無形戰場上的智慧較量—恩尼格瑪密碼

馬春光

在第二次世界大戰中，密碼學發生了一系列傳奇式的故事，特別是圍繞恩尼格瑪密碼設計和破譯的戰爭，跌宕起伏，盡顯人類智慧之美。德國人亞瑟·謝爾比烏斯發明了恩尼格瑪，波蘭人雷耶夫斯基初步破譯了恩尼格瑪，而英國人阿蘭·圖靈則終結了恩尼格瑪。今天，我們就一起來了解下恩尼格瑪的構造和原理。

認識恩尼格瑪

恩尼格瑪是世界上第一臺電氣機械裝置的密碼機，其形狀如同一臺打印機，它在20世紀30年代后期被用于第二次世界大戰，現藏于意大利米蘭國家科學技術博物館。

恩尼格瑪由鍵盤（Key-board）、燈盤（Lampboard）、轉輪組（Rotors）、插線板（Plugboard）4個主要部分構成。鍵盤與普通打字機的鍵盤類似，但只有26個字母，沒有標點符號；燈盤位于鍵盤之后，其上有26個字母，每個字母下面有一個小燈泡，用于顯示加密或解密后的字母；轉輪組位于燈盤后，在蓋板之下，從外面只能看到3個轉輪的部分齒狀邊緣和一個數字，其中齒狀物用于手動轉動輪子，而數字表示輪子的當前位置；插線板位于鍵盤下方，恩尼格瑪的正面。

轉輪組包括3個轉輪和1個反射輪，它們都套在同一根軸上，反射輪在最左邊。轉輪是恩尼格瑪的核心部件，轉輪的圓周上刻有1到26的數字，轉輪的正面有26個觸點、背面有26個觸針。一個輪子的觸點可以和另一個輪子的觸針套接在一起，形成轉輪組。在轉輪內部，觸點和觸針之間通過電線相互連接，從而形成了一種代換關系。轉輪轉動后，接線位置隨之改變，代換關系也會跟著變化。每當鍵盤上鍵入一個字母，位于最右邊的轉輪就會轉一格；右轉輪每轉完一圈26格，中間的轉輪就會轉一格；中間轉輪每轉完一圈26格，左邊的轉輪就轉一格。反射輪則始終不動，它對加密強度沒有影響，但是起到了可以使解密過程和加密過程完全一樣的作用。

插線板上面有26個插口，代表26個字母。使用時可用一根電線把任意兩個插口連接起來，比如說可以把A插口和J插口連接起來，這時就會把鍵盤上的A和J兩個按鍵互換，即如果按A鍵就會得到J，按J就會得到A。

恩尼格瑪加密、解密過程

當使用恩尼格瑪進行加密時，其過程如下：

（1）設好3個轉輪的初始值，并用6根電線連好插線板上的6對插口。

（2）在鍵盤上輸入明文，每輸入一個字母，該字母信號就會通過相應的電線傳到插線板。

（3）在插線板上，如果該字母正好屬于6對連接插口中的一對，就互換字母，否則就不互換。然后，該字母信號會傳到右轉輪上。

（4）右轉輪通過內部電線的連接方式，對輸入的字母作代換，然后傳到中間轉輪，同時轉動一格。

（5）中間轉輪再對字母作代換，然后傳到左邊轉輪。這時如果右邊轉輪從26格轉到1格，則轉動一格，否則不轉。

（6）左邊的轉輪再對字母作代換，然后傳給反射輪。這時如果中間的轉輪正好從26格轉到1格，則其自己也轉動一格，否則不轉。

（7）反射輪通過反射電路將結果傳給燈盤，燈盤上對應密文字母的小燈泡被點亮。

由于反射電路的巧妙設計，恩尼格瑪的解密與加密是相同的。在設定好了與加密時一樣的轉輪初始值和插線板接線后，在鍵盤上打入密文，執行以上步驟后，在燈盤上就顯示出了明文。

恩尼格瑪加密的例子

一個插線板沒有任何連線的恩尼格瑪，是如何對明文消息“ABC”進行加密的呢？如圖所示，當從鍵盤輸入字母A時，通過右輪子，A被代換成了Y；再經過中輪子，Y被代換成了R；最后經過左輪子，R被代換成了E。也就是說，A經過三次代換后，最終被加密成了E。當A字母被加密后，右輪子會向上移動一格。當接下來再輸入字母B時，B會被最終代換成T。同樣，右輪子也會向上移動一格。當接下來再輸入字母C時，C會被最終代換成G。這樣，明文“ABC”就被加密成了密文“ETG”。