無(wú)形戰(zhàn)場(chǎng)上的智慧較量—恩尼格瑪密碼

馬春光

在第二次世界大戰(zhàn)中，密碼學(xué)發(fā)生了一系列傳奇式的故事，特別是圍繞恩尼格瑪密碼設(shè)計(jì)和破譯的戰(zhàn)爭(zhēng)，跌宕起伏，盡顯人類智慧之美。德國(guó)人亞瑟·謝爾比烏斯發(fā)明了恩尼格瑪，波蘭人雷耶夫斯基初步破譯了恩尼格瑪，而英國(guó)人阿蘭·圖靈則終結(jié)了恩尼格瑪。今天，我們就一起來(lái)了解下恩尼格瑪?shù)臉?gòu)造和原理。

認(rèn)識(shí)恩尼格瑪

恩尼格瑪是世界上第一臺(tái)電氣機(jī)械裝置的密碼機(jī)，其形狀如同一臺(tái)打印機(jī)，它在20世紀(jì)30年代后期被用于第二次世界大戰(zhàn)，現(xiàn)藏于意大利米蘭國(guó)家科學(xué)技術(shù)博物館。

恩尼格瑪由鍵盤（Key-board）、燈盤（Lampboard）、轉(zhuǎn)輪組（Rotors）、插線板（Plugboard）4個(gè)主要部分構(gòu)成。鍵盤與普通打字機(jī)的鍵盤類似，但只有26個(gè)字母，沒(méi)有標(biāo)點(diǎn)符號(hào)；燈盤位于鍵盤之后，其上有26個(gè)字母，每個(gè)字母下面有一個(gè)小燈泡，用于顯示加密或解密后的字母；轉(zhuǎn)輪組位于燈盤后，在蓋板之下，從外面只能看到3個(gè)轉(zhuǎn)輪的部分齒狀邊緣和一個(gè)數(shù)字，其中齒狀物用于手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)輪子，而數(shù)字表示輪子的當(dāng)前位置；插線板位于鍵盤下方，恩尼格瑪?shù)恼妗?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2018/10/18/qkimageszsllzsll201810zsll20181014-1-l.jpg"/>

轉(zhuǎn)輪組包括3個(gè)轉(zhuǎn)輪和1個(gè)反射輪，它們都套在同一根軸上，反射輪在最左邊。轉(zhuǎn)輪是恩尼格瑪?shù)暮诵牟考D(zhuǎn)輪的圓周上刻有1到26的數(shù)字，轉(zhuǎn)輪的正面有26個(gè)觸點(diǎn)、背面有26個(gè)觸針。一個(gè)輪子的觸點(diǎn)可以和另一個(gè)輪子的觸針套接在一起，形成轉(zhuǎn)輪組。在轉(zhuǎn)輪內(nèi)部，觸點(diǎn)和觸針之間通過(guò)電線相互連接，從而形成了一種代換關(guān)系。轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)后，接線位置隨之改變，代換關(guān)系也會(huì)跟著變化。每當(dāng)鍵盤上鍵入一個(gè)字母，位于最右邊的轉(zhuǎn)輪就會(huì)轉(zhuǎn)一格；右轉(zhuǎn)輪每轉(zhuǎn)完一圈26格，中間的轉(zhuǎn)輪就會(huì)轉(zhuǎn)一格；中間轉(zhuǎn)輪每轉(zhuǎn)完一圈26格，左邊的轉(zhuǎn)輪就轉(zhuǎn)一格。反射輪則始終不動(dòng)，它對(duì)加密強(qiáng)度沒(méi)有影響，但是起到了可以使解密過(guò)程和加密過(guò)程完全一樣的作用。

插線板上面有26個(gè)插口，代表26個(gè)字母。使用時(shí)可用一根電線把任意兩個(gè)插口連接起來(lái)，比如說(shuō)可以把A插口和J插口連接起來(lái)，這時(shí)就會(huì)把鍵盤上的A和J兩個(gè)按鍵互換，即如果按A鍵就會(huì)得到J，按J就會(huì)得到A。

恩尼格瑪加密、解密過(guò)程

當(dāng)使用恩尼格瑪進(jìn)行加密時(shí)，其過(guò)程如下：

（1）設(shè)好3個(gè)轉(zhuǎn)輪的初始值，并用6根電線連好插線板上的6對(duì)插口。

（2）在鍵盤上輸入明文，每輸入一個(gè)字母，該字母信號(hào)就會(huì)通過(guò)相應(yīng)的電線傳到插線板。

（3）在插線板上，如果該字母正好屬于6對(duì)連接插口中的一對(duì)，就互換字母，否則就不互換。然后，該字母信號(hào)會(huì)傳到右轉(zhuǎn)輪上。

（4）右轉(zhuǎn)輪通過(guò)內(nèi)部電線的連接方式，對(duì)輸入的字母作代換，然后傳到中間轉(zhuǎn)輪，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)一格。

（5）中間轉(zhuǎn)輪再對(duì)字母作代換，然后傳到左邊轉(zhuǎn)輪。這時(shí)如果右邊轉(zhuǎn)輪從26格轉(zhuǎn)到1格，則轉(zhuǎn)動(dòng)一格，否則不轉(zhuǎn)。

（6）左邊的轉(zhuǎn)輪再對(duì)字母作代換，然后傳給反射輪。這時(shí)如果中間的轉(zhuǎn)輪正好從26格轉(zhuǎn)到1格，則其自己也轉(zhuǎn)動(dòng)一格，否則不轉(zhuǎn)。

（7）反射輪通過(guò)反射電路將結(jié)果傳給燈盤，燈盤上對(duì)應(yīng)密文字母的小燈泡被點(diǎn)亮。

由于反射電路的巧妙設(shè)計(jì)，恩尼格瑪?shù)慕饷芘c加密是相同的。在設(shè)定好了與加密時(shí)一樣的轉(zhuǎn)輪初始值和插線板接線后，在鍵盤上打入密文，執(zhí)行以上步驟后，在燈盤上就顯示出了明文。

恩尼格瑪加密的例子

一個(gè)插線板沒(méi)有任何連線的恩尼格瑪，是如何對(duì)明文消息“ABC”進(jìn)行加密的呢？如圖所示，當(dāng)從鍵盤輸入字母A時(shí)，通過(guò)右輪子，A被代換成了Y；再經(jīng)過(guò)中輪子，Y被代換成了R；最后經(jīng)過(guò)左輪子，R被代換成了E。也就是說(shuō)，A經(jīng)過(guò)三次代換后，最終被加密成了E。當(dāng)A字母被加密后，右輪子會(huì)向上移動(dòng)一格。當(dāng)接下來(lái)再輸入字母B時(shí)，B會(huì)被最終代換成T。同樣，右輪子也會(huì)向上移動(dòng)一格。當(dāng)接下來(lái)再輸入字母C時(shí)，C會(huì)被最終代換成G。這樣，明文“ABC”就被加密成了密文“ETG”。