В истории криптографии «Пишущая машинка System 97 для европейских символов» (九七式欧文印字機kyūnana-shiki ōbun injiki ) или «шифровальная машина типа B» , получившая в США кодовое название Purple , была шифровальной машиной, используемой Министерство иностранных дел Японии с февраля 1939 года до конца Второй мировой войны . Машина представляла собой электромеханическое устройство, в котором использовались пошаговые переключатели для шифрования наиболее конфиденциального дипломатического трафика. Все сообщения были написаны 26-буквенным английским алфавитом , который обычно использовался для телеграфии. Любой японский текст необходимо было транслитерировать или закодировать. 26 букв были разделены с помощью штекерной платы на две группы по шесть и двадцать букв соответственно. Буквы в группе шестерок были зашифрованы с использованием таблицы замен 6 × 25, тогда как буквы в группе двадцаток были более тщательно зашифрованы с использованием трёх последовательных таблиц замен 20 × 25. [1]
Шифр под кодовым названием «Пурпурный» заменил красную машину типа А, ранее использовавшуюся Министерством иностранных дел Японии. Подразделение шестерок и двадцаток было знакомо криптографам Службы разведки сигналов армии США (SIS) по их работе над шифром типа A, и это позволило им добиться раннего прогресса в части сообщений, состоящих из шестерок. Шифр двадцатых годов оказался гораздо сложнее, но прорыв в сентябре 1940 года позволил армейским криптографам сконструировать машину, которая дублировала поведение (была аналогом ) японских машин, хотя ни у кого в США не было описания такой машины. [2]
Японцы также использовали пошаговые переключатели в системах под кодовыми названиями Coral и Jade , которые не разделяли их алфавиты. Американские военные называли информацию, полученную в результате расшифровки, магией .
Императорский флот Японии не сотрудничал с армией в довоенной разработке шифровальной машины, и это отсутствие сотрудничества продолжалось и во время Второй мировой войны. Военно-морской флот считал, что машину Purple достаточно сложно сломать, поэтому не пытался вносить в нее изменения для повышения безопасности. Похоже, это было сделано по совету математика Тейджи Такаги , у которого не было опыта в криптоанализе . [ нужна цитата ] Министерству иностранных дел красный и фиолетовый был поставлен ВМФ. Никто из японских властей не заметил слабых мест обеих машин.
Незадолго до окончания войны армия предупредила ВМФ о слабом месте Purple, но ВМФ не последовал этому совету. [ нужна цитата ]
Армия разработала свои собственные шифровальные машины по тому же принципу, что и «Энигма» — 92-сики индзики , 97-сики индзики и 1-сики 1-го индзики — с 1932 по 1941 год. Армия пришла к выводу, что эти машины имеют меньший уровень безопасности, чем Purple ВМФ. дизайн, поэтому две армейские шифровальные машины использовались реже. [ нужна цитата ]
Японские дипломатические связи на переговорах по Вашингтонскому военно-морскому договору были прерваны американской Черной палатой в 1922 году, и когда об этом стало публично известно, возникло значительное давление с целью улучшить их безопасность. В любом случае, японский флот планировал разработать свою первую шифровальную машину для следующего Лондонского военно-морского договора . Руководил работами капитан ВМС Японии Рисабуро Ито из отдела 10 (шифр и код) Генерального штаба ВМС Японии.
Разработкой машины занимался Технологический институт ВМС Японии, Отдел электрических исследований, Секция 6. В 1928 году главный конструктор Кадзуо Танабэ и командующий ВМФ Гэнитиро Какимото разработали прототип Red, «шифровальную машину в виде римской пишущей машинки».
Прототип использовал тот же принцип, что и шифровальная машина «Криха» , с разъемной платой , и использовался ВМС Японии и Министерством иностранных дел Японии на переговорах по Лондонскому военно-морскому договору в 1930 году.
