«Энигма». Как был взломан немецкий шифратор

Перфокарты представляли собой второе хитроумное приспособление, придуманное поляками для ускорения процесса вскрытия ключевых установок для «Энигмы». Автором этого изобретения был Зыгальский, однако понадобилось довольно много времени, чтобы воплотить его идею в жизнь.

Зыгальский первым заметил, что количество различных индикаторов, которые присутствовали в немецких шифровках, перехваченных за сутки, было относительно невелико. Эти индикаторы, как правило, были чем-то схожи: в них совпадали или первая и четвертая буквы, или вторая и пятая, или третья и шестая. Такие индикаторы на жаргоне польских криптоаналитиков назывались «самками». Самая существенная особенность «самок» состояла в том, что немецкие операторы были весьма ограничены в выборе ключевых установок (угловых положений дисков, порядка их следования и расположения на них колец), чтобы в результате шифрования примененного разового ключа получить эти «самки». Поэтому, как только поляки отмечали появление «самки» в перехваченной немецкой шифровке, они могли не рассматривать ключевые установки, с помощью которых невозможно было получить данную «самку». В среднем количество таких отбракованных ключевых установок, приходящихся на одну «самку», составляло порядка 40 процентов. Однако чтобы это правило начало действовать, необходимо было найти по крайней мере две «самки». Соответственно, с ростом числа обнаруженных «самок» уменьшалось число ключевых установок для «Энигмы», которые польским криптоаналитикам приходилось проверять.

С помощью перфокарт поляки автоматизировали этот процесс. Если определенная ключевая установка могла привести к появлению «самки», то в соответствующем месте соответствующей перфокарты пробивалось отверстие. Если появление «самки» было исключено, отверстие не пробивалось. Перфорация производилась заранее и предшествовала попытке вскрыть ключевые установки. Перфокарты, имевшие отношение к «самкам», появление которых было отмечено за текущие сутки, складывались стопкой на столе. В этой стопке каждая «самка» была представлена отдельной перфокартой. Сквозное отверстие в стопке соответствовало ключевой установке для «Энигмы», которая могла породить «самок», обнаруженных в течение суток. Отверстий было немного. Небольшим было и количество ключевых установок, среди которых необходимо было ручным способом отыскать ту единственную, которая использовалась немцами для шифрования своих сообщений.

Интересная особенность метода вскрытия ключевых установок для «Энигмы» с помощью перфокарт состояла в том, что он совершенно не зависел от соединений на ее коммутационной панели. Если бы немцы соединяли шнуром каждое гнездо коммутационной панели с каким-то другим ее гнездом, то количество таких соединений равнялось бы примерно восьми триллионам. Изготовить набор перфокарт для каждого соединения было бы совершенно нереально. Однако оказалось, что если «самка» порождалась какой-то ключевой установкой, когда соединения между гнездами на коммутационной панели отсутствовали, то «самка» возникала и при соединении некоторых или даже всех гнезд между собой. Менялись лишь буквы, входившие в состав «самки». Скажем, если бы гнездо А было подсоединено к гнезду В, то «самка» выглядела бы как ВАН BIC, а в отсутствие каких-либо соединений на коммутационной панели «самка» представляла бы собой LAH LIC.

Тот факт, что буквы в индикаторах, в которых имелись «самки», были различными, не имел значения. Цель теста состояла лишь в проверке возможности породить индикатор с «самкой» при установке дисков «Энигмы» в определенное исходное угловое положение. Соединения разъемов на коммутационной панели на результаты этого теста никакого влияния не оказывали, и польские криптоаналитики их попросту игнорировали.

Тем не менее задача получения полного набора перфокарт и без того была весьма трудоемкой. Количество перфораций, которые необходимо было сделать, равнялось примерно 150 тысячам. Поляки не смогли автоматизировать этот процесс, и к середине декабря 1938 года в условиях катастрофического дефицита рабочих рук им удалось обработать всего два из шести возможных вариантов порядка следования дисков в «Энигме». Задача еще больше усложнилась, когда немецкие операторы получили в свое распоряжение два дополнительных диска и вместе с ними – возможность выбирать из пяти дисков три, которые устанавливались в «Энигму». В результате количество вариантов расположения дисков в «Энигме» возросло с 6 до 60 и, как следствие, десятикратно выросло число перфокарт, которые польские криптоаналитики должны были изготовить для ускорения процесса вскрытия ключевых установок для «Энигмы».

