Америкалық шифр машинасы: SIGABA және оның даму тарихы

Кіріспе

Американдық шифрлау машинасы

Криптография тарихында ECM Mark II – Екінші дүниежүзілік соғыстан 1950 жылдарға дейін АҚШ-тың хабарламаларды шифрлауға қолданған шифрлау машинасы. Машинаны әскер SIGABA немесе M 134 түрлендіргіш деп те атаған, ал теңіз күштері CSP 888/889 деп, ал теңіз күштерінің өңделген нұсқасы CSP 2900 деп аталды. Бұл машина, сол дәуірдегі көптеген машиналар сияқты, хабарларды шифрлау үшін роторлардың электромеханикалық жүйесін пайдаланды, бірақ бұрынғы конструкцияларға қарағанда қауіпсіздік тұрғысынан бірнеше жақсартуларға ие болды. Машина қолданысқа алынған кезеңде оның табысты криптоанализі туралы хабарламалар жарияланған жоқ.

Тарих

АҚШ криптографтарына екінші дүниежүзілік соғыстан бұрын роторлы машиналардың (мысалы, Хеберн машинасы) бір қадамдық механикалық қозғалысын шабуылшылар пайдалана алатыны мәлім болды. Танымал Энигма машинасы жағдайында, мұндай шабуылдар роторларды әр жаңа хабарламаның басында кездейсоқ орынға жылжыту арқылы тойтарылуға тиіс еді. Алайда, бұл жеткілікті қауіпсіз емес екені дәлелденді, және екінші дүниежүзілік соғыс кезінде неміс Энигма хабарламалары криптоанализ арқылы жиі бұзылып отырды. АҚШ армиясының Сигналдық барлау қызметінің директоры Уильям Фридман роторлардың қозғалысын толығымен кездейсоқ ету арқылы осы шабуылды жоюға арналған жүйе ойлап тапты. Оның модификациясы – телетайп машинасынан алынған қағаз таспаны оқитын құрылғы, ол тесіктер арқылы электр тогын өткізуге арналған металл «сенсорлармен» жабдықталған шағын құрылғыға қосылған. Клавиатурадағы әріпті бассаңыз, сигнал Энигмадағыдай роторлар арқылы жіберіліп, шифрланған нұсқаны құрастырады. Сонымен қатар, ток қағаз таспасының қосымша бөлігі арқылы да өтеді, ал таспаның ағымдағы орнындағы кез келген тесік сәйкес ротордың айналуына және содан кейін қағаз таспаның бір позицияға жылжуына себеп болады. Энигма роторларын әрбір перне басылған сайын бір позицияға жылдыратын, бұл әлдеқайда аз кездейсоқ қозғалыс еді. Нәтижесінде жасалған конструкция M 134 конвертері ретінде шектеулі өндіріске енгізілді, ал оның хабарлама параметрлері таспаның орналасуын және таспадағы тесіктердің қайсысы қай роторларды басқаратынын көрсететін пластинаның параметрлерін қамтыды. Алайда, дала жағдайында нәзік қағаз таспаларды пайдалану қиындықтар тудырды. Фридманның әріптесі Фрэнк Роулетт роторларды жылжытудың басқа тәсілін ойлап тапты. Роулетттің жобасында әрбір ротор бірден төрт шығыс сигналын тудыруы керек еді, бұл бір немесе бірнеше роторларды жылжытуға мүмкіндік береді (роторлар әдетте әрбір кіріс үшін бір шығысқа ие). Соғысқа дейін АҚШ-та шифрлауды дамытуға қаражат жеткіліксіз болды, сондықтан Фридман мен Роулетт SIGGOO (немесе M 229) деп аталатын «қосымша» құрылғылардың сериясын жасады, олар қолданыстағы M 134 құрылғыларымен қағаз таспасын оқу орнына пайдаланылды. Бұл сыртқы блоктар үш роторлық конфигурациядан тұрды, онда бес кіріс белсенді болды, мысалы, Энигмадағы бес перне бір уақытта басылғандай, ал шығыстар бес топқа «жинақталды» – яғни, A-дан E-ге дейінгі барлық әріптер бірге байланыстырылған. Осылайша, кіріс жағындағы бес сигнал роторлар арқылы кездейсоқ түрде жіберіліп, шығыс жағында бес желінің бірінде қуаттылықпен шығады. Енді роторлардың қозғалысын күндік кодпен басқаруға болады, ал қағаз таспасы алынып тасталды. Олар машиналардың комбинациясын M 134 C деп атады. 1935 жылы олар өз жұмыстарын АҚШ Әскери-теңіз күштерінің OP 20 G бөліміндегі криптограф Джозеф Венгерге көрсетті. Ол 1937 жылдың басына дейін Теңіз күштерінен қызығушылық таба алмады, содан кейін ол оны Фридманның Әскери-теңіз барлау басқармасындағы әріптесі, командир Лоренс Саффордқа көрсетті. Ол бірден машинаның әлеуетін байқады, содан кейін ол және командир Сейлер машинаны жасауды жеңілдету үшін бірқатар мүмкіндіктер қосты, нәтижесінде Электрлік код машинасы Mark II (немесе ECM Mark II) пайда болды, оны Теңіз күштері CSP 889 (немесе 888) ретінде өндірді. Қызығы, Армия өзгерістер мен жүйенің жаппай өндірісінен хабарсыз болды, бірақ 1940 жылдың басында олар құпиямен таныстырылды. 1941 жылы Армия мен Теңіз күштері машинаға негізделген бірлескен криптографиялық жүйеге бірікті. Содан кейін Армия оны SIGABA ретінде қолдана бастады. 10 000-нан астам машина салынды. 1942 жылдың 26 маусымында Армия мен Теңіз күштері SIGABA машиналарын шетелдік аумаққа, қарулы американдық персонал машинаны қорғай алатын жерлерге орналастыруға рұқсат бермеуге келісті. SIGABA басқа одақтас елдерге тек қана егер осы елдің персоналына американдық байланыс офицері машинаға немесе оның жұмыс істеуіне тікелей қол жеткізуден бас тартса ғана қол жетімді болады.

