V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Тайны шифрования времен Второй Мировой войны
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В современном мире кодирование (защита) информации имеет немаловажное значение для людей, для защиты собственности человека и государства. Защита информации – это защита целостности страны. В век информатизации защищенной является та страна, которая может сохранить свои информационные ресурсы.
До недавнего времени все исследования в этой области были только закрытыми, но в последние несколько лет у нас и за рубежом стало появляться всё больше публикаций в открытой печати. Отчасти смягчение секретности объясняется тем, что стало уже невозможным скрывать накопленное количество информации. С другой стороны, шифрование всё больше используется в гражданских отраслях, что требует раскрытия сведений.
Цель: Познакомиться с историей становления криптографии во время Великой Отечественной войны, освоить алгоритма шифрования, криптоанализа сообщения.
Задачи:
Узнать, что такое шифрование, какие шифры преимущественно использовались в годы ВОВ.
Выяснить, какие шифровальные машины использовались в российской и немецкой разведке.
Изучить историю создания и использования шифровальных машин в России в годы ВОВ.
И на основании исследуемого материала попытаться создать свой код или шифр.
Основная часть
История криптографии времен Второй Мировой войны
За многовековую историю использования шифрования информации человечеством изобретено множество методов шифрования или шифров. Методом шифрования (шифром) называется совокупность обратимых преобразований открытой информации в закрытую информацию в соответствии с алгоритмом шифрования. Большинство методов шифрования не выдержали проверку временем, а некоторые используются и до сих пор.
Во время ВОВ сложные технические и криптографические средства зашиты информации стали во многом ключевыми, ведь ценность информации возросла кратно. К июню 1941, когда немецкие армии вторглись на территорию СССР, наша система защиты государственной тайны была практически полностью сформирована. Она успешно выполняла целый ряд поставленных перед ней задач. От любых иностранных разведок надежно защищались все информационные ресурсы: мобилизационные, технические, военные, политические, идеологические и природные.
Не стояло на месте развитие технической защиты информации. Еще несколько лет назад повсеместно применялись ручные методы шифрования, которые занимали огромное количество времени и были недостаточно эффективны. Так, шифрование небольшого приказа занимало до 6 часов работы, примерно столько же требовалось на то, чтобы расшифровать полученное сообщение.
В 1937 году в Ленинграде на заводе «209», был образован комбинат техники особой секретности. Его основной задачей стало создание шифровальной техники для скрытого управления войсками: в 1939 году была создана шифровальная машина, которая получила название М-100. Основным недостатком этой машины был их огромный вес. Устройство весило 141 килограмм.
В 1939 году была запущенна в серийное производство шифровальная машина К-37 «Кристалл», которая упаковывалась в ящик весом всего 19 килограмм. К началу войны на вооружение шифр органов СССР было принято свыше 150 комплектов шифровальных устройств К-37.
В годы войны на машинную шифросвязь легли огромные нагрузки. Только шифровальной службой РККА (8-й отдел) за период войны было отработано 1,5 миллиона шифротелеграмм и кодограмм. Очень часто сотрудникам управления приходилось обрабатывать до 1500 шифрограмм в день, тогда как суточная норма составляла всего 400 шифрограмм. За все время войны 8-е управление Генштаба разослало нижестоящим подразделениям и войскам почти 3,3 миллиона комплектов шифров.
Все эти недостатки затрудняли работу разведчиков, которые находились на передовой или в тылу врага. Необходима была несколько иная техника, которая была бы более мобильной.
В конце первой мировой войны и в первые годы после нее возникает несколько изобретений, созданных любителями, для которых это было своеобразным хобби.
По мнению англо-американских историков, если бы не это хобби, война длилась бы на два года дольше.
Одним из этих изобретений является шифровальная машина под названием «Энигма». Для широкой публики слово «Энигма» (по-гречески – загадка) является синонимом понятий «шифровальная машина» и «взлом кода», о которых можно узнать из фильмов про подводные лодки и аналогичные романы, имеющие мало общего с действительностью. О том, что были и другие шифровальные машины , для «взлома» которых создавались специальные машины для расшифровки, и о тех последствиях, какие это имело во Второй Мировой войне, об этом широкой публике известно мало.
