Немецкие шифровальные машины Второй мировой войны: Lorenz SZ40/42.

Введение

Шифровальные машины, использовавшиеся немецкой армией во время Второй мировой войны.

Lorenz SZ40, SZ42a и SZ42b были немецкими шифровальными машинами роторного потока, использовавшимися немецкой армией во время Второй мировой войны. Они были разработаны компанией C. Lorenz AG в Берлине. Название модели SZ произошло от Schlüssel Zusatz, что означает «шифродополнение». Приборы реализовывали шифр потока Вернама. Британские криптоаналитики, называвшие зашифрованный немецкий трафик телепринтеров Fish, прозвали машину и её трафик Tunny (что означает «тунец») и вывели её логическую структуру за три года до того, как увидели подобную машину. Машины SZ подключались к стандартным телепринтерам. В июне 1941 года была начата экспериментальная связь с использованием машин SZ40. Усовершенствованные машины SZ42 поступили в широкое использование с середины 1942 года для высокоуровневой связи между немецким верховным командованием в Вунсдорфе под Берлином и армейскими штабами по всей оккупированной Европе. Более продвинутая модель SZ42A начала регулярно использоваться в феврале 1943 года, а SZ42B – в июне 1944 года. Для передачи этих сообщений использовалась радиотелеграфия (RTTY), а не проводные линии связи. Эти сообщения с частотной манипуляцией, не использующие азбуку Морзе (NoMo), принимались британскими станциями Y в Кнокхольте (Кент), их выносной станцией в Хайер-Уинкомбе (Уилтшир) и на Denmark Hill (южный Лондон), и передавались в Правительственную школу шифров и кодов в Блетчли-Парк (BP). Некоторые сообщения расшифровывались вручную, прежде чем процесс был частично автоматизирован, сначала с помощью машин Робинсона, а затем компьютеров Colossus. Расшифрованные сообщения, полученные с помощью Lorenz, внесли один из самых значительных вкладов в британскую военную разведку Ultra и победу союзников в Европе, благодаря высокому стратегическому значению информации, полученной в результате дешифровки Lorenz.

История

После Второй мировой войны группа британских и американских криптоаналитиков вошла в Германию вместе с передовыми войсками, чтобы захватить документы, технологии и персонал различных немецких организаций радиоразведки, прежде чем эти секреты могли быть уничтожены, разграблены или захвачены советскими войсками. Они были известны как Комитет по целевой разведке – TICOM. От захваченных немецких криптографов, докторов Хуттенхайна и Фрике, они узнали о разработке SZ40 и SZ42 a/b. Конструкция предусматривала машину, которую можно было подключить к любому телепринтеру. Первая машина называлась SZ40 (старого типа) и имела десять роторов с фиксированными кулачками. Было признано, что безопасность этой машины была недостаточной. Окончательный вариант SZ40 имел двенадцать роторов с подвижными кулачками. Пять правых роторов назывались Spaltencäsar, но Билл Тютте назвал их колесами Chi. Пять самых левых назывались Springcäsar, Тютте именовал их колесами Psi. Средние два ротора Vorgeleger Тютте называл Mu или моторными колесами. Пять битов данных каждого телеграфного символа, закодированного по стандарту ITA2, сначала обрабатывались пятью колесами Chi, а затем – пятью колесами Psi. Кулачки на колесах инвертировали значение бита, если находились в поднятом положении, и оставляли его без изменений, если находились в опущенном положении.

