Mașină cu rotor - Rotor machine
În criptografie , o mașină cu rotor este un dispozitiv de criptare a fluxului electromecanic utilizat pentru criptarea și decriptarea mesajelor. Mașinile cu rotor au fost starea de artă criptografică pentru o perioadă proeminentă a istoriei; au fost utilizate pe scară largă în anii 1920–70. Cel mai faimos exemplu este mașina germană Enigma , a cărei ieșire a fost descifrată de aliați în timpul celui de-al doilea război mondial, producând informații inteligente numite Ultra .
Descriere
Componenta principală este un set de rotoare , numite și roți sau tamburi , care sunt discuri rotative cu o serie de contacte electrice pe ambele părți. Cablarea dintre contacte implementează o înlocuire fixă a literelor, înlocuindu-le într-un mod complex. În sine, acest lucru ar oferi puțină securitate; cu toate acestea, după criptarea fiecărei litere, rotoarele avansează pozițiile, schimbând substituția. Prin acest mijloc, o mașină cu rotor produce un cifru complex de substituție polialfabetică , care se schimbă la fiecare apăsare a tastelor.
fundal
În criptografia clasică , una dintre cele mai vechi metode de criptare a fost simpla cifrare de substituție , în care literele dintr-un mesaj au fost înlocuite sistematic folosind o schemă secretă. Cifrele de substituție monoalfabetice foloseau doar o singură schemă de înlocuire - denumită uneori „alfabet”; acest lucru ar putea fi ușor de rupt, de exemplu, prin utilizarea analizei de frecvență . Oarecum mai sigure au fost schemele care implică mai multe alfabete, cifre polialfabetice . Deoarece astfel de scheme au fost implementate manual, doar o mână de alfabete diferite ar putea fi folosite; orice lucru mai complex ar fi impracticabil. Cu toate acestea, folosind doar câteva alfabete a lăsat cifrele vulnerabile la atac. Invenția mașinilor cu rotor a criptat polialfabetic mecanizat, oferind o modalitate practică de a utiliza un număr mult mai mare de alfabete.
Cea mai timpurie tehnică criptanalitică a fost analiza de frecvență , în care modelele de litere unice pentru fiecare limbă ar putea fi utilizate pentru a descoperi informații despre alfabetul (lor) de substituție utilizat într-un cifru de substituție mono-alfabetic . De exemplu, în limba engleză, literele cu text simplu E, T, A, O, I, N și S sunt, de obicei, ușor de identificat în text cifrat pe baza faptului că, deoarece sunt foarte frecvente (a se vedea ETAOIN SHRDLU ), literele corespunzătoare ale textului cifrat vor fi fii la fel de frecvent. În plus, combinațiile de bigram precum NG, ST și altele sunt, de asemenea, foarte frecvente, în timp ce altele sunt rare într-adevăr (Q urmat de orice altceva decât U, de exemplu). Cea mai simplă analiză de frecvență se bazează pe faptul că o literă de text cifrat este înlocuită întotdeauna cu o literă de text clar în cifru: dacă nu este cazul, descifrarea mesajului este mai dificilă. Mulți ani, criptografii au încercat să ascundă frecvențele indicatoare folosind mai multe înlocuiri diferite pentru literele comune, dar această tehnică nu a putut ascunde pe deplin tiparele în înlocuirile pentru literele cu text simplu. Astfel de scheme erau rupte pe scară largă până în secolul al XVI-lea.
La mijlocul secolului al XV-lea, o nouă tehnică a fost inventată de Alberti , acum cunoscută în general sub numele de cifre polialfabetice , care a recunoscut virtutea utilizării mai mult decât un singur alfabet de substituție; el a inventat, de asemenea, o tehnică simplă pentru „crearea” unei multitudini de modele de substituție pentru a fi utilizate într-un mesaj. Două părți au schimbat o cantitate mică de informații (denumită cheia ) și au folosit-o pentru a crea numeroase alfabete de substituție și atâtea înlocuiri diferite pentru fiecare literă cu text simplu pe parcursul unui singur text simplu. Ideea este simplă și eficientă, dar s-a dovedit mai dificil de utilizat decât s-ar fi putut aștepta. Multe cifre erau doar implementări parțiale ale lui Alberti și, prin urmare, erau mai ușor de rupt decât ar fi putut fi (de exemplu, cifrul Vigenère ).
