Ultra művelet | |
---|---|
Ultra • Enigma • Enigma kriptanalízis • Kriptológiai bomba • Bombe • Lorentz • Colossus • Bletchley Park |
A "Lorenz" ( németül Lorenz-Chiffre , Schlüsselzusatz ; Lorenz SZ 40 és SZ 42 ) egy német titkosítógép, amelyet a második világháború idején használtak információ továbbítására teletípuson keresztül . A C. Lorenz AG fejlesztette ki Berlinben. A gép működési elve a Vernam stream titkosításon alapult .
Az Enigma segítségével továbbított üzenetek átirataiból ismertté vált, hogy a németek az egyik vezeték nélküli információátviteli rendszerüket "Sägefisch"-nek ( németül " saw fish " ) nevezték el. Emiatt a brit elemzők a kódolt német rádiótávíró-forgalmat „halnak” kezdték nevezni ( eng. fish „hal”). Az első csatorna, amely nem használt Morse kódot , "Tunny"-nak ( eng. tunny " tuna ") [1] hívta . Később ezt a nevet kezdték használni a Lorenz-gépekre és az általuk titkosított összes üzenetre.
Míg az Enigmát főként terepen használták, addig a Lorenz gép magas szintű kommunikációt szolgált, ahol kifinomult berendezéseket lehetett használni, speciális személyzettel [2] .
Külsőleg a Lorenz gép az Enigmához hasonlított, mivel rotort használt, de más elven működött. A gép mérete 45×45×45 cm volt, és Lorenz szabványos teleprinterének ( Lorenz Lo133 Automatik ) [3] segédeszköze volt .
Gilbert Vernam az AT&T Bell Labs kutatójaként dolgozott . 1917-ben feltalált egy titkosítási rendszert, amely az XOR függvényt használta [4] . A következő igazságtáblázatként fogható fel, ahol az egyik az „igaz”-t, a nulla pedig a „hamis”-t jelenti:
BEMENET | KIJÁRAT | |
A | B | A⊕B _ _ |
0 | 0 | 0 |
0 | egy | egy |
egy | 0 | egy |
egy | egy | 0 |
A vernam-rejtjelben:
Egyszerű szöveg ⊕ Kulcs = Rejtjelezett szöveg Titkosított szöveg ⊕ Kulcs = Egyszerű szövegEz lehetővé teszi ugyanazon gép számára a titkosítás és a visszafejtés végrehajtását.
Vernam ötlete az volt, hogy a lyukszalagot egyszerű szöveggel, a lyukszalagot pedig egy kulccsal kombinálja. Minden kulccsal ellátott lyukszalagnak egyedinek kell lennie, amit nehéz megvalósítani: az ilyen szalagokat meglehetősen nehéz létrehozni és elosztani. 1920-ban négy ember különböző országokból feltalált olyan rejtjelező gépeket, amelyek egy adatfolyam titkosítót generáltak [5] . A Lorenz SZ40 is ezek közé tartozott, az 1942-es autó módosított változatát SZ42A és SZ42B néven [3] .
Az SZ gép kiegészítésként szolgált Lorenz szabványos teleprinteréhez [6] . 48 x 39 cm -es fém alapja volt és 32 cm magas volt. A teletype szimbólumok öt bit adatból álltak, és az International Telegraph Code No. 2 (ITC No. 2) [3] segítségével kódolták őket .
A rejtjelező gép folyamtitkosítást hajtott végre egy pszeudo-véletlen kulcssorozat generálásával, amelyet XOR-re írt át az egyszerű szöveges karaktereken, hogy titkosított szöveges karaktereket hozzon létre kimenetként.
