Operațiunea Ultra | |
---|---|
Ultra • Enigma • Criptanaliză Enigma • Bombă criptologică • Bombă • Lorentz • Colossus • Bletchley Park |
„Lorenz” ( germană: Lorenz-Chiffre , Schlüsselzusatz ; Lorenz SZ 40 și SZ 42 ) este o mașină de cifrat germană folosită în timpul celui de-al Doilea Război Mondial pentru a transmite informații prin teletip . A fost dezvoltat de C. Lorenz AG din Berlin. Principiul de funcționare al mașinii a fost bazat pe codul de flux Vernam .
Din transcrierile mesajelor transmise folosind Enigma , a devenit cunoscut faptul că germanii au numit unul dintre sistemele lor de transmitere fără fir a informațiilor prin teletip „Sägefisch” (din germană - „ saw fish ”). Din această cauză, analiștii britanici au început să numească traficul radiotelegrafic german codificat „Pește” ( ing. pește „pește”). Primul canal care nu a folosit codul Morse , l-au numit „Tunny” ( ing. tunny „ tuna ”) [1] . Ulterior, acest nume a început să fie folosit pentru a se referi la mașinile Lorenz și la toate mesajele criptate de acestea.
În timp ce Enigma era folosită mai ales în teren, aparatul Lorenz a servit pentru comunicații la nivel înalt, unde puteau fi utilizate echipamente sofisticate, deservite de personal special [2] .
În exterior, mașina Lorenz semăna cu Enigma, deoarece folosea un rotor, dar funcționa pe un principiu diferit. Dimensiunile mașinii erau de 45×45×45 cm și era un dispozitiv auxiliar al teleimprimatorului standard al lui Lorenz ( Lorenz Lo133 Automatik ) [3] .
Gilbert Vernam a lucrat ca cercetător la AT&T Bell Labs . În 1917, el a inventat un sistem de criptare care folosea funcția XOR [4] . Poate fi considerat ca următorul tabel de adevăr, unde unul reprezintă „adevărat” și zero reprezintă „fals”:
INTRARE | IEȘIRE | |
A | B | A⊕B _ _ |
0 | 0 | 0 |
0 | unu | unu |
unu | 0 | unu |
unu | unu | 0 |
În cifrul Vernam:
Text simplu ⊕ Cheie = Text cifrat Text cifrat ⊕ Cheie = Text simpluAcest lucru permite aceleiași mașini să efectueze criptarea și decriptarea.
Ideea lui Vernam a fost să combine banda perforată cu text simplu și banda perforată cu o cheie. Fiecare bandă perforată cu o cheie trebuie să fie unică, ceea ce este greu de implementat: astfel de benzi sunt destul de greu de creat și distribuit. În 1920, patru oameni din diferite țări au inventat mașini de cifrare care au generat un cifru în flux [5] . Lorenz SZ40 a fost unul dintre ele, o versiune modificată a mașinii din 1942 a fost numită SZ42A și SZ42B [3] .
Aparatul SZ a servit ca o completare la teleimprimatorul standard al lui Lorenz [6] . Avea o bază metalică de 48 x 39 cm și avea 32 cm înălțime. Simbolurile de teletip constau din cinci biți de date și au fost codificate folosind codul telegrafic internațional nr. 2 (ITC nr. 2) [3] .
Mașina de cifrat a efectuat criptarea fluxului prin generarea unei secvențe de chei pseudo-aleatoare care a fost XORed peste caracterele de text simplu pentru a produce caractere de text cifrat ca rezultat.
