"Бомбы" для "Энигмы" (полная версия, в газете - где-то 2/3 от этого)
Юлия ШИШКОВА
Военная история вершится не только на полях сражений. Вдали от них идут тихие невидимые битвы, сведения о которых становятся доступными лишь спустя многих годы. Среди них - история проект “Ультра” - одной из наиболее засекреченных операций Второй мировой войны.
Коротковолновый SW-диапазон, сегодня уже почти всеми забытый, во время Второй мировой войны был основной коммуникационной средой. Он использовался для связи и на суше, и на море, как на стратегическом, так и на тактическом уровне. Однако перехват и пеленгация SW-сообщений не составляют заметной технической проблемы: передаваемые в эфир коротковолновые сообщения доступны любому радиоприемнику. Единственное, что можно здесь противопоставить врагу - шифрование, поэтому параллельно с активными боевыми действиями развернулись битвы на поле передачи закодированных сообщений. Каждая из стран, участвовавшая в этой тихой войне, предпринимала собственные меры. Размеры битв принимали разные масштабы. Наибольшей остроты противоборство шифрования и дешифрации достигло в многолетнем противостоянии между Англией, к которой на завершающем этапе присоединилась Америка, с одной стороны, и Германией с другой. В этом беспрецедентном для батальной истории поединке можно найти все: сложнейшие военные операции, личное мужество рядовых и офицеров, предательство, выдающиеся инженерные и математические достижения. В нем принимали участие и разведчики, работавшие на СССР. О событиях, связанных с этой невидимой, но чрезвычайно важной стороной войны написано множество книг и статей и снят известный фильм “Enigma”.
Следует сказать несколько слов об исторической канве событий. Немцы заметно преуспели в шифровании, широко используя для этой цели машину “Энигма”. Это название переводится с греческого как “головоломка” или “загадка”. Образ этой машины окружен множеством мифов. Причина тому не в самой машине - она вовсе не уникальна, существовало множество аналогичных разработок - а в тех усилиях, которые были направлены на борьбу с ее массовым применением.
“Энигма” - вполне обычный представитель приборов своего времени, с поправкой на уровень развития немецкого точного приборостроения. Эта машина - один из возможных вариантов реализации электромеханического дискового шифратора, в отличие от других выпущенная примерно в 100 тысяч экземпляров и нескольких модификациях.
Сама по себе идея шифрования, на которой построена “Энигма”, известна со времен античности. Именно тогда был изобретен шифр Цезаря, основанный на замене одной буквой другой по определенному правилу. Уже в те времена для механизации процессов шифрования и дешифрации были изобретены диски с размещенными на них по концентрическим окружностям буквами. До нашего времени дошли шифровальные диски Леона Баптисты Альберти, датируемые 1460-м годом. Подобную, но более сложную машину описал в 1605 году британский философ и государственный деятель Фрэнсис Бэкон. Интересно, что третий президент США, изобретатель Томас Джефферсон в 1790 году предложил собственную изощренную конструкцию шифратора, состоящую из 36 дисков. Она была неоднократно усовершенствована - например, в версии Паркера Хитта и Джозефа Моуборна подобная машина была принята на вооружение в армии США накануне Первой мировой войны. Примерно на тех же принципах в 20-е годы ХХ века японские специалисты построили и свою шифрованную машину Purple, которая закрывала дипломатическую переписку. Секрет Purple был раскрыт выдающимся криптоаналитиком Гебрертом Ярдли.
У американцев во время Второй мировой войны была собственная очень мощная версия 15-дискового шифратора Siqaba. Эти машины простояли на вооружении до конца 50-х годов, когда стало ясно, что ни один из подобных механических шифраторов не выдерживает атаки, организованной с помощью высокопроизводительного компьютера. В Великобритании производился шифратор Typex, собственный аналог “Энигмы”.
Работы по созданию механических шифраторов велись и в СССР, но здесь они были довольно своеобразны. Считалось (и современные специалисты подтверждают это), что образцы советской техники гарантировали нераскрываемость текста. Безуспешность попыток расшифровать сообщения из Советского Союза привела к тому, что в 1942 году противник вовсе отказался от перехвата. К началу Великой Отечественной войны на вооружение советских шифрорганов было принято более 150 комплектов К-37 и 96 комплектов М-100, что не идет ни в какое сравнение с распространенностью “Энигмы”.