A kulcs minden öt bitjét a gép két részében lévő megfelelő lemezek generálták. A Bletchley Park kriptaelemzői ezeket (" hee ") és (" psi ") lemezeknek nevezték. Az érintkezők mindegyik lemezen megtalálhatók voltak. Lehetnek emelt (aktív) vagy süllyesztett (inaktív) helyzetben. Felemelt helyzetben 1-et generáltak, süllyesztett helyzetben 0-t. Az összes chi korongot minden betű után egy pozícióval elforgatták. A psi lemezek is együtt mozogtak, de nem minden karakter után. Forgásukat két (" mu ") korong határozza meg [7] . Az SZ40 61 lemez minden karakterrel egy pozíciót mozdított el, és a 37 lemez csak akkor mozdult el, amikor a 61 lemezen lévő érintkező aktív helyzetben volt. Ha a 37. lemez érintkezője aktív helyzetben volt, akkor mind az öt psi lemez megfordult [7] . Az SZ42A és SZ42B modellek bonyolultabb mechanizmussal rendelkeztek, amelyet a Bletchley Parkban Limitations néven ismertek [8] . Így az SZ gép által generált adatfolyam titkosításnak chi és psi komponensei voltak, amelyeket az XOR függvénnyel kombináltak. Szimbolikusan egy olyan titkosítást, amelyet egyszerű szöveggel titkosítottak – vagy titkosított szöveggel dekódoltak – a következőképpen lehet ábrázolni [7]
Key= Chi -Key ⊕ Psi -KeyAz egyes lemezeken lévő érintkezők száma megegyezik a lemezre továbbított impulzusok számával, amely a teljes fordulat végrehajtásához szükséges. Érdemes megjegyezni, hogy ezek a számok oly módon kapcsolódnak egymáshoz, hogy a teljes periódus ismétlődése előtt a lehető legnagyobb időt képezték. Összesen 501 kapcsolatfelvétellel ez 2501 kombinációnak felel meg, ami körülbelül 10 151 - csillagászatilag nagy szám [9] . Az egyes levelek kódjában az egyes parcellák titkosításának elemzése azonban lehetővé tette a rejtjel rövid periódusú chi-komponenseinek kimutatását; Így egy pár üzenet esetében a titkosítás ismétlődései 41×31=1271-től minden betű első két üzeneténél 26×23=598-ig az utolsó kettőnél találhatók.
Mindegyik Tunni kikötőnél négy SZ gép volt, mindegyiken egy adó- és egy vevő teletípus. A titkosítás és a visszafejtés működése érdekében a küldő és fogadó gépeket azonosan konfigurálták. A titkosítás elindításához ugyanúgy beállították a névjegysorozatokat a lemezeken, és elforgatták a lemezeket. Az érintkezési sorrendet meglehetősen ritkán változtatták 1944 nyaráig. A psi lemezeken lévő érintkezőket kezdetben csak negyedévente cserélték, de aztán havonta egyszer cserélték. Az érintkezőket havonta cserélték a chi lemezeken, és naponta a mu lemezeken. 1944. augusztus 1-től kezdődően az összes lemez beállításait naponta megváltoztatták [10] .
Kezdetben a kerékbeállításokat egy 12 betűs jelzővel (indikátor) küldték el, amelyet titkosítatlanul küldtek, és amelyben a betűk a kerék helyzetének feleltek meg. 1942 októberében ez az egyszeri hangolási könyvek (QEP) használatára módosult. A QEP-könyvbe írt utolsó két számjegyet elküldték a fogadó operátornak, hogy keresse ki a QEP-könyv másolatát, és állítsa be a lemezeket a gépén. Minden könyv száz vagy több kombinációt tartalmazott. Miután a QEP összes kombinációját felhasználták, a könyvet lecserélték. Az üzenet továbbítására vonatkozó beállításokat soha nem lett volna szabad megismételni, de néha megtörtént – és a kriptoanalitikusok kihasználhatták ezt.
A táviratok továbbításának elfogadott gyakorlatának megfelelően lyukasztott papírszalagról tetszőleges hosszúságú üzenetet továbbítottak a teleprinterre . A kezelői műveletek jellemző sorrendje a következő volt: üzenet beírása, kapcsolat létrehozása a fogadó operátorral, az SZ gépen található EIN / AUS kapcsoló segítségével a gépek összekapcsolása, majd az üzenet elküldése az olvasónak. A fogadó oldalon a kezelőnek kapcsolatot kell létesítenie a küldő gép és az SZ-gépe között, és meg kell várnia, amíg az üzenet teljesen kinyomtatott papírszalagra. Ezért a szöveg nem tartalmazott újsort, kocsi visszatérést vagy null karaktert (00000).