Прототип машины был окончательно завершен как «Пишущая машинка Тип 91» в 1931 году. 1931 год был 2591 годом по японскому императорскому календарю . Таким образом, с года разработки у него был префикс «91-шики».
Модель из 91 -сики -индзики с римскими буквами также использовалась Министерством иностранных дел как «шифровальная машина типа А» под кодовым названием «Красный» криптоаналитиков США.
Красная машина была ненадежной, если контакты ее полуроторного переключателя не очищались каждый день. Он шифровал гласные (AEIOUY) и согласные отдельно, возможно, для снижения стоимости телеграммы, [3] : 842–849 , и это было существенным слабым местом. Военно-морской флот также использовал модель «91-сики-индзики - кана» на своих базах и на своих кораблях.
В 1937 году японцы завершили производство следующего поколения «Пишущей машинки Тип 97». Машина Министерства иностранных дел называлась «шифровальной машиной типа B», получившей кодовое название Purple от криптоаналитиков США.
Главным дизайнером Purple был Кадзуо Танабэ. Его инженерами были Масаджи Ямамото и Эйкичи Судзуки. Эйкичи Сузуки предложил использовать шаговый переключатель вместо более неудобного полуроторного переключателя.
Очевидно, что «Пурпурная» машина была более безопасной, чем «Красная», но ВМФ не осознавал, что «Красная» уже сломана. Фиолетовая машина унаследовала слабость Красной машины: шесть букв алфавита шифровались отдельно. Он отличался от Red тем, что группа букв менялась и объявлялась каждые девять дней, тогда как в Red они навсегда закреплялись как латинские гласные AEIOUY. Таким образом, SIS армии США смогла взломать шифр, использованный для шести букв, прежде чем она смогла взломать шифр, использованный для двадцати других.
Шифровальная машина типа B состояла из нескольких компонентов. Согласно реконструкции армии США, [4] на обоих концах были электрические пишущие машинки, подобные тем, которые использовались в машине типа А. Тип B был организован для шифрования следующим образом:
Для расшифровки поток данных меняется на обратный. Клавиатура второй пишущей машинки становится вводом, и двадцатые буквы проходят этапы пошагового переключения в обратном порядке.
Шаговый переключатель — это многослойное механическое устройство, которое в то время широко использовалось в системах телефонной коммутации. Каждый слой имеет набор электрических соединений, 25 в типе B, расположенных по полукруглой дуге. Они не двигаются и называются статором. Рычаг стеклоочистителя на роторе в центре полукруга соединяется с одним контактом статора за раз. Роторы каждого слоя прикреплены к одному валу, который перемещается от одного контакта статора к другому всякий раз, когда на электромагнит, соединенный с храповым механизмом, подается импульс. Фактически на каждом уровне есть два рычага стеклоочистителей, соединенных вместе, так что, когда один дворник проходит мимо последнего контакта в полукруге, другой зацепляет первый контакт. Это позволяет соединениям ротора продолжать циклически проходить через все 25 контактов статора, пока электромагнит подает импульсы. [1]
Для шифрования двадцатых букв на каждом из трех этапов требовался 20-уровневый шаговый переключатель. И в японской версии, и в раннем американском аналоге каждая ступень состояла из нескольких шаговых переключателей меньшего размера, подобных тем, которые используются в центральных телефонных станциях. Американский аналог использовал четыре 6-уровневых переключателя для создания одного 20-уровневого переключателя. Четыре переключателя на каждой ступени были подключены к синхронному шагу. Фрагмент японской машины Тип 97, выставленный в Национальном криптологическом музее, самый крупный известный из существующих экземпляров, имеет три семислойных шаговых переключателя (см. Фото). В 1944 году армия США разработала улучшенный аналог, в котором все слои, необходимые для каждой ступени, расположены на одном валу. В улучшенном аналоге был использован дополнительный слой для автоматической установки каждого банка переключателей в исходное положение, указанное в ключе.