Первая — модель А — была большой, тяжелой (65x45x35 см, 50 кг), похожей на кассовый аппарат. Модель В уже выглядела как обычная пишущая машинка. Рефлектор появился в 1926 году на действительно портативной модели С (28x34x15 см, 12 кг). Это были коммерческие приборы с шифрованием без особой стойкости к взлому, интереса к ним не было. Он появился в 1927 году с модели D, работавшей потом на железной дороге и в оккупированной Восточной Европе. В 1928 году появилась Enigma G, она же Enigma I, она же «Энигма вермахта»; имея коммутационную панель, отличалась усиленной криптостойкостью и работала в сухопутных войсках и ВВС.
Энигма в переводе на русский язык — "загадка". Само появление этой шифровальной машины тоже загадка. Ее изобретатель, голландец Гуго Кох де Дельфт, задумавший ее еще в 1919 году, предполагал использовать шифровальную машину в гражданских целях. Несколько позже немец Артур Шернбус приобрел патент на нее и назвал машину "Энигма". Штаб рейхсвера проявил живой интерес к ее оригинальному способу кодирования. В качестве эксперимента несколько экземпляров "Энигмы" были установлены в 1926 году на некоторых боевых кораблях. После первых испытаний решили оснастить ими три армии. Устройство этой шифровальной машины довольно простое. В один из ее отделов вводят незашифрованное сообщение. Пройдя через машину, под воздействием различных электрических импульсов оно превращается в зашифрованный текст и выводится из другого отдела машины. Ключом, который постоянно меняется, обладает другая "Энигма", принимающая сообщение. Через нее оно проходит в обратном направлении, и текст из зашифрованного превращается в обычный. В эксплуатации машина несложна. Главное ее преимущество — безопасность. Даже заполучив машину, противник не сможет ею воспользоваться: она надежно хранит свои тайны, а регулярно меняющийся ключ очень скоро, максимум через месяц, сделает ее трофейным музейным экспонатом.
Как и почему удалось разработать машинные способы «взлома» и успешно их использовать.
Об этом имеется слишком мало информации, она засекречена. А имеющаяся информация обычно либо недостаточна, либо недостоверна. Это тем более заслуживает сожаления, потому что взлом шифровальных кодов имел исключительно важное историческое значение для хода войны, так как союзники (по антигитлеровской коалиции) благодаря полученной таким образом информации имели существенные преимущества, они смогли компенсировать некоторые упущения первой половины войны и смогли оптимально использовать свои ресурсы во второй половине войны.
В сентябре 1932 года разведка Польши привлекает к разработке трех молодых людей - математиков, специалистов высшего класса – Мариана Режевского, Тадеуша Лисицкого и Генриха Зыгальского. После ряда безуспешных опытов они все же определяют механические процессы, происходящие в "Энигме". В соответствии с их инструкциями польская фирма АВА воспроизводит 17 экземпляров немецкой шифровальной машины, а также отдельные ее части. Но пока все это лежит мертвым грузом в лабораториях отдела Р, а перехваченные немецкие шифровки пылятся в архиве.
Удача пришла неожиданно. В июне 1931 года во французское посольство в Берлине явился некий Ганс-Тило Шмидт, предложивший передать инструкцию по использованию шифровальной машины и шифровальные таблицы, используемые рейхсвером после 1 июня 1930 года. Лучшего не надо было и желать.
В декабре 1938 года немцы значительно усовершенствовали "Энигму", вмонтировав в нее два дополнительных барабана. Но Режевский, Лисицкий и Зыгальский делают огромные успехи: они создали настоящую счетную машину, предка ЭВМ, нареченную ими "Бомбой". Однако этим открытием экспозитура поделилась с французами лишь 30 июня 1939 года, за два месяца до начала войны.
В результате совместных усилий к марту 1940 года дешифровальные машины заработали на полную мощность. В Англии это был источник "Ультра" — эквивалент французскому "Зэд".