Fiecare cinci biți ai cheii au fost generați de discuri corespunzătoare din două părți ale mașinii. Criptoanaliștii din Bletchley Park le-au numit discuri (" hee ") și (" psi "). Contactele erau localizate pe fiecare disc. Acestea pot fi în poziția ridicată (activă) sau coborâtă (inactivă). În poziţia ridicată au generat „1”, în poziţia coborâtă – „0”. Toate discurile chi au fost rotite cu o poziție după fiecare literă. Discurile psi s-au mutat și ele împreună, dar nu după fiecare caracter. Rotația lor este determinată de două discuri (" mu ") [7] . Discul 61 SZ40 s-a mutat o poziție cu fiecare caracter, iar discul 37 s-a deplasat numai atunci când contactul de pe discul 61 era în poziție activă. Dacă contactul de pe al 37 -lea disc era în poziția activă, atunci toate cele cinci discuri psi au fost rotite [7] . Modelele SZ42A și SZ42B au avut un mecanism mai complex cunoscut în Bletchley Park sub numele de Limitări [8] . Astfel, cifrul de flux generat de mașina SZ avea componente chi și psi care au fost combinate cu funcția XOR. Simbol, un cifr care a fost combinat pentru a cripta cu text simplu - sau decriptat cu text cifrat - ar putea fi reprezentat după cum urmează [7]
Key= Chi -Key ⊕ Psi -KeyNumărul de contacte de pe fiecare disc este egal cu numărul de impulsuri transmise discului necesar pentru a finaliza o revoluție completă. Este demn de remarcat faptul că aceste numere au fost legate între ele în așa fel încât au format timpul maxim posibil înainte ca o perioadă completă să se repete. Cu un total de 501 de contacte, aceasta a echivalat cu 2.501 de combinații, adică aproximativ 10.151 - un număr astronomic mare [9] . Cu toate acestea, analiza criptării pachetelor individuale în codul fiecărei litere a făcut posibilă detectarea chi-componentelor de scurtă durată ale cifrului; Astfel, pentru o pereche de mesaje se găsesc repetări ale cifrului cu o perioadă de la 41×31=1271 pentru primele două mesaje din fiecare literă până la 26×23=598 pentru ultimele două.
La fiecare priză Tunni existau patru aparate SZ cu un teletip de transmisie și recepție pe fiecare. Pentru ca criptarea și decriptarea să funcționeze, mașinile de expediere și de primire au fost configurate identic. Pentru a începe criptarea, au configurat secvențe de contacte pe discuri în același mod și au rotit discurile. Secvențele de contact au fost modificate destul de rar până în vara lui 1944. Contactele de pe discurile psi au fost schimbate inițial doar o dată pe trimestru, dar apoi au început să fie schimbate o dată pe lună. Contactele au fost, de asemenea, schimbate lunar pe discurile chi și zilnic pe discurile mu . Începând cu 1 august 1944, setările de pe toate discurile au început să fie schimbate zilnic [10] .
Inițial, setările roților au fost trimise folosind un indicator (indicator) de 12 litere, care a fost trimis necriptat și în care literele corespundeau pozițiilor roților. În octombrie 1942, aceasta a fost schimbată pentru a utiliza cărți de acord unic (QEP). Ultimele două cifre scrise în cartea QEP au fost trimise operatorului de primire pentru ca acesta să caute în copia sa a cărții QEP și să instaleze discurile pe aparatul său. Fiecare carte conținea o sută sau mai multe combinații. Odată ce toate combinațiile din QEP au fost utilizate, cartea a fost înlocuită. Setările pentru transmiterea mesajului nu ar fi trebuit niciodată repetate, dar uneori s-a întâmplat - iar criptoanalistii puteau profita de acest lucru.
În conformitate cu practica acceptată de transmitere a telegramelor, un mesaj de orice lungime a fost transmis către teleimprimator din bandă de hârtie perforată . Secvența tipică a acțiunilor operatorului a fost următoarea: tastarea unui mesaj, stabilirea unei conexiuni cu operatorul care primește, utilizarea comutatorului EIN / AUS de pe mașina SZ pentru a conecta mașinile și apoi trimiterea mesajului către cititor. La capătul de recepție, operatorul trebuie să stabilească o conexiune între mașina care trimite și mașina sa SZ și să aștepte ca mesajul să fie complet tipărit pe bandă de hârtie. Prin urmare, textul nu conținea o linie nouă, întoarcere transport sau caracter nul (00000).
