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[原创]密码学入门系列(六) 之 Enigma密码机(古典)
2009-6-1 11:12 22839

[原创]密码学入门系列(六) 之 Enigma密码机(古典)

2009-6-1 11:12
22839
【文章标题】: 密码学入门系列(六) 之 Enigma密码机(古典)
【文章作者】: jackozoo
【作者邮箱】: jackozoo@163.com
【作者声明】: 只是感兴趣,没有其他目的。失误之处敬请诸位大侠赐教!
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【详细过程】
系列声明:见一.

讲解目录:

1)Enigma简介.
2)Enigma构造.
3)Enigma能够实际使用的原理.
4)纠正一些网友关于Enigma所写的文章的部分理解错误.
5)附带源码说明.

(一)Enigma密码机简介:
Enigma密码机属于轮转机的一种, 它采用的也是多表替换的思想, 而且是一个长周期的多表替换密码机. 在此系列(六)中直接拿Enigma出来讲是因为Enigma比较具有代表性(当然也是最有名气的, Enigma出自二战时期的德国军方). 其他的一些轮转机有美国的Sigaba, 日本的Red和Purple等, 都是二战时期的产物.Enigma密码机说白了就是几个机械零件组合而成的. 对于轮转机而言, 它有一个键盘和一系列的转轮, 键盘用来输入明文字符串, 每个转轮是字母的任意组合, 有26个接线端, 用来完成一种简单的替换, 同时每个转轮的输出端连接到其下一个相邻转轮的输入端. 当输入一个明文字符时, 相应的信号从第一个轮转的输入端进入, 依次经过各个相邻的转轮,当每经过一个转轮的时候, 该转轮会转动一个位置, 当该转轮装动了一个周期之后, 其下一个转轮会转动一个位置, 这样一直到达最后一个转轮, 然后反射回来, 即可得到密文.

(二)Enigma的构造:

Enigma看起来就像是一个盒子一样, 大家不要觉得这个东西看起来很复杂一样, 其实相反, 它很简单, 不要被它的外表所吓到. 其主要的三个部件为: 键盘, 转子, 显示器 . 当然, 在后面我还会提到反射器. 由于在这里我们是从密码学的角度来看待问题的. 所以还请大家不要在键盘怎么发送信号, 转子怎么传送信号以及显示器怎么显示这些问题上钻牛角尖. 简单来说, 所有的一切都是映射而已. 只不过Enigma密码机的映射比较特殊.
[重要:] 为了在文章中能更清晰的展示Enigma的结构, 我在此以6个字符的键盘转子显示器作为演示道具.(附带源码也是使用的Z6字母表, 仅仅ABCDEF6个字母, 这个是有原因的, 后面会讲到).

先来几张图片让大家看看Enigma长什么样:(这几个图片不知源头来自哪儿, 因此无法注明作者信息)






我们再来看下, 如何通过转动转子来达到每次替换的字母都是不一样的:


(三)Enigma能够实际使用的原理

大家想, 如果只使用一个转子的话, 那么Enigma密码机就成了以前讲过的凯撒密码了, 就没什么价值可言了. 但聪明的德国人是通过一系列的手段使得Enigma在德国军方中使用这么久的.
一下分别列出:

1): 使用多个转子.(一般为3个, 德军后期使用的转子甚至达到了4个)
2): 使用"加密一个字母后, 转动前一个字母一个位置, 满周期后, 带动下一个转子转动一个位置"的体制.
3): 转子可自由拆卸换上新转子.
4): 使用反射器机制, 使得加解密为统一过程.
5): 使用了连线板, 在隐藏了字频的同时无数倍的增加了穷举破解的难度.
6): 其他.

来张图看的清楚些(这张图比前面的那张要多了些东西, 请注意看):


(!!: 我在附带源码中, 就是使用的这幅图中的状态作为初始状态的, 另外转子,连接板和反射器的布线也是按照这个来的.)

具体讲解:

1. 使用3个转子, 使得加密周期由26变为了26*26*26.

2. 使用转动的传递性机制, 可以确保明文的加密方式为多表替换.

3. 转子可自由拆卸, 这里的作用曾被很多人误解 . 包括很多人的博客中很热的关于Enigma的文章 (我的那些图片就是从别人一些文章中截图过来的, 另外, 由于原作者也不知道是谁, 故无法注明图片信息).
   一些人认为3个转子可以自由拆卸代表转子的排列方式变丰富了, 使用排列组合的知识知我们有了3*2*1中排列方式. 所以也增大了复杂性. 实际上, 我认为并非如此. 我认为对于一个含26个字母的转子而言, 转子本身的种类就有了很多种, 它们主要是布线方式:
   比如我使用6字母的转子为例:
   0    5
   1    2
   2    4
   3    3
   4    1
   5    0

  可以看到上面就是一种转子, 其他的接线方式还有更多种. 我们运用排列组合的知识, 可以很轻易的写出转子总数为:A26^26/26种.
  所以我想当初设计Enigma密码机的人之所以要让转子可以随意拆卸的目的肯定不是增加一个6, 而是为了使用各种不同的转子.
  