Почему же на фоне других машин именно эта приковала к себе такое внимание? Дело, вероятно, в массовости ее применения: все остальные шифровальные аппараты оставались штучными или в лучшем случае малосерийными и принадлежали службам, которые не любят гласности, в то время как “Энигма”, нацеленная на блицкриг, применялась повсеместно. Машина была проста, надежна, могла работать в полевых условиях, на подводных лодках, в бронетранспортерах - то есть практически где угодно. В результате количество перешло в качество: не слишком сложная машина превратилась в опасное оружие.
Собственная история “Энигмы” началась с патента, полученного Хьюго Кочем в 1917 году. Через несколько месяцев, в 1918-м, патент на нее был перекуплен Артуром Шербиусом, который с помощью “Энигмы” начал собственную предпринимательскую деятельность. Поначалу в открытую продажу поступила “гражданская” (коммерческая) версия - ее использовали немецкая армия и флот. Но уже в 1930 году немцы стали разрабатывать специальные военные версии “Энигмы”. Эта работа продолжалась до окончания Второй мировой войны. Год от года конструкторы добавляли дополнительные элементы, обеспечивавшие большую защищенность сообщений. Даже в начальном варианте с тремя роторами “Энигма” имела 26х26х26=17576 состояний. Если выбирать в производном порядке три рабочих ротора из пяти, входящих в комплект, то число состояний будет 1054560. А если прибор снабдить дополнительными возможностями, то число состояний будет измеряться миллиардами, сотнями миллиардов и т.д. Подобными простыми рассуждениями Шербиусу удалось утвердить немецких военных в качестве шифрования и стимулировать массовое производство “Энигмы”.
По разным причинам военные в странах, являвшихся потенциальными соперниками Германии, не проявили к механическим шифраторам особого энтузиазма. Хотя отдельные экземпляры коммерческой версии “Энигмы” попадали и в эти страны, но, как это ни удивительно, всерьез машиной заинтересовались лишь польские разведчики. Специально для борьбы с “Энигмой” в 1929 году было образовано Польское шифровальное бюро, входившее в состав военной разведки.
Для работы в бюро первыми были отобраны три студента-математика - выпускники Познаньского университета, не имевшие никакого опыта в криптографии. Один из них, Мариан Режевский, прошел дополнительное годичное обучение в Геттингене. Вернувшись домой, он вместе с товарищами Ежи Рошильским и Хенриком Зыгальским начала систематическую работу, направленную против “Энигмы”.
В распоряжении математиков была коммерческая модель машины, существенно более простая, чем военная. Скоро стало ясно, что одного энтузиазма для успешной расшифровки недостаточно. Нужна была еще и удача, и она явилась в образе разорившегося немецкого аристократа Ханса Тило-Шмидта. По протекции брата, служившего в вермахте, Тило-Шмидт тоже поступил на работу в немецкую спецслужбу. В его задачи входило уничтожение вышедших из употребления ходов для “Энигмы”, однако он распорядился этим сокровищем по собственному усмотрению, предложив свои услуги французской разведке. Так Тило-Шмидт стал агентом Аше (“Asche” - “пепел”), но из всей французской разведки получаемой от него информацией заинтересовался лишь полковник Гюстав Бертран. Ни сама французская разведка, ни британская, с которой французы консультировались, не сочли сведения агента Аше достойными внимания. Скорее всего, обе стороны решили, что шифр “Энигмы” раскрыть нельзя, а значит, нечего тратить времени впустую. Упорный полковник Бертран передал, однако, имевшиеся в его распоряжении сведения об “Энигме” полякам и наладил с ними отношения. Контакт поддерживался до осени 1939 года, когда Германия и СССР разделили Польшу между собой.
