Enigma

Enigma的构造
同样地，在示意图上我们只画了六个小灯。在显 示器的上方是三个转子，它们的主要部分隐藏在面板 之下，在示意图中我们暂时只画了一个转子。 键盘、 转子和显示器由电线相连，转子本身也集成了6条线 路（在实物中是26条），把键盘的信号对应到显示 器不同的小灯上去。在示意图中我们可以看到，如果 按下a键，那么灯B就会亮，这意味着a被加密成了B。 同样地我们看到，b被加密成了A，c被加密成了D，d 被加密成了F，e被加密成了E，f被加密成了C。于是 如果我们在键盘上依次键入cafe（咖啡），显示器上 就会依次显示DBCE。这样的加密方式叫做“简单替 换密码”，但是Enigma又使用了不同于此的加密方式。
Hale Waihona Puke Baidu
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目录
背景 诞生
构造 加密方式
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密钥的预约
兴起与衰亡 战后的纪念
背景
• 直到第一次世界大战结束为止，所有密码都是使用手 工来编码的。直接了当地说，就是铅笔加纸的方式。手工 编码的方式给使用密码的一方带来很多的不便。首先，这 使得发送信息的效率极其低下。明文（就是没有经过加密 的原始文本）必须由加密员人工一个一个字母地转换为密 文。考虑到不能多次重复同一种明文到密文的转换方式（ 这很容易使敌人猜出这种转换方式），和民用的电报编码 解码不同，加密人员并不能把转换方式牢记于心。转换通 常是采用查表的方法，所查表又每日不同，所以解码速度 极慢。而接收密码一方又要用同样的方式将密文转为明文 。其次，这种效率的低下的手工操作也使得许多复杂的保 密性能更好的加密方法不能被实际应用，而简单的加密方 法根本不能抵挡解密学的威力。
Enigma的兴起与衰亡
• 兴起
1923德军为了避免再一次陷入情报被窃取而处于的 事被动，对谢尔比乌斯的发明进行了可行性研究，最终得 出结论：必须装备这种加密机器。从1925年开始，谢尔比 乌斯的工厂开始系列化生产ENIGMA，次年德军开始使用 这些机器。接着政府机关，比如说国营企业，铁路部门等 也开始使用ENIGMA。 • 在接下来的十年中，德国军队大约装备了三万台 ENIGMA。谢尔比乌斯的发明使德国具有了最可靠的加密 系统。在第二次世界大战开始时，德军通讯的保密性在当 时世界上无与伦比。似乎可以这样说，ENIGMA在纳粹德 国二战初期的胜利中起到的作用是决定性的。 • 但是谢尔比乌斯没有能够看见所有这一切。有一次 在套马时，他被摔到了一面墙上，于1929年5月13日死于 内脏损伤。 •
Enigma的加密方式
• 加密的关键 这不是一种简单替换密码。同一个字母b在明文 的不同位置时，可以被不同的字母替换，而密文中不 同位置的同一个字母，可以代表明文中的不同字母， 频率分析法在这里就没有用武之地了。这种加密方式 被称为“复式替换密码”。 但是我们看到，如果连续键入6个字母（实物中 26个字母），转子就会整整转一圈，回到原始的方 向上，这时编码就和最初重复了。而在加密过程中， 重复的现象是很危险的，这可以使试图破译密码的人 看见规律性的东西。于是谢尔比乌斯在机器上又加了 一个转子。当第一个转子转动整整一圈以后，它上面 有一个齿拨动第二个转子，使得它的方向转动一个字 母的位置。
Enigma的加密方式
想象一下要用ENIGMA发送 一条消息。发信人首先要调 节三个转子的方向，使它们 处于17576个方向中的一个 （事实上转子的初始方向就 是密匙，这是收发双方必须 预先约定好的），然后依次 键入明文，并把闪亮的字母 依次记下来，然后就可以把 加密后的消息用比如电报的 方式发送出去。当收信方收 到电文后，使用一台相同的 ENIGMA，按照原来的约定， 把转子的方向调整到和发信 方相同的初始方向上，然后 依次键入收到的密文，并把 闪亮的字母依次记下来，就 得到了明文。于是加密和解 密的过程就是完全一样的— —这都是反射器起的作用。
Enigma的加密方式