27 февраля 1940 года на встрече в Лугано (Швейцария) с французским разведчиком Наварром Шмидт сообщил, что СД удалось получить в Варшаве свидетельство того, что поляки сумели сконструировать аналог машины "Энигма", и теперь шифрирштелле (служба шифрования) ведет соответствующее расследование.
На рассвете 10 мая 1940 года танковые корпуса под командованием Рудольфа Шмидта, Рейнхарда и Гудериана начали наступление. 22 июня все было кончено, и Франция подписала капитуляцию в том самом вагоне, в котором в ноябре 1918 года капитуляцию подписали немцы.
Хотя поражение летом 1940 года не было предотвращено, усилия разведслужб Польши, Франции и Великобритании не пропали даром, а сослужили службу в ходе дальнейших военных действий. В Блетчли-Парке Тьюринг закончил создание "Колосса" — счетно-вычислительной машины, способной намного ускорить расшифровку шифров "Энигмы", теперь до 24 часов.
1 и 8 августа 1940 года были перехвачены приказы штаба Геринга о подготовке люфтваффе к массированной атаке на военно-воздушные базы Англии, а 12 августа приказ о первом таком налете. Командование королевских ВВС сумело оказать необходимое противодействие.
В дальнейшем английская ПВО регулярно получала сведения о предстоящих налетах. Но для конспирации англичанам однажды пришлось даже пожертвовать целым городом и его населением. Это случилось тогда, когда было перехвачено сообщение о предстоящем массированном налете на Ковентри. С целью не допустить утечки информации о том, что англичане читают немецкие радиограммы, для обороны Ковентри не было принято никаких мер, и город был полностью разрушен.
Немцы так никогда и не узнали, что секрет "Энигмы" известен союзникам.
Начиная с 1939 года сначала поляки, а вслед за ними французы и особенно англичане имели возможность использовать дешифрованные сообщения "Энигмы" и в течение всей войны с Германией знать наиболее важные планы вермахта, в том числе и на восточном фронте. Союзническими обязательствами предусматривался обмен подобной информацией с СССР, несшим на своих плечах основную тяжесть войны.
Взлом кодов «Энигмы» обеспечил англосаксам доступ почти ко всей секретной информации Третьего рейха (все вооруженные силы, СС, СД, МИД, почта, транспорт, экономика), дал большие стратегические преимущества, помог одерживать победы малой кровью.
«Битва за Британию» (1940 г.): с трудом отражая воздушный напор немцев, в апреле англичане начали читать радиограммы люфтваффе. Это помогло им правильно оперировать последними резервами, и битву они выиграли. Без взлома «Энигмы» вторжение немцев в Англию было бы очень вероятно.«Битва за Атлантику» (1939–1945 гг.): не взяв врага с воздуха, Гитлер душил его блокадой. В 1942 году было потоплено 1006 судов водоизмещением 5,5 млн. брутто-тонн. Казалось, еще чуть-чуть — и Британия упадет на колени. Но англичане, читая шифрсвязь «волков», стали их нещадно топить и выиграли битву.
Операция «Оверлорд» (1945 г.): перед высадкой в Нормандии союзники знали из расшифровки обо всех немецких контрмерах по отражению десанта, каждый день получали точные данные по позициям и силам обороны.
Немцы постоянно совершенствовали «Энигму».Операторов натаскивали на ее уничтожение в случае опасности. Ключи во время войны меняли каждые 8 часов. Шифродокументы растворялись в воде.
Правы были и создатели «Загадки»: расшифровать ее сообщения вручную невозможно в принципе. А что, если противник противопоставит этой машинесвою? А ведь он так и поступил: захватывая новые экземпляры техники, совершенствовал свою «антиЭнигму».
