Кто расшифровал Энигму во время Второй мировой войны
В отечественной криптографии, науки, изучающей методы обеспечения конфиденциальности информации, существует значительная традиция, которая уже более 70 лет тесно связана с предприятиями, входящими в состав концерна Автоматика Госкорпорации Ростех. Именно здесь разрабатывались передовые технологии для защиты данных. В настоящие времена в этой сфере трудятся лучшие специалисты-криптографы и шифровальщики страны.
Свой профессиональный праздник все, кто связан с этой сферой, отмечают 5 мая — в день создания в 1921 году Специального отдела при ВЧК СССР, который стал первой криптоаналитической службой страны. В День шифровальщика мы расскажем о некоторых образцах шифровальной техники, которые использовались для сохранения важной информации в тайне.
Диск Джефферсона: первый в Новое время
На заре использования шифровальных методов первые шифры зачастую не имели необходимости в специальных устройствах: создателю и адресату достаточно было владеть ключом, то есть знать способ шифровки и дешифровки сообщения. На Руси буквы заменялись цифрами или прочими символами, таким образом появились шифры, такие как цифирь и тарабарщина. В эпоху Возрождения мастерство шифрования значительно развивалось: появлялись научные работы по криптографии, разрабатывались шифры с многоалфавитной заменой, основываясь на принципах комбинаторики.
Промышленная революция ускорила появление первых устройств, заметно упрощавших процессы шифрования. Одним из первых таких шифраторов стал цилиндр, изобретенный Томасом Джефферсоном в конце XVIII века. Джефферсон был не только выдающимся политиком и философом, но и одним из отцов-основателей Соединенных Штатов Америки. Интересно, что сам изобретатель сомневался в надежности своего устройства, хотя позднее оно было признано достаточно стойким к криптоанализу.
Работа шифровального цилиндра Джефферсона осуществлялась следующим образом. На каждом из 36 дисков, надетых на одну ось и вместе образующих цилиндр, случайным образом размещались все буквы английского алфавита. На поверхности цилиндра вдоль выбранной линии из букв выстраивалось нужное сообщение. После этого выбирались буквы, расположенные на дисках на определённое число линий от нашего сообщения, и именно они составляли шифротекст. Ключом для расшифровки служила информация о том, на сколько линий мы отступили от оригинального текста, а также само устройство: у адресата должно было быть идентичное. Усложнить процесс расшифровки можно было путем изменения последовательности расположения дисков.
Небританское происхождение и трудности в учебе
Детская игрушка Тьюринга, которая до сих пор хранится в Блетчли-парке, символизирует важное место его работы, где он руководил такими сложными процессами, как взлом немецких зашифрованных коммуникаций.
Алан Тьюринг родился в 1912 году. Его отец был выходцем из шотландской аристократии, а мать имела ирландско-английские корни, поэтому его можно с большой натяжкой считать англичанином. Тем не менее, детство будущего ученого было вполне типичным для представителей высших слоев британского общества: он учился в частной школе в Шерборне. Однако гуманитарные предметы совершенно не интересовали его, и директор школы даже отправлял в сердцах родителям письма, в которых утверждал, что обучение в частной школе для Тьюринга является напрасной тратой времени. Из-за этого он не смог набрать достаточное количество баллов на выпускном экзамене и вместо поступления в престижный Тринити-колледж попал в Кембридж.
Кроме того, в школе он завел знакомство с Кристофером Моркомом, с которым вступил в первую в своей жизни гомосексуальную связь. Однако Морк вскоре скончался от туберкулеза, что стало тяжёлой утратой для Алана.
Машина Тьюринга: как алгоритм стал основой компьютерной эры
Как в наши дни, так и в 1936 году никто точно не знал, как именно возникает сознание и разум. Тем не менее, потребность в сложных вычислениях ощущалась остро, и для их осуществления необходимо было понимание того, каких требований должны соответствовать вычислительные машины.
Для анализа этой задачи Тьюринг сконструировал работу идеализированной вычислительной машины с бесконечной памятью. Он обозначил для неё чёткую последовательность действий: машина могла выполнять вычисления, лишь осуществляя последовательные элементарные операции, записывая в одну из ячеек хранения данных новый символ. Затем она могла переходить в соседнюю ячейку и выполнять ещё одну элементарную операцию. При этом машина не обладала свободной волей: вычисления выполнялись по заранее заданному алгоритму, состоящему из упорядоченных простейших шагов, изложенных в математически оформленных инструкциях. Каждому определённому набору входных данных соответствовал единственный выходной результат. В конечном итоге один и тот же алгоритм — именно Тьюринг внёс значительный вклад в формализацию этого понятия — всегда выдаёт один и тот же результат для решения одной и той же задачи.