Очередное изменение в процедуру использования «Энигмы» немцы внесли в начале 1939 года. Они решили соединить между собой большее число разъемов на коммутационной панели. До этого число подсоединенных разъемов колебалось от 10 до 16. Начиная с 1939 года немецким операторам секретной связи предписывалось задействовать от 14 до 20 разъемов.

Внесенные изменения не замедлили неблагоприятно сказаться на эффективности работы польских криптоаналитиков. И хотя они довольно скоро смогли установить внутренние соединения для двух дополнительных дисков «Энигмы», в первые месяцы 1939 года им удавалось читать только те немецкие сообщения, которые были зашифрованы без использования этих дисков. У поляков не было времени, чтобы изготовить нужное количество перфокарт и переделать «Бомбу» с учетом появления в «Энигме» двух дополнительных дисков и увеличения числа соединенных между собой разъемов на коммутационной панели.

24–25 июля 1939 года в Варшаве прошло совещание, на котором английский криптолог Дилли Нокс, директор английской Правительственной криптографической школы Аластер Деннистон, начальник шифровального отдела французского Второго бюро Густав Бертран и французский криптолог Генри Бракени узнали, наконец, от своих польских коллег о взломе ими «Энигмы». Присутствовавшие на совещании англичане и французы получили от поляков по одной копии «Энигмы» вместе с инструкциями по изготовлению и использованию перфокарт для вскрытия ключевых установок.

Первый вопрос, который Нокс задал присутствовавшим на совещании польским криптоаналитикам, касался внутренних соединений дисков «Энигмы». Когда Нокс узнал, что поляки давным-давно вычислили эти соединения, то был оскорблен до глубины души. Однако он сдержался и дал волю обуревавшим его чувствам только в такси, направляясь после окончания совещания в варшавский отель, в котором остановился вместе с Деннистоном.

Обиделись на поляков и французы. В беседе с возвратившимся из Варшавы в Париж Бертраном Гай Шлессер остроумно заметил, что поляки поделились информацией о достигнутых ими успехах только тогда, когда натолкнулись на непреодолимые трудности. После этого поляки поспешили сбыть с рук два ставших теперь ненужными экземпляра «Энигмы» своим союзникам – англичанам и французам, чтобы те попытались приспособить их для вскрытия ключевых установок. И если Бертрану за его излишнюю доверчивость почти ничего не грозило, не считая насмешек коллег и недовольства руководства, то Шмидт, который с 1933 по 1936 год регулярно снабжал Второе бюро ключевыми установками для «Энигмы», рисковал собственной жизнью. Ведь даже после того, как Режевский сумел определить внутренние соединения дисков «Энигмы» и поляки начали читать немецкие шифровки, Шмидт продолжал передавать французам ключевые установки, которые поляки научились вскрывать без его помощи.

В марте 1938 года немецкая контрразведка арестовала Лемуана, но вскоре он был выпущен на свободу. И хотя во Втором бюро поверили Лемуану на слово, что он никого не предал и не перевербован немцами, ему было запрещено контактировать со Шмидтом. Единственный положительный аспект в этой истории с поляками заключался в том, что благодаря их «сдержанности» Лемуан до своего ареста так ничего и не успел узнать об успехах польских криптоаналитиков. Поэтому и проболтаться о них немцам он никак не мог.

Бегство

Утром 1 сентября 1939 года движение по мосту, соединявшему немецкий Кельн и французский Страсбург, было перекрыто. С одной стороны – шеренгой вооруженных винтовками немецких солдат, а с другой – французскими солдатами, тоже вооруженными.

Гарри Хинсли, 20-летний студент третьего курса Кембриджского университета, медленно шел по мосту, намереваясь пересечь границу между Францией и Германией. А в это самое время немецкие войска начали вторжение в Польшу, которая была союзницей Англии и Франции.

