Роторные шифровальные машины: устройство и принцип¶

Роторная шифровальная машина — электромеханическое устройство для шифрования и дешифрования текстовых сообщений, в котором преобразование символов выполняется за счёт последовательного прохождения электрического сигнала через несколько вращающихся дисков (роторов) с электрическими контактами. Такие машины применялись в первой половине и середине XX века, наиболее известным представителем класса является немецкая «Энигма».

¶Устройство

Основные узлы роторной машины:

• Клавиатура — ввод открытого текста; при нажатии клавиши замыкается электрическая цепь.
• Роторы (колёса) — набор дисков, обычно 3–5, каждый с двумя наборами контактов (входным и выходным) и внутренней коммутацией, соединяющей их в произвольном порядке. Роторы вращаются, меняя схему соединений от нажатия к нажатию.
• Рефлектор — неподвижный диск, возвращающий сигнал обратно через роторы по иному пути; обеспечивает симметричность шифрования.
• Коммутационная панель (в поздних моделях) — попарная замена букв до и после прохождения роторов.
• Ламповая панель — индикация зашифрованного символа.

¶Принцип работы

При нажатии клавиши электрический импульс проходит через коммутационную панель, затем через все роторы и рефлектор, возвращается по другому пути и зажигает лампу, соответствующую шифрованной букве. Каждое нажатие изменяет положение хотя бы одного ротора: правый поворачивается на одну позицию при каждом символе, соседние — с меньшей частотой, по принципу одометра. Это реализует полиалфавитный шифр с очень большим числом возможных состояний.

Ключ машины складывается из:

1. порядка установки роторов;
2. их начальных положений;
3. схемы коммутационной панели.

Число комбинаций для трёхроторной «Энигмы» с коммутационной панелью достигало порядка 10¹⁶, что делало прямой перебор вручную невозможным.

¶Особенности и уязвимости

Роторная машина обладает свойством самообратимости: шифрование и дешифрование выполняются одинаково при одном и том же ключе. Ключевым недостатком оказалось то, что ни одна буква не могла быть зашифрована сама в себя (из-за рефлектора). Это резко сужало пространство поиска при криптоанализе. Дополнительную слабость создавали повторяющиеся обороты роторов и шаблонные фразы в сообщениях.

¶Криптоанализ

Взлом роторных шифров связан с работами польских математиков (Мариан Реевский, Ежи Ружицкий, Генрих Зыгальский), которые в 1930-х годах реконструировали устройство «Энигмы» и разработали методы дешифровки. Позднее в британском центре Блетчли-парк Алан Тьюринг и Гордон Уэлчман создали электромеханические машины «Бомба», а затем вычислительные устройства Colossus, ускорившие перебор ключей. Вклад в криптоанализ внесли и другие специалисты, включая использование «шпаргалок» — предполагаемых фрагментов открытого текста.

¶Значение

Роторные машины стали вершиной электромеханической криптографии и важным этапом в развитии вычислительной техники: задачи их взлома стимулировали создание первых специализированных вычислительных машин. После Второй мировой войны они были вытеснены электронными шифровальными системами.