Некоторые специалисты утверждают, что к 1934 году сотрудникам Бюро удалось построить несколько копий “Энигмы” на польских заводах. В то же время есть и убедительные сведения, что шифраторы были получены в результате операции по захвату грузовика, перевозившего машины. Польский период дешифровки “Энигмы” продолжался до лета 1939 года, когда Режевскому и его коллегам стала очевидна неизбежность последующих трагических событий. Они сочли нужным передать свои результаты французам и англичанам, на чем, по сути, деятельность группы и завершилась.
Среди важнейших результатов шестилетней работы Режевского и его коллег была машина, предназначенная для механизации процесса раскодирования. Она называлась Вомва и состояла из двух спаренных машин “Энигмы”. Польская Вомве, построеннйо британским математиком Аланом Тьюрингом. Но только машинами “польское наследство” не исчерпывается - помимо “живых” “Энигмы” и “Бомбы” англичане получили в свое распоряжение уникальные методики, разработанные Хенриком Зыгальским. В дальнейшем судьба разбросала уникальную команду. Кто-то прожил всю жизнь в Польше, кто-то погиб во время войны, как агент Аше, расстрелянный гестапо в 1944 году. Только Режевский единственный из всех остался в Англии, но по иронии судьбы доступа к работе с “Энигмой” не получил из-за проблем секретности.
Вся последующая шестилетняя работа, нацеленная на борьбу с “Энигмой”, сосредоточилась в ставшем легендой поместье Блетчли-Парк, находящемся в 80 километрах от Лондона, в месте, географически равноудаленном от Кембриджа и Оксфорда. Сегодня это один из предметов национальной гордости британцев.
Менее известно, что и американцы тоже вложили немалый труд в раскрытие тайны “Энигмы”. У них тоже были великие криптографы, прежде всего Уильям Фридман и Жененьев Гроциан, и был момент, когда американцы оказали неоценимую помощь англичанам. Однако сами они в большей степени направляли свои усилия сначала на противодействие Японии в войне на Тихом океане, а позже СССР в связи с угрозой “атомного” шпионажа.
История контрразведывательного центра Station X в Блетчли-парке, созданного по непосредственному указанию Уинстона Черчилля, развивалась со скоростью, возможной только в военное время. Она столь богата событиями, что кратко пересказать ее невозможно. Чтобы представить себе объем работ, выполненных здесь, достаточно назвать всего лишь одну цифру: в разгар деятельности число работающих достигало 12 тыс. человек. Обстановка секретности была такова, что немцы так до конца войны и не узнали об этом центре. Есть мнение, что бомбардировка Ковентри удалась люфтваффе только потому, английское правительство, зная о ней заблаговременно, не приняло предупредительных мер, чтобы только не выдать факт существования Station Х и результаты деятельности.
А вот для СССР события в Station X секрета не представляли. Во-первых, в Блетчли-парке работал один из членов шпионской “кембриджской пятерки” Энтони Блант - он сообщил в Москву о том, что секрет “Энигмы” раскрыт. А далее основным поставщиком информации был самый таинственный, остававшийся до 1990 года неизвестным пятый член “пятерки” Джон Кернкросс. Он служил переводчиком, имел непосредственный доступ к секретным данным и сообщал в Москву сведения о военно-стратегических планах германского верховного командования. В 1943 году им была передана информация о ходе подготовки немцев к операции “Цитадель” на Курском направлении. Из перехваченных переговоров следовало, что Гитлер решил взять реванш за поражение под Сталинградом и летнее наступление вермахта развернется в начале июля в районе Курской дуги.
По своей фабуле события в Блетчли-парке очень напоминают то, что происходило в Польше, но в гораздо большем масштабе и с поправкой на английскую национальную специфику. Те же академически образованные математики, до этого совершенно ничего не знавшие о криптографии. Однако они обладали достаточными талантом и целеустремленностью и сумели сделать чрезвычайно много. Но их усилия не могли бы привести к успеху, если бы не снабжение их необходимой информацией. Эту задачу решал в основном британский военно-морской флот, который устроил настоящую охоту за подводными лодками - на них можно было найти сами устройства и сопровождающую информацию. Победы над лодками U-110 и U-559 сравнивают по важности с Трафальгарской битвой. Однако решающее преимущество, и позволившее в конечном счете раскрыть “Энигму”, обеспечили, конечно же, теоретики. Безусловно, самой известной личностью из числа работавших здесь ученых был Алан Тьюринг, но его окружало целое созвездие специалистов. Среди них следует назвать выдающихся криптоаналитиков и математиков, главных идеологов Блетчли-Парк Гордона Велчмана и Макса Ньюмана, которые раскрыли секрет машины Lorenz, во много раз превосходившей по своим возможностям “Энигму”. Lorenz использовалась для телеграфной радиосвязи Гитлера и генштаба с командованием армий.