Вступление этих стран в войну против Германии стало неизбежным. Если бы немцы могли предвидеть, какой урон им и их союзникам во Второй мировой войне нанесет этот молодой человек, они бы непременно арестовали его и надолго упекли в тюрьму, а то и вовсе лишили бы жизни. Однако Хинсли ничем не выделялся среди своих сверстников, приехавших провести студенческие каникулы в Германии.

Отец Гарри был слесарем, специалистом по замкам, и зарабатывал на жизнь изготовлением ключей и замков для парадных дверей многочисленных дворцов и музеев Берлина. А Хинсли-младший был обычным английским студентом, решившим попрактиковаться в немецком языке во время каникул. Поэтому немецкие таможенники не обратили особого внимания на юношу и лишь конфисковали у него всю наличность. Их ничуть не заботило, как, не имея в кармане ни гроша, он сможет прожить в чужой стране. Следующую ночь Хинсли провел на скамейке в городском парке Страсбурга.

Отправляясь в Германию в августе 1939 года, Хинсли прекрасно осознавал растущую напряженность в ее отношениях с Англией. Однако эти отношения были не менее напряженными в 1938 году, во время мюнхенского кризиса, и ничего страшного не случилось. Хинсли остановился погостить у своей подружки в городе Кобленце на юго-востоке Германии. Там его встретили столь же радушно, как и годом ранее. Единственным изменением было требование каждый день посещать полицейский участок. Но и от этого в Кобленце отказались сразу после подписания договора о ненападении с Советской Россией. В полицейском участке Хинсли сказали, что его вызовут, если возникнут какие-либо вопросы. Все немцы, с которыми встречался Хинсли, почему-то были уверены, что теперь войны в Европе удастся избежать.

Однако не прошло и недели, как Хинсли вызвали в полицейский участок и посоветовали как можно скорее покинуть Германию. Хинсли послушался и через неделю оказался во Франции, откуда автостопом перебрался в Швейцарию. Там он обратился за содействием в английское посольство, и ему помогли вернуться в Англию незадолго до того, как премьер-министр Невилл Чемберлен объявил войну Германии.

В Кембридже всем третьекурсникам было объявлено, что им позволят закончить обучение, прежде чем они будут призваны на военную службу. Однако в сложившихся условиях Хинсли стоило больших трудов сосредоточиться на изучении истории. Судьба его оказалась предопределена, когда Аластер Деннистон, руководитель Правительственной криптографической школы (ПКШ), попросил знакомого преподавателя Кембриджа подыскать способных студентов для работы в недавно созданном подразделении ПКШ, расположившемся в поместье Блетчли-Парк в графстве Букингемпшир.

Хинсли оказался в числе студентов, отобранных Деннистоном для собеседования. В ходе разговора Деннистон ни словом не обмолвился о том, какую работу собирается предложить Хинсли, а просто обещал гражданскую вакансию в министерстве иностранных дел. Хинсли принял предложение Деннистона и после визита в одну из министерских контор в Лондоне отправился в Блетчли-Парк, где ему было суждено проработать шесть лет. Поместье включало в себя большой дом в викторианском стиле, пруд и несколько одноэтажных зданий, построенных по типовому проекту. Хинсли попал в секцию военно-морской разведки, разместившуюся в корпусе под номером четыре. Его начальником стал Фрэнк Берч, руководитель «немецкого» отдела. Особыми успехами этот отдел похвастаться не мог. Приступив к работе, Хинсли сразу же попытался собрать всю имеющуюся в отделе информацию о перехваченных немецких шифровках. Информация была весьма скудной и включала в себя дату отправки сообщения, время перехвата и частоту, на которой было перехвачено. Иногда было известно, откуда послана шифровка, – эти данные в Блетчли-Парк поступали из службы перехвата английских военно-морских сил. Проанализировав имевшуюся информацию, Хинсли пришел к выводу, что немцы имели две отдельные сети связи: одну – для своего балтийского флота, а другую – для кораблей, базировавшихся за пределами Балтики. При этом обе сети были едиными и для надводных кораблей, и для подводных лодок военно-морских сил Германии.

