Как польские математики стали первыми хакерами и взламывали Энигму

Перед началом войны в Польше была создала служба разведки, которая специализировалась на криптографии и криптологии. Ведомству была поставлена особая задача: выяснить, что планируют две соседние державы – СССР и Германия. Это было то самое агентства Секция шифров, которое затем переименуют в Бюро шифров.

Вообще, шифровальные машины в Германии стали использоваться в 1928 году. И на протяжение четырех следующих годов Секция занималась именно ими. Затем стало понятно, что ведомству не хватает ни ресурсов, ни людей. Поэтому в местных университетах открываются курсы по расшифровке кодов.

Одним из таких студентов оказался Мариан Реевский. Это был талантливый математик, который прекрасно владел немецким. А еще вместе с ним в команду Секции отобрали Хенрика Зыгальского и Ежи Ружицкого, которые сразу же приступили к расшифровке кода Энигма.

Вообще, Энигма – это электромеханическая роторная машина, которая до войны была доступна для покупки любому желающему. Появилась она на рынке еще в начале 20-х годов, и использовалась в среде коммерсантов. Тогда же машину покупает германская армия, и берет ее на вооружение.

Выбор упал именно на этот аппарат благодаря тому, что она использовала многоалфавитный шифр подстановки.

На машине были диски из эболита с пружинными штыревыми контактами, которые были расположены по окружности на одной стороны ротора, и соответствеющим количеством электроконтактов с другой. Штыревые и плоские контакты при этом соответствовали буквам латинского алфавита. А роторы, по сути свое, играли роль подстановки.

На каждой машине могли подменять одну букву на другую, но в более продвинутых версиях использовали три-четыре ротора одновременно, для каждого из которых существовало аж 26 возможных положений. А роторы были еще и особо продвинутыми – они могли менять положение при каждом нажатии клавиш на клавиатуре. В общем и целом, послание шифровалось множество раз, прежде чем отправиться к адресату.

Для большей конфиденциальности код для расшифровки Энигмы менялся каждый день. Для этого дополнительно использовали панель Стекербретт, которая позволяла еще сильнее усложнять шифр за счет варьирования соединения проводов до прохождения через роторную часть. Такую модель взломать было еще тяжелее, так как математически объяснить принцип замены букв было невозможно – здесь все решал оператор машины, выбирающий соединение проводов по личному усмотрению.

То есть для того, чтобы управлять военной версией Энигмы, оператор и сам должен был не быть дураком. Он должен был понимать расположение роторов, порядок, в котором они установлены, исходное положение роторов, и как его настраивать, а также уметь настраивать коммутационную модель.

В тот момент считалось, что из-за всех этих сложностей взломать Энигму невозможно. Однако французская и британская разведки считали, что можно взломать машину, просто… украв одну из них и внедрив в армию Германии своего засланного казачка. Но вот того, что все машины находятся на учете, а код сразу можно переделать, не учитывалось. Но учитывалось это со стороны известных нам уже поляков.

И все для германской армии было бы хорошо, но вот в какой-то момент аристократу Гансу Тило-Шмидту, который служил шифровальщиком в штабе немецких ВС, было поручено уничтожить старые коды Энигмы, включая настройки для различных дней. Но он этого делать не стал, а просто продал эти шифры Гюставу Бертрану, французскому агенту. Он, в свою очередь, создал спецгруппу для анализа полученных данных. Информация, правда, оказалась устаревшей и бесполезной, да и группа вообще не понимала, что с ней делать.

Поэтому Бертран передал эту информацию полякам и британцам. Реевский, который уже владел коммерческой Энигмой (купленной, правда, в Германии, использовал этот материал с умом. Он сравнивал тексты с шифровками, и смог вычислить формулы, которые позволили устанавливать соединения проводов роторов военной Энигмы.

Когда роторы встали на место, Реевский поручил инженерам перенастроить копию немецкой Энигмы. Тогда роторы установили в ту же самую позицию, что и в зашифрованном тексте, ввели закодированное послание. И ничего не вышло. Получился набор случайных букв.