Criptanalistii britanici de la Bletchley Park au reușit să spargă codul mașinii lui Lorenz în ianuarie 1942 fără să vadă vreodată mașina în sine. Acest lucru a devenit posibil datorită erorii operatorului german [11] .
Interceptarea comunicațiilor lui Tanni a fost o problemă semnificativă. Datorită utilizării transmițătoarelor radio direcționale de către germani, nivelul semnalului în Marea Britanie a fost scăzut. Mai mult, aproximativ 25 de frecvențe diferite au fost folosite pentru transmisii și uneori acestea s-au schimbat în timpul transmiterii unui mesaj. În special pentru a intercepta acest trafic, a fost instalată o stație Y la Centrul de Comunicații Ivy Farm din Knockholt, Sevenoaks , Kent [12] .
Un singur caracter lipsă sau distorsionat ar putea face imposibilă decodarea, deci era necesar cel mai înalt nivel de acuratețe a recepției semnalului [12] . Tehnologia folosită pentru înregistrarea impulsurilor a fost dezvoltată inițial pentru a primi mesaje Morse la viteze mari. Secvența pulsului a fost înregistrată pe o bandă de hârtie îngustă. Această bandă a fost apoi analizată de personalul Centrului, care a interpretat vârfurile și scăderile ca simboluri ale MTK2. Caracterele rezultate au fost aplicate pe bandă de hârtie perforată și transmise prin telegraf către Bletchley Park [13] .
Chiar înainte ca germanii să renunțe la utilizarea indexului de 12 litere, criptoanalistul experimentat John Tiltman a studiat textele cifrate Tunny și a ajuns la concluzia că cifrul Vernam a fost folosit pentru a le crea [14] .
Dacă două transmisii ( a și b ) folosesc aceeași cheie, atunci când sunt adăugate, efectul tastei dispare complet [15] . Să numim condiționat două texte cifrate Za și Zb , cheia K și două texte clare Pa și Pb . Atunci vom obține:
Za ⊕ Zb = Pa ⊕ PbDacă este posibil să se deducă ambele texte clare din suma lor, atunci cheia poate fi obținută din oricare dintre cele două combinații de text cifrat și text simplu:
Za ⊕ Pa = K sauLa 30 august 1941, de la Atena la Viena a fost trimis un mesaj de 4.500 de caractere [11] . Prima încercare de transmisie a eșuat, iar operatorul de primire a trimis o cerere de retransmisie necriptată. La retrimiterea mesajului, operatorul care transmitea a făcut o greșeală: a trimis un al doilea mesaj folosind același pointer ca prima dată, ceea ce era strict interzis. Mai mult, la retastarea textului mesajului, a făcut mai multe greșeli în el și a făcut o serie de mici modificări, de exemplu, înlocuirea unor cuvinte cu abrevieri. Angajații Centrului de Comunicații Knockholt, care au interceptat atât mesajele, cât și cererea de retrimitere necriptată, și-au dat seama de posibila lor importanță și le-au transmis către Bletchley Park [11] .
La Bletchley Park, John Tiltman și echipa sa au început să descifreze două texte cifrate și să găsească cheia. Primele 15 caractere ale celor două mesaje au fost următoarele:
Za | JSH5N ZYZY5 GLFRG |
Zb | JSH5N ZYMFS/885I |
Za ⊕ Zb | ///// //FOU GFL4M |
Tiltman a substituit diverse bucăți de text în suma Za ⊕ Zb și a constatat că textul simplu al primului mesaj începea cu cuvântul german SPRUCHNUMMER (numărul mesajului). În al doilea text simplu, operatorul a folosit abrevierea comună NR pentru NUMMER . Al doilea mesaj conținea alte abrevieri, iar punctuația a variat în unele locuri. Acest lucru i-a permis lui Tiltman să obțină textele clare ale ambelor mesaje în zece zile, deoarece succesiunea de caractere text clar găsite în Pa a permis, cu o sumă cunoscută Pa ⊕ Pb , să găsească caractere text clar în aceleași locuri în Pb și invers [16] . Având în vedere ambele texte sursă, Tiltman a reușit să găsească mai mult de 4000 de caractere ale cheii [17] .