A Bletchley Park brit kriptoanalitikusai 1942 januárjában feltörték Lorenz gépének kódját anélkül, hogy magát a gépet látták volna. Ez a német operátor hibája miatt vált lehetővé [11] .
Tanni kommunikációjának lehallgatása jelentős probléma volt. A németek irányított rádióadók használata miatt Nagy-Britanniában alacsony volt a jelszint. Ezen túlmenően körülbelül 25 különböző frekvenciát használtak az átvitelhez, és ezek néha változtak egy-egy üzenet továbbítása során. Kifejezetten ennek a forgalomnak az elfogására egy Y állomást telepítettek az Ivy Farm kommunikációs központjába Knockholtban ( Sevenoaks , Kent ) [12] .
Egyetlen hiányzó vagy torz karakter lehetetlenné teheti a dekódolást, ezért volt szükség a legmagasabb szintű jelvételi pontosságra [12] . Az impulzusok rögzítésére használt technológiát eredetileg a Morse-üzenetek nagy sebességű fogadására fejlesztették ki. Az impulzussorozatot egy keskeny papírszalagra rögzítették. Ezt a szalagot aztán a Központ munkatársai elemezték, és a csúcsokat és süllyedéseket az MTK2 szimbólumaként értelmezték. A kapott karaktereket perforált papírszalagra vitték fel, és távírón továbbították a Bletchley Parkba [13] .
Még azelőtt, hogy a németek felhagytak volna a 12 betűs index használatával, John Tiltman tapasztalt kriptoanalitikus tanulmányozta a Tunny rejtjelezett szövegeket, és arra a következtetésre jutott, hogy a Vernam-rejtjelet használták azok létrehozásához [14] .
Ha két adás ( a és b ) ugyanazt a billentyűt használja, akkor ezek összeadásakor a billentyű hatása teljesen eltűnik [15] . Nevezzünk feltételesen két rejtjelezett szöveget Za és Zb -nek , a K kulcsot és két egyszerű szöveget Pa és Pb -nek . Akkor kapjuk:
Za ⊕ Zb = Pa ⊕ PbHa az összegükből mindkét nyílt szöveg kikövetkeztethető, akkor a kulcs a titkosított szöveg és a nyílt szöveg két kombinációjából nyerhető:
Za ⊕ Pa = K vagy1941. augusztus 30-án 4500 karakteres üzenetet küldtek Athénból Bécsbe [11] . Az első átviteli kísérlet meghiúsult, és a fogadó operátor titkosítatlan újraküldési kérelmet küldött. Az üzenet újbóli elküldésekor a továbbító operátor hibázott: egy második üzenetet küldött ugyanazzal a mutatóval, mint az első alkalommal, ami szigorúan tilos volt. Sőt, az üzenet szövegének újragépelése során többször hibázott benne, és számos apró változtatást hajtott végre, például néhány szót rövidítéssel helyettesített. A Knockholt Kommunikációs Központ alkalmazottai, akik mind az üzeneteket, mind a titkosítatlan újraküldési kérést elfogták, felismerték azok lehetséges fontosságát, és továbbították azokat a Bletchley Parkba [11] .
A Bletchley Parkban John Tiltman és csapata hozzálátott két rejtjelezett szöveg megfejtéséhez és a kulcs megtalálásához. A két üzenet első 15 karaktere a következő volt:
Za | JSH5N ZYZY5 GLFRG |
Zb | JSH5N ZYMFS/885I |
Za ⊕ Zb | ///// //FOU GFL4M |
Tiltman különféle szövegrészeket helyettesített a Za ⊕ Zb összeggel , és megállapította, hogy az első üzenet egyszerű szövege a német SPRUCHNUMMER (üzenetszám) szóval kezdődik. A második egyszerű szövegben az operátor a NUMMER általános NR rövidítését használta . A második üzenet más rövidítéseket tartalmazott, és az írásjelek helyenként eltérőek voltak. Ez lehetővé tette a Tiltman számára, hogy tíz nap alatt megszerezze mindkét üzenet egyszerű szövegét, mivel a Pa -ban található egyszerű szöveges karakterek sorozata lehetővé tette, hogy ismert Pa ⊕ Pb összeggel egyszerű szöveges karaktereket találjon a Pb ugyanazon helyein , és fordítva [16] . Mindkét forrásszöveg ismeretében Tiltman több mint 4000 karaktert tudott megtalálni a kulcsból [17] .