我们看见这里键盘和显示器中的相同字母由电线 连在一起。事实上那是一个很巧妙的开关，不过我们 并不需要知道它的具体情况。我们只需要知道，当一 个键被按下时，信号不是直接从键盘传到显示器（要 是这样就没有加密了），而是首先通过三个转子连成 的一条线路，然后经过反射器再回到三个转子，通过 另一条线路再到达显示器上，比如说上图中b键被按 下时，亮的是D灯。我们看看如果这时按的不是b键 而是d键，那么信号恰好按照上面b键被按下时的相 反方向通行，最后到达B灯。换句话说，在这种设计 下，反射器虽然没有象转子那样增加可能的不重复的 方向，但是它可以使译码的过程和编码的过程完全一 样。
Enigma的加密方式
这里(a)图中我们假设第一个转子（左边的那个）已经整整转了 一圈，按b键时显示器上D灯亮；当放开b键时第一个转子上的 齿也带动第二个转子同时转动一格，于是(b)图中第二次键入b 时，加密的字母为F；而再次放开键b时，就只有第一个转子转 动了，于是(c)图中第三次键入b时，与b相对应的就是字母B。 我们看到用这样的方法，要6*6=36（实物中为26*26=676）个 字母后才会重复原来的编码。而事实上ENIGMA里有三个转子 （二战后期德国海军用ENIGMA甚至有四个转子），不重复的 方向个数达到26*26*26=17576个。
Enigma的兴起与衰亡
波兰密码局的破译能力在1938年的十 二月达到了极限，德国人加强了 ENIGMA的加密能力。每台ENIGMA 机增加了两个可供选择的转子。原来 三个转子不同的排列方式有6种，现在 从五个转子中选取三个装入机器中的 方式达到了5*4*3=60种。这就意味着 要达到原来的效率，“炸弹”中必须 有60台机器同时运转，而不是原来的6 台。建造这样一台“炸弹”的价格是 密码处总预算的十五倍！在1939年一 月，连接板上的连线又由六根增加到 十根，这样就只剩6个字母不会被交换。 密钥的总数达到了一万五千九百亿亿 个，是原来的一万五千九百倍。 “闪电战”的提出者，德国装甲部队之父， 并且德军依靠强大的保密通信系统向 纳粹德国的海因茨· 古德里安(Heinz 波兰发起了闪电战。
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亚瑟· 谢尔比乌斯
Enigma的诞生
Enigma的诞生
谢尔比乌斯发明的加密电 子机械名叫ENIGMA，在 以后的年代里，它将被证 明是有史以来最为可靠的 加密系统之一。
Enigma的构造
• ENIGMA看起来是一个装满了复杂而精致的元 件的盒子。不过要是我们把它打开来，就可以 看到它可以被分解成相当简单的几部分。我们 可以看见它的三个部分：键盘、转子和显示器。
姓名：罗俊 学号：2009118104 班级：通信一班
Enigma的兴
亡
序言
人类使用密码的历史，从今天已知的，最早可以一 直追溯到古巴比伦人的泥板文字。古埃及人，古罗马人， 古阿拉伯人，几乎世界历史上所有文明都使用过密码。 军事和外交一直是密码应用的最重要的领域，国王、将 军、外交官以及阴谋分子等，为了在通讯过程中保护自 己信息不被外人所知，使用过形形色色的密码；而为了 刺探于己不利的秘密，他们又绞尽脑汁地试图破译对手 的密码。加密与解密一直是密码学这枚硬币互相对抗又 互相促进的两面。在所有用于军事和外交的密码里，最 著名的恐怕应属第二次世界大战中德国方面使用的 ENIGMA（读作“恩尼格玛”，意为“谜”）
马里安· 雷杰夫斯基
Enigma的兴起与衰亡
雷杰夫斯基每天都会收到一大堆截获的德国电报，所以一天中可以得到许 • 多这样的六个字母串，它们都由同一个当日密钥加密而成。比如说他收到 四个电报，其中每电报的开头的六个字母为 123456 第一封电报：L O K R G M 第二封电报：M V T X Z E 第三封电报：J K T M P E 第四封电报：D V Y P Z X 对于每封电报来说，它的第一个字母和第四个字母都是由同一个字母加密 而来，同样地第二和第五个字母以及第三和第六个字母也是分别由同一个 字母加密而来。比如说在第一封电报中，字母L和R是由同一字母加密而 来。这个字母之所以先被加密成L，然后又被加密成了R，是因为在此期 间转子向前转动了三个字母的位置。 从L和R是由同一个字母加密而来这点，雷杰夫斯基就有了判断转子的初 始位置的一条线索。当转子处于这个初始位置时，字母L和R在某种意义 下具有紧密的联系。每天截获的大量电文能够给出许多这样的紧密联系， 从而使雷杰夫斯基最终能够判断出转子的初始位置。