După aceea, Departamentul de Cercetare din Bletchley Park a început procesul de construire a unui model matematic al mașinii de criptare bazat pe cheia găsită. Timp de trei luni, toate încercările lor au fost fără succes. În octombrie 1941, William Tutt , care predase anterior chimie și matematică la Trinity College , sa alăturat secțiunii de cercetare . Pentru a rezolva problema, a aplicat metoda Kasiski , pe care a învățat-o la cursurile de criptografie. Esența metodei a fost următoarea: simbolurile cheie au fost scrise manual pe o foaie de hârtie, lungimile tuturor liniilor au fost aceleași și au fost egale cu perioada așteptată de repetare a cheilor. Dacă lungimea rândurilor a fost aleasă corect, atunci coloanele matricei rezultate vor conține mai multe caractere care se repetă decât de obicei. [optsprezece]
Tutt a considerat că este mai bine să se aplice această metodă nu pe simboluri cheie întregi, care ar putea avea o perioadă de repetare foarte mare, ci pe un impuls separat, argumentând că „o parte poate fi criptografic mai simplă decât un întreg ” [19] . Observând că indicatorii Tunny foloseau 25 de litere (toate literele alfabetului latin, cu excepția J) pentru poziția a 11-a, dar doar 23 de litere pentru poziția a 12-a, a folosit metoda Kasiska pe primul puls (bit) al simbolurilor cheie cu un perioada de 25 *23=575. Acest lucru nu a dus la un număr mare de repetări în coloane, dar Tutt a observat o mulțime de repetări pe diagonale. El a scris din nou valorile primului impuls, dar cu o perioadă de 574. De data aceasta, coloanele matricei rezultate au conținut repetări. Dându-și seama că factorii primi ai acestui număr sunt numerele 2, 7 și 41, a repetat procedura cu o perioadă de 41 de simboluri și „ a obținut un dreptunghi de puncte și cruci, care era plin de repetări ” [20] .
Era clar, însă, că primul impuls al cheii era mai complex decât impulsul generat de un singur disc cu 41 de poziții [21] . Componenta impuls creată de un astfel de disc numit Tutt (" chi "). A aflat că există și o a doua componentă, cu care a adăugat modulo 2. A doua componentă nu s-a schimbat întotdeauna la trecerea la următorul simbol și a fost creată de un disc, pe care Tatt l-a numit (" psi "). Același lucru s-a întâmplat cu fiecare dintre cele cinci impulsuri de simbol cheie. Pentru un singur caracter, cheia K a constat din două componente:
K = ⊕ .Secvența reală de caractere adăugate de discurile psi , inclusiv acele caractere în care discurile nu și-au schimbat poziția, a fost numită psi extins [22] și a fost desemnată ca „
K = ⊕ ' .Derivarea lui Tatom a componentei psi a fost posibilă prin faptul că punctele erau mai probabil să fie urmate de puncte, iar încrucișările erau cel mai probabil să fie urmate de încrucișări. Acest lucru s-a datorat unui defect în procedura de setare a cheilor, pe care germanii au abandonat-o ulterior. De îndată ce Tutt a făcut această descoperire, restul Departamentului de Cercetare i s-a alăturat pentru a studia restul impulsurilor [23] . În următoarele două luni, până în ianuarie 1942, personalul Departamentului de Cercetare a reușit să reproducă structura logică completă a mașinii de cifrat [24] .
Analiza lui Tatt asupra structurii Tunni a fost o realizare uluitoare în criptoanaliza și, când Tat a primit Ordinul Canadei , a fost descrisă ca „ una dintre marile realizări intelectuale ale celui de-al Doilea Război Mondial ” [25] .