Концепция машины, осуществляющей вычисления через элементарные операции по строго установленным правилам, позволила начать процесс решения сложных вычислительных задач, разбивая их на простейшие компоненты. Таким образом, задача создания мощных вычислительных машин, которая ранее казалась фантастикой, вскоре превратилась в вопрос о быстром выполнении простых элементарных операций.
Слив информации, не превратившийся во взлом
Хотя Энигма была утверждена высокими чинами немецкой армии благодаря своей эффективности и надёжности, секретность шифруемых на ней сообщений оказалась под угрозой довольно быстро. Оказалось, что главной причиной этого был агент Аше, он же Ганс-Тило Шмидт — с 1931 года сотрудник шифровального бюро Министерства обороны Германии, который работал на французскую разведку. Шмидт передавал французам устаревшие коды, которые должен был уничтожить, а также слил инструкции по использованию военного варианта шифровальной машины.
Французская разведка довольно прохладно отнеслась к информации от агента Аше. Наличие своего агента в стане потенциального противника было полезным, но Энигма считалась настолько надёжной машиной, что взломать её во Франции даже не пытались. Тем не менее, в Польше, куда французы передали материалы от своего немецкого агента, сумели найти гениев криптографии, которые разобрались в шифре.
Польский Тьюринг
Надёжную машину смог взломать Мариан Реевский, 27-летний математик, который прошёл секретные курсы криптографии. Несмотря на то что он работал не один в польском Бюро шифрования, именно ему доверили работу над расшифровкой Enigma I. Реевский немедленно начал искать уязвимости ключа сообщений, выбирая из ежедневных шифрограмм первые шесть букв и составляя таблицы соответствий.
Сначала ему удалось выявить 4 повторяющиеся последовательности букв в зашифрованных сообщениях. Позже, учитывая, что в Энигме только три ротора, а начальная настройка состоит из трёх букв латинского алфавита, Реевский определил, что количество возможных кодовых цепочек значительно меньше, чем считалось ранее: 3!263 против 26!. Это открытие позволило ему в течение года составить полный каталог всех цепочек шифров.
Опираясь на выводы Реевского, стало ясно, что количество возможных кодовых цепочек в 3 824 262 831 196 002 461 538 раз меньше, чем предполагалось ранее.
Предположительно, чувствуя, что их шифры могут быть расшифрованы, немецкие криптографы начали значительно чаще менять конфигурации роторов машины. Осенью 1938 года принцип шифрования изменился, что сделало прежние методы распознавания шифрограмм невозможными. Однако Реевский со своими коллегами разгадали эту уловку, основанную на так называемом удвоении ключа, что в действительности являлось криптографической ошибкой.
Уже через несколько месяцев поляки разработали устройство под названием «Бомба Реевского», которое получило свое имя либо из-за характерного тиканья при работе, либо в честь округлых пирожных, которые Мариан очень любил. Устройство выполняло поиск по заданному шаблону, учитывая, что парам первых и четвёртых, вторых и пятых, третьей и шестой букв зашифрованного текста соответствуют одинаковые буквы открытого текста.
Работы Мариана Реевского стали основой успеха Алана Тьюринга. При этом нельзя утверждать, что Тьюринг просто присвоил чужие достижения. Действительно, поляки в 1939 году, перед тем как войска Третьего Рейха вторглись в Польшу, передали все свои наработки британской разведке. Однако методика Реевского к тому времени оказалась бесполезной для работы с Энигмой.
Enigma B
Enigma B — это электромеханическая шифровальная роторная машина, которая была представлена в конце 1924 года компанией Cipher Machine Corporation (ChiMaAG) в Берлине (Германия). Здесь также, как и в предыдущих моделях Enigma A, использовались лампочки.
Известны две версии Enigma B: ранняя версия имела два ряда клавиш спереди и два ряда лампочек над роторами; использовала два несъёмных ротора шифрования и подвижный контактный отражатель в центре.
В более поздней версии один из ротор шифрования можно было заменить. Клавиатура была устроена иначе, чем у обычной пишущей машинки, символы располагались в алфавитном порядке. Панель лампочек теперь находилась в центре машины, а роторы были размещены сзади.
Стоит отметить, что буквы W не было в этой версии, но были добавлены Å, Ä и Ö в правом нижнем углу. В то время W не использовалась в offiziellen Шведском языке, за исключением имен и заимствованных слов, и даже в этом случае могла быть заменена на VV (двойной V).
Считается, что сохранившихся экземляров ранней модели B не существует. Однако есть как минимум два экземпляра более поздней модели (A-133 и A-134), которые стали частью коллекции. Различия между этими двумя версион настолько значительны, что более поздняя модель скорее представляет собой переход к Enigma C.
Внутренняя часть A-133
В A-133 находились три движущихся ротора шифрования: на одном были буквы (A-O), а на двух других — цифры (01-28), и фиксированный отражатель (FM), установленный слева от роторов. Это обеспечивало 2 891 341 824 возможных настроек.
