Lorenz SZ40 , SZ42a и SZ42b — немецкие роторные машины потокового шифрования, использовавшиеся 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 «шифрованное соединение» . В приборах реализован поточный шифр Вернама .
Британские криптоаналитики , которые называли зашифрованный немецкий телетайпный трафик « Рыбой» , назвали машину и ее трафик «Танни» (имеется в виду тунец) и вывели ее логическую структуру за три года до того, как увидели такую машину. [1]
Машины SZ представляли собой линейные приспособления к стандартным телетайпам . Экспериментальная линия с использованием машин SZ40 была начата в июне 1941 года. Усовершенствованные машины SZ42 начали активно использоваться с середины 1942 года для связи на высоком уровне между немецким верховным командованием в Вюнсдорфе недалеко от Берлина и армейскими командованиями по всей оккупированной Европе. [2] Более совершенный SZ42A начал использоваться в феврале 1943 года, а SZ42B — в июне 1944 года. [3]
Для этого трафика использовался радиотелетайп (RTTY), а не наземные линии связи. [4] Эти сообщения без азбуки Морзе (NoMo) с манипуляцией звуковой частоты были приняты британскими Y-станциями в Нокхолте в Кенте, на их удаленной станции в Хайер-Уинкомбе [5] в Уилтшире и в Дании-Хилл на юге Лондона и отправлены в Государственная школа кодирования и шифрования в Блетчли-Парке (BP). Некоторые из них были расшифрованы ручными методами, прежде чем процесс был частично автоматизирован, сначала с помощью машин Робинсона , а затем с помощью компьютеров Колосс . [6] Расшифрованные сообщения Лоренца внесли один из наиболее значительных вкладов в военную разведку Великобритании «Ультра» и в победу союзников в Европе из-за стратегического характера информации высокого уровня, полученной в результате расшифровки Лоренца. [7]
После Второй мировой войны группа британских и американских криптоаналитиков вошла в Германию с передовыми войсками, чтобы захватить документы, технологии и персонал различных немецких организаций радиоразведки, прежде чем эти секреты могут быть уничтожены, разграблены или захвачены Советским Союзом. . Их называли Комитетом целевой разведки : TICOM. [8] [9]
От пленных немецких криптографов докторов Хуттенхайна и Фрике они узнали о разработке SZ40 и SZ42 a/b. [10] Проектировалась машина, которую можно было прикрепить к любому телетайпу. Первая машина называлась SZ40 (старого типа) и имела десять роторов с фиксированными кулачками. Было признано, что защищенность этой машины невелика. У окончательного SZ40 было двенадцать роторов с подвижными кулачками. Крайние пять роторов назывались Spaltencäsar , но Билл Тутте назвал их колесами Чи . Крайние пять левых были названы Springcäsar , Пси- колеса, обозначающие Тутте. Два средних ротора Vorgeleger Тутте назвал Mu или мотор-колеса.
Пять битов данных каждого телеграфного символа, закодированного в ITA2, сначала обрабатывались пятью колесами ци , а затем дополнительно обрабатывались пятью пси- колесами. Кулачки на колесах немного изменили значение, если оно было в поднятом положении, но оставили его неизменным, если оно было в опущенном положении.
Гилберт Вернам был инженером-исследователем AT&T Bell Labs , который в 1917 году изобрел систему шифрования, в которой использовалась логическая функция «исключающее ИЛИ» (XOR) , обозначенная ⊕. [11] Это представлено следующей « таблицей истинности », где 1 представляет «истину», а 0 представляет «ложь».
Другие названия этой функции: «Не равно» (NEQ), сложение по модулю 2 (без «переноса») и вычитание по модулю 2 (без «заимствования»).
Шифр Вернама представляет собой алгоритм с симметричным ключом , то есть один и тот же ключ используется как для шифрования открытого текста для создания зашифрованного текста , так и для расшифровки зашифрованного текста для получения исходного открытого текста:
и:
Это обеспечивает существенную взаимность, которая позволяет использовать одну и ту же машину с одинаковыми настройками как для шифрования, так и для дешифрования.
