古典密码学的巅峰之战:恩尼格码机

恩尼格码机,Engima,德语谜的意思,现在英语里边也有这个词,意为谜和不可思议的东西。

恩尼格码机是人类在密码应用领域承前启后的产物,直接促成了信息计算文明的起步。毫不夸张的讲,如果没有恩尼格码机,我们2020年现在可能还在个人电脑PC或前互联网时代,那互联网、BAT这些机会相应也是下一代人的。

有人可能会觉得,发明从来都是时代的产物,在电气工业时代,类恩尼格码机的电机密码机产生是早晚的事。确实如此,在恩尼格码机发明制作之时,已经有遍布世界的数个团队在做类似的工作。

但是1920年恩尼格码机率先被德国公司发明出来,原本销路不畅、根本卖不出去,到了1923年德国人被英国公开的一战解密报告刺激,环顾市面只有恩尼格码机的加密性能令人放心满意,之后德军、希特勒对恩尼格码机一直热爱改进与无限自信,这些是一连串的概率性事件。

德军在战场上操纵恩尼格码机

战争会将一国的资源压榨到极致,美国在曼哈顿工程造原子弹时,为建造磁铁的导电线圈,倾尽国库几乎所有白银,战后才还了回去。上述事情若没有发生,二战密电战可能会回到简单编码、语义战的几千年人类谍战老路子,英美则不会急迫到在计算理论和硬件上投入巨量的资源,人类信息时代的推进晚二十多年是正常的。

1.波兰恐惧苏德日

1929年,波兰波兹南大学,波兰总参二局密码处找到数学系主任,在他的推荐下挑选了一群20多岁的数学系学生参与学习一门密码学课程。

波兹南曾被德国统治百余年,波兰情报机关选中波兹南大学是因为此地的德语氛围。

至于为何选择数学系的学生值得一提,密码隐藏术在人类历史上长期等于语言腾挪术,用移位、替换、隐写的方法传递信息,如火星文就用到了替换方法,因此之前密码破解领域主要是语言学家的天下。

十年前苏波战争苏军原本进展顺利,波兰招架不住、求和无门,西欧英法强国的声援全凭一张嘴,关键时刻波兰数学家破译了苏军的密电,苏军部署和战略意图全部暴露,因此在华沙战役中失利大败而退,此役后来被解读为决定欧洲文明命运之战。由此给波兰情报机关播下了数学方法破译密电的种子。

波兰密码处的这次挑选开启了数学方法分析破解密码的思路。

这几位波兰数学家破解了苏军密码,之后又亲手挑选了破解恩尼格码机的学生

作为“平独镇露大波波”(日语中独为德国、露为俄国,此处为惯用调侃),波兰18世纪后长期在德国和俄国夹缝中求生存,分分钟亡国的恐惧激发了波兰情报机关的无限潜能,以至于在这个这个时间节点,波兰人在密码的破解上独步全球。

原本波兰情报机关窃听德国无线电报爽到飞起,然而从1926年开始,密码处发现德军使用了一种他们完全无能为力的新的密码系统。

无力到什么程度呢?在此之前,波兰邮政已经偷摸拆了德国发往自己驻华沙大使馆的邮政包裹,让密码处仔细研究了德国使用的新型密码机系统,然而因为始终无法参透其中的运作方式,密码处甚至请到了大师做法开天眼求解。

这个密码机系统就是恩尼格玛机,恩尼格玛机意思就是谜一样的加密机,作为工业时代的顶级艺术品,恩尼格玛机是机械电气自动化的组合,它通过起始位置、转子和插线板的组合制造出巨大的可能性。

大概是什么量级的可能性呢,以其中一个版本为例,集合一百万人每人每分钟用手计算一种可能性,那需要差不多三亿年才可以试出来,而即便试出来后,稍微改一下初始位置,又不过是重头再来。

法国情报机关运气爆棚,1931年负责恩格玛机系统运行的德国通讯部门一把手的弟弟汉斯主动联系有意卖情报,且持续出卖了几乎全部内部资料,然而法国人在做了计算后,深感无力,当然可能也自觉有马奇诺防线加持,直接放弃了破解的尝试。

多提一嘴,后世资料多称这个汉斯是因为厌恶Nazi政权而出卖情报,实际上他开始出卖情报的1931年不是Nazi政权,汉斯是因为热衷夜生活消费入不敷出而走上此路,任何国家对这种级别的机密泄露都是顶格的刑罚。

那波兰人不能放弃啊,再三恳求,通过情报联盟协议,从法国人手上拿到了汉斯全部关于恩尼格玛机的二手情报

在波兹南大学选拔淘汰赛中崭露头角的三个学生数学家工作下,从1933年开始,波兰方面搞定了恩尼格玛机,开始了幸福的窃听岁月。

当然幸福是要不断争取的,期间德国更新密码机后,波兰人做出号称“炸弹机”的机械解码机针锋相对,一直到1939年,在不断斗争下,波兰密码破解水平按英法专家点评已然领先全球十年