Реевский проверял несколько раз свои вычисления, и был уверен, что разгадка, в общем-то, правильная. Но чего-то не хватало. В коммерческих машинах Энигма (как та, что использовал Реевский) клавиши всегда были устроены так же, как в немецких печатных машинках: по схеме A->Q B->W C->E и так далее, так, что каждая буква алфавита заменялась соответствующей буквой из клавиатуры QWERTZ. Несмотря на то, что вариантов соединения проводов могло быть сотни тысяч, Реевский был твердо намерен попробовать все возможные комбинации.

И начал он с простого алфавитного порядка. A->A, B->B, C->C. Проще некуда. А после этого он смог получить правильный текст. И теперь у поляков была полностью функционирующая копия Энигмы.

А все потому, что хоть настройки машины и менялись каждый день, и она казалась неуязвимой, по факту было так, что ключ для расшифовки нужно было передавать дважды, чтобы избежать ошибки. И Реевский заметил эту уязвимость.

Плюс ко всему, уязвимость была и в человеческом факторе. Часто немцы выирали простейшие ключи, которые и позволили снизить число установок индикатора. Благодаря этому удалось изобрести машину циклометр, которая автоматически вела каталогизацию шифров.

Но все же после окончательной версии каталога немцам стало понятно, что поляки откуда-то знают слишком много. Поэтому в 1937 году немцы изменили способ кодирования, и метод Реевского оказался бесполезным.

После этого Хенрик Зыгальский, коллега Реевского по Бюро шифров, изобрел специальные перфорированные листы, которые позже назовут «листами Зыгальского». В их основе лежала повторяемость знаков в сообщении-ключи, и благодаря им можно было проследить настройки индикатора и дневной ключ.

«Когда листы были наложены и двигались в определенной последовательности и определенным образом относительно друг друга в соответствии с четко определенной программой, число видимых отверстий постепенно уменьшалось. И при условии наличия необходимого количества данных в конце концов оставалось одно отверстие, которое, вероятно, соответствует правильному положению, то есть решению. По положению отверстия можно было вычислить порядок роторов, положение их колец и (…) весь ключ шифра», - рассказывал позже Реевский.

Все эти установки проверяли на копии Энигмы. Это занимало значительное количество времени, поэтому в условиях надвигающейся войны было необходимо придумать что-то более быстрое и эффективное.

Поэтому Реевский создал очередной свой шедевр – криптологическую бомбу. Это было небольшое устройство, которого опиралось на листы Зыгальского. То есть изобретение, которое позволяло считывать по принципу перфорированных листков шифр от Энигмы гораздо быстрее. Замещала она 100 рабочих и уменьшала время получения кодов до двух часов.

В этом же, 1938 году, армия Германии вновь усовершенствовала Энигму, добавив еще два роторных диска, что усложнило шифрование в десяток раз.

А на следующий год нацисты нападают на Польшу, поэтому Бюро шифрования передает все свои наработки Франции и Великобритании. Все сотрудники Бюро шифрования при этом вынуждены были бежать сначала во Францию, работать на их разведку, а после и в Великобританию. Некоторых из сотрудников Бюро арестовали и жестоко пытали, чтобы те раскрыли способ дешифровки Энигмы, но никто так и не раскрыл секретных сведений.

Идеи и разработки Реевского и его коллег из Бюро шифров легли в основу дальнейших работ по дешифровке постоянно меняющихся кодов Энигмы. После 1940 года команда Блетчли-парк возглавила работу по дешифровке Энигмы. Инженеры Блетчли-парк изобрели собственную версию «бомбы», и к концу войны рассекречивалось почти 100% немецких сообщений. Дуайт Эйзенхауер сказал, что разгадка кода Энигмы имела решающее значение для победы армий союзников, и многие историки полагают, что это сократило войну на два года и тем самым спасло жизни миллионам людей.

В дальнейшем исследованием модернизированной Энигмы занялся знаменитый Алан Тьюринг, но о нем мы расскажем в другой части.