După ce Tunny a fost spart, a fost organizată o echipă dedicată de criptoanalisti condusă de Ralph Tester și a devenit cunoscută sub numele de Testery. Sarcina acestei echipe a fost să decripteze direct mesajele interceptate. Ei au fost asistați în acest sens de mașini construite într-un departament sub numele de Max Newman, cunoscut sub numele de Newmanry .
În decembrie 1942, sub conducerea lui Max Newman , a fost creat un nou departament, a cărui sarcină a fost să studieze posibilitatea automatizării procesului de descifrare a mesajelor Tunny. Înainte de aceasta, Newman lucrase cu Harry Morgan, șeful diviziei de cercetare, la hack-ul Tunny. În noiembrie 1942, William Tutt le-a prezentat ideea unei metode care va deveni cunoscută sub numele de „1+2 break in” [27] . Metoda s-a dovedit a fi eficientă, dar numai atunci când se folosește automatizarea.
Heath RobinsonPentru a automatiza metoda 1+2 break in, Newman a scris o specificație funcțională din care a fost construită mașina Heath Robinson. Mașina a fost construită de inginerii Frank Morell [28] , Tommy Flowers și C. E. Wynn-Williamson [29] . Procesul de creație a început în ianuarie 1943, în iunie a aceluiași an prototipul de mașină era deja folosit în Bletchley Park pentru a descifra mesajele „Tuni” [30] .
Principalele părți ale „Heath Robinson” au fost:
Mașina prototip s-a dovedit a fi eficientă, în ciuda unor deficiențe grave, dintre care majoritatea au fost eliminate în versiunile ulterioare. [31]
ColossusFolosind experiența acumulată în construirea „Heath Robinson” și experiența anterioară cu tuburile vidate , Tommy Flowers a concluzionat că este posibil să se construiască o mașină mai eficientă bazată pe electronică. În loc de bandă de hârtie perforată, se putea folosi un semnal electric pentru a introduce caracterele cheie, ceea ce era mult mai rapid și făcea procesarea mult mai flexibilă. Propunerea lui Flowers pentru o mașină similară nu a fost susținută inițial la Bletchley Park, unde s-a considerat că ar fi „prea nesigură pentru o muncă utilă”. Dar a primit sprijinul șefului de cercetare de la Doris Hill Research Station Gordon Radley [32] și a putut să-și realizeze ideea. Rezultatul muncii sale a fost primul computer din lume, Colossus . Întregul proces de creație a durat un timp record - doar zece luni [33] .
Principalele părți ale computerului Colossus au fost [34] :
Cinci unități de calcul paralele au permis ca „1 + 2 break in” și alte funcții să fie efectuate la o viteză reală de 25 de mii de caractere pe secundă. Ca și computerul ENIAC , creat în 1946, Colossus nu avea memorie de program și era programat printr-un panou de control. [35] A fost mai rapid și mai fiabil decât familia de mașini Robinson care a precedat-o, făcând posibilă accelerarea mult procesul de găsire a setărilor discului chi. Administrația Bletchley Park, care a fost inițial sceptică cu privire la ideea lui Flowers, imediat după testarea primei mașini, a început să-l convingă să construiască o altă copie.
Un total de 10 calculatoare Colossus au fost construite până la sfârșitul războiului. [36] După sfârșitul războiului, majoritatea au fost demontate din ordinul lui Winston Churchill , dar Centrul de Comunicații al Guvernului a reușit să păstreze două exemplare.
Vehicule specialePe lângă teletipurile și mașinile de copiat perforate produse comercial, la Bletchley Park au fost construite o serie de mașini pentru a facilita procesul de pregătire și verificare a benzilor perforate în departamentele Newman și Tester [37] [38] .
Criptografia celui de-al Doilea Război Mondial | |
---|---|
Organizații | |
Personalități | |
Cifre și dispozitive de criptare | |
Dispozitive criptoanalitice |