拯救了三千万人生命的一名黑客
如今,黑客被认为是罪犯,但他们的前辈——密码学家——曾经拯救了数百万人的生命。其中,有一位波兰数学家通过破解名为恩尼格玛(Enigma)的纳粹秘密在很大程度上决定了第二次世界大战的结果。
1918年11月11日,经历123年被普鲁士、奥地利和俄罗斯瓜分的时期,波兰重新获得独立。然而,期待已久的自由却没有持续多久。事实很快证明,历史上最可怕的时期在波兰邻国已经开始了,导致与其建立和平关系是不可能的。
波兰西部与魏玛共和国接壤,随着时间的推移,魏玛共和国转变为纳粹德国。波兰的东部边界又有俄罗斯苏维埃联邦社会主义共和国(未来苏联最大的加盟共和国)。该共和国希望能够在整个欧洲进行共产主义革命。刚重生的波兰从诞生之日起就处于极大危险之中,除了重建和统一国家之外,还面临着确保自己安全的任务。
新成立的波兰情报部门对此深有体会,因此很快就成立了一个专门从事密码学--密码技术的使用、分析和研究的机构。该情报机构的主要目标是弄清楚两个邻国的秘密计划。初期被称为:“波兰的总参谋部二局无线电情报和密码科”,后来成为著名的“密码处”(Biuro Szyfrów)。也就是该处的员工成功破解了恩尼格玛密码。
选出最佳之中的最佳
德国军队于1928年初实施了机器密码,波兰情报部门则立即开展对其破解的工作。在接下来的四年里,尽管在波苏战争(1919年2月至1921年3月)期间破译了100多个密码,这个未来著名的密码科仍然一直都无法成功破解机器密码。1932年终于意识到该科的资源不足以破解德国机器密码,于是决定为数百名学生和研究人员举办代码解密课程,以选出最有才华的解密者。
发现最有前途的是马里安·雷耶夫斯基(又译:雷杰夫斯基,瑞杰斯基,Marian Rejewski),一位数学家,波兹南大学毕业生,曾在哥廷根实习过一年(因而精通德语)。除了他之外,波兹南大学数学系的另外两名毕业生——亨里克·佐加尔斯基(Henryk Zygalski)和耶日·茹日茨基(又译:杰尔兹·罗佐基,Jerzy Różycki)也当选。三人立即被派往密码处工作,开始破译恩尼格玛密码。
“恩尼格玛”是指什么?
“恩尼格玛”是20年代初出现在市场上的一种机电旋转机械,能够自由购买(不过,该机器并不便宜),主要用于商业目的。二十世纪20年代末,德国军队首先购买了恩尼格玛密码机,之后该机器立即成为其主要密码机(尤其是供海军和空军使用)。为什么选择恩尼格玛呢?可能是因为它不是基于语言的密码(第一次世界大战期间很普遍的),而是基于多种字母的替换密码。恩尼格玛的操作需要详细的解释——下面我们尝试以简单易懂的方式介绍其特性。
转子
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转子是由硬质橡胶或电木制成,一系列由弹簧承载的黄铜管脚呈环形排列于其中一面,而另一面相对应的则是圆形的金属触点。转子的位置相邻,一个接一个,以便其中一个的管脚接触另外一个的金属触点。管脚和触点对应于字母表中的字母(通常是从A到Z的26个字母)。每个转子的功能都很简单:基本的交换密码。例如,对应于“O”字母第一转子上的触点可能连接到第二转子上的“Z”字母。然而,恩尼格玛更先进的版本一次使用3到4个转子,其中的每个转子都有26个可能的位置。此外,转子具有可变的字母环排列并且每次按下键盘上的键时,每个转子都会改变其位置。这样,由于利用转子,每条秘密信息在发送之前都会经过多次变换。
接线板
用于解密由恩尼格玛密码机加密信息的代码每天都在变化。首先,它是通过所选择的转子以及其原始位置而决定。此外,加密者还使用了另一种设备,称为:“Steckerbrett”的接线板。每个操作员在信号穿过转子之前,能够通过改变电线的连接使密码变得更复杂。Steckerbrett 接线板能够使字母对互相交换位置。带有接线板的恩尼格玛密码机更难“破解”,因为不可能从数学上解释改变字母的原理(都是操作员的自由决定,他能够自由地改变电线连接)。
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因此,想要解密如此的消息,军用版恩尼格玛密码机操作员必须了做到以下几点:
- 恢复转子系统的原来位置——其中需要确定所选择的转子(有五种类型)及其安装顺序;
