主题：【秘密通信的世界】ENIGMA的兴亡（一） -- 阿康

发现网上有这个的完整描述，我就偷懒一把了

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ENIGMA的兴亡（一）

　　　　　　　　　　　作者 异调

　　人类使用密码的历史，从今天已知的，最早可以一直追溯到古巴

比伦人的泥板文字。古埃及人，古罗马人，古阿拉伯人……几乎世界

历史上所有文明都使用过密码。军事和外交一直是密码应用的最重要

的领域，国王、将军、外交官以及阴谋分子等，为了在通讯过程中保

护自己信息不被外人所知，使用过形形色色的密码；而为了刺探于己

不利的秘密，他们又绞尽脑汁地试图破译对手的密码。加密与解密一

直是密码学这枚硬币互相对抗又互相促进的两面。在所有用于军事和

外交的密码里，最著名的恐怕应属第二次世界大战中德国方面使用的

ENIGMA（读作“恩尼格玛”，意为“谜”）。

一、诞生

　　直到第一次世界大战结束为止，所有密码都是使用手工来编码的。

直接了当地说，就是铅笔加纸的方式。在我国，邮电局电报编码和译

码直到很晚（大概是上个世纪八十年代初）还在使用这种手工方法。

手工编码的方式给使用密码的一方带来很多的不便。首先，这使得发

送信息的效率极其低下。明文（就是没有经过加密的原始文本）必须

由加密员人工一个一个字母地转换为密文。考虑到不能多次重复同一

种明文到密文的转换方式（这很容易使敌人猜出这种转换方式），和

民用的电报编码解码不同，加密人员并不能把转换方式牢记于心。转

换通常是采用查表的方法，所查表又每日不同，所以解码速度极慢。

而接收密码一方又要用同样的方式将密文转为明文。其次，这种效率

的低下的手工操作也使得许多复杂的保密性能更好的加密方法不能被

实际应用，而简单的加密方法根本不能抵挡解密学的威力。

　　解密一方当时正值春风得意之时，几百年来被认为坚不可破的维

吉耐尔(Vigenere)密码和它的变种也被破解。而无线电报的发明，使得

截获密文易如反掌。无论是军事方面还是民用商业方面都需要一种可

靠而又有效的方法来保证通讯的安全。

　　1918年，德国发明家亚瑟?谢尔比乌斯(Arthur Scherbius)和他的朋

友理查德?里特(Richard Ritter)创办了谢尔比乌斯和里特公司。这是一

家专营把新技术转化为应用方面的企业，很象现在的高新技术公司，

利润不小，可是风险也很大。谢尔比乌斯负责研究和开发方面，紧追

当时的新潮流。他曾在汉诺威和慕尼黑研究过电气应用，他的一个想

法就是要用二十世纪的电气技术来取代那种过时的铅笔加纸的加密方

法。

　　　　　　　　　亚瑟?谢尔比乌斯

　　谢尔比乌斯发明的加密电子机械名叫ENIGMA，在以后的年代里，

它将被证明是有史以来最为可靠的加密系统之一，而对这种可靠性的

盲目乐观，又使它的使用者遭到了灭顶之灾。这是后话，暂且不提。

　　　　　ENIGMA

　　ENIGMA看起来是一个装满了复杂而精致的元件的盒子。不过要是

我们把它打开来，就可以看到它可以被分解成相当简单的几部分。下

面的图是它的最基本部分的示意图，我们可以看见它的三个部分：键

盘、转子和显示器。

　　在上面ENIGMA的照片上，我们看见水平面板的下面部分就是键

盘，一共有26个键，键盘排列接近我们现在使用的计算机键盘。为了

使消息尽量地短和更难以破译，空格和标点符号都被省略。在示意图

中我们只画了六个键。实物照片中，键盘上方就是显示器，它由标示

了同样字母的26个小灯组成，当键盘上的某个键被按下时，和此字母

被加密后的密文相对应的小灯就在显示器上亮起来。同样地，在示意

图上我们只画了六个小灯。在显示器的上方是三个转子，它们的主要

部分隐藏在面板之下，在示意图中我们暂时只画了一个转子。

　　键盘、转子和显示器由电线相连，转子本身也集成了6条线路（在

实物中是26条），把键盘的信号对应到显示器不同的小灯上去。在示

意图中我们可以看到，如果按下a键，那么灯B就会亮，这意味着a被加

密成了B。同样地我们看到，b被加密成了A，c被加密成了D，d被加密

成了F，e被加密成了E，f被加密成了C。于是如果我们在键盘上依次键

入cafe（咖啡），显示器上就会依次显示DBCE。这是最简单的加密方