Вот что удалось выяснить специалистам-криптографам. С “электрической” точки зрения конструкция “Энигмы” тривиально проста. В ней есть клавиатура, состоящая в распространенном случае из 26 кнопок, соответственно 26 лампочек, включаемых с помощью клавиатуры (на них нанесены трафареты букв), и батарея. Процедура работы такова: оператор нажимает на клавишу, соответствующую очередному символу зашифровываемого или расшифровываемого сообщения, в ответ загорается одна из регистра лампочек, та, которая в данный момент соответствует вводимому символу. Оператор считывает букву на трафарете и вписывает в формируемое сообщение. Механизм шифрования “Энигмы”, в конечном счете, представляет собой сложную систему коммутации, врезанную в цепь между кнопкой и лампочкой, которая обеспечивает в каждый данный момент времени передачу тока по одному из огромного числа потенциально возможных соединений. Коммутацию этого псевдослучайного соединения обеспечивают несколько элементов конструкции, прежде всего роторы. По мере совершенствования число роторов возрастало с трех до пяти, рабочий комплект роторов можно было составлять из стека с большим числом роторов. Появлялись дополнительные устройства, но конструкция самого ротора оставалась неизменной. Его суть в том, что ротор представляет собой многополюсник, у которого 26 входных и 26 выходных контактов. Внутренняя проводка, размещенная в нем, соединяет контакты между собой в тонко сконструированном “случайном” порядке, который сохраняется для данного типа ротора. На разных устройствах Enigma находились роторы одних и тех же типов. В качестве одной из мер, на которые немцы шли для повышения секретности, стало увеличение числа роторов: на машине мог находиться набор сменных роторов, которые надо было чередовать в заданной последовательности. Сами роторы были очень дороги, поэтому к старым экземплярам прибавляли новые.
Между собой роторы были связаны примерно так, как шестерни в одометре (счетчик пробега в автомобильном спидометре). Но в отличие от автомобильного одометра в “Энигме” при вводе символа крайнее правое колесо поворачивалось на переменный, задаваемый шаг. Его величина могла задаваться по расписанию. По совершении полного оборота оно передавало поворот на шаг на следующий ротор и т.д. Правое колесо было самым быстрым, а передаточное отношение редуктора - переменным. Это значит, что система коммутации изменялась с каждым введенным символом. Кроме того, на роторы был нанесен алфавит, что позволяло менять начальную установку роторов тоже по определенным заранее правилам. Изюминкой “Энигмы”, отличавшей ее от других механических устройств шифрования, было наличие отражателя - статически закрепленного ротора, который получал сигнал, прошедший через вращающиеся роторы, и направлял его обратно. Таким образом, в трехроторной машине сигнал проходил семикратное преобразование. Отражение стало одновременно и силой, и слабостью машины. Оно накладывало ограничение на случайность внутренней проводки роторов и сильно помогло Алану Тьюрингу в разработке алгоритмов дешифровки.
Примерно такой функциональностью обладала коммерческая версия “Энигмы” и ее варианты. Позже военную версию оснастили еще одним, на первый взгляд, несложным устройством. В систему коммутации к роторам добавили коммутационную панель, которая делала простую подстановку, т.е. в чистом виде код Цезаря. По сути, это еще один не вращающийся ротор, но не с прошитой на заводе коммутацией, а, если можно так сказать, “программируемой”. Такую коммутацию можно сделать в большей степени случайной, чем роторную, и менять намного чаще. Идея включения коммутационной панели появилась у немцев, когда им самим удалось расшифровать сообщения, переданные из испанской республиканской армии, которая использовала коммерческую версию “Энигмы”.