- 了解转子的初始位置——它是由操作员自己选择的,每个消息/日期/周期都不同。在发送加密消息之前,操作员先输入包含转子原始位置中可见的字母,即密钥;
- 猜测 Steckerbrett 接线板的设置,即电线连接方式。
人们相信,由于如此复杂的设备,恩尼格玛密码无法被破解,因此法国和英国情报部门认为,纳粹的信息只能通过窃取其中一台机器并在德国军队中安插一名特工来解密。他应该通知盟军密码设置每日发生的变化。然而,该计划是非常短视的,因为任何一台恩尼格玛密码机的消失都会立即被注意到,而且一旦发现,该机制将立即被重新设计。至于那些监视纳粹的双重间谍,他们的生命却是很短暂的……
雷耶夫斯基上台
1931年底,法国和英国的情报部门陷入了失败的困境。同年,一位德国贵族、德国军队密码参谋部军官,汉斯-蒂洛·施密特(Hans-Thilo Schmidt)接到了一个任务:销毁过时的恩尼格玛密码列表,包括多日的恩尼格玛密码设置。出于某种原因(可能是财务原因),他决定将这些代码出售给法国情报人员古斯塔夫·贝特朗(Gustave Bertrand)。贝特朗立即组建了一个特别小组来分析这些数据,但所收到的信息被认为是过时且无用的。此外,信息极少,甚至无法开始对此进行分析。
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马里安·雷耶夫斯基,图源:Irena Jarosińska / Forum
接下来,贝特朗决定将这些文件交给波兰人和英国人。那时,雷耶夫斯基已经拥有恩尼格玛的“民用”版本(在德国购买的)。他立即意识到成功即将到来。使用从贝特朗那儿拿到的资料,他将手里的文本与密码进行比较,从而计算出来公式。此公式允许解密德国军队所使用的恩尼格玛版本中转子线的连接。如此的做法要求他对排列理论具有极深的了解。一旦雷耶夫斯基确定了五种类型转子中每一种的接线,他就让工程师重新配置机器,随后将转子置于与密文中相同的位置,再输入编码的消息,然后……所输出的内容发现是乱七八糟的,一组混乱的字母,与其他加密消息完全不同。
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马里安·雷耶夫斯基与妻子,图源:Irena Jarosińska / Forum
雷耶夫斯基不断地核对自己的计算,因为他确信,他已经解开了转子和接线板操作的秘密。然而,他一直感觉,当前的计算遗漏了一些乍一看似乎很简单的东西——排除其他原因之后,唯一可能的结论是:按键与其上方相应指示灯的组合。
在商用的恩尼格玛机(正如雷耶夫斯基本人使用的那种)中,按键的排列方式始终与德国印刷机相同,即按照如下的模式:A->Q B->W C->E等等;QWERTZ 键盘上的每个字母都有一个对应的键。尽管存在数十万种可能的接线方式,但雷耶夫斯基仍决心要尝试其中的每一种可能的按键布局组合。
他从最标准的字母顺序开始:A->A、B->B、C->C,结果呢……他得到了正确的文本!雷耶夫斯基成功破解了密码!现在,波兰情报部门拥有了德国军用恩尼格玛密码机的全功能副本!那么,操作原理为什么如此简单呢?没人知道。机器的设置每天都在变化,但至少代码被解密了。
记转器
恩尼格玛密码机的设置(即转子的初始位置以及接线板连接线的配置)会定期更改——通常是每天更改。德国人认为,使用这种方法,即使代码被解开,破译其整体的工作原理几乎是不可能的。为了将加密内容传输给接收者,发送者必须先发送包含密钥的一条消息。该消息由在转子原始位置可见的加密字母组成。为了避免错误,密钥必须输入两次。
雷耶夫斯基很快就注意到了这个过程的弱点所在。首先,全天所有消息的密钥都是相同的。此外,不可靠的操作员经常选择最简单的密钥,如:AAA、ZZZ或QAY。通过对大量密码进行的分析,设置的可能数量从1012个被减少成105456个。如此,可以开始对其进行编目。雷耶夫斯基发明的,名为“记转器”(cyklometr)的一种机器使得能够机械地完成此任务。他如此评价自己的发明:
“用记转器计将代码编入目录的过程非常耗时,总共花了一年多的时间,但当一切都完成了,每天的密钥都可以在十五分钟内获得。”
该目录于1936年完成,一直到1937年运行良好。几乎100%的德国信息都被成功地解密。1937年底,德国军队似乎意识到出了问题,因此他们改变了编码方法,导致雷耶夫斯基的方法变得无效。然而,波兰的密码处并不考虑到放弃!