Ezt követően a Bletchley Park Research Department megkezdte a titkosítógép matematikai modelljének felépítését a talált kulcs alapján. Három hónapig minden próbálkozásuk sikertelen volt. 1941 októberében William Tutt , aki korábban kémiát és matematikát tanított a Trinity College -ban , csatlakozott a kutatási részleghez . A probléma megoldására a Kasiski-módszert alkalmazta , amelyet kriptográfiai tanfolyamokon tanult meg. A módszer lényege a következő volt: a kulcsszimbólumokat kézzel írták fel egy papírlapra, minden sor hossza megegyezett és megegyezett a várható billentyűismétlési periódussal. Ha a sorok hosszát helyesen választottuk meg, akkor a kapott mátrix oszlopai a szokásosnál több ismétlődő karaktert tartalmaznak. [tizennyolc]
Tutt úgy vélte, hogy jobb ezt a módszert nem egész kulcsszimbólumokra alkalmazni, amelyeknek nagyon nagy ismétlési periódusuk lehet, hanem külön impulzusra, azzal érvelve, hogy "egy rész kriptográfiailag egyszerűbb lehet, mint egy egész " [19] . Észrevette, hogy a Tunny indikátorok 25 betűt (a J kivételével a latin ábécé összes betűjét) használták a 11. pozícióhoz, de csak 23 betűt a 12. pozícióhoz, a Kasiska módszert alkalmazta a kulcsszimbólumok első impulzusára (bitére) egy 25-ös időszak *23=575. Ez nem eredményezett nagy ismétlésszámot az oszlopokban, de Tutt az átlóknál sok ismétlést vett észre. Újra kiírta az első impulzus értékeit, de 574-es periódussal. A kapott mátrix oszlopai ezúttal ismétléseket tartalmaztak. Felismerve, hogy ennek a számnak a prímtényezői a 2, 7 és 41 számok, megismételte az eljárást 41 szimbólumból álló periódussal, és " egy pontokból és keresztekből álló téglalapot kapott, amely tele volt ismétlődésekkel " [20] .
Nyilvánvaló volt azonban, hogy a kulcs első impulzusa összetettebb volt, mint az egyetlen, 41 pozíciós lemez által generált impulzus [21] . Az ilyen korong által létrehozott impulzuskomponenst Tutt nevezi (" chi "). Kiderült, hogy van egy második komponens is, amivel hozzáadta a modulo 2-t. A második komponens nem mindig változott, amikor a következő szimbólumra vált, és egy lemez hozta létre, amelyet Tatt (" psi ") nevezett el. Ugyanez történt mind az öt kulcsszimbólum impulzussal. Egyetlen karakter esetén a K kulcs két összetevőből állt:
K = ⊕ .A psi -lemezek által hozzáadott karakterek tényleges sorozatát , beleértve azokat a karaktereket is, ahol a lemezek nem változtatták a helyzetüket, kiterjesztett psi -nek [22] nevezték, és a következővel jelölték :
K = ⊕ ' .A psi komponens Tatom általi származtatását az tette lehetővé, hogy a pontokat nagyobb valószínűséggel követték a pontok, a kereszteket pedig a keresztek. Ennek oka a kulcsbeállítási eljárás hibája, amelyet a németek később elhagytak. Amint Tutt elérte ezt az áttörést, a Kutatási Osztály többi tagja is csatlakozott hozzá, hogy tanulmányozzák az impulzusok többi részét [23] . A következő két hónapban, egészen 1942 januárjáig, a Kutatóosztály munkatársai reprodukálhatták a rejtjelezőgép teljes logikai szerkezetét [24] .
Tattnak a tunik szerkezetének elemzése elképesztő eredmény volt a kriptoanalízisben, és amikor Tat megkapta a Kanadai Rendet , " a második világháború egyik nagy szellemi vívmányaként " jellemezték [25] .