Работу противникам облегчали сами немцы. Так, у них была «индикаторная процедура»: в начале шифрограммы дважды отправлялась настройка (№ роторов/их стартовые позиции), где было видно закономерное сходство между 1-м и 4-м, 2-м и 5-м, 3-м и 6-м символами. Поляки заметили это еще в 1932 году и взломали код. Существенной трещиной в безопасности были метеосводки. Подводники получали их с базы «надежно» зашифрованными. На суше эти же данные шифровались обычным путем — и вот в руках взломщиков уже набор известных комбинаций, и уже ясно, какие роторы работают, как построен ключ. Расшифровку облегчал стандартный язык сообщений, где выражения и слова часто повторялись. Так, ежедневно в 6:00 метеослужба давала зашифрованный прогноз. Слово «погода» было обязательным, а неуклюжая немецкая грамматика ставила его на точное место в предложении. Еще: немцы часто употребляли слова «фатерланд» и «рейх». У англичан были сотрудники с родным немецким языком (nativespeakers). Ставя себя на место вражеского шифровщика, они перебрали массу шифровок на наличие этих слов — и приблизили победу над «Энигмой». Помогло и то, что в начале сеанса радист всегда указывал позывной лодки. Зная все их позывные, англичане определяли роторную схему, получая примерные шифркомбинации некоторых символов. Использовалась «принудительная информация». Так, англичане бомбили порт Кале, и немцы давали шифровку, а в ней - уже известные слова! Дешифровку облегчала лень некоторых радистов, по 2–3 дня не менявших настройки.
Пожалуй, самым известным примером является направленное Черчиллем Сталину в конце мая 1941 года предупреждение о том, что Гитлер собирается напасть на СССР. Известно также, что в июне 1943 года Черчилль сообщил Сталину о готовящемся наступлении германских войск в районе Орла, Курска и Белгорода. Известно еще несколько подобных предупреждений, но характерно, что почти все они были сделаны не тогда, когда в Блетчли-Парке расшифровывали сообщения о планах вермахта на восточном фронте, а много позднее, непосредственно накануне тех или иных событий, когда для принятия необходимых мер оставалось слишком мало времени.
К счастью, советская разведка не дожидалась проявления доброй воли со стороны Черчилля и в течение всей войны стремилась не столько полагаться на помощь союзников, сколько своими силами добывать стратегическую информацию.
Накануне Великой Отечественной войны наши дешифровальщики предупредили руководство страны о нападении Германии. В ходе войны советские дешифровальные службы предоставили политическому и военному руководству СССР большое количество важнейшей информации. Эта информация поступала во время всех важнейших сражений (в т.ч. битвы за Москву, Сталинградской битвы, сражения на Курской дуге и т.д.) и способствовала нашим победам. В то же время шифровальная служба не позволила противнику получить сведения о наших замыслах и действиях. Вот как оценивают работу советских шифровальщиков прославленные полководцы Великой Отечественной. Г.К. Жуков: «Хорошая работа шифровальщиков помогла выиграть не одно сражение», А.М. Василевский: «Ни одно донесение о готовящихся военно-стратегических операциях нашей армии не стало достоянием фашистских разведок». Оценил работу советской шифрслужбы и противник. Приведем выдержку из допроса начальника штаба при ставке верховного главнокомандования немецких вооруженных сил генерал-полковника А. Йодля от 17 июня 1945 года: «…нам никогда не удавалось перехватить и расшифровать радиограммы вашей ставки, штабов фронтов и армий».
В Советском Союзе математики высокого класса были привлечены в криптографическую службу лишь в конце 40–х годов, когда уроки войны заставили правительство в корне пересмотреть свое отношение к ней. В 1949 г. было создано Главное управление специальной связи (ГУСС) при ЦК КПСС. Это означало, что криптографическая служба выводилась из чекистских органов и подчинялась непосредственно политическому руководству страны, то есть поднималась на совершенно иной уровень. Для ее укрепления и расширения были задействованы значительные финансовые и материальные ресурсы. Организованный в то же время Отдел прикладной математики МИАН, выросший затем в крупный институт, возглавил М. В. Келдыш. Предполагалось, что отдел Келдыша будет работать, как принято говорить, «на космос», а ОПР — на криптографию. Однако не все было просто. Кадры математиков-криптографов стали готовиться на базе Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.