В 1942 году на смену трехроторной машине пришла морская четырехроторная. В результате сложность задач, возникших перед криптоаналитиками, возросла на порядки. Процесс был постоянным - появление каждой новой модификации ставило перед криптографами и военными новые задачи, на решение которых уходило от нескольких дней до нескольких месяцев. Между периодами, когда расшифровка была возможна, возникали вынужденные, иногда продолжительные паузы.
Дальнейшие усовершенствования Enigma касались увеличения числа роторов, чаще всего до пяти, но были и “монстры”, имевшие до пятнадцати дисков. Использовались также смененные рефлекторы и многое другое. В итоге этой эволюции была создана машина Lorenz, для противодействия которой потребовались уже принципиально иные технологические средства.
Рабочий день любого оператора “Энигмы” начинался с того, что он устанавливал нужный комплект роторов по заданным местам и задавал величину шага, на который более медленный ротор поворачивал более быстрый (передаточное отношение), а также выставлял коммутацию на вспомогательной панели. Все это он делал согласно расписанию. Затем оператор записывал три контрольные буквы, указывающие на установку роторов; после каждой передачи установка должна была изменяться. Чтобы штатным образом декодировать сообщение, приемник должен был воспроизвести на своей машине точно такие же начальные установки, чтобы обеспечить синхронность на обеих сторонах.
Информация, согласно которой задавались установки, публиковалась в специальных листах, причем скорость их замены зависела от взаимного положения участников обмена. Реже всего изменялись те, которыми снабжались корабли и подводные лодки - потому-то они и становились предметами особой охоты. Но все же кодовые листы имели ограниченное время действия, не всегда их можно было получить, поэтому требовались более надежные механизмы декодирования.
Устройство “Энигмы” делало бесполезным распространенный метод частотного анализа, применимый к более простым шифраторам: на выходе “Энигма”-текста буквы появлялись практически с равной вероятностью. Польские специалисты сразу же это осознали, но в первую очередь постарались найти метод, который позволил бы вычислить расшивку роторов. Режевский представил решение в виде системы уравнений. Часть неизвестных помог определить агент Аше, хотя его данные не содержали точные указания на прошивку роторов.
Всего за несколько месяцев польским математикам удалось определить внутреннее устройство каждого из используемых роторов. Но возникла проблема с начальной установкой, которая менялась после каждого сообщения. В возможности вычисления системы начальной установки роторов обнаружилась одна из слабостей “Энигмы”. Она заключалась в том, что для синхронизации установки роторов передатчика и приемника использовались те самые первые три символа, которые в начале рабочего дня выписывал оператор. Они предавались сначала незашифрованными, а потом зашифрованными. В выборе этой комбинации из трех символов было место человеческой слабости: оператор выбирал какие-то памятные для него сочетания букв. Именно этой системной слабостью и воспользовались сотрудники Польского шифровального бюро; поначалу они делали перебор вручную, а потом для этой цели придумали машину Bomba. Она позволила сократить время перебора и найти решение всего за пару часов. Когда немцы стали использовать набор из пяти дисков, из которых только три устанавливались в машину, трудности заметно возросли. До лета 1939 года, когда все материалы были переданы англичанам, поляки сами так и не успели решить эту задачу.
Работы были возобновлены в Блетчли-парке. Получив начальные сведения от польских специлистов, Алан Тьюринг и Гордон Велчман приступили к поиску собственных решений. Тьюринг понял, что идти в лоб по польскому пути, методом полного перебора, бесперспективно: во-первых, потребовалось бы объединить 60 машин Enigma, а во-вторых, немцы рано или поздно исправили бы допущенную конструктивную недоработку. Он решил, что стоит работать по тому же переборному принципу, но не с индикаторами, а с предполагаемыми последовательностями символов в закодированном тексте. Он называл их “полосками” и “столбиками”.
В некотором регистре Bombe задавалось искомая комбинация букв, ее поддерживали запрограммированным вращением роторов. Но, казалось бы, простейший электрический компонент - коммутационная доска - сделал расшифровку очень сложной. Велчман занимался именно проблемой борьбы с коммутационной панелью и сумел создать для борьбы с ней собственный метод “диагональной доски”. Тьюринг полностью принял результаты работы Велчмана. Вместе они нашли общее решение по числу регистров и роторов.