В отличие от Хинсли польским криптоаналитикам пришлось приложить значительно больше усилий, чтобы вырваться с оккупированных немцами территорий. После начала вторжения немецких войск в Польшу Режевский решил покинуть страну вместе с женой и двумя детьми. Для начала он попытался забрать все свои сбережения, лежавшие на его счету в одном из варшавских банков. Проведя несколько суток в очереди перед наглухо закрытыми дверями банка, Режевский утвердился в мысли, что получить деньги обычным способом не удастся. Прибегнув к помощи влиятельных знакомых, он смог вернуть лишь часть денежных средств. Дома Режевский велел жене срочно готовиться к отъезду из Варшавы, но она возразила, что ей лучше остаться в варшавской квартире, поскольку дети слишком малы, чтобы перенести тяготы, связанные с бегством из страны, где шла война (младшей дочери Режевского было всего семь месяцев от роду). В подобной ситуации оказался и другой польский криптоаналитик, Розицкий, у которого тоже был маленький ребенок.

Положение прояснилось только 3 сентября. Розицкий прибежал домой вместе со своим коллегой Зыгальским и сообщил жене, что его подразделение передислоцируется в Брест-Литовск, расположенный к востоку от польской столицы. В тот же день Розицкий решил отправить жену и ребенка в пригород Варшавы к своей матери. Режевский и Палльтх также вынуждены были расстаться со своими семьями.

Начальник польского шифрбюро Лангер распорядился погрузить наиболее ценные документы на грузовик и отвезти их к поезду, предназначенному для эвакуации офицеров Генерального штаба. Остальные документы были сожжены прямо во дворе здания, где размещалось шифрбюро. Перед отъездом Лангер собрал всех своих подчиненных и произнес речь, суть которой сводилась к тому, чтобы любой ценой сохранить в секрете все, касавшееся «Энигмы».

Отправление поезда было задержано на неопределенный срок из-за начавшегося немецкого авианалета на Варшаву. Вернувшись домой, Розицкий обнаружил, что жена так и не смогла выехать из города из-за бомбежки, и настоял, чтобы она отправилась на вокзал вместе с ним. Поезд тронулся в направлении Брест-Литовска только 6 сентября, но едва оказавшись за пределами Варшавы, подвергся бомбардировке. Пассажиры укрылись от бомб под вагонами, а потом долго восстанавливали поврежденное железнодорожное полотно и расчищали завалы, прежде чем смогли двинуться дальше.

Через три дня поезд прибыл в Брест-Литовск. Однако немецкие бомбардировки продолжались и здесь. И уже на следующий день поступил приказ всем сотрудникам шифрбюро готовиться к эвакуации в Румынию, оставив свои семьи в Брест-Литовске. Они пересели в автобусы, предварительно погрузив документацию вместе с «Энигмами» и «Бомбами» на грузовик. Недалеко от польско-румынской границы у грузовика кончилось горючее, и поляки были вынуждены закопать все оборудование и документацию в лесу.

В Румынии Режевский и его коллеги были помещены в лагерь для беженцев. Однако им удалось добраться до Бухареста и обратиться в английское посольство. Их приход туда совпал с прибытием английских дипломатов, бежавших из Варшавы, и посол, сославшись на чрезвычайную занятость и отсутствие инструкций, отказался помочь польским беженцам, пока не будет получено соответствующее указание из Лондона. Опасаясь, что решение вопроса может затянуться на несколько дней, поляки решили попытать счастья во французском посольстве. Там их приняли с распростертыми объятиями, немедленно выдали визы для въезда во Францию и снабдили билетами на поезд до Парижа.

В начале октября 1939 года большинство сотрудников польского шифрбюро оказалось во Франции. Немедленно приступить к работе им помешало отсутствие их начальников, Лангера и Ченжского, которые застряли в одном из румынских лагерей для беженцев. После прибытия Лангера и Ченжского полякам было предоставлено поместье Арменвильер, примерно в 40 километрах к северо-востоку от французской столицы. Однако чтение немецких шифровок наладить не удалось. И хотя французы довольно быстро приступили к производству новых копий немецкого шифратора, при вскрытии ключевых установок для «Энигмы» польским криптоаналитикам были совершенно необходимы перфокарты, изготовить которые собственными силами они не могли.

