恩尼格玛机：密码战进入机械电子时代Enigma: crypto warfare enters the age of mec

前三代密码加密法——隐藏法、替代法和维吉尼亚加密法。著名的第四代加密法——恩尼格玛密码机（Enigma）。

这个名字翻译版本挺多的，不论是叫英格玛机，或者是哑谜机器，还是奇谜机，指的都是图灵在二战后期破译的那种机器。就统一叫它“恩尼格玛机”。

它使用的加密方式，本质上还是第二代加密法——替代和移位，但因为可以切换无穷多种加密配套组合，所以在对抗频率分析法上极其有效。

恩尼格玛机是一种机械电子式的加密机，由一堆齿轮、电线、灯泡、转盘、摇杆组成。其实使用机器做繁琐的加密工作在之前也有过，只是因为它们都没有量产，所以也没有流行。而恩尼格玛机，是第一个大规模量产的加密机。

也正是从它开始，密码学不再依赖纸和笔的运算，使用机械和电子加密的时代正式到来，所以它是第四代加密法。

第一台恩尼格玛机，是一战刚刚结束的时候由德国发明家雪毕伍斯（Arthur Scherbius）和里特（Richard Ritter）制造出的。

这台机器分3部分，3部分之间由齿轮和电线相连：

第一部分，是敲原文用的键盘；

第二部分，是把原文加工成密文的编码器；

第三部分，是密文的显示板。

操作员只要做好设定，在键盘上敲入原文，经过编码器编码，密文显示板会按规则点亮密文字母，抄写员把点亮的字母的顺序记录下来，加密过程就完成了。

这其中重点就是编码器，编码器的工作原理有点复杂，详细说说：

编码器由一堆可以手工设置的机械部件组成，任何地方的调整都会改变加密的结果。

其中最大的部件是齿轮式的字母盘，它前后通过导线与敲原文用的键盘，以及密文显示板相连。键盘那边敲一个字母，信号通过导线传给齿轮上的触点，再通过导线传到密文显示板上，原文就这样被加密成另一个字母了。

看起来好像没什么，但恩尼格玛机的真正高明之处在于 ——每敲一个字母，齿轮会往下转一格，齿轮的转动导致线路连接的变化，而连接线一变，又直接导致加密结果的不同。

所以同一个字母敲入第二次、第三次，输出到密文显示板的结果也都不一样。总之，齿轮能转多少格，就意味着有几套加密法等着轮替。

更高明的是，恩尼格玛机的加密可能性，理论上是无限多的。最早齿轮一圈只有6格，也就是只有6套加密法。后来感觉这不够用，齿轮就增加到了26个格。

再后来，单套齿轮格数不再增加，而是增加了第2套齿轮，上面也有26个格。只有在第1套齿轮转完一圈后，第2套齿轮才前进一格。这样一来，有两套齿轮的恩尼格玛密码机，相当于拥有26×26，也就是676套密码。如果还觉得不稳妥，可以继续增加齿轮的套数。

恩尼格玛机，拥有三组齿轮的编码器

一张早期的恩尼格玛机的照片，可以看出它有3套齿轮。后来这个规模的恩尼格玛机，主要用于商业领域。

它如果每个齿轮都有26格，那么使用的加密法有26^8套，也就是2000多亿套，这是一个非常大的量。当然，机器也很贵，最终只有德国海军配备了。

机械加电子的方式让加密解密错误大大降低，效率也高了很多。但关键是设计规范，可以量产。

好，现在从密码学细节上想想，恩尼格玛机属于哪一类加密呢？

没错，其实还是类似于维吉尼亚加密法。

它和维吉尼亚加密法1.0、2.0、3.0的最大区别就是钥匙，而维吉尼亚加密法各种版本之间的区别，也在于钥匙的设定上。

回忆一下前面讲过的内容：

1.0版，钥匙是随便想出来的一个词，然后重复的用；

2.0版，钥匙长度增加了很多，但为了便于双方协同使用，往往是一篇文章、一首诗；

3.0版，钥匙是纯粹随机字母，而真随机很难制造，密码簿又厚到不能用

所以3.0版只停留在理论上，实际几乎没人使用。

现在的恩尼格玛机，也仍然是在钥匙簿上做改进。

一方面，它比互相约定一首诗、一篇文章要没有规律得多得多；另一方面，这种钥匙肉眼看上去好像随机，但又不是真的随机。它依赖于齿轮和电缆的机械和电结构，其实有内在规律的。

而从密文中找出这种规律，就是破解恩尼格玛机的核心任务。

恩尼格玛机的方便之处在于，几组齿轮的初始值是可以随意设置的。

比如说都封装好了以后，每组齿轮在正上方都留一个小窗口，三组齿轮各自露出一个小窗口，收发双方约定好，这3个窗口在初始时各显示哪3个字母，然后他们按这个顺序编码信息、解码信息，互相之间就可以通信了。