Изготовление машины поручили компании British Tabulating Machines (BTM). Конструктору Гарольду Кину удалось совместить в новой машине замыслы и Тьюринга, и Велчмана. Первая английская криптоаналитическая машина была построена всего за месяц и в августе 1940 года была поставлена на эксплуатацию в Блетчли-парке. В знак уважения к союзникам и признания их успехов ее назвали Bombe на французский манер, но сохранив польские корни. В последующем BTM выпускала по одному экземпляру Bombe в неделю. Всего за время войны было выпущено 210 устройств. По мере эксплуатации машины изменялись в деталях, но основа конструкции сохранялась: вес около тонны, размер передней панели примерно два на три метра, на ней расположено тридцать шесть наборов по три ротора в каждом.
Интерфейс машины был сложен. Многое зависело от обслуживающего персонала. Машины Bombe обслуживали легендарные девушки-добровольцы из Women’s Royal Naval Service, которые фиксировали результаты и передавали их аналитикам.
И тем не менее британские “дедуктивные” методы дешифровки оказывались бессильны, когда немцы вносили существенные конструктивные изменения. В таких случаях нужна была живая информация. В 1940 году такие изменения внес немецкий военно-морской флот. В результате до тех пор, пока не была захвачена лодка U-110, союзники не имели данных о действиях подводных крейсеров, и конвои несли значительные потери. На U-110 было обнаружено значительное количество шифровальных данных и комплектная машина “Энигма” в нужном “морском” исполнении. К счастью для союзников, командующий немецким флотом адмирал Дениц недооценил потерю, и на некоторое время англичане получили возможность беспрепятственно читать радиограммы немецких моряков.
Но в начале 1942 года тот же Дениц своим приказом ввел в обращение новую четырехроторную версию Enigma, что вызывало необходимость в добыче новых трофеев и модернизации Bombe. Положение касалось безвыходным. Более полугода радиограммы не расшифровывались. Возникший кризис был разрешен только в октябре, когда противолодочный корабль Petard сумел вынудить подняться на поверхность подводную лодку U-559. Ценой жизней двух моряков новая “Энигма” была доставлена на борт Petard. В декабре 1942-го Блетчли-Парк снова начал бесперебойную поставку информации.
В 1943 году стало очевидно, что технические возможности и производственные мощности, которыми располагала Великобритания, становятся недостаточными. Соединенные Штаты к тому времени вступили в войну, и началась совместная работа англичан с американскими криптографами. Инженерную и производственную часть работы передали очень известной в то время компании NCR. Вновь созданная американская версия Bombe была существенно больше и имела более эффективную автоматику. Сохранившиеся экземпляры американского варианта Bombe сегодня хранятся в музеях, в том числе в Смитсоновском музее в Нью-Йорке. Роторы новой версии Bombe вращались быстрее, в результате чего расшифровка занимала меньше времени. К весне 1944 года в США работало 96 экземпляров Bombe. В последующие годы противоборство с “Энигмой” превратилось в рутинную работу. На этом собственно история борьбы с немецкой шифровальной машиной закончилась. В США работала настоящая фабрика по дешифровке, а в Блетчли-Парк фокус внимания сместился в сторону альтернативного подхода к противодействию более мощным роторным шифраторам, прежде всего, машине Lorenz. Этот подход был реализован в машине “Колосс” - механической вычислительной машине.
Все, что было связано с операцией “Ультра”, десятилетиями оставалось под грифом секретности. Рассекречивание своей разновидности Bombe американскими властями началось только в 1974 году, несколько позже в этот процесс включилась и Англия. Образцы американского оборудования хорошо сохранились, а вот к оборудованию, которое работало в Блетчли-парке, судьба оказалась не так благосклонна. По причинам секретности большая его часть была уничтожена, и гриф “секретно” был снят намного позже. Сейчас в сохранившемся поместье Блетчли-парк можно увидеть и восстановленные энтузиастами машины Bombe и “Колосс”, и многое другое.