Идея Вернама заключалась в том, чтобы использовать традиционную практику телеграфии с бумажной лентой открытого текста в сочетании с бумажной лентой ключа. Каждая ключевая лента должна была быть уникальной ( одноразовой лентой ), но создание и распространение таких лент представляло значительные практические трудности. В 1920-х годах четыре человека в разных странах изобрели роторные шифровальные машины, которые создавали ключевой поток вместо ленты. [12] Одним из них был Lorenz SZ40/42 1940 года. [13]
Логическое функционирование системы Танни было проработано задолго до того, как криптоаналитики Блетчли-Парка увидели одну из машин — что произошло только в 1945 году, когда Германия капитулировала перед союзниками. [14]
Машина SZ служила линейным приспособлением к стандартному телетайпу Лоренца. Он имел металлическое основание размером 19 × 15,5 дюймов (48 × 39 см) и высоту 17 дюймов (43 см). [13] Символы телетайпа состояли из пяти битов данных (или «импульсов»), закодированных в Международном телеграфном алфавите № 2 (ITA2) . Машина генерировала поток псевдослучайных символов. Они образовывали ключ, который объединялся с входными символами открытого текста для формирования выходных символов зашифрованного текста. Комбинация осуществлялась с помощью процесса XOR (или сложения по модулю 2). [16]
Ключевой поток состоял из двух составных частей, которые были объединены с помощью XOR. Они создавались двумя наборами по пять колес, которые вращались вместе. Криптоаналитик из Блетчли-Парка Билл Татт назвал их колесами χ (« ци ») и колесами ψ (« пси »). Каждое колесо имело ряд кулачков (или «штифтов») по окружности. Эти кулачки могут быть установлены в поднятом (активном) или опущенном (неактивном) положении. В поднятом положении они генерировали «1», что меняло значение бита, в нижнем положении они генерировали «0», оставляя бит неизменным. [17] Число кулачков на каждом колесе равнялось числу импульсов, необходимых для того, чтобы они совершили полный оборот. Все эти числа взаимно просты друг с другом, что дает максимально возможное время до повторения шаблона. Это произведение количества положений колес. Для набора колес χ это было 41 × 31 × 29 × 26 × 23 = 22 041 682, а для колес ψ — 43 × 47 × 51 × 53 × 59 = 322 303 017. Число различных способов установки всех двенадцати колес равно1,603 × 10 19 т.е. 16 миллиардов миллиардов.
Набор из пяти колес χ переместился на одну позицию после того, как каждый символ был зашифрован. Однако пять колес ψ периодически продвигались вперед. Их движение контролировалось двумя последовательными колесами μ (« му ») или «моторами». [18] Мотор-колесо SZ40 μ 61 шагал каждый раз, а мотор-колесо μ 37 шагал только в том случае, если первое мотор-колесо имело значение «1». Затем колеса ψ шагнули только в том случае, если второе мотор-колесо имело значение «1». [19] Модели SZ42A и SZ42B добавили дополнительную сложность этому механизму, известному в Блетчли-Парке как «Ограничения» . Два из четырех различных ограничений касались характеристик открытого текста, а также автоклавов . [20]
Таким образом, ключевой поток, генерируемый машинами SZ, имел компонент χ и компонент ψ . Символически ключ, который был объединен с открытым текстом для шифрования и с зашифрованным текстом для дешифрования, можно представить следующим образом. [18]
Однако, чтобы указать, что компонент ψ часто не менялся от символа к символу, использовался термин расширенный psi , обозначаемый как: Ψ' . Таким образом, шифрование можно символически представить как:
и расшифровка как:
Каждое звено «Тунни» имело по четыре машины СЗ с передающим и приемным телетайпом на каждом конце. Чтобы шифрование и дешифрование работали, передающая и принимающая машины должны были быть настроены идентично. В этом было два компонента; установка шаблонов кулачков на колесах и вращение колес для начала шифрования сообщения. До лета 1944 года настройки кулачков менялись реже. Кулачки колес ψ первоначально менялись только ежеквартально, но позже - ежемесячно, колеса χ менялись ежемесячно, но рисунок колес двигателя менялся ежедневно. С 1 августа 1944 года все рисунки колес менялись ежедневно. [21]