Abia în anii 1840 (Babbage) s-a cunoscut vreo tehnică care ar putea rupe în mod fiabil oricare dintre cifrele polialfabetice. Tehnica sa a căutat, de asemenea, modele repetate în textul cifrat , care oferă indicii despre lungimea cheii. Odată cunoscut acest lucru, mesajul devine în esență o serie de mesaje, fiecare atâta timp cât lungimea tastei, la care se poate aplica analiza frecvenței normale. Charles Babbage , Friedrich Kasiski și William F. Friedman sunt printre cei care au făcut cel mai mult pentru a dezvolta aceste tehnici.
Proiectanții de cifrări au încercat să îi determine pe utilizatori să folosească o substituție diferită pentru fiecare literă, dar acest lucru însemna de obicei o cheie foarte lungă, care era o problemă în mai multe moduri. O cheie lungă durează mai mult pentru a fi transmisă (în siguranță) părților care au nevoie de ea, astfel încât greșelile sunt mai probabile în distribuirea cheii. De asemenea, mulți utilizatori nu au răbdarea de a efectua evoluții lungi, perfecte pentru litere, și cu siguranță nu sub presiunea timpului sau stresul câmpului de luptă. Cifrul „final” de acest tip ar fi unul în care o astfel de cheie „lungă” ar putea fi generată dintr-un model simplu (în mod ideal automat), producând un cifru în care există atât de multe alfabete de substituție încât numărarea frecvenței și atacurile statistice ar fi efectiv imposibil. Enigma și, în general, mașinile rotor, erau exact ceea ce era necesar, deoarece erau serios polialfabetice, folosind un alfabet de substituție diferit pentru fiecare literă de text clar și automate, care nu necesitau abilități extraordinare din partea utilizatorilor lor. Mesajele lor erau, în general, mult mai greu de rupt decât orice cifre anterioare.
Mecanizare
Este simplu să creați o mașină pentru efectuarea substituției simple. Într-un sistem electric cu 26 de comutatoare atașate la 26 de becuri, oricare dintre comutatoare va aprinde unul dintre becuri. Dacă fiecare comutator este acționat de o cheie de pe o mașină de scris , iar becurile sunt etichetate cu litere, atunci un astfel de sistem poate fi utilizat pentru criptare alegând cablajul dintre chei și bec: de exemplu, tastarea literei A ar face ca becul etichetat Q se aprinde. Cu toate acestea, cablajul este fix, oferind puțină securitate.
Mașinile cu rotor schimbă cablajul de interconectare la fiecare cursă a cheii. Cablajul este plasat în interiorul unui rotor, și apoi rotit cu un angrenaj de fiecare dată când este apăsată o literă. Deci , în timp ce apăsați O prima dată ar putea genera un Q , data viitoare s - ar putea genera un J . Fiecare literă apăsată pe tastatură crește poziția rotorului și obține o nouă substituție, implementând un cifru de substituție polialfabetic.
În funcție de dimensiunea rotorului, aceasta poate fi sau nu mai sigură decât cifrarea manuală. Dacă rotorul are doar 26 de poziții pe acesta, una pentru fiecare literă, atunci toate mesajele vor avea o tastă (repetată) de 26 de litere. Deși cheia în sine (cea mai mare parte ascunsă în cablajul rotorului) s-ar putea să nu fie cunoscută, metodele de atacare a acestor tipuri de cifre nu au nevoie de aceste informații. Deci, deși o astfel de mașină cu un singur rotor este cu siguranță ușor de utilizat, nu este mai sigură decât orice alt sistem de cifrare parțială polialfabetică.
Dar acest lucru este ușor de corectat. Pur și simplu stivați mai multe rotoare unul lângă celălalt și fixați-le împreună. După ce primul rotor se rotește „până la capăt”, faceți rotorul de lângă el să se rotească o poziție. Acum ar trebui să tastați 26 × 26 = 676 litere (pentru alfabetul latin ) înainte ca tasta să se repete, și totuși este necesar doar să comunicați o cheie de două litere / numere pentru a stabili lucrurile. Dacă o cheie cu lungimea de 676 nu este suficientă, se poate adăuga un alt rotor, rezultând o perioadă lungă de 17.576 litere.
Pentru a fi la fel de ușor de descifrat ca și cifrarea, unele mașini cu rotor, mai ales mașina Enigma , au fost proiectate pentru a fi simetrice , adică, criptarea de două ori cu aceleași setări recuperează mesajul original (a se vedea involuția ).
Istorie
Invenţie
Conceptul de mașină cu rotor a apărut mai multor inventatori în mod independent într-un moment similar.