It was clear to US cryptographers well before World War II that the single stepping mechanical motion of rotor machines (e. g. the Hebern machine) could be exploited by attackers. In the case of the famous Enigma machine, these attacks were supposed to be upset by moving the rotors to random locations at the start of each new message. This, however, proved not to be secure enough, and German Enigma messages were frequently broken by cryptanalysis during World War II. William Friedman, director of the US Army's Signals Intelligence Service, devised a system to correct for this attack by truly randomizing the motion of the rotors. His modification consisted of a paper tape reader from a teletype machine attached to a small device with metal "feelers" positioned to pass electricity through the holes. When a letter was pressed on the keyboard the signal would be sent through the rotors as it was in the Enigma, producing an encrypted version. In addition, the current would also flow through the paper tape attachment, and any holes in the tape at its current location would cause the corresponding rotor to turn, and then advance the paper tape one position. In comparison, the Enigma rotated its rotors one position with each key press, a much less random movement. The resulting design went into limited production as the M 134 Converter, and its message settings included the position of the tape and the settings of a plugboard that indicated which line of holes on the tape controlled which rotors. However, there were problems using fragile paper tapes under field conditions. Friedman's associate, Frank Rowlett, then came up with a different way to advance the rotors, using another set of rotors. In Rowlett's design, each rotor must be constructed such that between one and four output signals were generated, advancing one or more of the rotors (rotors normally have one output for every input). There was little money for encryption development in the US before the war, so Friedman and Rowlett built a series of "add on" devices called the SIGGOO (or M 229) that were used with the existing M 134s in place of the paper tape reader. These were external boxes containing a three rotor setup in which five of the inputs were live, as if someone had pressed five keys at the same time on an Enigma, and the outputs were "gathered up" into five groups as well — that is all the letters from A to E would be wired together for instance. That way the five signals on the input side would be randomized through the rotors, and come out the far side with power in one of five lines. Now the movement of the rotors could be controlled with a day code, and the paper tape was eliminated. They referred to the combination of machines as the M 134 C.

In 1935 they showed their work to Joseph Wenger, a cryptographer in the OP 20 G section of the U. S. Navy. He found little interest for it in the Navy until early 1937, when he showed it to Commander Laurance Safford, Friedman's counterpart in the Office of Naval Intelligence. He immediately saw the potential of the machine, and he and Commander Seiler then added a number of features to make the machine easier to build, resulting in the Electric Code Machine Mark II (or ECM Mark II), which the navy then produced as the CSP 889 (or 888). Oddly, the Army was unaware of either the changes or the mass production of the system, but were "let in" on the secret in early 1940. In 1941 the Army and Navy joined in a joint cryptographic system, based on the machine. The Army then started using it as the SIGABA. Just over 10,000 machines were built. On 26 June 1942, the Army and Navy agreed not to allow SIGABA machines to be placed in foreign territory except where armed American personnel were able to protect the machine. The SIGABA would be made available to another Allied country only if personnel of that country were denied direct access to the machine or its operation by an American liaison officer who would operate it.