法之一，把每一个字母都按一一对应的方法替换为另一个字母，这样

的加密方式叫做“简单替换密码”。

　　简单替换密码在历史上很早就出现了。著名的“凯撒法”就是一

种简单替换法，它把每个字母和它在字母表中后若干个位置中的那个

字母相对应。比如说我们取后三个位置，那么字母的一一对应就如下

表所示：

　　明码字母表：abcdefghijklmnopqrstuvwxyz

　　密码字母表：DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC

　　于是我们就可以从明文得到密文：（veni, vidi, vici，“我来，我见，

我征服”是儒勒?凯撒征服本都王法那西斯后向罗马元老院宣告的名

言）

　　明文：veni, vidi, vici

　　密文：YHAL, YLGL, YLFL

　　很明显，这种简单的方法只有26种可能性，不足以实际应用。一

般上是规定一个比较随意的一一对应，比如

　　明码字母表：abcdefghijklmnopqrstuvwxyz

　　密码字母表：JQKLZNDOWECPAHRBSMYITUGVXF

甚至可以自己定义一个密码字母图形而不采用拉丁字母。但是用这种

方法所得到的密文还是相当容易被破解的。至迟在公元九世纪，阿拉

伯的密码破译专家就已经娴熟地掌握了用统计字母出现频率的方法来

击破简单替换密码。破解的原理很简单：在每种拼音文字语言中，每

个字母出现的频率并不相同，比如说在英语中，e出现的次数就要大大

高于其他字母。所以如果取得了足够多的密文，通过统计每个字母出

现的频率，我们就可以猜出密码中的一个字母对应于明码中哪个字母

（当然还要通过揣摩上下文等基本密码破译手段）。柯南?道尔在他

著名的福尔摩斯探案集中《跳舞的人》里详细叙述了福尔摩斯使用频

率统计法破译跳舞人形密码的过程。

　　所以如果转子的作用仅仅是把一个字母换成另一个字母，那就没

有太大的意思了。但是大家可能已经猜出来了，所谓的“转子”，它

会转动！这就是谢尔比乌斯关于ENIGMA的最重要的设计――当键盘

上一个键被按下时，相应的密文在显示器上显示，然后转子的方向就

自动地转动一个字母的位置（在示意图中就是转动1/6圈，而在实际中

转动1/26圈）。下面的示意图表示了连续键入3个b的情况：

ENIGMA Structure 2

当第一次键入b时，信号通过转子中的连线，灯A亮起来，放开键后，

转子转动一格，各字母所对应的密码就改变了；第二次键入b时，它所

对应的字母就变成了C；同样地，第三次键入b时，灯E闪亮。

转子

　　照片左方是一个完整的转子，右方是转子的分解，我们可以看到安装在转子中的电线。

　　这里我们看到了ENIGMA加密的关键：这不是一种简单替换密码。

同一个字母b在明文的不同位置时，可以被不同的字母替换，而密文中

不同位置的同一个字母，可以代表明文中的不同字母，频率分析法在

这里就没有用武之地了。这种加密方式被称为“复式替换密码”。

　　但是我们看到，如果连续键入6个字母（实物中26个字母），转子

就会整整转一圈，回到原始的方向上，这时编码就和最初重复了。而

在加密过程中，重复的现象是很危险的，这可以使试图破译密码的人

看见规律性的东西。于是谢尔比乌斯在机器上又加了一个转子。当第

一个转子转动整整一圈以后，它上面有一个齿拨动第二个转子，使得

它的方向转动一个字母的位置。看下面的示意图（为了简单起见，现

在我们将它表示为平面形式）：

ENIGMA Structure 3

这里(a)图中我们假设第一个转子（左边的那个）已经整整转了一圈，

按b键时显示器上D灯亮；当放开b键时第一个转子上的齿也带动第二个

转子同时转动一格，于是(b)图中第二次键入b时，加密的字母为F；而

再次放开键b时，就只有第一个转子转动了，于是(c)图中第三次键入b

时，与b相对应的就是字母B。

　　我们看到用这样的方法，要6*6=36（实物中为26*26=676）个字母

后才会重复原来的编码。而事实上ENIGMA里有三个转子（二战后期

德国海军用ENIGMA甚至有四个转子），不重复的方向个数达到26*26*26

=17576个。

　　在此基础上谢尔比乌斯十分巧妙地在三个转子的一端加上了一个

反射器，而把键盘和显示器中的相同字母用电线连在一起。反射器和