不过德国人既然已经备战完成,该正式开打了,密码强度又加强了,以波兰的国力已经难以添加相应的机器算力。波兰人转手将相关成果通盘交给了英法,此时英法仍然认为恩尼格玛机不可破解。

正经评估,波兰人的工作从心理以及数学化破解流程给英国做出了最直接的启发,这应当是波兰对二战盟军最终胜利做出的最大贡献。

接下来的故事就耳熟能详了,波兰按苏德剧本被夹击亡国,法国被绕过马奇诺闪击亡国,英国成为加密战争的主角。

2.英伦危急存亡时

英国人搞情报密码历史悠久、实力强劲,实际上恩尼格玛机是德国工程师发明的商业化产品,刚一面世无人问津,时来运转,1923年丘吉尔在《泰晤士报》连载回忆录,透露一战德军密码对英国近乎透明,德军深受刺激,正式规模采购。

英国情报部门专门挑选了当时三线小镇的郊区布莱切利庄园,一直到二战结束,园子都没被飞机和导弹炸到过一次。

和波兰一样,英国从大学召集了大批数学家和学生来做密码破解工作,丘吉尔政府将之列为“终极机密”,人力财力算力一砸,效果立竿见影,英国人延续波兰人的方式,很快搞出了一份份高价值情报。

然而1940年5月,德军又又变换密码传递规则,庄园能破译出来的情报大打折扣。

这时园子里的希望阿兰·图灵开始开挂了,图灵通过算法改进做出了新式解码机,也叫“炸弹”,炸弹又破解了德军空军密码,产生了世界级故事:月光奏鸣曲德军轰炸考文垂、权衡再三丘吉尔弃城保密码。

模仿游戏中的剧照,Benedict Cumberbatch饰演图灵

然而这个故事大概率是骗人的,阴谋论能给出最直接的答案,真实的战场永远在虚虚实实中推进,密码攻防战在二战已成为国家级的系统对抗,破解一个密码系统只是一个阶段的成果,不能一劳永逸,自然也没必要付出一座主要工业城市的惨重代价。

图灵的改进拿来破解德国陆军和空军没有问题,但德国海军采用恩尼格玛机最早,保密性最强,庄园方面并不能拿出有效成果。

此时对英国而言,最致命的威胁来自于海面之下,被空军炸一炸还能生活这样子,但没有物资是不可能的。德国海军潜艇采用了狼群战术,每月吃掉的船只吨位远超英国建造下饺子能力,照这样玩,拿不到物资补给,英伦三岛沦陷只是个时间问题。

德军U型潜艇击沉美国货轮

为了搞定德国海军的恩尼格玛密码,英国人想出了各种方案,甚至认真想出一个冒充德国士兵混入潜艇偷密码本的方案。

好在德军内部对海军发展的意见并不一致,此时海军领导更喜好搞大舰巨炮,英国也幸运的从德军搁浅潜艇上捞出了密码本。

狼群嘛,潜艇集合攻击全靠无线电通讯,一旦通讯密电被破译,不但商船可以提前跑路避险,还容易被护航驱逐舰反潜“猎狼”,德国海军在大西洋开始每况愈下。最近汤姆·汉克斯有部电影《灰猎犬号》,非常写实,美国护航舰队战术占优高度依赖破译的恩尼格码密电。

这里可能有人要问:捞出来密码本替换了就行了啊。确实如此,彼时负责潜艇部队的邓尼茨出于直觉并不信任恩尼格玛机,也因此德国海军的密码进化速度非常快,但有些东西是不会变的,比如每个密电文末都要来一句“元首万岁”,这些因素加起来直接弱化了密电强度,大大提升“炸弹机”拆解密码速度。

密电频频被破解,空袭英伦效果打大折扣,此时德军飞行员时常发出灵魂之问“为何英国人如此灵敏”,但即使如此德军对恩尼格码机的自信依旧毫无动摇。

登陆英国无望,陆军闪击战战果又如此喜人,德国统帅部自然把目光投向了东方,看到苏军不久前在芬兰的惨败和内部大清洗后的虚弱,觉得3个月打瘫苏联拿下莫斯科不是难事。

而地中海方向,德军并没有完全消化掉英国的百年经营,比如意大利正南80公里马耳他岛的英国海空军基地持续运作,德军往北非的补给只能依靠意大利舰船,运输船航线不断被破解,极端情况下,同时驶出五艘补给船走不同航线全部被英军击沉,北非战场的结局因为补给问题早已注定。