Принцип действия

Логическое функционирование системы Тунни было разработано задолго до того, как криптоаналитики из Блетчли-Парка увидели одну из машин, что произошло только в 1945 году, когда Германия капитулировала перед союзниками. Машина SZ служила в качестве присоединения к стандартному телепринтеру Lorenz. У нее было металлическое основание и она была высокой. Ключевой поток состоял из двух составных частей, которые складывались по модулю 2 (XOR). Они генерировались двумя наборами из пяти колес, которые вращались вместе. Криптоаналитик из Блетчли-Парка Билл Тютэ назвал их χ ("хи") колесами и ψ ("пси") колесами. Каждое колесо имело ряд кулачков (или "штырей") по окружности. Эти кулачки могли быть установлены в поднятом (активном) или опущенном (неактивном) положении. В поднятом положении они генерировали '1', что инвертировало значение бита, в опущенном положении они генерировали '0', оставляя бит без изменений. Количество кулачков на каждом колесе равнялось числу импульсов, необходимых для совершения полного оборота. Эти числа взаимно просты, что обеспечивало максимально возможное время до повторения шаблона. Это произведение числа позиций колес. Для набора χ-колес это было 41 × 31 × 29 × 26 × 23 = 22 041 682, а для ψ-колес – 43 × 47 × 51 × 53 × 59 = 322 303 017. Количество различных способов установки всех двенадцати колес составляло 1,603, то есть 16 миллиардов миллиардов. Набор из пяти χ-колес перемещался на одну позицию после шифрования каждого символа. Однако пять ψ-колес продвигались прерывисто. Их движением управляли два μ ("мю") или "моторных" колеса, включенных последовательно. Моторное колесо SZ40 μ61 делало шаг каждый раз, а моторное колесо μ37 делало шаг только если первое моторное колесо было '1'. Затем ψ-колеса делали шаг только если второе моторное колесо было '1'. Модели SZ42A и SZ42B добавили дополнительную сложность к этому механизму, известную в Блетчли-Парке как Ограничения. Два из четырех различных ограничений были связаны с характеристиками открытого текста и, следовательно, являлись автоклавами. Таким образом, ключевой поток, генерируемый машинами SZ, имел χ-компоненту и ψ-компоненту. Символически ключ, который объединялся с открытым текстом для шифрования и с зашифрованным текстом для дешифрования, может быть представлен следующим образом. Первоначально настройки колес для сообщения отправлялись на принимающую сторону посредством 12-буквенного индикатора, отправляемого в незашифрованном виде, при этом буквы соответствовали положениям колес в книге. В октябре 1942 года это было изменено на использование книги одноразовых настроек, известной как книга QEP. Последние две цифры записи в книге QEP отправлялись принимающему оператору для поиска в его копии книги QEP и установки колес своей машины. Каждая книга содержала сто или более комбинаций. После использования всех комбинаций в книге QEP она заменялась новой. Настройки сообщений никогда не должны были использоваться повторно, но иногда это случалось, предоставляя "глубину", которую мог использовать криптоаналитик. Как и в обычной телеграфной практике, сообщения любой длины вводились в телепринтер с помощью перфоратора бумажной ленты. Типичная последовательность операций заключалась в том, что отправляющий оператор пробивал сообщение, связывался с принимающим оператором, использовал переключатель EIN / AUS на машине SZ для подключения ее к цепи, а затем пропускал ленту через считыватель. Начальник станции Y, Гарольд Кенворти, возглавил станцию Нокхольт. Позже он был повышен до руководителя Исследовательского и опытно-конструкторского управления Министерства иностранных дел (F.O.R.D.E.).

The logical functioning of the Tunny system was worked out well before the Bletchley Park cryptanalysts saw one of the machines—which only happened in 1945, as Germany was surrendering to the Allies. The SZ machine served as an in line attachment to a standard Lorenz teleprinter. It had a metal base and was high. The key stream consisted of two component parts that were XOR ed together. These were generated by two sets of five wheels which rotated together. The Bletchley Park cryptanalyst Bill Tutte called these the χ ("chi") wheels, and the ψ ("psi") wheels. Each wheel had a series of cams (or "pins") around their circumference. These cams could be set in a raised (active) or lowered (inactive) position. In the raised position they generated a '1' which reversed the value of a bit, in the lowered position they generated a '0' which left the bit unchanged. The number of cams on each wheel equalled the number of impulses needed to cause them to complete a full rotation. These numbers are all co prime with each other, giving the longest possible time before the pattern repeated. This is the product of the number of positions of the wheels. For the set of χ wheels it was 41 × 31 × 29 × 26 × 23 = 22,041,682 and for the ψ wheels it was 43 × 47 × 51 × 53 × 59 = 322,303,017. The number of different ways that all twelve wheels could be set was 1.603 i. e. 16 billion billion. The set of five χ wheels all moved on one position after each character had been enciphered. The five ψ wheels, however, advanced intermittently. Their movement was controlled by the two μ ("mu") or "motor" wheels in series. The SZ40 μ61 motor wheel stepped every time but the μ37 motor wheel stepped only if the first motor wheel was a '1'. The ψ wheels then stepped only if the second motor wheel was a '1'. The SZ42A and SZ42B models added additional complexity to this mechanism, known at Bletchley Park as Limitations. Two of the four different limitations involved characteristics of the plaintext and so were autoclaves. The key stream generated by the SZ machines thus had a χ component and a ψ component. Symbolically, the key that was combined with the plaintext for enciphering and with the ciphertext for deciphering, can be represented as follows. Initially the wheel settings for a message were sent to the receiving end by means of a 12 letter indicator sent un enciphered, the letters being associated with wheel positions in a book. In October 1942, this was changed to the use of a book of single use settings in what was known as the QEP book. The last two digits of the QEP book entry were sent for the receiving operator to look up in his copy of the QEP book and set his machine's wheels. Each book contained one hundred or more combinations. Once all the combinations in a QEP book had been used it was replaced by a new one. The message settings should never have been re used, but on occasion they were, providing a "depth", which could be utilised by a cryptanalyst. As was normal telegraphy practice, messages of any length were keyed into a teleprinter with a paper tape perforator. The typical sequence of operations would be that the sending operator would punch up the message, make contact with the receiving operator, use the EIN / AUS switch on the SZ machine to connect it into the circuit, and then run the tape through the reader. The head of Y station, Harold Kenworthy, moved to head up Knockholt. He was later promoted to head the Foreign Office Research and Development Establishment (F. O. R. D. E).