转子一样，把某一个字母连在另一个字母上，但是它并不转动。乍一

看这么一个固定的反射器好象没什么用处，它并不增加可以使用的编

码数目，但是把它和解码联系起来就会看出这种设计的别具匠心了。

见下图：

ENIGMA Structure 4

我们看见这里键盘和显示器中的相同字母由电线连在一起。事实上那

是一个很巧妙的开关，不过我们并不需要知道它的具体情况。我们只

需要知道，当一个键被按下时，信号不是直接从键盘传到显示器（要

是这样就没有加密了），而是首先通过三个转子连成的一条线路，然

后经过反射器再回到三个转子，通过另一条线路再到达显示器上，比

如说上图中b键被按下时，亮的是D灯。我们看看如果这时按的不是b键

而是d键，那么信号恰好按照上面b键被按下时的相反方向通行，最后

到达B灯。换句话说，在这种设计下，反射器虽然没有象转子那样增加

可能的不重复的方向，但是它可以使译码的过程和编码的过程完全一

样。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　反射器

　　想象一下要用ENIGMA发送一条消息。发信人首先要调节三个转

子的方向，使它们处于17576个方向中的一个（事实上转子的初始方向

就是密匙，这是收发双方必须预先约定好的），然后依次键入明文，

并把闪亮的字母依次记下来，然后就可以把加密后的消息用比如电报

的方式发送出去。当收信方收到电文后，使用一台相同的ENIGMA，

按照原来的约定，把转子的方向调整到和发信方相同的初始方向上，

然后依次键入收到的密文，并把闪亮的字母依次记下来，就得到了明

文。于是加密和解密的过程就是完全一样的――这都是反射器起的作

用。稍微考虑一下，我们很容易明白，反射器带来的一个副作用就是

一个字母永远也不会被加密成它自己，因为反射器中一个字母总是被

连接到另一个不同的字母。

　反射器和转子

　　　　　　　　　　安装在ENIGMA中的反射器和三个转子

　　于是转子的初始方向决定了整个密文的加密方式。如果通讯当中

有敌人监听，他会收到完整的密文，但是由于不知道三个转子的初始

方向，他就不得不一个个方向地试验来找到这个密匙。问题在于17576

个初始方向这个数目并不是太大。如果试图破译密文的人把转子调整

到某一方向，然后键入密文开始的一段，看看输出是否象是有意义的

信息。如果不象，那就再试转子的下一个初始方向……如果试一个方

向大约要一分钟，而他二十四小时日夜工作，那么在大约两星期里就

可以找遍转子所有可能的初始方向。如果对手用许多台机器同时破译，

那么所需要的时间就会大大缩短。这种保密程度是不太足够的。

　　当然谢尔比乌斯还可以再多加转子，但是我们看见每加一个转子

初始方向的可能性只是乘以了26。尤其是，增加转子会增加ENIGMA

的体积和成本。谢尔比乌斯希望他的加密机器是便于携带的（事实上

它最终的尺寸是34cm*28cm*15cm），而不是一个具有十几个转子的庞

然大物。首先他把三个转子做得可以拆卸下来互相交换，这样一来初

始方向的可能性变成了原来的六倍。假设三个转子的编号为1、2、3，

那么它们可以被放成123-132-213-231-312-321六种不同位置，当然现在

收发消息的双方除了要预先约定转子自身的初始方向，还要约定好这

六种排列中的使用一种。

　　下一步谢尔比乌斯在键盘和第一转子之间增加了一个连接板。这

块连接板允许使用者用一根连线把某个字母和另一个字母连接起来，

这样这个字母的信号在进入转子之前就会转变为另一个字母的信号。

这种连线最多可以有六根（后期的ENIGMA具有更多的连线），这样

就可以使６对字母的信号互换，其他没有插上连线的字母保持不变。

在上面ENIGMA的实物图里，我们看见这个连接板处于键盘的下方。

当然连接板上的连线状况也是收发信息的双方需要预先约定的。

ENIGMA Structure 5

在上面示意图中，当b键被按下时，灯Ｃ亮。

　　于是转子自身的初始方向，转子之间的相互位置，以及连接板连

线的状况就组成了所有可能的密匙，让我们来算一算一共到底有多少

种。

　　三个转子不同的方向组成了26*26*26=17576种不同可能性；

　　三个转子间不同的相对位置为6种可能性；