Первоначально настройки колеса для сообщения отправлялись получателю с помощью 12-буквенного индикатора , отправляемого в незашифрованном виде, причем буквы были связаны с положениями колеса в книге. В октябре 1942 года это было изменено на использование книги одноразовых настроек в так называемой книге QEP. Последние две цифры записи в книге QEP были отправлены оператору-получателю, чтобы он нашел ее в своей копии книги QEP и установил колеса своей машины. В каждой книге содержалось сто и более комбинаций. После того, как все комбинации в книге QEP были использованы, она заменялась новой. [22] Настройки сообщения ни в коем случае не должны были использоваться повторно, но иногда они использовались, обеспечивая «глубину», которую мог использовать криптоаналитик. [23]
Как это было в обычной телеграфной практике, сообщения любой длины вводились в телетайп с помощью перфоратора для бумажной ленты . Типичная последовательность операций заключается в том, что оператор-отправитель набирает сообщение, устанавливает связь с оператором-получателем, использует переключатель EIN/AUS на машине SZ, чтобы подключить его к цепи, а затем пропускает ленту через считыватель. [13] На принимающей стороне оператор аналогичным образом подключал свою машину SZ к цепи, и результат распечатывался на непрерывной липкой ленте. Поскольку это была практика, открытый текст не содержал символов «возврата каретки», «перевода строки» или нулевого символа (пустая лента, 00000). [4]
Британские криптографы в Блетчли-парке установили принцип работы машины к январю 1942 года, даже не видя машины Лоренца, и этот подвиг стал возможен благодаря ошибкам, допущенным немецкими операторами.
Трафик Tunny был известен операторам Y Station , привыкшим слушать передачу кода Морзе , как «новая музыка». Первоначально его перехват был сосредоточен в отделении Y министерства иностранных дел, которым управляет столичная полиция , в Дании-Хилл в Камберуэлле , Лондон. Но из-за нехватки ресурсов в то время (около 1941 г.) этому вопросу не уделялось должного внимания. Новая станция Y, Нокхолт в Кенте , была позже построена специально для перехвата трафика Танни, чтобы сообщения можно было эффективно записывать и отправлять в Блетчли-Парк. [24] Начальник станции Y Гарольд Кенуорти перешел, чтобы возглавить Нокхолт. Позже его назначили главой Научно-исследовательского центра Министерства иностранных дел (FORDE).
30 августа 1941 года из Афин в Вену было передано сообщение объемом около 4000 символов . Однако сообщение на другом конце было получено неправильно. Затем оператор-получатель отправил отправителю незакодированный запрос с просьбой повторно передать сообщение. Это позволило взломщикам кодов узнать, что происходит.
Затем отправитель повторно передал сообщение, но, что особенно важно, не изменил настройки ключа по сравнению с исходным «HQIBPEXEZMUG». Это была запрещенная практика; использование разных ключей для каждого отдельного сообщения имеет решающее значение для безопасности любого потокового шифра. Это не имело бы значения, если бы два сообщения были идентичными, однако во второй раз оператор внес в сообщение ряд небольших изменений, например, используя сокращения, сделав второе сообщение несколько короче.
Из этих двух связанных зашифрованных текстов, известных криптоаналитикам как глубина , опытный криптоаналитик бригадный генерал Джон Тилтман из исследовательского отдела выделил два открытых текста и, следовательно, ключевой поток . Но даже почти 4000 символов ключа было недостаточно, чтобы команда могла понять, как генерируется поток; это было слишком сложно и казалось случайным.
