Кіріспе

Лоренц SZ40, SZ42a және SZ42b – Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде неміс армиясы қолданған неміс шифрлау машиналары. Оларды Берлиндегі C. Lorenz AG компаниясы әзірледі. SZ модельінің атауы «Schlüssel Zusatz» сөзінен алынған, яғни шифрлық қосымша. Бұл құралдар Вернам ағынды шифрлауын іске асырды. Британ криптоаналитиктері неміс телепринтерлік трафигін «Fish» деп атады, ал машинаны және оның трафигін «Tunny» (тунец балығын білдіреді) деп атап, мұндай машинаны көрер алдында үш жыл бұрын оның логикалық құрылымын анықтады. SZ машиналары стандартты телепринтерлерге қосымша құрылғылар болып табылды. 1941 жылдың маусым айында SZ40 машиналарын пайдалана отырып тәжірибелік байланыс басталды. Жақсартылған SZ42 машиналары 1942 жылдың ортасынан бастап Берлинге жақын Вунсдорфтағы неміс жоғарғы бас қолбасшылығы мен оккупацияланған Еуропаның армиялық қолбасшылықтары арасындағы жоғары деңгейдегі байланыс үшін кеңінен қолданылды. Көбірек жетілдірілген SZ42A 1943 жылдың ақпанында, ал SZ42B 1944 жылдың маусымында пайда болды. Бұл трафик үшін жер желісі емес, радиотелетайп (RTTY) қолданылды. Бұл аудио жиіліктік модуляцияланған Морзе емес (NoMo) хабарламаларын Ұлыбританияның Y станциялары Кенттегі Нокхолтта, Уилтширдегі Higher Wincombe және Оңтүстік Лондондағы Denmark Hill станциялары қабылдап, Блетчли Парктегі (BP) Үкіметтік код және шифрлау мектебіне жіберді. Кейбір хабарламалар қолмен, ал кейбіреулері жартылай автоматтандырылды, бірінші Робинсон машиналарымен, содан кейін Colossus компьютерлерімен шифрдан алынды. Шифрланған Лоренц хабарламалары британдық «Ultra» әскери барлау қызметіне және Еуропадағы одақтастардың жеңісіне маңызды үлес қосты, себебі Лоренцтің шифрларын ашу арқылы алынған ақпараттың стратегиялық маңызы зор болды.

Тарих

Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін британдық және американдық криптоаналитиктер тобы Германияға кіріп, әртүрлі неміс сигналдық барлау ұйымдарының құжаттарын, технологиясын және қызметкерлерін, осы құпиялар жойылғанға, тоналғанға немесе кеңес әскерлеріне түскенге дейін басып алуға тырысты. Олар "Мақсатты барлау комитеті" – TICOM деп аталды. Тұтқынға алынған неміс криптографтары докторлар Хаттенхайн мен Фрикеден олар SZ40 және SZ42 a/b машиналарының жасалуы туралы білді. Бұл машина кез келген телепринтерге қосылатын құрылғы болды. Алғашқы машина SZ40 (ескі үлгі) деп аталды, онда он ротор және бекітілген камералары бар роторлар болды. Бұл машинаның қауіпсіздігі жеткіліксіз екені анықталды. Нақты SZ40 машинасы он екі ротормен және жылжымалы камераларымен жабдықталған. Оң жақтағы бес роторды Spaltencäsar деп атады, бірақ Билл Тютте оларды Chi дөңгелектері деп атады. Сол жақтағы бес роторды Springcäsar деп, ал Тютте оларды Psi дөңгелектері деп атады. Ортадағы екі роторды Тютте "Му" немесе "моторлы дөңгелектер" деп атады. Әрбір ITA2 кодталған телеграф символының бес дерек битін алдымен бес Chi дөңгелегі өңдеді, содан кейін бес Psi дөңгелегі одан әрі өңдеді. Дөңгелектердегі камералар биттің көтерілген күйінде мәнін өзгертіп, төмендетілген күйінде өзгеріссіз қалдырды.