到1943年,英国人在庄园里做出**“巨人计算机”,“巨人计算机”是人类第一台电子管计算机,拿来破解德军最高层专用的保密能力更强的“洛伦兹”**密码机。

“洛伦兹”刚被破解就用在了库尔斯克战场上,又据说是英国内部红色间谍起到作用,库尔斯库战役让德军闪击的意图变成会战而败,也造就了可能是人类历史上空前绝后的坦克战。

巨人跑起来后,希特勒到三军元帅高层将领的名字陆续出现在破译密电上,德军对英国再无密电可言。

3.美国黑室生前事

大洋彼岸的美国当然不会闲下来,图灵在普林斯顿读博期间,拜读在邱奇门下,论文曾经受到冯诺依曼的赞赏,二战期间访美交流密码破译和搞加密的香农每天见面聊天。这些天才从各个方面开启了计算和信息时代的大门。

美国人在二战中也做出了能搞定恩尼格玛机的“炸弹”计算机,参与工作的数千人以性命宣誓保密,50年后相关档案才最终解密。

现今美国国家安全局的前身“美国黑室”,创始人雅德利领导黑室从1917年开始共破译了45000份各国密码电报。1929年美国国务卿史汀生某天在阅读文件时发现了美国黑室这个组织,找胡佛总统商量后,提出**“绅士不窥探他人信件”,要关闭美国黑室,胡佛深表赞许**,雅德利就此失业。

雅德利退役并写出《美国黑室》,详细描述获取他国密电的细节,那炸了锅了,有点像20世纪30年代“棱镜门”,美国政府想把雅德利抓起来负刑事责任,却发现没有任何对应法条可以适用,赶紧开始增加立法。再看看斯诺登,不禁感慨,美国再也回不到当年理想主义的清纯了。

中译版,封面就挺动人

 

《美国黑室》直接刺激了日本,日军强化了密码系统,从德国学习了恩尼格玛机运行方式,做出了**“紫色“**密码机。

《美国黑室》中文译版被戴笠阅读后惊为天人,立马拍板高薪聘请雅德利到达重庆,雅德利在军统的“中国黑室“里破译了日本不少简单密电,如破解了日本空军密电,在重庆大轰炸中拯救生命无算,但对更强级别的“紫色机“密电却完全无能为力。更强的密电已属于信息文明曙光的算力问题范畴,对工业化未半而中道崩殂的民国当然是不能承受之重。

4.一生明暗复谁知

无线电对通信距离和速率的提升直接改变了战法与战争,各国一战结束前通信加密能力普遍较差,对新技术的适应和开发需要一个过程。

如上文提到的美国黑室雅德利,刚工作就凭一己之力破解了最高级别的美国总统密电;沙俄密码完全被德国掌握在东线损兵折将;德国密码对英国又近乎透明,1917年德国拍出一封密电怂恿墨西哥从美国抢回故土德克萨斯州,被英国利用,临门一脚促成美国参战。独领风骚的英国在密电战中也曾聪明反被聪明误,葬送上千水手和时任陆军元帅的性命。

在这种情况下,恩尼格玛机应运而生,工业革命下密码设备的电气化提升带来算力的大跃进,达到了古典密码学的巅峰。

然而有矛必有盾,有机械电气设备加密机,自然有相应的解密计算机,战争的无限资源投入还催生了人类第一台电子计算机。德军高层从希特勒开始深信机器无懈可击,终被打脸;学习到恩尼格玛机运作的日军,将其广泛运用在陆军和海军中,结果从中途岛到山本五十六一路崩坏。

现在普遍估计对轴心国的密码破解让战争提前了两到三年结束。

经过二战,英国算出了恩尼格玛;美国算出了恩尼格玛和原子弹;苏联夺得了钢铁洪流的定位、拿到了美国抢完的德国导弹遗址。英美感受到了信息文明的破晓之美,苏联则沿着重工业道路一路加速狂奔。

数十年后关于恩尼格玛机破解的档案才被解密,绝大部分奋战在一线的破译者姓名无人知晓。

英国在战后彻底销毁了巨人计算机,但战争中的积累促成了英国情报机构政府通信总部(GCHQ)之后的辉煌。美国国家安全局(NSA) 战后短时间膨胀到数万人,至今时常让地球人和各国政府感到被支配的恐惧。

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美国国家安全局(NSA) 总部

恩尼格码机的意义还不止于此,作为当时对称密码体系最创新、难度最高的产物,德国人的密码惨遭计算机暴力算力破解,被实力打脸。英美推己及人,深感这条路子不够完美,情报机关不断网罗人才研究理论创新与对策出路。

对称密码体系离不开一个密钥的传递问题,若使用在现代化点对点的通信过程中,如互联网设备间的每次交互,将会是不可承受之重。

以上问题,最终促使英美两国在二十世纪七十年代分别独立做出了非对称加密算法体系,又基于此,构造了我们今天的互联网。