Как бы то ни было, 20-слойный шаговый переключатель на каждой ступени имел 20 соединений ротора и 500 соединений статора, один грязесъемник и 25 контактов статора на каждом слое. Каждая ступень должна иметь ровно 20 соединений на каждом конце для соединения с соседней ступенью или коммутационной панелью. Что касается роторов, то это не проблема, поскольку роторов 20. На стороне статора каскада каждый столбец контактов статора, соответствующий одному и тому же положению ротора на каждом из 20 слоев, подключается к 20 выходным проводам ( выводам на схеме) в зашифрованном порядке, создавая перестановку 20 входов. . Это делается по-разному для каждого положения ротора. Таким образом, каждый выходной провод статора имеет 25 соединений, по одному от каждого положения ротора, но на разных уровнях. Соединения, необходимые для этого, создали «крысиное гнездо» проводов в ранних американских аналогах. В улучшенном аналоге проводка организована более аккуратно: на фотографии над каждым пошаговым переключателем видны три матрицы паяных клемм.
Этапы были двунаправленными. Сигналы проходили каждый этап в одном направлении для шифрования и в другом направлении для дешифрования. В отличие от системы в немецкой машине «Энигма» , порядок этапов был фиксированным и рефлектор отсутствовал. Однако расположение ступеней можно изменить.
Шестерки переключаются на одну позицию для каждого зашифрованного или расшифрованного символа. Движения переключателей на двадцатых стадиях были более сложными. Три этапа были назначены на быстрый, средний или медленный шаг. Было шесть возможных способов выполнить это назначение, и выбор определялся числом, включенным в начало каждого сообщения, называемым индикатором сообщения . Усовершенствованный аналог из США имеет шестипозиционный переключатель для выполнения этого назначения, см. фото. Индикатор сообщения также указывает начальные положения двадцатых переключателей. При отправке многочастных сообщений показатель был разным для каждого сообщения или части сообщения. Последняя часть ключа — расположение алфавитной панели — менялась ежедневно.
Шаг переключателя двадцатых годов частично контролировался переключателем шестёрок. Для каждого персонажа наступал ровно один из трёх переключателей. Быстрый переключатель ступенчато для каждого символа, за исключением случаев, когда переключатель шестерок находился в 25-м положении. Затем сработал средний переключатель, если только он не находился в 25-м положении, в этом случае сработал медленный переключатель.
В 1938 году СИС узнала о предстоящем внедрении нового дипломатического шифра из расшифрованных сообщений. Сообщения типа B начали появляться в феврале 1939 года. У типа B было несколько недостатков: одни в конструкции, другие в способе использования. Частотный анализ часто позволял выделить 6 из 26 букв алфавита зашифрованного текста среди других 20 букв, которые были распределены более равномерно. Это предполагало, что тип B использовал такое же разделение букв открытого текста, как и тип A. Более слабое шифрование, используемое для «шестерок», было легче анализировать. Шифр шестерок оказался полиалфавитным с 25 фиксированными перестановочными алфавитами, каждый из которых использовался последовательно. Единственная разница между сообщениями с разными индикаторами заключалась в начальной позиции в списке алфавитов. К 10 апреля 1939 года команда SIS обнаружила 25 перестановок. Частотный анализ был осложнен наличием латинизированного японского текста и появлением в начале мая японской версии Кодекса Филлипса . [5]
Знание открытого текста 6 из 26 букв, разбросанных по всему сообщению, иногда позволяло угадать части остальной части сообщения, особенно когда письмо было сильно стилизовано. Некоторые дипломатические послания включали текст писем правительства США правительству Японии. Обычно можно было получить английский текст таких сообщений. Некоторые дипломатические станции не имели типа B, особенно на ранних этапах его внедрения, и иногда одно и то же сообщение отправлялось в типе B и в красном шифре типа A, который SIS взломала. Все это дало возможность взломать шифр двадцатых годов.