В отличие от своих польских коллег английские криптоаналитики вели более размеренный и спокойный образ жизни. 12 сентября 1939 года директор ПКШ Деннистон обратился к своему начальнику Стюарту Мензису, руководителю Секретной разведывательной службы (центрального органа английской разведки), по поводу трудностей, с которыми столкнулись он и его подчиненные. Особую озабоченность Деннистона вызвал тот факт, что служебные здания располагались в Блетчли-Парке на довольно значительном расстоянии одно от другого:

«Те три недели, которые мы провели здесь, стояла хорошая погода. Поэтому хождение по территории доставляло нам удовольствие, хотя и отвлекало нас от работы. В темное время суток и с наступлением холодов люди с неохотой будут преодолевать значительные расстояния, чтобы посовещаться со своими коллегами. 20 минут, которые потребуются для хождений туда-сюда темным зимним вечером, не будут способствовать эффективной работе. Среди моих подчиненных растет недовольство. Я поблагодарил их за хорошие результаты, которых они добились в весьма непростых условиях, и в ответ, естественно, услышал, что результаты будут еще выше, если эти условия улучшить». Одним из достойных упоминания результатов, достигнутых в Блетчли-Парке, стало чтение первой немецкой шифровки. Математик Питер Твинн, выпускник Оксфордского университета, попал в ПКШ в феврале 1939 года еще до ее переезда в Блетчли-Парк. Приступив к работе, Твинн получил в свое распоряжение шифрованный и соответствующий открытый текст сообщения на немецком языке, а также ключевые установки для «Энигмы», с помощью которых это сообщение было зашифровано. Ключевые установки были переданы в ПКШ французами, которые в свою очередь получили их от Шмидта. Однако прочесть другие немецкие шифровки Твинну не удалось. И виной этому было отсутствие у него данных, необходимых для того, чтобы построить точную копию «Энигмы». В июле 1939 года коллега Твинна Дилли Нокс вернулся из Варшавы с информацией о внутренних соединениях дисков «Энигмы». Это означало, что Твинн мог теперь прочесть другие перехваченные немецкие сообщения, зашифрованные с использованием имевшихся у него ключевых установок для «Энигмы».

Однако Твинн оказался не в состоянии прочитать шифровки, для которых ключевые установки были неизвестны. Для этого необходимо было изготовить комплект перфокарт, позволявших ускорить процесс вскрытия ключевых установок для «Энигмы». Первый такой комплект был готов уже к середине декабря 1939 года. После этого англичане приступили к изготовлению второго комплекта, предназначенного для польских криптоаналитиков, в самом начале войны бежавших из своей страны и нашедших приют во Франции. Однако тут возникло препятствие, которое грозило помешать англичанам в работе над чтением немецких шифровок. По просьбе Деннистона 10 января 1940 года Мензис обратился к полковнику Ривэ из французского Второго бюро с письмом, в котором, в частности, говорилось:

«Поскольку, вне всякого сомнения, Бертран информирует Вас о наших усилиях, направленных на раскрытие тайны немецких «материалов», к настоящему времени Вы, скорее всего, уже знаете, что, хотя в этом деле достигнут громадный прогресс, сейчас представляется вполне вероятным, что в начале войны немцами были внесены некоторые изменения. Если это действительно так, потребуется провести дополнительное интенсивное исследование.

Для оказания помощи моим экспертам можно было бы организовать приезд сюда младшего персонала из числа поляков, которые в течение многих лет занимались этой особой работой, и тогда шансы на получение результатов в самом скором времени значительно повысятся, что чрезвычайно важно для нас обоих.

Если бы мы могли организовать передачу Вам некоторых механических устройств, я сделал бы это с радостью, но это довольно нереально, и поэтому я обращаюсь к Вам с просьбой рассмотреть вопрос о приезде на короткое время следующих трех польских офицеров: Ежи Розицкого, Мариана Режевского и Генриха Зыгальского.