А какими были советские шифровальные машины?
До последнего времени информации об этом почти не было.
«… кто возьмет в плен русского шифровальщика, либо захватит русскую шифровальную машину будет награжден Железным крестом, отпуском на родину и будет обеспечен работой в Берлине, а после победы – поместьем в Крыму». Многое дают понять эти слова Гитлера. С 1942 года сообщения русской техники перестали перехватывать. Это был успех шифровальной службы!
На машинную шифросвязь в годы войны легла основная нагрузка при передаче секретных телеграмм: громоздкие М-100 заменили на более компактные М-101 («Изумруд»).
Широко использовалось и ручное шифрование. Телеграммы отправлялись с помощью легких, весом в три килограмма радиостанций «Север» (Б. П. Асеев - инженер-конструктор, изобретатель, учёный), или «Северок», как их ласково называли военные связисты. Эта техника, быстро завоевавшая симпатии наших разведчиков, выпускалась в блокадном Ленинграде. Уникальность радиостанции заключалась в ее портативности (масса приемопередатчика - около 2 кг), автономности питания и возможности работать в плавном диапазоне. В осажденном Ленинграде к концу 1942 г. выпускали около 2000 радиостанций в месяц, на них в партизанских отрядах и разведывательных группах в тылу врага работали свыше 3000 разведчиков.
Роль радиостанции “Север” в Великой Отечественной войне справедливо сравнивают с появлением в Красной Армии знаменитых ракетно-артиллерийских установок “Катюша”. Многие командующие армиями, фронтами, отправляясь в инспекционные поездки по действующим частям, брали с собой радиста с “Северком”. Войсковая радиостанция подобного класса с источниками электропитания (ручной привод) весила около 50 кг и обслуживалась двумя бойцами.
Радисты с радиостанцией “Север” обеспечивали успех боевых операций знаменитых партизанских соединений А. С. Ковпака, А. Ф. Федорова, И. Н. Банова и подавляющего большинства более мелких партизанских отрядов и разведывательных групп, действовавших в тылу немецко-фашистских войск. Немецкое командование обещало высокую награду тем, кто захватит радиостанцию “Север” вместе с радистом. Это не удалось ни одному карательному отряду, так как радисты, даже будучи ранеными, успевали уничтожить радиостанцию или подрывали себя вместе с ней.
Расшифровка шифров
Представляю расшифровку самых известных шифров в годы ВОВ с помощью табличного редактора Excel.
Шифр Цезаря – на основе его разработаны все шпионские шифры, начиная с 10 века до нашей эры. Основой служит сдвиг, одной буквы вправо на один символ.
Шифр Вижнера, состоит из (квадрата) матрицы букв русского алфавита. Шифрование символа происходит путем сдвига буквы в каждой строке алфавита на одну позицию вправо.
Легко сообразить, что в реальной жизни в документах могу использоваться не только буквы русского алфавита, но и латиница, цифры, знаки препинания и т.д. Делать квадрат Вижнера с участием всех этих символов - еще та эпопея, но есть другой, гораздо более простой способ с помощью функции =КОДСИМВОЛ.
Заключение
Сравнивая шифры России с шифрами других развитых государств, следует сделать вывод, что по крайней мере по криптографической стойкости, а также по ряду других критериев, включая (в определенной мере) и критерии, характеризующие эксплуатационные качества, отечественные шифры не уступали шифрам таких передовых стран, как Англия, Франция, Италия. Действовавшие в России разновидности кодов и многоалфавитных шифров были примерно теми же, что и в указанных странах. Российские криптографы успешно дешифровали переписку этих стран, творчески усваивая достижения зарубежной криптографии.
Литература
Шифрование в России, - http://studopedia.net/7_20756_shifrovanie-a-rossii.html
История шифровального дела, Т.Соболева, онлайн-читалка, http://coollib.net/b/175644/read.
Б.П.Асеев – инженер-конструктор, изобретатель, ученый, Н.Мамаевhttp://www.pcweek.ru/themes/detail.php?ID=57864&THEME_ID=15499
16