A Tunny feltörése után Ralph Tester vezetésével egy dedikált kriptoanalitikus csapatot szerveztek, amely Testery néven vált ismertté. Ennek a csapatnak az volt a feladata, hogy közvetlenül visszafejtse az elfogott üzeneteket. Ebben a Max Newman Newmanry néven ismert részlegében épített gépek segítették őket .
1942 decemberében Max Newman vezetésével új részleget hoztak létre, amelynek feladata az volt, hogy tanulmányozza a Tunny üzenetek megfejtésének folyamatának automatizálásának lehetőségét. Ezt megelőzően Newman Harry Morgannel, a kutatási részleg vezetőjével dolgozott a Tunny feltörésén. 1942 novemberében William Tutt bemutatta nekik egy módszer ötletét, amely "1+2 betörés" néven vált ismertté [27] . A módszert hatékonynak találták, de csak automatizálás esetén.
Heath RobinsonAz 1+2-es metódus automatizálására Newman írt egy funkcionális specifikációt, amelyből a Heath Robinson gépet megépítették. A gépet Frank Morell [28] , Tommy Flowers és C. E. Wynn-Williamson [29] mérnökök építették . Az alkotás folyamata 1943 januárjában kezdődött, ugyanazon év júniusában a prototípus gépet már a Bletchley Parkban használták a "Tunni" üzenetek megfejtésére [30] .
A "Heath Robinson" főbb részei a következők voltak:
Az autó prototípusa a súlyos hiányosságok ellenére is hatékonynak bizonyult, amelyek többségét a későbbi verziókban kiküszöbölték. [31]
KolosszusA „Heath Robinson” építése során szerzett tapasztalatok és a vákuumcsövek terén szerzett korábbi tapasztalatok felhasználásával Tommy Flowers arra a következtetésre jutott, hogy lehetséges hatékonyabb, elektronikai alapú gépet építeni. A perforált papírszalag helyett elektromos jellel lehetett bevinni a kulcskaraktereket, ami sokkal gyorsabb volt és sokkal rugalmasabbá tette a feldolgozást. Flowers hasonló gépre vonatkozó javaslatát kezdetben nem támogatták a Bletchley Parkban, ahol úgy érezték, hogy az "túl megbízhatatlan lenne a hasznos munkához". De megkapta Gordon Radley Doris Hill Kutatóállomás kutatási vezetőjének támogatását [32] , és meg tudta valósítani ötletét. Munkájának eredménye a világ első számítógépe, a Colossus . A teljes létrehozási folyamat rekord rövid ideig tartott – mindössze tíz hónapig [33] .
A Colossus számítógép fő részei a következők voltak [34] :
Öt párhuzamos számítási egység tette lehetővé az "1 + 2 betörés" és egyéb funkciók végrehajtását 25 ezer karakter/másodperc tényleges sebességgel. Az 1946-ban létrehozott ENIAC számítógéphez hasonlóan a Colossusnak sem volt programmemóriája, és egy vezérlőpanelen keresztül programozták. [35] Gyorsabb és megbízhatóbb volt, mint az azt megelőző Robinson gépcsalád, ami lehetővé tette a lemez chi-beállítások megtalálásának nagymértékű felgyorsítását. A Bletchley Park adminisztrációja, amely kezdetben szkeptikus volt a Flowers ötletével kapcsolatban, azonnal az első autó tesztelése után kezdte meggyőzni őt, hogy készítsen egy másik példányt.
Összesen 10 Colossus számítógép készült a háború végéig. [36] A háború befejezése után Winston Churchill parancsára a legtöbbet leszerelték , de a Kormányzati Kommunikációs Központnak sikerült két példányt megtartania.
Különleges járművekA kereskedelemben gyártott teletípusokon és lyukmásológépeken kívül számos gépet építettek a Bletchley Parkban, hogy megkönnyítsék a lyukszalagok előkészítésének és ellenőrzésének folyamatát a Newman és Tester osztályokon [37] [38] .
A második világháború kriptográfiája | |
---|---|
Szervezetek |
|
Személyiségek | |
Rejtjelek és titkosító eszközök | |
Kriptanalitikai eszközök |