Разбивка кода

30 августа 1941 года из Афин в Вену было передано сообщение объемом около 4000 символов. Однако сообщение было принято с ошибками на другом конце. Оператор, принимавший сообщение, отправил незашифрованный запрос отправителю с просьбой о повторной передаче. Это дало криптоаналитикам представление о происходящем. Отправитель повторно передал сообщение, но, что критически важно, не изменил настройки ключа, оставшиеся прежними – "HQIBPEXEZMUG". Это было недопустимым приемом; использование различных ключей для каждого сообщения жизненно важно для безопасности любого потокового шифра. Это не имело бы значения, если бы оба сообщения были идентичны, однако во второй раз оператор внес в сообщение ряд незначительных изменений, например, использовал сокращения, что сделало второе сообщение несколько короче. Из этих двух связанных шифротекстов, известных криптоаналитикам как "глубина", опытный криптоаналитик бригадир Джон Тильтман из Исследовательского отдела выделил два открытых текста и, следовательно, ключевой поток. Однако даже почти 4000 символов ключа оказалось недостаточно для команды, чтобы понять, как генерируется поток – он был слишком сложным и казался совершенно случайным. Через три месяца Исследовательский отдел передал задачу математику Биллу Тьюту. Он применил технику, которой его обучили в ходе криптографической подготовки: ручное выписывание ключа и поиск повторений. Тьюте выполнил это, используя исходный 5-битный Международный телеграфный алфавит №2 (ITA2), который являлся развитием кода Бодо (ITA1), что привело его к первому прорыву – обнаружению 41-битного повторения. В течение следующих двух месяцев, до января 1942 года, Тьюте и его коллеги разработали полную логическую структуру шифровальной машины. Этот выдающийся пример обратной разработки впоследствии был назван "одним из величайших интеллектуальных подвигов Второй мировой войны".

