26 × 26 = 676 букв (для латинского алфавита ) до того, как клавиша повторится, и все же для настройки требуется всего лишь передать ключ из двух букв / цифр. Если длина ключа 676 недостаточна, можно добавить еще один ротор, в результате чего будет получен период 17 576 букв.
Для того, чтобы их было так же легко расшифровать, как и шифрование, некоторые роторные машины, в первую очередь машина Enigma, были спроектированы симметрично, т. Е. При двойном шифровании с одинаковыми настройками восстанавливается исходный сообщение (см. инволюция ).
Концепция роторной машины пришла в голову нескольким изобретателям независимо в одно и то же время.
В 2003 году выяснилось, что первыми изобретателями были два голландских военно-морских офицера, Тео А. ван Хенгель (1875–1939) и RPC Spengler (1875–1955) в 1915 году (De Leeuw, 2003). Ранее изобретение было приписано четырем изобретателям, работающим независимо и почти одновременно: Эдвард Хеберн, Арвид Дамм, Хьюго Кох и Артур. Шербиус.
В Соединенных Штатах Эдвард Хью Хеберн построил роторную машину с одним ротором в 1917 году. Он был убежден, что разбогатеет, продав такую систему военным. Hebern Rotor Machine, и произвела серию различных машин от одного до пяти роторов. Однако его успех был ограничен, и в 1920-х он обанкротился. Он продал небольшое количество машин ВМС США в 1931 году.
В машинах Хеберна роторы можно было открывать, а проводку менять за несколько минут, так что единичный серийный выпуск Система могла быть продана ряду пользователей, которые затем изготовили бы свои собственные ключи ротора. Расшифровка заключалась в извлечении ротора (ов) и их повороте для изменения схемы. Неизвестный Хеберну, Уильям Фридман из службы безопасности США SIS сразу продемонстрировал изъян в системе, которая позволяла шифры из нее и из любых машина с аналогичными конструктивными особенностями, чтобы взломать достаточно работы.
Еще одним первым изобретателем роторной машины был голландец Хьюго Кох, который в 1919 году подал патент на роторную машину. Примерно в то же время в Швеции, Арвид Герхард Дамм изобрел и запатентовал другую конструкцию ротора. Тем не менее, роторная машина в конечном итоге стала известной благодаря Артуру Шербиусу, который в 1918 году подал патент на роторную машину. Позже Шербиус разработал и продал на рынок машину Enigma.
Немецкая машина Enigma Наиболее широко известное роторное шифровальное устройство - это немецкая машина Enigma, использовавшаяся во время Второй мировой войны, у которой было несколько вариантов.
В стандартной модели Enigma, Enigma I, использовалось три ротора. В конце стопки роторов находился дополнительный невращающийся диск, «отражатель», подключенный таким образом, что вход был электрически соединен обратно с другим контактом на той же стороне и, таким образом, «отражался» обратно через трехфазный стек ротора для создания шифротекста .
Когда ток подавался в большинство других роторных шифровальных машин, он проходил через роторы и выходил с другой стороны к лампам. В Enigma, однако, он «отражался» обратно через диски перед тем, как попасть в лампы. Преимущество этого было в том, что ничего не нужно было делать с установкой, чтобы расшифровать сообщение; машина всегда была «симметричной».
Отражатель Энигмы гарантировал, что ни одна буква не может быть зашифрована сама по себе, поэтому буква А никогда не могла превратиться обратно в А. Это помогло польским, а позже и британским попыткам взломать шифр. (См. Криптоанализ Энигмы.)
Шербиус объединил усилия с инженером-механиком по имени Риттер и сформировал Chiffriermaschinen AG в Берлине, прежде чем продемонстрировать Enigma публике в Берн в 1923 году, а затем в 1924 году на Всемирном почтовом конгрессе в Стокгольме. В 1927 году Шербиус купил патенты Коха, а в 1928 году они добавили коммутационную панель, по сути, невращающийся четвертый ротор с возможностью ручного переключения на передней части машины. После смерти Шербиуса в 1929 году отвечал за дальнейшее техническое развитие Enigma.