Через три месяца исследовательский отдел передал задачу математику Биллу Татту . Он применил технику, которой его научили во время обучения криптографии, — запись ключа вручную и поиск повторений. Тутте сделал это с помощью оригинального телетайпа с 5-битным Международным телеграфным алфавитом № 2 (ITA2) (который был развитием кода Бодо (ITA1) ), что привело его к его первоначальному прорыву в распознавании 41-битного повторения. [14] [25] В течение следующих двух месяцев, вплоть до января 1942 года, Тутте и его коллеги разработали полную логическую структуру шифровальной машины. Этот замечательный образец реверс-инжиниринга позже был описан как «один из величайших интеллектуальных подвигов Второй мировой войны». [14]
После взлома Танни была создана специальная команда взломщиков кодов под руководством Ральфа Тестера , большинство из которых первоначально было переведено из « Хижины 8» Алана Тьюринга . Команда стала известна как Testery . Он выполнил большую часть последующей работы по взлому сообщений Танни, но ему помогали машины из дополнительной секции Макса Ньюмана, известной как Ньюманри . [26]
Британцы построили несколько сложных машин для помощи в атаке на Танни. Первым был британский Танни . [27] [28] Эта машина была разработана Блетчли Парком на основе работы по обратному проектированию , проделанной командой Тилтмана в Тестере, для имитации шифровальной машины Лоренца. Когда Testery обнаружил настройки вертушки, машина Tunny была настроена и запущена так, чтобы сообщения можно было распечатать.
Для компании Newmanry было построено семейство машин, известных как « Робинсоны ». Они использовали две бумажные ленты вместе с логическими схемами, чтобы найти настройки х- штифтов машины Лоренца. [29] У Робинсонов были серьезные проблемы с синхронизацией двух бумажных лент, и они работали относительно медленно, читая всего 2000 символов в секунду.
Самой важной машиной был Колосс , десять из которых использовались к концу войны, первая из которых вступила в строй в декабре 1943 года. Хотя они не были полностью программируемыми, они были гораздо более эффективными, чем их предшественники, что представляло собой прогресс в области электронных цифровых компьютеров . Компьютеры Colossus были разработаны и построены Томми Флауэрсом из исследовательской станции почтового отделения Доллис-Хилл с использованием алгоритмов, разработанных Биллом Таттом и его командой математиков. [30] Колосс оказался эффективным и быстрым против двенадцатироторной онлайн-телетайпной шифровальной машины Lorenz SZ42.
Некоторые влиятельные фигуры сомневались в предложенной им конструкции дешифровальной машины, и Флауэрс приступил к реализации проекта, частично финансируя его сам. [31] [32] Как и более поздний ENIAC 1946 года, Colossus не имел сохраненной программы и программировался через коммутационные панели и соединительные кабели. Он был быстрее, надежнее и эффективнее, чем Робинсоны, что ускоряло процесс поиска настроек вертушки Лоренца χ . Поскольку Колосс сгенерировал предполагаемые ключи электронным способом, ему нужно было прочитать только одну ленту. Это было сделано с помощью оптического считывателя, который со скоростью 5000 символов в секунду работал намного быстрее, чем у Робинсонов, а это означало, что лента двигалась со скоростью почти 30 миль в час (48 км/ч). [33] Это, а также синхронизация электроники через оптически считываемые отверстия в звездочках 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 тот построил другое. После окончания войны машины Colossus были демонтированы по приказу Уинстона Черчилля, [34] но GCHQ сохранил две из них. [35]
К концу войны «Тестери» выросла до девяти криптографов и 24 девушек из ОВД (так тогда называли женщин, выполнявших эту должность), а общий штат сотрудников составлял 118 человек, организованных в три смены и работающих круглосуточно.
_-_National_Cryptologic_Museum_-_DSC07883.JPG/1280px-Lorenz_SZ40_cipher_machine_(TUNNY)_-_National_Cryptologic_Museum_-_DSC07883.JPG)
Шифровальные машины Лоренца производились в небольшом количестве; сегодня в музеях сохранилась лишь горстка.
В Германии примеры можно увидеть в Музейном форуме Хайнца Никсдорфа , компьютерном музее в Падерборне , и Немецком музее , музее науки и техники в Мюнхене. [36] Еще две машины Лоренца выставлены в Блетчли-парке и Национальном музее вычислительной техники в Соединенном Королевстве. Другой пример выставлен в Национальном криптологическом музее в Мэриленде, США.
Джон Уэттер и Джон Петер, волонтеры Национального музея вычислительной техники, купили на eBay телетайп Lorenz за 9,50 фунтов стерлингов, который был найден в садовом сарае в Саутенд-он-Си . [37] [38] Было обнаружено, что это военная версия времен Второй мировой войны, она была отремонтирована и в мае 2016 года установлена рядом с машиной SZ42 в галерее музея «Тунни».