Операция

SIGABA-да рефлектор болмағандықтан, шифрлау және дешифрлау режимдері арасындағы әліпби лабиринті арқылы сигналдардың бағытын өзгерту үшін 26-дан астам полюстік ауыстырғыш қажет болды. Ұзын «бақылаушы» ауыстырғышы тік орнатылып, оның тұтқасы корпустың үстіңгі жағында орналасқан. Суретті қараңыз. Онда бес күй болды: O, P, R, E және D. Шифрлау (E) және дешифрлау (D) режимінен бөлек, ашық мәтінді басуға арналған (P) күйі болды, ол шығыс лентасына енгізілгеннің өзін басып шығарды, сондай-ақ роторларды орнату және машинаны бастапқы күйге келтіру үшін қолданылатын (R) күйі болды. O күйі машинаны өшірді. P күйі индикаторлар мен уақыт/күн тобын шығыс лентасына басып шығару үшін қолданылды. Бұл сандарды басып шығаратын жалғыз режим еді. R күйінде басып шығару болған жоқ, бірақ роторларды арттыру үшін сандық пернелер белсенді болды. Шифрлау кезінде Z пернесі X пернесімен байланыстырылды және бос орын таспасы әліпби лабиринтіне Z енгізді. Дешифрлау кезінде Z бос орын ретінде басылды. Оқырман «xebra» сияқты дешифрленген хабарламадағы сөздің шын мәнінде «zebra» екенін түсінуі керек. Басып шығару құрылғысы шифрлау кезінде әрбір бес таңбалық топтан кейін автоматты түрде бос орын қосты. SIGABA бастапқы күйге келтірілді, егер барлық индекс роторларының кіші разрядындағы цифры нөл болса және барлық әліпби және код роторлары O әрпіне орнатылса. Әр роторда нөлдеу процесі кезінде ротордың дұрыс күйде тоқтауына себеп болатын камера болды. SIGABA роторлары төрт қанатты бұрандалармен бекітілген алынып тасталатын рамада орналастырылды. Бұл машинаның ең сезімтал бөліктерін қауіпсіз сақтауға және тұтқындалу қаупі болған жағдайда оларды тез арада тастауға немесе жоюға мүмкіндік берді. Бұл сонымен қатар, әртүрлі ротор ретін пайдаланатын желілер арасында машинаны жылдам ауыстыруға мүмкіндік берді. Хабарламаларда екі 5 таңбалы индикатор болды: қолданылып жатқан жүйені және қауіпсіздік класын көрсететін сыртқы индикатор және код пен әліпби роторларының бастапқы орналасуын анықтайтын ішкі индикатор. Кілт тізімінде әр қауіпсіздік класы үшін жеке индекс ротор параметрлері болды. Бұл төменгі кластағы хабарламалардың жоғары кластағы хабарламаларға шабуыл жасау үшін пайдаланылуына жол бермеді. Әскери-теңіз күштері мен армия ішкі индикаторға қатысты әртүрлі процедураларды қолданды. Екеуі де машинаны бастапқы күйге келтіруден бастап, оператор әр жаңа хабарлама үшін кездейсоқ 5 таңбалы тізбекті таңдады. Содан кейін ішкі индикаторды жасау үшін бұл тізбек шифрланды. Армия кілт тізімдерінде кездейсоқ тізбекті шифрлау үшін пайдаланылған роторлардың бастапқы орналасуы болды. Әскери-теңіз күштерінің операторлары код роторларын кездейсоқ таңба тізбегімен сәйкес келгенше арттыру үшін пернетақта қолданды. Бұл процесте әліпби роторы қозғалды және оның соңғы орны ішкі индикатор болды. Бірлескен операциялар кезінде армия процедуралары сақталды. Кілт тізімінде «26 30» тексеру тізбегі болды. Роторлар қолданыстағы кілтке сәйкес реттелгеннен кейін оператор машинаны бастапқы күйге келтіріп, 25 таңбаны шифрлап, содан кейін «AAAAA» шифрлады. Бес «A» әрпінен алынған шифрлы мәтін тексеру тізбегімен сәйкес келуі керек. Нұсқаулық кілт тізімінде баспа қателері болуы мүмкін екенін және төрт таңбаның сәйкес келуі қабылдануы керек екенін ескертті. Сондай-ақ, нұсқаулықта индикаторларды жасау үшін кездейсоқ тізбектерді қалай жасауға болатындығы туралы ұсыныстар берілді. Бұған ойын карталарын және покер фишкаларын пайдалану, шифрланған мәтіндерден таңбаларды таңдау және SIGABA-ны өзін кездейсоқ таңба генераторы ретінде пайдалану кірді.