Дешифровочные машины

Несколько сложных машин были построены британцами для помощи в атаке на Тунни. Первой была британская машина Тунни. Эта машина была разработана в Блетчли-парке на основе работ по реверс-инжинирингу, выполненных командой Тилтмана в Тестери, для эмуляции шифровальной машины Лоренца. Когда настройки шифровальных колес были найдены в Тестери, машина Тунни устанавливалась и запускалась для печати сообщений. Семейство машин, известных как «Робинсоны», было построено для Ньюманри. Они использовали две бумажные ленты вместе с логическими схемами для определения настроек χ-колес машины Лоренца. «Робинсоны» испытывали серьезные проблемы с синхронизацией двух бумажных лент и были относительно медленными, считывая всего 2000 символов в секунду. Самой важной машиной был «Колосс», десять экземпляров которого были в эксплуатации к концу войны, а первая начала работу в декабре 1943 года. Хотя они не были полностью программируемыми, они были намного эффективнее своих предшественников и представляли собой прогресс в области электронных цифровых компьютеров. Компьютеры «Колосс» были разработаны и построены Томми Флауэрсом из исследовательской станции почтового отделения Доллис-Хилл с использованием алгоритмов, разработанных Биллом Тьютте и его командой математиков. «Колосс» оказался эффективным и быстрым против двенадцатироторной шифровальной машины Lorenz SZ42, используемой в телепринтерной связи. Некоторые влиятельные лица сомневались в предложенной им конструкции дешифровальной машины, и Флауэрс продолжил проект, частично финансируя его самостоятельно. Как и более поздний ENIAC 1946 года, «Колосс» не имел хранимой программы и программировался с помощью коммутационных панелей и соединительных проводов. Он был быстрее, надежнее и мощнее, чем «Робинсоны», что ускорило процесс определения настроек χ-колес Лоренца. Поскольку «Колосс» генерировал предполагаемые ключи электронным способом, ему требовалось считывать только одну ленту. Это делалось с помощью оптического считывателя, который, работая со скоростью 5000 символов в секунду, был значительно быстрее, чем у «Робинсонов», и означал, что лента двигалась со скоростью почти 30 миль в час (48 км/ч). Это, а также синхронизация электроники с отверстиями для зубчатого колеса оптически считываемой бумажной ленты, полностью устранили проблемы синхронизации «Робинсонов». Руководство Блетчли-парка, которое скептически относилось к способности Флауэрса создать работоспособное устройство, немедленно начало оказывать на него давление, чтобы он построил еще один экземпляр. После окончания войны машины «Колосс» были демонтированы по приказу Уинстона Черчилля, но GCHQ сохранила две из них.

Several complex machines were built by the British to aid the attack on Tunny. The first was the British Tunny. This machine was designed by Bletchley Park, based on the reverse engineering work done by Tiltman's team in the Testery, to emulate the Lorenz Cipher Machine. When the pin wheel settings were found by the Testery, the Tunny machine was set up and run so that the messages could be printed. A family of machines known as "Robinsons" were built for the Newmanry. These used two paper tapes, along with logic circuitry, to find the settings of the χ pin wheels of the Lorenz machine. The Robinsons had major problems keeping the two paper tapes synchronized and were relatively slow, reading only 2,000 characters per second. The most important machine was the Colossus of which ten were in use by the war's end, the first becoming operational in December 1943. Although not fully programmable, they were far more efficient than their predecessors, representing advances in electronic digital computers. The Colossus computers were developed and built by Tommy Flowers, of the Dollis Hill Post Office Research Station, using algorithms developed by Bill Tutte and his team of mathematicians. Colossus proved to be efficient and quick against the twelve rotor Lorenz SZ42 on line teleprinter cipher machine. Some influential figures had doubts about his proposed design for the decryption machine, and Flowers proceeded with the project while partly funding it himself. Like the later ENIAC of 1946, Colossus did not have a stored program, and was programmed through plugboards and jumper cables. It was faster, more reliable and more capable than the Robinsons, so speeding up the process of finding the Lorenz χ pin wheel settings. Since Colossus generated the putative keys electronically, it only had to read one tape. It did so with an optical reader which, at 5,000 characters per second, was driven much faster than the Robinsons' and meant that the tape travelled at almost 30 miles per hour (48 km/h). This, and the clocking of the electronics from the optically read paper tape sprocket holes, completely eliminated the Robinsons' synchronisation problems. Bletchley Park management, which had been sceptical of Flowers's ability to make a workable device, immediately began pressuring him to construct another. After the end of the war, Colossus machines were dismantled on the orders of Winston Churchill, but GCHQ retained two of them.

Выжившие машины

Шифровальные машины Лоренца были построены в небольшом количестве; сегодня сохранилось лишь несколько экземпляров в музеях. В Германии их можно увидеть в Музее вычислительной техники Хайнца Никсдорфа в Падерборне и в Немецком музее науки и техники в Мюнхене. Две дополнительные машины Лоренца выставлены в Блетчли-парке и Национальном музее вычислительной техники в Соединенном Королевстве. Еще один экземпляр находится в Национальном музее криптологии в Мэриленде, США. Джон Уэттер и Джон Петер, волонтеры Национального музея вычислительной техники, приобрели на eBay телепринтер Lorenz за 9,50 фунтов стерлингов, который был найден в садовом сарае в Саутхенд-он-Си. Устройство оказалось военной версией времен Второй мировой войны, его отреставрировали и в мае 2016 года установили рядом с машиной SZ42 в галерее "Тунни" музея.