Энигма

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 правой стороне ротора, расположенными по окружности. На левой 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 был различным для каждого ротора[14].

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[13].

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. В более поздних моделях была возможность выбора из пяти (1934 г.), семи (1938 г.) или восьми (1939 г.) роторов. Роторы отмечались римскими цифрами I, …, VIII. До 1938 года германская армия использовала только три из пяти доступных роторов[15].

Четырёхроторная военно-морская модель «Энигмы», «Kriegsmarine 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[15].

Ступенчатое движение роторов «Энигмы». Все три собачки (обозначены зелёным) двигаются одновременно. Храповик (красный) первого ротора (1) всегда зацеплён, 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[12].

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[16]. 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 обращения[17][18].

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[17][18].

С тремя дисками и только с одной выемкой в первом и втором диске машина имела период 26 × 25 × 26 = 16 900[19][17]. Как правило, сообщения не превышали пары сотен символов, и, следовательно, не было риска повтора позиции роторов при написании одного сообщения.

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 (нем. Eintrittswalze), или входной статор, соединяло коммутационную панель или (в случае её отсутствия) клавиатуру и ламповую панель с роторами. Несмотря на то, что фиксированное соединение проводов играло сравнительно небольшую роль с точки зрения безопасности, именно это оказалось некоторым препятствием в работе польского криптоаналитика Мариана Реевского, когда он пытался определить способ соединения проводов внутри роторов. Коммерческая модель «Энигмы» соединяла буквы в порядке их следования на клавиатуре: Q→A, W→B, E→C и так далее. Однако военная модель соединяла их в прямом алфавитном порядке: A→A, B→B, C→C и т. д.[20] Только интуитивная догадка Реевского позволила ему изменить расчёты и решить уравнения.

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[13]. Наличие рефлектора гарантировало, что преобразование, осуществляемое «Энигмой», есть инволюция, то есть расшифрование представляет собой то же самое, что и шифрование[21]. Однако наличие рефлектора делает невозможным шифрование какой-либо буквы через саму себя. Это было серьёзным концептуальным недостатком, впоследствии пригодившимся дешифровщикам[22].

В коммерческой модели «Энигма-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[20]. 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[23]. Третья, Umkehrwalze C, появилась в 1941 году. Четвёртая, Umkehrwalze D, впервые появившаяся 2 января 1944 года, позволяла оператору «Энигмы» управлять настройкой коммутации внутри рефлектора[24].

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[25]. 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. Обычно «Энигма» поставлялась с шестью кабелями[26].

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[26].

Удобной деталью, использовавшейся на «Энигме» модели «M4», был так называемый «Schreibmax», маленькое печатающее 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[27]. Кроме того, это нововведение повышало безопасность: теперь принимающему 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[28]. 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[15].

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

${\displaystyle E=PRMLUL^{-1}M^{-1}R^{-1}P^{-1}.}$

После каждого нажатия клавиш ротор движется, изменяя трансформацию. Например, если правый ротор R проворачивается на i позиций, происходит трансформация ${\displaystyle \rho ^{i}R\rho ^{-i}}$, 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 «M» и «L», производящие соответственно j и k вращений. Функция шифрования в этом случае может быть отображена следующим образом[29]:

${\displaystyle E=P(\rho ^{i}R\rho ^{-i})(\rho ^{j}M\rho ^{-j})(\rho ^{k}L\rho ^{-k})U(\rho ^{k}L^{-1}\rho ^{-k})(\rho ^{j}M^{-1}\rho ^{-j})(\rho ^{i}R^{-1}\rho ^{-i})P^{-1}.}$

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»[30].

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 и вводил его на клавиатуре. 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[30].

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[30].

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[30]. Однако, начиная с 1940 года, немцы изменили процедуры для повышения безопасности[22].

Во время Второй мировой войны немецкие операторы использовали шифровальную книгу только для установки роторов и настройки колец. Для каждого сообщения оператор выбирал случайную стартовую позицию, к примеру, WZA, и случайный ключ сообщения, допустим, SXT. Далее оператор устанавливал роторы в стартовую позицию WZA, и шифровал ключ сообщения SXT. Предположим, что в результате получится UHL. После этого оператор устанавливал слово SXT как начальную позицию роторов и ключ к сообщению. Далее он отправлял стартовую позицию WZA и шифровальный ключ UHL вместе с сообщением. Получатель устанавливал стартовую позицию роторов в соответствии с первой триграммой WZA и расшифровывал вторую триграмму UHL для распознания ключа сообщения SXT. Далее получатель использовал этот ключ как стартовую позицию для расшифровки сообщения. Таким образом, каждый раз главный ключ оказывался различным и был ликвидирован недостаток, свойственный процедуре с двойным шифрованием ключа.

Армейская версия «Энигмы» использовала только 26 букв. Прочие символы заменялись редкими комбинациями букв. Пробел пропускался либо заменялся на «X». Символ «X» в основном использовался для обозначения точки либо конца сообщения. В отдельных подразделениях использовались некоторые особые символы. В шифровках армии запятая заменялась на сочетание «ZZ», а вопросительный знак — на «FRAGE» либо «FRAQ». В шифровках, использовавшихся военно-морскими силами, запятая заменялась на «Y», а вопросительный знак — на комбинацию «UD». Комбинация символов «CH», например, в словах «ACHT» (восемь), «RICHTUNG» (направление) заменялась символом «Q» («AQT», «RIQTUNG»). Два, три или четыре нуля заменялись словами «CENTA», «MILLE» и «MYRIA» соответственно[31].

