密码学的发展（第二篇：恩尼格码机）

1、恩尼格玛机

恩尼格码机又叫英格玛机、哑谜机器或者奇谜机，它在二战中大放异彩。它使用的本质还是第二代机密法----替代和移位。但因为可以切换无穷种加密配套组合，所以在对抗频率分析上极为有效。

恩尼格玛机是一种机械电子式的加密机，由一堆齿轮、电线、灯泡、转盘、摇杆组成。其实使用机器做反锁的加密工作在之前也有过，只是因为它们都没有量产，所以也没有流行。而恩尼格玛机，是第一个大规模量产的加密机。

恩尼格玛机由德国人发明，主要包含了3部分，3部分之间由齿轮和电线相连：

• 第一部分：敲原文用的键盘
• 第二部分：把原文加工成密文的编码器
• 第三部分：是密文的显示板

操作员只要做好设定，在键盘上敲入原文，经过编码器编码，密文显示板会按规则点亮密文字母，抄写员把点亮字母的顺序记录下来，加密过程就完成了。

这其中最重要的是编码器，下面详细整理编码器的工作原理：
编码器由一堆可以手工设置的机械部件组成，任何地方的调整都会改变加密的结果。其中最大的部件是齿轮式的字母盘，它前后通过导线与敲原文用的键盘，以及密文显示板相连。键盘那边敲一个字母，信号通过导线传给齿轮上的触点，在通过导线传到密文显示板上，原文就这样被加密成另一个字母了。

键盘没敲一个字母，字母盘中的齿轮会往下转一格，齿轮的转动导致线路连接的变化，而连接线一变，又导致了加密结果的不同。所以同一个字母敲入第二次、第三次，输出到密文显示板的结果也都不一样。总之，齿轮能转多少格，就意味着有几套加密法等着轮替。

最早齿轮一圈只有6格，也就是只有6套加密法，后来增加到了26个格。再后来，单套齿轮个数不在增加，而是增加了第2套齿轮，上面也有26个格。只有在第1套齿轮转完一圈后，第2套齿轮才前进一格。这样就相当于26*26套密码。下图是一个3组齿轮的恩尼格码机：
每组齿轮正上方都留有一个小窗口，在使用时，双方约定一个共同的钥匙，比如说yes，然后把这3个窗口在初始时各显示那3个字母。然后他们按照这个顺序编码、解码信息，相互之间就可以通信了。

在通信时，发送端按照约定好的钥匙进行初始设定，然后输入原文，产生一串密文，接收端收到信息之后，把机器设定成约定好的钥匙，输入密文，输出的就是原文。

通过上面的介绍，我们可以知道 恩尼格玛机实际上还是维吉尼亚加密法的改进，优势就是它的钥匙看似可以随意设定。

但是这种方法可以通过穷举法暴力破解。比如我们使用3组齿轮的机器进行加密，初始钥匙就262626 = 17576种可能。我买100台这样的设备，每个机器尝试其中的175种，说不准几个小时就能破解。

设计者早就考虑到暴力破解的问题，所以他们在键盘和编码器之间又增加了一个叫“接线板”的结构，可以调换6对字母的线路。比如你在键盘上按的是a，但电流信号却是沿着b的线路输出到编码器上的。通过调换26个字母中随意的6对，组合一下子就增多到了1000多亿种，增加了破解的难度。如下图：

德国在二战期间在 每发一条信息时，都单独使用一把钥匙 。但是这样需要厚厚的密码薄，德国人就想出了以下的一个方法。
德国每个月都会发一本新的密码薄，里面记录着 每天接线板的状态和初始值的设定，但这个初始值并不是对原文进行加密的，而是对钥匙进行加密 ，然后写到用实际钥匙加密之后的密文前面。具体操作分为几个步骤：

1、假设齿轮的初始状态为QCW，然后钥匙为ABC，用设置成QCW状态的机器给ABC加密，假设变成了BMW，然后输入第二次ABC，加密后变成NBA。然后把两次的结果拼到一起，形成BMWNBA。
2、把机器初始状态设为ABC，然后对原文进行加密， 形成一串密文，然后把BMWNBA加到密文的前面。
3、解密时把机器初始状态设为QCW，然后对开头的六个字母进行解密，发现是ABCABC。然后在把机器的初始值设为ABC，在对剩余的密文进行解密。

这里为什么要对钥匙加密两次呢？是为了确认信号在传输中没有被干扰，或者对方操作没有失误。因为任何失误和干扰都会导致解码后，信息的前六位不是两次重复的样子，这样消息就会丢掉。