Жұмыс істеу принципі

Тунни жүйесінің логикалық жұмыс істеуі Блетчли Парктегі криптоаналитиктер машиналардың біреуін көргенге дейін жақсы қалыптасқан еді, бұл 1945 жылы ғана болды, Германия одақтастарға тәслим болған кезде. SZ машинасы стандартты Лоренц телепринтеріне тікелей қосылатын құрылғы ретінде қызмет етті. Оның металл негізі және биік корпусы болды. Кілт ағыны екі құрамдас бөліктен тұратын, олар XOR операциясы арқылы біріктірілді. Бұл екі бөлік бірге айналатын бес дөңгелектің екі жиынтығымен жасалды. Блетчли Парк криптоаналитигі Билл Тютте оларды χ ("чи") және ψ ("пси") дөңгелектері деп атады. Әр дөңгелектің айналасында бір-бірден тіректер (немесе "пиндер") орналасқан. Бұл тіректер жоғары (белсенді) немесе төмен (белсенді емес) күйге орнатылуы мүмкін. Жоғары көтерілгенде, олар '1' сигналын тудырып, биттің мәнін өзгертетін, төмен түскенде '0' сигналын тудырып, битті өзгертусіз қалдыратын. Әр дөңгелектің тіректер саны, оның толық айналымын жасауы үшін қажетті импульстер санына тең болды. Бұл сандардың барлығы өзара жай сандар болып табылады, бұл үлгінің қайталануына дейін ең ұзақ уақытты қамтамасыз етеді. Бұл дөңгелектердің орналасу сандарының көбейтіндісіне тең. χ дөңгелектері жиынтығы үшін бұл 41 × 31 × 29 × 26 × 23 = 22,041,682, ал ψ дөңгелектері үшін 43 × 47 × 51 × 53 × 59 = 322,303,017. Барлық он екі дөңгелекті орнатудың әртүрлі жолдарының саны 1.603, яғни 16 миллиард миллиардқа тең. Бес χ дөңгелегінің жиынтығы әрбір таңба шифрланғаннан кейін бір позицияға жылды. Алайда, бес ψ дөңгелегі үзіліспен жылды. Олардың қозғалысын екі μ ("mu") немесе "мотор" дөңгелегі тізбектей басқаратын. SZ40 μ61 моторлы дөңгелек әрқашан жылды, ал μ37 моторлы дөңгелек тек бірінші моторлы дөңгелек '1' болған жағдайда ғана жылды. Содан кейін ψ дөңгелектері тек екінші моторлы дөңгелек '1' болған жағдайда ғана жылды. SZ42A және SZ42B модельдері бұл механизмге қосымша күрделілік қосты, ол Блетчли Паркте "Шектеулер" деп аталды. Төрт түрлі шектеудің екеуі ашық мәтіннің ерекшеліктеріне қатысты, сондықтан олар автоклавтар болды. SZ машиналары жасаған кілт ағыны χ және ψ компоненттерінен тұрды. Символдық тұрғыдан алғанда, шифрлау үшін ашық мәтінмен және дешифрлеу үшін шифрмәтінмен біріктірілетін кілтті келесідей көрсетуге болады. Бастапқыда хабарламаның дөңгелек параметрлері 12 әріптен тұратын индикатор арқылы жіберілді, ол шифрланбаған күйде жіберілді, ал әріптер дөңгелектердің кітаптағы орналасуымен байланысты болды. 1942 жылдың қазан айында бұл QEP кітабы деп аталатын бір реттік пайдалану кітабын пайдалануға ауыстырылды. Қабылдаушы оператор QEP кітабының көшірмесінде қарап, машинаның дөңгелектерін орнату үшін QEP кітабының жазбасының соңғы екі цифры жіберілді. Әр кітап жүз немесе одан да көп комбинацияны қамтыды. QEP кітабындағы барлық комбинациялар қолданылғаннан кейін ол жаңасына ауыстырылды. Хабарлама параметрлері ешқашан қайта қолданылмауы керек еді, бірақ кейде олар қолданылып, криптоаналитиктерге пайдалануға болатын "тереңдік" тудыратын. Кәдімгі телеграф практикасы бойынша, кез келген ұзындықтағы хабарламалар телепринтерге қағаз таспа перфораторымен енгізілді. Операциялардың әдеттегі тізбегі - жіберуші оператор хабарламаны перфорациялайды, қабылдаушы оператормен байланыс жасайды, SZ машинасының EIN / AUS коммутаторын пайдаланып оны тізбекке қосады, содан кейін таспаны оқығыш арқылы өткізеді. Y станциясының басшысы Харольд Кенворти Нокхолтқа басшылық етуге көшті. Кейіннен ол Сыртқы істер министрлігінің Ғылыми-зерттеу және даму мекемесінің (F.O.R.D.E.) басшысы болып тағайындалды.