Шифровальщики в армии и люфтваффе отправляли сообщения группами по пять символов. Военно-морские шифровальщики, использующие, как сказано выше, четырёхроторные машины, отправляли сообщения группами по четыре символа[32]. Часто употребляемые слова и имена очень сильно варьировались. Например, слово «Minensuchboot» (минный тральщик) могло быть написано как «MINENSUCHBOOT», «MINBOOT», «MMMBOOT» или «MMM354^{[прояснить]}». Чтобы осложнить криптоанализ, отдельные сообщения не содержали более 250 символов. Более длинные сообщения разбивались на части, и каждая часть использовала свой ключ. Кроме того, иногда операторы специально забивали зашифрованные сообщения «мусором» (например, бессвязный набор букв, несвязанные с основным текстом слова́) для усложнения дешифровки перехватов противником[31].

Логотип машины «Энигма»

23 февраля 1918 года немецкому инженеру Артуру Шербиусу был выдан патент на шифровальную машину, использующую роторы (эта машина и является первым вариантом «Энигмы»)[33], и совместно с Рихардом Риттером (нем. E. Richard Ritter) основал фирму Шербиус и Риттер (нем. 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[26]. В дальнейшем они зарегистрировали патенты на предприятие Геверкшафт Секуритас (нем. de:Gewerkschaft Securitas), которое 9 июля 1923 года основало корпорацию производителей шифровальных машин Chiffriermaschinen Aktiengesellschaft: 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 Всемирного почтового союза в 1923 и 1924 годах. Машина напоминала печатную машину, была тяжёлой и очень большой: габариты 65 × 45 × 35 см при массе около 50 кг[34]. 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 (нем. Willi Korn) — был ключевой особенностью «Энигмы» и впервые был внедрён в модели «C» (1926)[35].

Модель «C» была меньше по размеру и более портативной, чем предшественники[34], но 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[36].

Немецкий военно-морской флот первым начал использовать машины «Энигма». Модель, названная «Funkschlüssel C», начала разрабатываться с 1925 года и уже в следующем году массово поступать в армию[37]. 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.

15 июля 1928 года немецкой армией была внедрена собственная модель «Энигмы» — «Enigma-G», модифицированная в июне 1930 года в модель «Enigma I»[25]. «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[16]. 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, масса — около 12 кг.

В 1934 году ВМФ принял на вооружение военно-морскую модификацию армейской «Энигмы», которая была названа «Funkschlüssel M»[38]. 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[39]. В августе 1935 года военно-воздушные силы также стали использовать армейские модели «Энигмы» для собственной секретной связи. С 1 февраля 1942 года немецкие подводные лодки стали использовать четырёхроторную, названную «Enigma-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[40].

Также существовала «Enigma 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[41].

Немецкая военная разведка (Абвер) использовала «Enigma-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» (англ. counter machine)[42].

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. Швейцарцы использовали для военных и дипломатических целей «Enigma-K», которая была похожа на коммерческую «Enigma-D». Эти машины были взломаны большим числом дешифровщиков, включая польских, французских, британских и американских. «Enigma-T» (кодовое название «Тирпиц») была выпущена для Японии.

По приблизительным оценкам, всего было выпущено около 100 тыс. экземпляров шифровальных машин «Энигма»[3]. По окончании Второй мировой войны союзнические силы продали трофейные машины, по прежнему считавшиеся на тот момент надёжными, в различные развивающиеся страны.

• «Энигма» — британский фильм 1982 года режиссёра Жанно Шварца о немецком диссиденте, пытающемся выкрасть из советского посольства очень необходимую американцам шифровальную машину — «Энигму».
• «Энигма» (другое название — «Код „Энигма“») — фильм 2001 года режиссёра Майкла Эптида, рассказывающий о вымышленном английском математике Томе Джерико, который занимается расшифровкой «Энигмы» во время Второй мировой войны. Действия происходят в Блетчли-парке — штабе главного шифровального подразделения Великобритании.
• «Игра в имитацию» — британо-американский фильм 2014 года, драма о британском криптографе военного времени Алане Тьюринге, который обеспечил оперативное расшифровывание кода «Энигмы» во время Второй мировой войны. Основан на реальных событиях. Фильм получил множество наград, включая «Оскар» за лучший адаптированный сценарий.
• «U-571 (фильм)» — фильм 2000 года режиссёра Джонатана Мостоу об американской военной подлодке, в котором рассказывается о мужестве военных подводников, получивших приказ захватить немецкую подводную лодку с находившейся на её борту шифровальной машиной «Энигма», но выполнить это задание и вернуться живыми оказалось совершенно непросто.

• «Энигма» — шпионский детектив Р. Харриса о борьбе за обладание секретом немецкой шифровальной машины «Энигма».
• «Криптономикон» — Нил Стивенсон.
• «Дождь забвения» — научно-фантастический роман Аластера Рейнольдса, в котором люди из будущего попав в параллельный мир используют «Энигму».