În 2003, a apărut că primii inventatori au fost doi ofițeri de navă olandezi , Theo A. van Hengel (1875-1939) și RPC Spengler (1875-1955) în 1915 (De Leeuw, 2003). Anterior, invenția fusese atribuită a patru inventatori care lucrau în mod independent și în același timp: Edward Hebern , Arvid Damm , Hugo Koch și Arthur Scherbius .
În Statele Unite, Edward Hugh Hebern a construit o mașină cu rotor folosind un singur rotor în 1917. El a devenit convins că se va îmbogăți vânzând un astfel de sistem către militari, Mașina de rotor Hebern , și a produs o serie de mașini diferite cu unul până la cinci rotoare. . Cu toate acestea, succesul său a fost limitat și a dat faliment în anii 1920. El a vândut un număr mic de mașini marinei SUA în 1931.
În mașinile Hebern, rotoarele ar putea fi deschise și cablajul s-a schimbat în câteva minute, astfel încât un singur sistem produs în masă ar putea fi vândut unui număr de utilizatori, care ar produce apoi propriul cod de rotor. Decriptarea a constat în scoaterea rotorului (rotorilor) și rotirea acestora pentru a inversa circuitele. Necunoscut la Hebern, William F. Friedman al Armatei SUA , e SIS a demonstrat cu promptitudine un defect în sistemul care a permis cifrul de la ea, și de la orice mașină cu caracteristici de proiectare similare, pentru a fi spart cu suficient de lucru.
Un alt inventator timpuriu al mașinilor cu rotor a fost olandezul Hugo Koch , care a depus un brevet asupra unei mașini cu rotor în 1919. Aproape în același timp, în Suedia , Arvid Gerhard Damm a inventat și a brevetat un alt design de rotor. Cu toate acestea, mașina cu rotor a fost în cele din urmă renumită de Arthur Scherbius , care a depus un brevet de mașină cu rotor în 1918. Scherbius a continuat ulterior să proiecteze și să comercializeze mașina Enigma .
Mașina Enigma
Cel mai cunoscut dispozitiv de cifrare a rotorului este mașina germană Enigma folosită în timpul celui de-al doilea război mondial, din care existau o serie de variante.
Modelul standard Enigma, Enigma I, a folosit trei rotoare. La sfârșitul teancului de rotoare se afla un disc suplimentar, care nu se rotea, „reflectorul”, cablat astfel încât intrarea să fie conectată electric înapoi la un alt contact de pe aceeași parte și astfel a fost „reflectată” înapoi prin cele trei- stivă de rotor pentru a produce textul cifrat .
Când curentul era trimis în majoritatea celorlalte mașini de cifrat rotor, acesta se deplasa prin rotoare și ieșea din cealaltă parte către lămpi. Cu toate acestea, în Enigma, acesta a fost „reflectat” prin discuri înainte de a merge la lămpi. Avantajul acestui lucru era că nu trebuia făcut nimic pentru configurare pentru a descifra un mesaj; aparatul a fost „simetric” în orice moment.
Reflector Enigma garantat că nicio scrisoare ar putea fi ca în sine criptat, astfel încât un A nu ar putea transforma din nou într - un A . Acest lucru a ajutat eforturile poloneze și, mai târziu, britanice de a sparge cifrul. ( Vezi Criptanaliza Enigmei .)
Scherbius și-a unit forțele cu un inginer mecanic numit Ritter și a format Chiffriermaschinen AG la Berlin înainte de a demonstra publicului Enigma la Berna în 1923 și apoi în 1924 la Congresul Poștal Mondial de la Stockholm . În 1927 Scherbius a cumpărat brevetele lui Koch, iar în 1928 au adăugat o placă de conectare , în esență un al patrulea rotor care nu se rotește manual, care poate fi reîncărcat manual, pe partea din față a mașinii. După moartea lui Scherbius în 1929, Willi Korn a fost responsabil de dezvoltarea tehnică a Enigmei.
Ca și în cazul altor eforturi timpurii ale mașinilor cu rotor, Scherbius a avut un succes comercial limitat. Cu toate acestea, forțele armate germane, răspunzând parțial la dezvăluirile că codurile lor au fost încălcate în timpul Primului Război Mondial, au adoptat Enigma pentru a-și asigura comunicațiile. Reichsmarine adoptat Enigma în 1926, iar armata germană a început să folosească o variantă diferită în jurul valorii de 1928.
Enigma (în mai multe variante) a fost mașina cu rotor pe care compania lui Scherbius și succesorul său, Heimsoth & Reinke, au furnizat-o armatei germane și unor agenții precum organizația de securitate a partidului nazist, SD .