　　连接板上两两交换6对字母的可能性数目非常巨大，有

100391791500种；

　　于是一共有17576*6*100391791500，大约为10000000000000000，

即一亿亿种可能性。

　　只要约定好上面所说的密匙，收发双方利用ENIGMA就可以十分

容易地进行加密和解密。但是如果不知道密匙，在这巨大的可能性面

前，一一尝试来试图找出密匙是完全没有可能的。我们看见连接板对

可能性的增加贡献最大，那么为什么谢尔比乌斯要那么麻烦地设计转

子之类的东西呢？原因在于连接板本身其实就是一个简单替换密码系

统，在整个加密过程中，连接是固定的，所以单使用它是十分容易用

频率分析法来破译的。转子系统虽然提供的可能性不多，但是在加密

过程中它们不停地转动，使整个系统变成了复式替换系统，频率分析

法对它再也无能为力，与此同时，连接板却使得可能性数目大大增加，

使得暴力破译法（即一个一个尝试所有可能性的方法）望而却步。

　　1918年谢尔比乌斯申请了ENIGMA的专利。他以为既然自己的发

明能够提供优秀的加密手段，又能拥有极高的加密解密效率，一定能

很快就畅销起来。他给商业界提供了一种基本型ENIGMA，又给外交

人员提供一种豪华的装备有打印机的型号。但是他似乎搞错了。他的

机器售价大约相当于现在的30000美元（如果订购一千台的话每台便

宜4000美元）。这个价钱使得客户望而却步。虽然谢尔比乌斯向企业

家们宣称，如果他们重要的商业秘密被竞争对手知道了的话，遭到的

损失将比ENIGMA的价格高得多，但是企业家们还是觉得他们没有能

力来购买ENIGMA。谢尔比乌斯的新发明并没有象他预料的那样带来

多少回响。军队方面对他的发明也没有什么太多的注意。

　　谢尔比乌斯的失望是可想而知的。但是这方面他不是唯一的人。

和他几乎同时在另外三个国家的三个发明家也都独立地想到了发明了

使用转子的电气加密机的主意。1919年荷兰发明家亚历山大?科赫

(Alexander Koch)注册了相似的专利，可是却没有能够使它商业化，

1927年他只好卖掉了他的专利。在瑞典，阿维德?达姆(Arvid Damm)

也获得了一个差不多的专利，但是直到1927年他去世时还是没有能找

到市场。在美国，爱德华?赫本(Edward Hebern)发明了他的“无线狮

身人面”，对它充满希望。他用三十八万美元开了一个工厂，却只卖

出价值一千两百美元的十来台机器。1926年在加利福尼亚州赫本被股

东起诉，被判有罪。

　　可是谢尔比乌斯突然时来运转。英国政府发表了两份关于一次大

战的文件使得德国军队开始对他的发明大感兴趣。其中一份是1923年

出版的温斯顿?丘吉尔的著作《世界危机》，其中有一段提到了英国

和俄国在军事方面的合作，指出俄国人曾经成功地破译了某些德军密

码，而使用这些成果，英国的40局（英国政府负责破译密码的间谍机

构）能够系统性地取得德军的加密情报。德国方面几乎是在十年之后

才知道这一真相。第二份文件同样是在1923年由皇家海军发表的关于

第一次世界大战的官方报告，其中讲述了在战时盟军方面截获（并且

破译）德军通讯所带来的决定性的优势。这些文件构成了对德国情报

部门的隐性指控，他们最终承认“由于无线电通讯被英方截获和破译，

德国海军指挥部门就好象是把自己的牌明摊在桌子上和英国海军较量。”

　　为了避免再一次陷入这样的处境，德军对谢尔比乌斯的发明进行

了可行性研究，最终得出结论：必须装备这种加密机器。从1925年开

始，谢尔比乌斯的工厂开始系列化生产ENIGMA，次年德军开始使用

这些机器。接着政府机关，比如说国营企业，铁路部门等也开始使用

ENIGMA。这些新型号的机器和原来已经卖出的一些商用型号不同，

所以商用型机器的使用者就不知道政府和军用型的机器具体是如何运

作的。

　　在接下来的十年中，德国军队大约装备了三万台ENIGMA。谢尔

比乌斯的发明使德国具有了最可靠的加密系统。在第二次世界大战开

始时，德军通讯的保密性在当时世界上无与伦比。似乎可以这样说，

ENIGMA在纳粹德国二战初期的胜利中起到的作用是决定性的，但是

我们也会看到，它在后来希特勒的灭亡中扮演了重要的角色。

　　但是谢尔比乌斯没有能够看见所有这一切。有一次在套马时，他

被摔到了一面墙上，于1929年5月13日死于内脏损伤。