Уильяму Ф. Фридману было поручено возглавить группу криптографов, атакующих систему B в августе 1939 года. [5] : 10 Даже при наличии шпаргалок прогресс был затруднен. По словам Фридмана, перестановки, использованные в шифре двадцатых годов, были выбраны «блестяще», и стало ясно, что периодичность вряд ли удастся обнаружить, дождавшись достаточного количества трафика, зашифрованного по одному индикатору, поскольку алфавиты коммутационной панели менялись ежедневно. Криптографы разработали способ преобразования сообщений, отправленных в разные дни с одним и тем же индикатором, в гомологичные сообщения, которые выглядели бы как отправленные в один и тот же день. Это обеспечило достаточный трафик при одинаковых настройках (6 сообщений с индикатором 59173), чтобы иметь возможность найти некоторую периодичность, раскрывающую внутреннюю работу двадцатого шифра.
20 сентября 1940 года около 14:00 Женевьева Гротьян с набором рабочих листов подошла к группе мужчин, поглощенных разговором, и вежливо попыталась привлечь внимание Фрэнка Роулетта . Она нашла следы циклов в шифре двадцатых годов. После этого первого взлома шифра 20-х годов последовало празднование, которое вскоре позволило построить копию машины. [6] : 99 Пара других сообщений с индексом 59173 была расшифрована 27 сентября, что по совпадению является датой объявления Трехстороннего соглашения между нацистской Германией, фашистской Италией и императорской Японией. Предстояло еще много работы, чтобы восстановить значение остальных 119 возможных индикаторов. По состоянию на октябрь 1940 года треть настроек индикатора была восстановлена. [5] : 7 Время от времени японцы вводили новые оперативные процедуры для усиления системы типа B, но они часто описывались в сообщениях дипломатическим представителям старой системы, предупреждая американцев. [1] : с. 29
Реконструкция машины Purple была основана на идеях Ларри Кларка. Прогресс в понимании процедур фиолетового ключа был сделан лейтенантом Фрэнсисом А. Рэйвеном, USN. После первоначального перерыва Рэйвен обнаружил, что японцы разделили месяц на три 10-дневных периода, и внутри каждого периода они использовали ключи первого дня с небольшими, предсказуемыми изменениями. [7] [2]
Японцы считали тип B неразрушимым на протяжении всей войны и даже в течение некоторого времени после войны, хотя немцы информировали их об обратном. В апреле 1941 года Ганс Томсен , дипломат посольства Германии в Вашингтоне, округ Колумбия, направил послание Иоахиму фон Риббентропу , министру иностранных дел Германии, сообщая ему, что «абсолютно надежный источник» сообщил Томсену, что американцы сломали японскую войну. дипломатический шифр (то есть Пурпурный). Этим источником, очевидно, был Константин Уманский , советский посол в США , который пришел к выводу об утечке информации на основе сообщений заместителя госсекретаря США Самнера Уэллса . Сообщение было должным образом отправлено японцам; но использование кода продолжалось. [8] [3]
В конце 1940 года SIS построила свою первую машину, которая могла расшифровывать сообщения Purple. Второй аналог Purple был построен SIS для ВМС США. Третий был отправлен в Англию в январе 1941 года на корабле HMS King George V , который доставил в США посла Галифакса . Этот аналог Purple сопровождала команда из четырех американских криптологов, двух армейских и двух военно-морских сил, которые получали информацию об успехах Великобритании против Германии. шифры в обмен. Впоследствии эта машина была отправлена в Сингапур, а после того, как японцы двинулись на юг через Малайю, в Индию. Четвертый аналог Purple был отправлен на Филиппины, а пятый остался у СИС. Шестой, первоначально предназначавшийся для Гавайев, был отправлен в Англию для использования там. [3] : с.23 Перехваты «Пурпурных» оказались важными на европейском театре военных действий благодаря подробным отчетам о немецких планах, посланным в этом шифре японским послом в Берлине.