Кодты бұзу

1941 жылдың 30 тамызында Афинадан Венаға шамамен 4000 таңбадан тұратын хабар жіберілді. Бірақ, хабар екінші жақтан дұрыс қабылданылмады. Хабарды қабылдаған оператор жіберушіге кодталмаған сұрау жіберіп, хабарды қайта жіберуді өтінді. Бұл кодты бұзушыларға осы оқиғаның мән-жайын хабарлады. Жіберуші хабарламаны қайта жіберді, бірақ ең бастысы, бастапқы "HQIBPEXEZMUG" кілтін өзгертпеді. Мұндай іс-әрекетке тыйым салынған еді, өйткені әр хабарлама үшін әртүрлі кілт қолдану – кез келген ағын шифрінің қауіпсіздігі үшін маңызды шарт. Егер екі хабарлама бірдей болғанда бұл мәнсіз болар еді, алайда екінші рет оператор хабарламаға бірнеше ұсақ өзгерістер енгізді, мысалы, аббревиатураларды пайдаланды, соның нәтижесінде екінші хабарлама біраз қысқарды. Криптоанализшілер "тереңдік" деп атап кететін осы екі байланысты шифрлық мәтіннен тәжірибелі криптоаналитик, зерттеу бөлімінің бригадирі Джон Тильтман екі түпнұсқа мәтінді және осылайша кілт ағынын анықтады. Бірақ шамамен 4000 таңбалық кілт командаға ақпараттың қалай жасалғанын түсінуге жеткіліксіз болды, ол тым күрделі және көрінетіндей кездейсоқ болатын. Үш айдан кейін зерттеу бөлімі бұл міндетті математик Билл Тюттеге жүктеді. Ол криптографиялық оқуында үйренген әдісті қолданды, кілтті қолмен жазып, қайталануларды іздеді. Тютте бұл жұмысты 5 биттік телепринтердің International Telegraph Alphabet No. 2 (ITA2) (Бодот кодінің (ITA1) жетілдірілген нұсқасы) стандарты бойынша жасады, бұл оны 41 биттік қайталануды анықтауға алып келді. 1942 жылдың қаңтарына дейін екі ай бойы Тютте және оның әріптестері шифрлау машинасының толық логикалық құрылымын анықтады. Бұл керемет кері инженерия кейіннен "Екінші дүниежүзілік соғыстың ең ұлы зияткерлік жетістіктерінің бірі" деп сипатталды.