Because SIGABA did not have a reflector, a 26+ pole switch was needed to change the signal paths through the alphabet maze between the encryption and decryption modes. The long “controller” switch was mounted vertically, with its knob on the top of the housing. See image. It had five positions, O, P, R, E and D. Besides encrypt (E) and decrypt (D), it had a plain text position (P) that printed whatever was typed on the output tape, and a reset position (R) that was used to set the rotors and to zeroize the machine. The O position turned the machine off. The P setting was used to print the indicators and date/time groups on the output tape. It was the only mode that printed numbers. No printing took place in the R setting, but digit keys were active to increment rotors. During encryption, the Z key was connected to the X key and the space bar produced a Z input to the alphabet maze. A Z was printed as a space on decryption. The reader was expected to understand that a word like “xebra” in a decrypted message was actually “zebra.” The printer automatically added a space between each group of five characters during encryption. The SIGABA was zeroized when all the index rotors read zero in their low order digit and all the alphabet and code rotors were set to the letter O. Each rotor had a cam that caused the rotor to stop in the proper position during the zeroize process. SIGABA's rotors were all housed in a removable frame held in place by four thumb screws. This allowed the most sensitive elements of the machine to be stored in more secure safes and to be quickly thrown overboard or otherwise destroyed if capture was threatened. It also allowed a machine to quickly switch between networks that used different rotor orders. Messages had two 5 character indicators, an exterior indicator that specified the system being used and the security classification and an interior indicator that determined the initial settings of the code and alphabet rotors. The key list included separate index rotor settings for each security classification. This prevented lower classification messages from being used as cribs to attack higher classification messages. The Navy and Army had different procedures for the interior indicator. Both started by zeroizing the machine and having the operator select a random 5 character string for each new message. This was then encrypted to produce the interior indicator. Army key lists included an initial setting for the rotors that was used to encrypt the random string. The Navy operators used the keyboard to increment the code rotors until they matched the random character string. The alphabet rotor would move during this process and their final position was the internal indicator. In case of joint operations, the Army procedures were followed. The key lists included a “26 30” check string. After the rotors were reordered according to the current key, the operator would zeroize the machine, encrypt 25 characters and then encrypt “AAAAA”. The ciphertext resulting from the five A's had to match the check string. The manual warned that typographical errors were possible in key lists and that a four character match should be accepted. The manual also gave suggestions on how to generate random strings for creating indicators. These included using playing cards and poker chips, to selecting characters from cipher texts and using the SIGABA itself as a random character generator.

Қауіпсіздік

[[Файл:SIGABA кілттер генераторы.png|thumb|SIGABA шифрлау машиналары үшін кілт генераторы. Вашингтондағы орталық мекемеде оң жақтағы роторлық машина SIGABA үшін кездейсоқ күндізгі параметрлерді жасады, олар сол жақтағы IBM 513 қайта жазу перфораторы арқылы перфокарталарға жазылды. Бір айлық кілттер бір параққа басылды. SIGABA жүйелері әрқашан қатаң түрде күзетілді, жүйе негізі және кодтық дөңгелек жинағы үшін бөлек сейфтер болды, бірақ бір құрылғы уақытша жоғалған жағдай болды. 1945 жылдың 3 ақпанында SIGABA жүйесін үш сейфте тасымалдап бара жатқан жүк көлігі күзетшілері Францияның жақында азат етілген Колмар қаласындағы бордельге барған кезде ұрланды. Генерал Эйзенхауэр кең ауқымды іздеу жұмыстарын тапсырды, нәтижесінде алты аптадан кейін сейфтер жақын жердегі өзеннен табылды.]

Достасқан әріптестермен өзара іс-қимыл

АҚШ/Британдық/Канадалық күштерінің Остік күштерге қарсы бірлескен әскери операцияларды жүргізудегі ынтымақтастығы, барлық одақтас күштер қолдана алатын шифрлау жүйесіне қажеттілікті тудырды. Бұл мүмкіндік үш түрлі жолмен іске асырылды. Біріншіден, ECM адаптері (CSP 1000), одақтас шифрлау машиналарына қосымша орнатылатын, Вашингтон әскери-теңіз кемежайының ECM жөндеу шеберханасында өндірілді. Барлығы 3500 адаптер шығарылды. Екінші әдіс – SIGABA-ны британдық өзгертілген Typex машинасымен өзара жұмыс істеуге бейімдеу. Ортақ машина Біріктірілген шифрлау машинасы (CCM) деп аталды және 1943 жылдың қарашасынан бастап қолданысқа енгізілді. Өндіріс құнының жоғары болуына байланысты, барлығы 631 CCM жасалды. Үшінші жол ең көп таралған және ең тиімді болды. Бұл Чикагодағы Teletype Corporation компаниясы өндірген "X" адаптері. Осы адаптерлердің жалпы саны 4500 дана, депо деңгейіндегі техникалық қызмет көрсету пункттеріне орнатылды.