Соединенные Штаты получили части машины Purple от посольства Японии в Германии после поражения Германии в 1945 году (см. изображение выше) и обнаружили, что японцы использовали шаговый переключатель, по своей конструкции почти идентичный тому, который Лео Розен из СИС выбрал, когда создание дубликата (или аналоговой машины Purple) в Вашингтоне в 1939 и 1940 годах. Шаговый переключатель представлял собой униселектор ; стандартный компонент, используемый в больших количествах на автоматических телефонных станциях в таких странах, как Америка, Великобритания, Канада, Германия и Япония, с развитыми телефонными системами с коммутируемым доступом. В США на каждой ступени своих аналогов Purple использовалось четыре шестиуровневых переключателя, [5] японцы использовали три семиуровневых переключателя. Оба одинаково представляли шифр 20-х годов. Однако обратите внимание, что это не были двухпозиционные переключатели или переключатели Строугера , как иногда утверждают: «двадцать пять шаговых переключателей типа Строджера (sic)…». [9]
Судя по всему, все остальные машины Purple в японских посольствах и консульствах по всему миру (например, в странах Оси, Вашингтоне, Лондоне, Москве и в нейтральных странах) и в самой Японии были уничтожены и измельчены в мелкие частицы японцами. Американские оккупационные войска в Японии в 1945–52 годах искали оставшиеся части. [10] Полная шифровальная машина Jade, построенная на тех же принципах, но без разделения шестерок и двадцаток, была захвачена и выставлена в Национальном криптологическом музее АНБ .
Сама машина Purple была впервые использована Японией в июне 1938 года, но американские и британские криптоаналитики взломали некоторые из ее сообщений задолго до нападения на Перл-Харбор . Американские криптоаналитики расшифровали и перевели послание Японии, состоящее из 14 частей, к посольству в Вашингтоне с требованием прекратить переговоры с Соединенными Штатами в 13:00 по вашингтонскому времени 7 декабря 1941 года, прежде чем посольство Японии в Вашингтоне сделало это. Трудности с расшифровкой и набором текста в посольстве в сочетании с незнанием важности своевременной доставки были основными причинами задержки доставки « Записки Номура ».
Во время Второй мировой войны посол Японии в нацистской Германии генерал Хироси Осима был хорошо осведомлен о немецких военных делах. Его отчеты отправлялись в Токио в виде радиосообщений, зашифрованных Purple. У одного был комментарий, что Гитлер сказал ему 3 июня 1941 года, что «по всей вероятности, войны с Россией избежать невозможно». В июле и августе 1942 года он совершил поездку по Восточному фронту, а в 1944 году он посетил укрепления Атлантического вала против вторжения вдоль побережий Франции и Бельгии. 4 сентября Гитлер сообщил ему, что Германия нанесет удар на Западе, вероятно, в ноябре. [11]
Поскольку эти сообщения были прочитаны союзниками, они предоставили ценную информацию о военных приготовлениях Германии против предстоящего вторжения в Западную Европу. Генерал Джордж Маршалл описал его как «нашу главную основу информации о намерениях Гитлера в Европе». [12]
Расшифрованный трафик Purple и японские сообщения обычно были предметом ожесточенных слушаний в Конгрессе после Второй мировой войны в связи с попыткой решить, кто, если вообще кто-то, допустил нападение на Перл-Харбор, и поэтому должен быть обвинен. Именно во время этих слушаний японцы впервые узнали, что шифровальная машина Purple действительно была взломана. [ нужна ссылка ] ( Дополнительную информацию о противоречиях и расследованиях см. в статье о теории заговора в Перл-Харборе .)
Советам также удалось разрушить Пурпурную систему в конце 1941 года, и вместе с докладами Рихарда Зорге они узнали, что Япония не собирается нападать на Советский Союз . Вместо этого его цели были направлены на юг, в сторону Юго-Восточной Азии и американских и британских интересов там. Это позволило Сталину вовремя перебросить значительные силы с Дальнего Востока в Москву, чтобы помочь остановить наступление Германии на Москву в декабре. [13]