Шифрлау машиналары

Британдықтар Тунниға шабуыл жасауға көмектесу үшін бірнеше күрделі машиналар құрастырды. Біріншісі – британдық Тунни. Бұл машина Блетчли Паркте жасалды, негізі Тилтманның командасы Тестерде жүргізген кері инженериялық жұмыстар, Лоренц шифрлау машинасының үлгісін жасау үшін. Тестерде дөңгелектердің орналасуы анықталғанда, Tunny машинасы орнатылып, хабарларды басып шығару үшін іске қосылды. "Робинсон" деп аталатын машиналар тобы Ньюманри үшін салынды. Олар Лоренц машинасының χ дөңгелектерінің параметрлерін табу үшін екі қағаз лентасын және логикалық тізбектерді пайдаланды. Робинсон машиналары екі қағаз лентаны синхронды ұстау қиындықтарына тап болды және салыстырмалы түрде баяу болды, секундына 2000 символдан артық оқи алмады. Ең маңызды машина – "Колос", соғыс аяқталған кезде он данасы қолданыста болды, алғашқысы 1943 жылдың желтоқсан айында іске қосылды. Толыққанды бағдарламалана алмаса да, олар алдыңғы машиналарынан әлдеқайда тиімді болды және электронды цифрлық компьютерлердегі прогрестің көрсеткіші болды. Colossus компьютерлерін Томми Флауэрс, Dollis Hill почталық зерттеу станциясының қызметкері, Билл Тютте және оның математиктер тобы жасаған алгоритмдерді пайдаланып құрастырды. Colossus он екі роторлы Lorenz SZ42 желілік телепринтерлік шифрлау машинасына қарсы тиімді және жылдам екенін дәлелдеді. Кейбір ықпалды тұлғалар оның шифрлау машинасының жобасына күмәнданады, ал Флауэрс жобаны ішінара өзі қаржыландыра отырып, жалғастырды. Кейінірек 1946 жылы жасалған ENIAC сияқты, Colossus-та сақталған бағдарлама болған жоқ, ол платалар мен жалғағыштар арқылы бағдарламаланды. Ол Робинсоннан жылдам, сенімді және мүмкіндіктері жағынан артық болды, сондықтан Лоренц χ дөңгелектерінің орналасуын табу процесін үдетті. Colossus электронды түрде кілттерді жасағандықтан, тек бір лентаны оқу жеткілікті болды. Ол мұны секундына 5000 символмен оптикалық оқырман арқылы жасады, бұл Робинсоннан әлдеқайда жылдам болды, лента сағатына 30 миль (48 км/сағ) жылдамдықпен қозғалды. Бұл, сондай-ақ, оптикалық оқырман арқылы оқылған қағаз лентасының тістік тесіктерінен электронды құрылғылардың синхронизациясы, Робинсонның синхронизациялық проблемаларын толығымен жойды. Блетчли Паркі басшылығы Флауэрстің жұмыс істейтін құрылғыны жасау қабілетіне күмәнданып, бірден оған тағы бір құрылғы жасауға қысым көрсетуді бастады. Соғыс аяқталғаннан кейін, Colossus машиналары Уинстон Черчилльтің бұйрығымен бөлшектелді, бірақ GCHQ олардың екеуін сақтап қалды.

Тірі қалған машиналар

Лоренц шифрлау машиналары шағын көлемде жасалды; бүгінде мұражайларда олардың тек бірнеше ғана сақталған. Германияда мысалдарды Падерборн қаласындағы Хайнц Никсдорф мұражайлар форумындағы компьютер мұражайында және Мюнхендегі Deutsches Museum ғылым және технология мұражайында көруге болады. Тағы екі Лоренц машинасы Ұлыбританиядағы Блетчли паркі мен Ұлттық есептеу мұражайында қойылған. Тағы бір мысалы АҚШ-тың Мэриленд штатындағы Ұлттық криптологиялық мұражайда көрсетілген. Ұлттық есептеу мұражайының еріктілері Джон Веттер мен Джон Петер Саутхенд-он-Сидегі бақшадан табылған Лоренц телепринтерін eBay арқылы 9,50 фунт стерлингке сатып алды. Ол Екінші дүниежүзілік соғыстың әскери үлгісі екені анықталды, жаңартылып, 2016 жылдың мамырында мұражайдың "Тунни" галереясында SZ42 машинасының қасына орнатылды.