为了更安全，可以每天更换一次3组齿轮的初始设定，一个月里需要约定的初始设定也只有90个字母而已，非常方便。

那问题来了，这种恩尼格玛机能不能用在战争中呢？

我们就说过战时加密的原则，要假设敌方已经拥有了和自己一样的解密水平。以这样的标准来看，恩尼格玛机是很可靠的。

因为即便敌方有了一模一样的恩尼格玛机，但只要不知道我们事先约定的钥匙，也就是机器的初始设定是什么，有机器也白搭。

那这样的机器是完全没有方法破解吗？

直接告诉你答案——不是的。

原因还是反复说过的，恩尼格玛机通过齿轮生成的钥匙，只是看上去很随机，它内在还是有规律可循的。这个规律就是它会按次序转动，第一个齿轮转一圈后，第二个齿轮动一个格，第二个齿轮转一圈后，第三个齿轮动一格。光光就这个规律，就能给人提供破解机会了。我说的机会，就是用穷举法去暴力破解。

既然三个轮子，每个提供26个字符，那钥匙的初始值可以出现的最大组合就是26×26×26，也就是17576种。我就买回来100台机器，每个人都发一份同样的密文，挨个试，每台机器负责尝试其中的175种，说不准几个小时就能把初始值碰对了。

设计者早就考虑到暴力破解的问题了，所以他们在键盘和编码器之间又增加了一个叫“接线板”的结构，可以调换6对字母的线路。

比如你在键盘上按的是a，但电流信号却是沿着b的线路输出到编码器上的。通过调换26个字母中随意的6对，组合一下就增多到了1000多亿种，所以恩尼格玛机是可以扛住暴力破解的。

实在不行，还可以添加更多组齿轮，就像德国海军那样，甚至用到了8组，这让军用恩尼格玛机的安全性更有保障。

上面讲的是原理，下面来说说这第一代恩尼格玛机的命运。

可能跟你想的非常不一样，它第一代非常不顺利。

雪毕伍斯对产品做了一个高低端的区分。高端型号的售价折算到今天，相当于人民币18万元一台，重量大约100斤。最初推广给商业公司，宣传的理由是商业机密泄露会是巨大的损失。可是老板普遍却认为，买这台昂贵又不实用的机器造成的损失更大。

雪毕伍斯也试过找德国外交部门和军方，但前面讲过了，1918年的德国还没认识到自己的密码学远远落后于西欧大部分国家，所以也完全不用。

雪毕伍斯并不是那个时代唯一做出这项发明的人，当时荷兰人、瑞典人、美国人都注册过类似的专利，但没有人卖得出去。

有的人破产，有的人因欠款坐了牢。只有雪毕伍斯坚持到了最后。这倒不是因为他的机器有多好，而是因为他的家底厚。他原来的工厂什么都生产，恩尼格玛机卖不出去，那就卖涡轮机，卖卖枕头，这些都可以赚钱，所以就靠这些东西强撑着。

到了1923年，英国报纸刊登的两则消息，突然唤醒了德国情报部门。其中一条还是英国首相丘吉尔写的，他讲了1914年英国和俄国是怎么搞定德军密码的传奇故事，另一条是英国军方解密的关于一战的历史数据，尤其夸耀了自己在密码学上的优势。

结果德军看了之后感觉像被打了脸，同时也吓得不轻。从前他们以为自己在密码学领域，和欧洲其他国家水平同齐。现在突然发现，第一次世界大战那几年，自己的军事机密一直在被泄露，现状太可怕了。

经过仔细评估，德军找来几年前向他们推销过恩尼格玛机的雪毕伍斯，开始大量订货。不但如此，后来德国的国企也开始大量订购。

直到二战结束，雪毕伍斯一共卖掉10万多台恩尼格玛机。这些机器在后来20多年里一直保障着德国的通讯安全，但没想到就差最后一哆嗦。后来德国在二战中的败局，也正是因为对恩尼格玛机太过于依赖。这些后面会详细讲到。

二战中的恩尼格玛机影响到底如何？

其实雪毕伍斯自己根本不知道。因为他在机器刚刚大卖第5年的时候，就因为一次马车失控，撞墙身亡。

回顾一下恩尼格玛机的加密过程。

正是恩尼格玛机的诞生，使密码学彻底进入了机械电子时代。

这个时代的加密，在原理上甚至还不如维吉尼亚加密法3.0坚固，但它在加密成本和加密坚固程度上达成了平衡。虽然在理论上依然是可以破解的，但这个弱点通过机械电子化弥补上了，弥补的方法就是无限增加破解的工作量。

也就是说，在1918年后，任何一个人通过肉身，通过纸和笔的运算，都无法和那时候的加密法抗衡了。哪怕那种加密法是可破解的，也没办法。谁想破解，也只能借助机械电子化的设备才可以。