2、恩尼格码机的破解

很多人都知道，恩尼格码机最终是在二战中被 图灵 破解的，其实这样理解是错误的。恩尼格码机是各国科学家和军人通力合作才破解的，图灵只是完成了最后一步。

破解的过程可以分为5个关键性突破，分别是：

1、波兰密码学家与法国间谍合力搞清了机器的内部结构
2、波兰政府把密码学家破译的成果分享给了英国和法国
3、英国海军成功捕获了德国的一艘舰艇，从上面得到了一台真实的恩尼格码机和一本钥匙薄
4、德军士兵在使用恩尼格码机时，经常不按规范操作
5、盟军采用诱骗战术让德军故意发送特定词语

一战之后，德国虽然战败，但不是完全意义上的战败，虽然对胜利国进行了赔款，但是德国一直憋着一口气，我个人觉得就是这样让德国走上了纳粹的道路。波兰因为跟德国交界，有一些领土争端，而且还很弱小，所以一直防着德国。他们通过和法国的合作，搞到了德国军用版恩尼格玛机的《使用说明书》和《钥匙指南》两份资料。通过这两份资料，他们搞懂了恩尼格玛机的内部结构，但前期没有办法破译它们。

后来波兰找来一些数学家，对每天的信息进行整理、分析、寻找规律，经过一年多的工作。把所有的规律和对应的初始值做成了一本字典，这样破解了恩尼格码机。有点像现在的大数据，经过大量数据的分析，找通性，建模。

但是在二战开打前的一年，德国把恩尼格码机编辑器的齿轮增加到5个，接线板的数量同时也增加了，之前的字典就无效了。1939年德国撕毁了和波兰的互不侵犯条约，波兰坐不住了，赶紧把军用恩尼格码机的结构、破解方法等信息，公布给了盟友。英国对波兰提供的信息非常重视，扩充了密码队伍，把密码局40号房换到了 布莱切利园。

英国刚开始靠堆机器、对人力，在摸透了德军的不规范操作的情况下也 勉强破解 了密码。比如：设定的初始值，按操作规范应该是随机设定，但实际上德军操作员根本做不到这一点，类似QWE、ASD、IOP这样键盘上相邻的字母经常出现。就算3个字母 不连着，但手指的活动总是有规律的，3个字母在键盘上的位置总会趋向于集中，所以这些组合在解码时优先尝试。甚至还有用女朋友名字的前三个字母的。

另外操作指南也有漏洞，比如，当天的齿轮设定，同一个齿轮不能在同一个位置连续出现2次。听上去好像避免了重复，但其实减少了齿轮组合的一半可能性。还有，接线板对调字母不能对调相邻的两个字母，比如B不能和A对调，也不能和C对调，结果这样可能性的总数又锐减。

但这种水平的破译，是远远不够的。一旦德国发现，每条信息的前6位是破译者可以抓住的漏洞的话，就会改变钥匙的传递方式。那样的话英国就没办法了。所以，图灵的任务就是找到一种全新的破解法，完完全全的猜透恩尼格玛机。

图灵从一些军事规律导致的漏洞中破解了密码。比如，德军消息中类似的，“无特殊情况”、“希特勒万岁”这样的词经常出现。还有 “天气” 这个词，每天早上6点到6:05分必然出现，而且大都出现在信息的开头。还有英军对特定地点布置水雷，这些水雷是信息诱饵。德军发现水雷后，肯定会发这样的电报：在东经XXXX，北纬XXXX水域，发现大量水雷。这样一来，原文中很多的词就可以确定了。**图灵就是通过手头已有的少量原文和密文，想出了一种方法，建立了它们之间的对应关系，把钥匙的可能性减少到105万种。**然后通过一个叫“炸弹”的破解机，对着105万种可能进行暴力破解，到1942年的时候，破解德国陆军恩尼格玛机当天的钥匙，大约只需要1小时的时间。

3、总结

密码学因为涉及到国家安全，所以很多密码学家没有受到应有嘉奖（和我国的核物理学家一样），但是他们对于国家的贡献是不言而喻的。

到这我们发现“如何加密”已经不那么重要了，在隐藏法的世代，如何加密是绝对的机密。而替代法和移位法，大部分原理人们都知道，只是不知道具体移动了几位。但到了机械电子加密的世代，加密设备的工作原理，不论是理论还是技术细节，双方都了如指掌，密码的安全性全部落在钥匙上，而不再依赖加密的过程。

感谢大家，我是假装很努力的YoungYangD（小羊）。

参考资料：
《卓克的密码学课》