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背景
• 1918年，德国发明家亚瑟· 谢尔比乌斯(Arthur Scherbius)和他的朋友理 查德· 里特(Richard Ritter) 创办了谢尔比乌斯和里特 公司。这是一家专营把新 技术转化为应用方面的企 业，很象现在的高新技术 公司，利润不小，可是风 险也很大。谢尔比乌斯负 责研究和开发方面，紧追 当时的新潮流。他曾在汉 诺威和慕尼黑研究过电气 应用，他的一个想法就是 要用二十世纪的电气技术 来取代那种过时的铅笔加 纸的加密方法。
反射器
Enigma密钥的预约
假设三个转子的编号为1、2、3，那么它们可以 被放成123-132-213-231-312-321六种不同位置， 当然现在收发消息的双方除了要预先约定转子自身 的初始方向，还要约定好这六种排列中的使用一种。 下一步谢尔比乌斯在键盘和第一转子之间增加了一 个连接板。这块连接板允许使用者用一根连线把某 个字母和另一个字母连接起来，这样这个字母的信 号在进入转子之前就会转变为另一个字母的信号。 这种连线最多可以有六根（后期的ENIGMA具有更 多的连线），这样就可以使６对字母的信号互换， 其他没有插上连线的字母保持不变。当然连接板上 的连线状况也是收发信息的双方需要预先约定的。
Enigma的构造
下图为enigma的最基本结构示意图
在上面ENIGMA的照片上，我们看见水平面板 的下面部分就是键盘，一共有26个键，键盘排列 接近我们现在使用的计算机键盘。为了使消息尽 量地短和更难以破译，空格和标点符号都被省略。 在示意图中我们只画了六个键。实物照片中，键 盘上方就是显示器，它由标示了同样字母的26个 小灯组成，当键盘上的某个键被按下时，和此字 母被加密后的密文相对应的小灯就在显示器上亮 起来。
Guderian)将军在指挥车上。在照片的左 下方我们可以看见一台ENIGMA。
Enigma的兴起与衰亡
• 弱点
• • 德方每封密文最开始的六个字母，此信 密钥的三个字母重复两遍，由当日密钥加密而 成。比如说这封信的密钥是ULJ（这是开始加是 密明文时由操作员临时随机选取的），那么操作 员首先用当日通用的密钥加密ULJULJ，得到六 个字母的加密后序列，比如说PEFNWZ，然后再 用ULJ来作为密钥加密正文，最后把PEFNWZ放 在加密后的正文前一起用电报发给收信方。 • “重复乃密码大敌”而一个叫雷杰夫斯基 的波兰人深知这一点。在ENIGMA密码中，最明 显的重复莫过于每条电文最开始的那六个字母— —它由三个字母的密钥重复两次加密而成。德国 人没有想到这里会是看似固若金汤的ENIGMA防 线的弱点。
Enigma的加密方式
• 反射器的使用
在此基础上谢尔比乌斯十分巧妙地在三个转子的一 端加上了一个反射器，而把键盘和显示器中的相同字母 用电线连在一起。反射器和转子一样，把某一个字母连 在另一个字母上，但是它并不转动。
它并不增加可以使 用的编码数目，但 是把它和解码联系 起来就会看出这种 设计的别具匠心了。
Enigma密钥的预约
于是转子自身的初始方向，转子之间的相互位 置，以及连接板连线的状况就组成了所有可能的 密匙，让我们来算一算一共到底有多少种。 三个转子不同的方向组成了26*26*26=17576 种不同可能性； 三个转子间不同的相对位置为6种可能性； 连接板上两两交换6对字母的可能性数目非常巨大， 有 于是一共有17576*6*100391791500，大约为 一亿亿种可能性。 但是只要约定好上面所说的密匙，收发双方 利用ENIGMA就可以十分容易地进行加密和解密。 但是如果不知道密匙，在这巨大的可能性面前， 一一尝试来试图找出密匙是完全没有可能的。