Enigma C
Enigma C — электромеханическая роторная шифровальная машина, была представлена в середине 1925 года компанией Cipher Machine Corporation (ChiMaAG) в Берлине (Германия). Подобно своим предшественникам, Enigma A и Enigma B, в Enigma C также использовались лампочки.
Составляющие Enigma C включали: 26-буквенную клавиатуру для ввода открытых сообщений; 26 лампочек, которые при включении подсвечивали нужные буквы зашифрованного текста; источник питания (3,5-вольтовая батарея или ее эквивалент); три съёмных контактных колеса, вращавшихся на общей оси; неподвижный контактный отражатель и неподвижное контактное колесо ввода.
Личная жизнь
Алан Тьюринг всего лишь однажды попытался завести отношения с женщиной. В 1941 году он сделал предложение своей коллеге по работе в Блетчли-парке, Джоан Кларк. Однако позже он признался ей в своей нетрадиционной ориентации, что стало причиной отмены свадьбы.
В начале 1952 года Тьюринг познакомился с 19-летним рабочим по имени Арнольд Мюррей, с которым у него начались интимные отношения. После того как его сексуальный партнёр украл у него деньги и заявил об этом в полицию, информация о его ориентации стала известна широкой общественности. В 50-х годах гомосексуализм в Англии считался уголовным преступлением, поэтому Тьюрингу было предложено на выбор: тюрьма или химическая кастрация. Он согласился на инъекции сти́льбэстрола и через год стал импотентом.
Последние годы
В 1950 году была опубликована одна из самых значительных статей Тьюринга в области компьютерных исследований под названием «Вычислительные машины и разум». В ней шла речь о создании искусственного интеллекта. Автор предложил провести эксперимент, который заключался в общении человека с умной машиной, а затем тем же человеком с другим человеком. Участник эксперимента должен был выяснить, кто есть кто. Этот эксперимент лег в основу создания CAPTCHA, системы подтверждения, которая запрашивает у пользователя подтверждение того, что он является живым человеком, а не роботом.
Тьюринг написал и первую компьютерную программу для игры в шахматы, которая была разработана задолго до появления самих компьютеров. Для реализации этой программы он сам выполнял все действия с интервалом в тридцать минут. Результаты оказались интересными: в одной партии так называемый компьютер одержал победу, а во второй — проиграл.
Алан стал первым, кто создал компьютерную музыку. В 1951 году машина, которую он разработал, уже воспроизводила три мелодии, среди которых была популярная «В настроении», авторства Гленна Миллера.
Тем не менее, этот факт остался в тени, и лишь в 2016 году, когда была восстановлена запись тех лет, об этом узнала мировая общественность.
В 1952 году в квартире Тьюринга произошла кража. Он обратился в полицию, и в процессе расследования выяснили, что это дело рук Арнольда Мюррея, случайного знакомого учёного, который несколько раз ночевал у него. Тьюринг признался, что между ним и молодым человеком были интимные отношения. В те годы гомосексуализм считался в Великобритании уголовно наказуемым преступлением. Ученому предложили выбор: гормональная терапия или тюремное заключение. Он выбрал первый вариант и, по сути, приговорил себя к химической кастрации.
Здоровье Алана начало стремительно ухудшаться, последствия гормональной терапии сказались на его психическом состоянии и здоровьи. Более того, он также потерял работу. Тьюринг всегда не был очень общительным, а после этого события он вообще замкнулся в четырех стенах, стараясь не выходить на улицу без особой необходимости.
Алан Тьюринг умер 8 июня 1954 года. В его кровати горничная обнаружила мёртвого учёного. Вскрытие показало, что он скончался от цианидного отравления. На тумбочке рядом с кроватью нашли надкушенное яблоко, которое и стало источником яда. Однако экспертиза плода проведена не была, но пришли к выводу, что это Тьюринг отравил себя сам.
Позже Эндрю Ходжес, написавший биографическую книгу об Алане Тьюринге, выдвинул версию, согласно которой учёный имитировал сценку из любимого им диснеевского мультфильма «Белоснежка».
Существует мнение, что логотип компании Apple мог возникнуть именно от этого яблока, убившего великого учёного.
Есть ещё одна версия касательно смерти Тьюринга, согласно которой он не покончил с собой. С ранних лет Алан увлекался игрой, названной им «Необитаемый остров». Целью игры было извлечение химических элементов из доступных продуктов. Тьюринг не проявлял должной осторожности при работе с химикатами, и потому все его знакомые, включая мать, пришли к выводу, что он мог погибнуть случайно. Мама уверена, что у её сына не было причин для самоубийства, он с юмором вспоминал о завершившейся год назад терапии и был полон сил и планов. Однако по другой версии, чтобы не огорчать мать, Тьюринг намеренно сделал свою смерть похожей на случайность.