Будьте уверены, мой дорогой Ривэ, что я всегда к Вашим услугам. Директор». В своем письме Деннистон, очевидно, пытается добиться отмены запрета, который незадолго до этого начальник шифровального отдела Второго бюро Густав Бертран наложил на участие польских криптоаналитиков в работе над взломом «Энигмы» в Англии. Однако, прежде чем договариваться о приезде в Англию поляков, необходимо было разобраться с процедурой использования «Энигмы» немецкими операторами. Позднее выяснилось, что никаких изменений в нее внесено не было. Просто поляки допустили неточность, когда делились со своими английскими коллегами информацией о дополнительных (четвертом и пятом) дисках «Энигмы», которые немцы начали использовать с 15 декабря 1938 года. После устранения неточности англичане сумели прочесть несколько немецких шифровок. Произошло это 17 января 1940 года. Прочитанные шифровки были датированы 25 и 28 октября 1939 года. Наладить оперативное чтение немецких военных шифрованных сообщений (в течение суток после того, как они были перехвачены) в Блетчли-Парке удалось лишь после 3 апреля 1940 года.

Следуя известной пословице о Магомете и горе, англичане в начале 1940 года сами отправились во Францию, чтобы навестить поляков, которых приютившие их французы не пускали в Англию. Молодой английский математик Алан Тьюринг принял живое участие в обсуждении с поляками алгоритмов взлома «Энигмы» и трудностей, встретившихся на пути успешного чтения немецких шифровок. Перед отъездом гостей из Англии в их честь был устроен прощальный ужин.

Перед отъездом во Францию Тьюринг изобрел электромеханическое устройство, которое было предназначено для ускорения процесса вскрытия ключевых установок для «Энигмы». Как и изобретение поляков, оно вошло в историю под названием «Бомба». Однако на этом сходство заканчивалось. Польская «Бомба» была предназначена для работы в условиях, когда немцы дважды шифровали разовый ключ к «Энигме» и помещали полученный результат в начало шифровки. Дилли Нокс, узнав от поляков, как они читают немецкие шифровки, заметил, что немцы в любой момент могут внести изменения в процедуру шифрования сообщений с помощью «Энигмы», и указал на необходимость сконструировать такую машину для вскрытия ключевых установок, которая не зависела бы от этой процедуры. Английская «Бомба», придуманная Тьюрингом, срабатывала в любом случае.

Работая над своим изобретением, Тьюринг в первую очередь принял во внимание тот факт, что метод проб и ошибок в конечном итоге действительно позволял найти искомую ключевую установку для «Энигмы», поскольку если установить ее диски в том же самом порядке и в то же самое угловое положение, какие для них выбрал отправитель шифровки, и набрать на клавиатуре шифрованный текст, то на световой панели «Энигмы» появится исходное сообщение. Однако количество всевозможных ключевых установок, которые требовалось таким образом перебрать, было слишком велико, чтобы можно было надеяться на практическую реализацию данного метода. Объясняя это одному из своих молодых коллег в Блетчли-Парке, Тьюринг сказал: «Если бы в моем распоряжении были 10 тысяч китайцев, «Бомба» нам бы не понадобилась».

Изобретенная Тьюрингом «Бомба» позволяла взглянуть на проблему вскрытия ключевых установок для «Энигмы» под несколько другим углом. Поскольку поиск подходящей ключевой установки для перехваченной шифровки был весьма трудоемкой задачей, Тьюринг попытался сформулировать тест для выявления ключевых установок, которые для этой шифровки не подходили. Исключив подавляющее большинство таких ключевых установок, можно было проверить оставшиеся ключевые установки вручную – все тем же методом проб и ошибок. При массовом тестировании ключевых установок для «Энигмы» Тьюринг предложил использовать так называемый «подстрочник» – предположительное содержание небольшого отрывка из текста перехваченной немецкой шифровки. С помощью «Бомбы» Тьюринг отбраковывал ключевые установки, которые не могли быть использованы для зашифрования «подстрочника». Найти «подстрочник» не составляло особого труда, когда в январе 1940 года англичане наладили бесперебойное чтение немецких шифровок с использованием перфокарт. Например, в Блетчли-Парке могли заметить, что раз в день немецкий связист в каком-нибудь захолустье посылал своему начальству шифровку, в которой говорилось: «Сообщить нечего». Пока с помощью перфокарт англичане успешно справлялись с чтением немецких шифровок, особой надобности в таком «подстрочнике» не было. Однако в любой момент перфокарты могли стать совершенно бесполезными, и Тьюринг предложил им достойную замену – «подстрочник» и «Бомбу».