佐加尔斯基穿孔薄板
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当雷耶夫斯基的方法无法再用之后,1928年被选中的另一位学生,亨里克·佐加尔斯基想出了一个非常有效的解决方案——后来被称为:“佐加尔斯基穿孔薄板”的发明。该发明基于密钥信息中字符的重复性。得益于佐加尔斯基开发的一种特殊的穿孔纸板,他能够追踪机器设置以及当日的密钥。雷耶夫斯基非常欣赏该方法(尽管不是自动的),并让操作员不断地寻找正确的组合,直到他们的手指流血:
“当薄板被应用并根据精确制定的程序开始按照一定的顺序,以一定的方式相对于彼此移动时,可见孔的数量逐渐减少。如果我们具备所需的数据量,最终仅仅会留下一个孔——也就是可能对应的正确位置的孔,即解决方案。根据孔所在的位置,我们可以计算出转子的顺序、其上面字母环的位置以及……整个密钥。”
然而,设置必须在恩尼格玛密码机副本上一一检查。如果密码学家不走运,该过程可能需要很长时间。战争临近,密码处则很清楚,他们当前需要的是一种更快、更有效的方法。
解密“炸弹”
雷耶夫斯基有一次证明了自己的工程天才:他创造了名为“解密炸弹”的一台机器。该机器是基于佐加尔斯基想法(跟踪密钥信息中重复的字母)的一种机电设备。“炸弹”这个名字可能来自于该设备在运行过程中所发出的滴答声。
“1938年秋天发明的‘解密炸弹’使日常密钥解密过程成为自动化的,并且更加速了。每枚‘解密炸弹’(1939年9月之前在华沙为密码处制造了六枚类似的设备)本质上是六台恩尼格玛机的集合。它取代了近100名员工,并将代码收集时间减少到大约两个小时”
——雷耶夫斯基写道。
此类的“炸弹”具有很高的效率,快速又准确。然而,庆祝成功还为时过早:密码处很清楚,欧洲的政治局势有多么危险,德国专家很快就会意识到他们的密码再次被解密。
第二次世界大战开始
1938年9月15日,德国军队再次改进了恩尼格玛密码机的设置,为其增加了两个额外的转子盘。这使破译代码的过程复杂了十倍(对于三个转子,存在着6种设置方法,对于五个转子则,存在着60种设置方法)。尽管雷耶夫斯基很快就计算出了新转子盘的内部接线方式,但解密每日的密钥却变得更加困难。与此同时,政治紧张局势日益加剧。1939年4月,德国单方面退出了波德互不侵犯条约。这迫使波兰密码处与其盟友法国和英国分享其成就。此前,波兰陆军司令将所有解密的信息发送给了盟军,但由于担心反间谍活动,却没有透露解密方法。1939年7月26日,在华沙郊区的一次秘密会议上,波兰专家通知法国和英国的军事首长,恩尼格玛密码已经被破解,并郑重承诺向他们提供军用版恩尼格玛密码机的副本以及破译代码和解决可能的代码修改问题的方法。1939年9月1日,德国进攻波兰。
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密码处所在之地,波兰华沙萨克森宫殿,图源:公共领域
从波兰,经法国,前往英国
9月5日,即德国袭击事件发生仅四天后,密码处的所有员工决定逃离波兰。他们成功地到达法国之后开始为 PC Bruno(专门负责破译军事密码的波兰-法国情报机构)工作。在1940年7月法国投降之后,全部 PC Bruno 专家都不得不逃往英国。在这之前的几乎五分之一的恩尼格玛密码都是在该机构被破译的。纳粹逮捕了其中一部分员工。尽管遭受了可怕的酷刑,但他们都没有透露恩尼格玛密码是如何破译的。
在英国,马里安·雷耶夫斯基和亨里克·佐加尔斯基加入了流亡的波兰军队,开始破译德国手动编程的代码。由于他们身处被占领的法国,并在前往英国的途中被佛朗哥军队逮捕,因此让他们来到布莱切利园(英国陆军解密器总部)被认为风险太大。
结语
雷耶夫斯基和其在密码处工作的合作者的想法和研究为进一步破解不断变化的恩尼格玛密码奠定了基础。1940年后,布莱切利园团队持续进一步的解密工作。那里的工程师发明了他们自己的“炸弹”版本。到战争末期时,几乎100%的德国信息都被解密。德怀特·艾森豪威尔表示,破解恩尼格玛密码对于盟军的胜利至关重要,许多历史学家认为它使战争缩短了两年,从而挽救了数百万人的生命。
第二次世界大战后,亨里克·佐加尔斯基留在英国。他于1978年去世。
马里安·雷耶夫斯基回到波兰并于1980年去世,享年74岁。
两位伟大的数学家都被授予大十字级的波兰复兴勋章以及英国军事勋章。
来源:马里安·雷耶夫斯基、理查德·沃伊塔克(Woytak Richard),1984年“A Conversation with Marian Rejewski”,马里安·雷耶夫斯基“Summary of Our Methods for Reconstructing ENIGMA and Reconstructing Daily Keys, and of German Efforts to Frustrate Those Methods”
作者:沃伊切赫·奥乐克夏克(Wojciech Oleksiak)
中文译者:司徒静(Magdalena Stoszek-Deng),2023年11月
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