Друга світова війна шифрів: злом «Енігми» та змагання математиків

Захист інформації від несанкціонованого доступу завжди був завданням не лише держави, а й багатьох приватних осіб. Про захист даних у воєнний час дбали всі та завжди. До другої половини 1940-х рр. це було не стільки наукою, скільки мистецтвом і раптовим осяянням. Уже тоді захист і збереження інформації були галуззю знань зі складним і досить абстрактним математичним апаратом на стику з лінгвістикою та іншими гуманітарними дисциплінами.

Коди і шифри

Із детективних книг та серіалів відомо, що з метою запобігання несанкціонованому доступу здійснююють кодування і шифрування. За звичайних умов їх сприймають як синоніми, хоча між ними є істотна відмінність.

Кодування — перетворення інформації для зручності її зберігання або переказування. За звичайних умов кодування не передбачає закриття інформації. Коли, наприклад, набирають текст на комп’ютері, в текстовому редакторі літерні символи набувають цифрової форми. При цьому вона залишається доступною багатьом.

Другий приклад — азбука Морзе. Тут букви, цифри й інші символи кодують наборами точок і тире для їхнього переказу каналами зв’язку. Як кабельними, так і ефірними.

У творі Конан Дойля великий Шерлок Холмс легко розгадує таємничі на перший погляд малюнки з набором чоловічків, які танцюють. Це теж кодування, хоч і дещо екзотичне.

Шифрування принципово відрізняється від кодування тим, що інформацію перетворюють, щоб ускладнити чи зробити неможливим її розуміння або зміну в разі несанкціонованого доступу, тобто перехоплення.

У фільмі «Сімнадцять миттєвостей весни» пастор Шлаг надсилає до Стокгольма телеграму: «Тітка Ельза гостювала в нас у Берні та Лозанні. Почувається добре, лише дуже сумує. Щотижня пише листа додому». Дуже складно припустити, що це зашифроване послання, в якому йдеться про таємні переговори, і зв’язок здійснюватимуть за допомогою встановленого каналу зв’язку.

Шифрування зазвичай передбачає кодування, тут грань між ними стає дещо невизначеною.

Захистом і засекречуванням інформації займається наука криптологія (гр. kryptos – таємний, прихований), яка складається з двох частин — криптографії та криптоаналізу. Перша займається математичним апаратом перетворення та кодування інформації. Інакше кажучи, ця наука вивчає і створює шифри та коди.

Криптоаналіз займається протилежним. Математичними й іншими методами досліджують можливості дешифрування і декодування інформації. Їхня можливість визначає так звану стійкість коду та шифру. Спроба розкриття шифру або коду називається криптографічною атакою. Якщо вона вдалася, то відбувається злом або розкриття шифру.

Історія шифрів і кодів налічує тисячоліття. Юлій Цезар мав багато достоїнств, зокрема успішно займався і криптографією. Він винайшов код, який назвали його іменем. Він був досить нестійким, але для сучасників здавався недосяжним. Цезар використовував так званий підстановочний код, у якому одні букви замінюють іншими із зсувом. Він же винайшов спосіб механізації кодування і зворотної операції за допомогою конусоподібної жердини.

Французький математик Франсуа Вієт, теорему якого про корені квадратного рівняння вивчають у школі, зумів зламати (жарг. – розколоти) шифр єзуїтів та іспанських агентів у Франції. За що, ймовірно, його й отруїли солдати Христа. У всякому разі, іспанський король Філіп II звинувачував його у використанні чорної магії.

Криптографія стала наукою після публікації в 1949 році статті американського інженера і математика Клода Шеннона «Теорія зв’язку в секретних системах». У ній він довів принципову можливість побудови абсолютно стійких, тобто недоступних для злому, шифрів. Одна проблема – ними дуже складно і просто технічно незручно користуватися. До того ж передавання таких шифрованих текстів дуже тривале.

Операція «Ультра»

Це в книгах і серіалах агенти швидко шифрують і дешифрують тексти. Насправді ж це досить тривалий і трудомісткий процес. Навіть незначні помилки можуть настільки викривити послання, що його просто неможливо дешифрувати або зрозуміти.

Ось чому досить давно інженери і математики займалися створенням пристроїв механізації шифрування і дешифрування. У лютому 1918 року німецький інженер Артур Шербіус викупив голландський патент на шифрувальну машину, що отримала назву Enigma – «Енігма». Грецькою – таємниця, загадка. З 1925 року її використовували спочатку у військово-морському флоті, потім в інших видах збройних сил Німеччини. Пізніше машини передали Японії та Італії.

Перші спроби зламати код «Енігма» здійснили польські дешифрувальники. У міжвоєнний період там сформувалася сильна група математиків-криптоаналітиків. Вони зламали шифр Червоної Армії під час радянсько-польської війни 1919-1921 рр., тим самим визначили її поразку. В 1939 році перебралися до Франції, а потім до Великобританії. Вони передали зразки машини і розробки з її дешифрування.

В Англії робота була зосереджена в GC&CS – Government Code and Cypher School — Урядова школа кодів і шифрів, яка пізніше отримала назву GCHQ – Government Communications Headquarters — Центр урядового зв’язку. Школа розміщувалася у величезному замку Блетчлі-Парк за 50 миль від Лондона. Її очолив ветеран військової розвідки сер Алістер Денністон. Роботою з дешифрування керував лінгвіст і криптоаналітик Альфред Нокс, а наукову роботу очолював професор математики Гордон Уелчмен.