  谈到这, 我就得说下Enigma的秘匙了, Enigma的秘匙有很多因素, 为以下: 3个转子的起始位置, 3个转子的布线种类, 连接板的布线类型.

4.反射机制其实就是为了解密能够更容易的进行, 反射板被放在最后一和转子之后, 反射板也是布线的. 比如如下:
  反射器:  0-5 1-2 3-4, 代表的就是0 5互射, 1 2互射, 3 4互射. 这样当每一个信号到达反射板时, 信号会沿路回去的, 注意: 信号被反射回去到显示器上的时侯, 其过程中转子是不会转的, 因为信号在来的时候转子已经转过了.
  [思考] 这种方式会造成一个什么问题?
  聪明的你肯定已经想到了, 对. 那就是任意一个字母加密后都不会是它本身. 其原因就在与刚才的反射板了, 没有信号再被反射后是沿原路返回的, 所以加密后的字母不会和原字母相同的.

5.连线板是个什么东西? 很多文章都把它说的很神, 不过它的确也起了很大的作用. 你只要把它当成是一个不会转的转子就OK .
  从某种角度来看, 连接板可以看成是单个字母替换, 不过由于有了后面的3个转子的工作, 密文不会暴露字频信息的.
  我发现某些文章在计算可能出现情况的问题上也有问题, 比如, 连接板布线的方式有多少种? 这根转子的布线方式是一样的多~~ .

(四) 纠正一些关于Enigma的文献的部分理解错误.
     说明: 1. 关于转子可以拆卸的用途的误解.见上.
             2. 关于连接板布线的方式的个数.(上面有讲解).

(五) 附带源码说明.

因为我查了一些文献, 但是始终找不到Enigma的全面的转子及连接板的布线格局 . 所以如果使用26个字母做字母表的话, 其转子的布线格局这个我不得而知. 所以为了谨慎起见, 我在源码中使用的是Z6字母表(即A-F).  (PS. 貌似ebay上面在拍卖德军二战时期的Enigma密码机, 传言而已~) . 因此我使用了6字母的字母表, 他们分别是ABCDEF 6个字母.
所以,在软件的使用中, 明文请输入A-F这6个字母组成的字节序列. 当然, 我建议大家看看源码, 那样会对Enigma有很全面的认识.

转子的布线与帖子中截图的转子的布线相同.

转子的初始状态使用0,1,2,3,4,5的序列表示.

如默认的转子1的初始转台为:524310

其意思即为: 0 1 2 3 4 5进, 对应 5 2 4 3 1 0出.

Enigma模逆软件 运行截图:



  
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                                                       2009年06月01日 AM 11:03:19

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rockinuk 活跃值 8 2009-6-1 17:34
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這些照片是我於 2006 年去 Bletchley Park 所拍攝的。
圖中有 Enigma 原型機,還有傳說中的 Tuning Machine 原型機。
其他的我就不多介紹。
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aiie 活跃值 2009-6-1 18:45
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很简明,我也明白了,,
图片中有把头发
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我走以后 活跃值 2009-6-1 22:42
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太吓人了这。。。看不懂。。貌似有点难度。。
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jackozoo 活跃值 14 2009-6-3 19:08
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不要被机器吓到了, Enigma构造并不复杂的其实~~
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yuansunxue 活跃值 6 2009-6-6 21:55
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这个看过视频的 lz啥时候讲讲基于身份的公钥密码啊 想学学
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冰冷凝决 活跃值 2009-6-7 15:43
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机器原理看似简单实际很复杂
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xie风腾 活跃值 2010-1-10 21:51
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太牛了,有点看不明呢
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coldpiano 活跃值 2010-2-16 10:09
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好资料,感谢了!记得有次看CCTV-10的科教节目,关于二战的,一次盟军缴获了德国的U型潜艇,在德国的潜艇上发现了个密码机,不知道是不是这个,请楼主指教,谢谢!
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rockinuk 活跃值 8 2010-2-17 06:35
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Yes.

Movice name: hunting U-571.
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loveyh 活跃值 2010-12-7 11:43
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学习一下。。。。。。。
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