De Polonezii a rupt începutul german Enigma Armatei , în decembrie 1932 , nu mult timp după ce a fost pus în funcțiune. La 25 iulie 1939, la doar cinci săptămâni înainte de invazia Poloniei Hitler și- polonez Major General e Cifru Biroului partajat metodele Enigma-decriptare și echipamente cu francezii și britanicii ca polonezii "contribuția la apărarea comună împotriva Germaniei naziste. Dilly Knox spărsese deja mesaje naționaliste spaniole pe o mașină comercială Enigma în 1937 în timpul războiului civil spaniol .
Câteva luni mai târziu, folosind tehnicile poloneze, britanicii au început să citească cifrele Enigma în colaborare cu criptologii polonezi ai Biroului de cifrare care scăpaseră din Polonia, depășiți de germani, pentru a ajunge la Paris . Polonezii au continuat să spargă Enigma armatei germane - împreună cu traficul Luftwaffe Enigma - până când lucrările la Station PC Bruno din Franța au fost oprite de invazia germană din mai-iunie 1940.
Britanicii au continuat să spargă Enigma și, ajutați în cele din urmă de Statele Unite, au extins activitatea la traficul german de Enigmă Navală (pe care polonezii o citiseră înainte de război), mai ales către și de la bărci U în timpul Bătăliei de la Atlantic .
Diferite mașini
În timpul celui de-al doilea război mondial (al doilea război mondial), atât germanii, cât și aliații au dezvoltat mașini suplimentare cu rotor. Germanii au folosit aparatele Lorenz SZ 40/42 și Siemens și Halske T52 pentru a cifra traficul de teleprinter care folosea codul Baudot ; acest trafic era cunoscut sub numele de Pește către aliați. Aliații au dezvoltat Typex (britanic) și SIGABA (american). În timpul războiului, elvețienii au început dezvoltarea unei îmbunătățiri Enigma, care a devenit mașina NEMA care a fost pusă în funcțiune după cel de-al doilea război mondial. A existat chiar și o variantă japoneză dezvoltată a Enigmei în care rotoarele stăteau orizontale; se pare că nu a fost niciodată pus în funcțiune. Mașina japoneză PURPLE nu era o mașină cu rotor, fiind construită în jurul unor comutatoare pas cu pas electrice , dar era similară din punct de vedere conceptual.
Mașinile cu rotor au continuat să fie utilizate chiar și în era computerelor. KL-7 (ADONIS), o mașină de criptare cu 8 rotoare, a fost utilizat pe scară largă de către Statele Unite și aliații săi din anii 1950 până în anii 1980. Ultimul mesaj canadian criptat cu un KL-7 a fost trimis la 30 iunie 1983. Uniunea Sovietică și aliații săi au folosit o mașină cu 10 rotori numită Fialka până în anii 1970.
O mașină de rotor unică a fost construită în 2002 de Tatjana van Vark, cu sediul în Olanda . Acest dispozitiv neobișnuit este inspirat de Enigma, dar folosește rotoare de 40 de puncte, permițând litere, cifre și unele punctuații; fiecare rotor conține 509 de părți.
O implementare software a unei mașini cu rotor a fost utilizată în comanda criptă care făcea parte din primele sisteme de operare UNIX . Acesta a fost printre primele programe software care au rulat regulile de export din SUA care au clasificat implementările criptografice drept muniții.
Lista mașinilor cu rotor
- BID / 60 (Singlet)
- Mașină de cifrat combinată
- Mașină Enigma
- Fialka
- Hagelin de familie de mașini , inclusiv C 36 , C-52 CD-57 și M-209
- Mașină rotor Hebern
- HX-63
- KL-7
- Lacida
- Lorenz SZ 40/42
- M-325
- Mercur
- NEMA
- Criptograf OMI
- Portex
- ROȘU
- Siemens și Halske T52
- SIGABA
- SIGCUM
- Typex
Referințe
- Friedrich L. Bauer , „O eroare în istoria dispozitivelor de criptare a rotorului”, Cryptologia 23 (3), iulie 1999, pagina 206.
- Cipher A. Deavours, Louis Kruh, "Machine Cryptography and Modern Cryptanalysis", Artech House, 1985. ISBN 0-89006-161-0 .
- Karl de Leeuw, „Invenția olandeză a mașinii cu rotor, 1915 - 1923.” Cryptologia 27 (1), ianuarie 2003, pp73-94.