Так почалася операція «Ультра». Вона постачала величезний обсяг інформації найвищої категорії секретності з Німеччини та Італії для англійських вищих керівників, а потім і для командувачів союзними військами в Європі.

Для роботи в Блетчлі-Парк набирали не лише математиків, а також лінгвістів, шахістів, єгиптологів, чемпіонів із вирішування кросвордів. Усього в «Ультра» брали участь близько 12 тис. осіб.

Провідну роль у дешифруванні шифрів не лише «Енігми», а й інших німецьких шифрувальних машин відіграв видатний математик Алан Тюрінг. У середині 1930-х рр. він створив математичну модель, на основі якої будуються всі комп’ютери (машина Тюрінга). Саме він розробив основні алгоритми дешифрування і теоретичні основи створення комп’ютера Colossus (Колос). Із введенням його в експлуатацію час розшифрування повідомлень скоротився до декількох годин. Його вважають першим програмованим комп’ютером в історії обчислювальної техніки.

У Школі Тюрінга називали Bletchley Park genius loci — божевільний геній із Блетчлі-Парк. Він часто мовчки ходив без шкарпеток тихими коридорами. Про нього складали численні анекдоти. Однак саме цей дивак розробив шифри для листування Черчілля і Рузвельта, за що був удостоєний звання кавалера Ордена Британської імперії четвертого ступеня.

Цікаво, що в дешифруванні допомогла пристрасть німецьких шифрувальників використовувати ненормативні вирази, що дуже розважало жінок, які працювали в Блетчлі-Парк.

Свою роль у зломі «Енігми» відіграли метеопрогнози. Німці методично починали їх з одного й того самого слова, а закінчували вихвалянням Гітлера. Знаючи, звідки прийшов метеопрогноз і яка була погода, можна було мати уявлення про характер відкритого тексту. Допомагала й особливість граматики німецької мови, а також захоплення шифрувальних книг на німецьких кораблях і підводних човнах.

Перед англійським керівництвом зі зростанням дешифрованої інформації постало завдання збереження секретності. Хоча в операції «Ультра» брали участь кілька тисяч осіб, вони більше ніж 30 років зберігали це в секреті, лише з другої половини 1970-х рр. не дуже охоче почали розповідати про свою діяльність. Книгу Тюрінга про алгоритм злому шифрів «Енігми» розсекретили лише в 1996 році.

Найважливішим було завдання не допустити, щоб німці, а потім і японці здогадалися про злом шифрувальної машини. Для цього робили різні дії, іноді драматичні.

Знаючи за інформацією «Ультра» про проходження в Середземному морі конвоїв, які везли африканському корпусу Роммеля пальне і боєприпаси, англійські адмірали перед атакою на конвой посилали розвідувальний літак. Як вважав противник, саме він і наводив англійські кораблі.

Одного разу конвой фактично потонув у сильному тумані, тому хитрість із літаком не вдалася. Тоді з Лондона в Неаполь надіслали радіограму з простим шифром, в якій дякували міфічному агенту. Начальника порту Неаполя відсторонили від роботи.

Під час «битви за Англію» між британською та німецькою авіацією влітку-восени 1940 року відбулася і трагічна подія. Місто Ковентрі 15 листопада серйозно зруйнували масованим бомбардуванням. При цьому німці втратили лише один літак.

За два тижні до цього Черчілль ходив дуже похмурий і замислений. Він отримав інформацію від «Ультра», що заплановано наліт на Ковентрі. Про неї в Німеччині знало дуже обмежене коло людей, тому, в разі якихось дієвих заходів із протидії, в Берліні могли здогадатися, що таємниці «Енігми» більше не існує, а операцію «Ультра» довелося б згорнути.

Бездіяти вирішив особисто Черчілль. У тому нальоті загинуло близько 600 осіб, центр міста було зруйновано. Хоча не всі історики дотримуються думки, що Черчілль свідомо допустив таке бомбардування заради збереження таємниці операції «Ультра», але непрямо це підтверджує особисте листування англійського прем’єра та американського президента Рузвельта. Останній писав: «Війна змушує нас дедалі частіше діяти як Бог. Не знаю, як би я вчинив…»

Іще один трагічний епізод. Всесвітньо відомий англійський актор і режисер Леслі Говард, який зіграв роль Ешлі Уїлкса у фільмі «Звіяні вітром», водночас був співробітником однієї зі спецслужб Англії. Він отримав завдання передати важливі секретні документи і мав вилетіти рейсом 777 Лісабон-Лондон. Німецька розвідка в агентурний спосіб дізналася про це, і німці вирішили збити літак.

Англійці від «Ультра» дізналися про намір противника, але не скасували його політ. Літак було збито 1 червня 1943 року над Біскайською затокою німецьким винищувачем. Так зберігали таємницю операції «Ультра».

Після закінчення війни в Європі операцію «Ультра» припинили, всі моделі дешифрувальних машин та спеціалізованих комп’ютерів знищили, як і документацію щодо них.

У лютому 1992 року Блетчлі-Парк оголошено історичним заповідником. У ньому розміщується музей операції «Ультра». Через 60 років товариство Enigma&Friends відновило Colossus. Виготовлення комплектувальних тривало два роки, а збірка комп’ютера — десять років.

Під час війни за Фолклендські острови в 1982 році аргентинська авіація потопила англійський есмінець «Ковентрі». У чомусь він повторив долю міста, на честь якого його й назвали. Як корабель назвеш — так він і попливе.

Юрій Райхель