Как и в случае с другими ранними роторными машинами, Scherbius имел ограниченный коммерческий успех. Однако немецкие вооруженные силы, частично отвечая на разоблачение того, что их коды были взломаны во время Первой мировой войны, приняли на вооружение Enigma для защиты своих коммуникаций. Reichsmarine приняла на вооружение Enigma в 1926 году, а немецкая армия начала использовать другой вариант примерно в 1928 году.
Enigma (в нескольких вариантах) была роторной машиной, которая Компания Шербиуса и ее преемник, Heimsoth Reinke, поставляли немецким вооруженным силам и таким агентствам, как организация безопасности нацистской партии, SD.
поляки сломали загадку немецкой армии, начавшуюся в декабре 1932 года, вскоре после этого. после ввода в эксплуатацию. 25 июля 1939 года, всего за пять недель до вторжения Гитлера в Польшу, польский генеральный штаб шифровальное бюро поделились своими методами и оборудованием для расшифровки Enigma с французской и британской Вклад поляков в общую защиту от нацистской Германии. Дилли Нокс уже взламывал сообщения испанских националистов на коммерческой машине Enigma в 1937 году во время гражданской войны в Испании.
Несколько месяцев спустя, используя польские методы, британцы начали совместно читать шифры Enigma с Польским бюро шифров криптологами, сбежавшими из захваченной немцами Польши, чтобы добраться до Парижа. Поляки продолжали нарушать немецкую армию Enigma - вместе с Люфтваффе трафиком Enigma - до тех пор, пока работа на станции PC Bruno во Франции не была остановлена немецким вторжением в мае-июне 1940 года.
Британцы продолжали взламывать Enigma и, в конце концов, при содействии Соединенных Штатов, распространили работу на движение немецкого военно-морского флота Enigma (о котором поляки читали до войны), особенно на подводные лодки и обратно во время битвы за Атлантику.
Роторный блок от роторной машины Enigma. Роторы этой машины содержат 26 контактов. Во время Второй мировой войны (ВОВ) немцы и союзники разработали дополнительные роторные машины. Немцы использовали машины Lorenz SZ 40/42 и Siemens и Halske T52 для шифрования трафика телетайпа, в котором использовался код Бодо ; этот трафик был известен союзникам как Fish. Союзники разработали Typex (британский) и SIGABA (американский). Во время войны швейцарский начал разработку усовершенствованной Enigma, которая стала машиной NEMA, которая была принята на вооружение после Второй мировой войны. Был даже разработан японский вариант Enigma, в котором роторы располагались горизонтально; Судя по всему, он так и не был введен в эксплуатацию. Японская машина ФИОЛЕТОВЫЙ не была роторной машиной, построенной на электрических шаговых переключателях, но была концептуально похожей.
Роторные машины продолжали использоваться даже в компьютерный век. KL-7 (ADONIS), шифровальная машина с 8 роторами, широко использовалась США и их союзниками с 1950-х до 1980-х годов. Последнее сообщение канадца, зашифрованное с помощью KL-7, было отправлено 30 июня 1983 года. Советский Союз и его союзники использовали 10-роторную машину Фиалка еще в 1970-х годах.
Typex был печатным роторным устройством, используемым Соединенным Королевством и его Содружеством, и был основан на патентах Enigma. 
US SIGCUM был пятироторной системой, используемой для шифрования телетайпа. Уникальная роторная машина был построен в 2002 году Татьяной ван Варк из Нидерландов . Это необычное устройство вдохновлено Enigma, но в нем используются роторы с 40 точками, позволяющие использовать буквы, цифры и некоторые знаки препинания; каждый ротор состоит из 509 деталей.
Программная реализация роторной машины использовалась в команде crypt, которая была частью ранних операционных систем UNIX. Это была одна из первых программ, столкнувшихся с США. правила экспорта, классифицирующие криптографические реализации как боеприпасы.
