100年前，他们为了隐藏自己的秘密，竟制造了这么复杂的机器！

大家好，我是科学羊🐑！这里第4季数学专栏之密码学10篇。

之前我们已经探讨了关于密码学的前三代加密技术：隐藏法、替代法和维吉尼亚加密法。

今天，我们将深入了解备受瞩目的第四代加密技术——恩尼格玛密码机。

2014年上映的《模仿游戏》，如果大家看过，一定会记得图灵大神是如何协助军方破译恩尼格玛的过程。

恩尼格玛机的中文译名众多，无论是英格玛机、哑谜机器还是奇谜机，它们都指向同一种机器——那种由图灵在二战后期成功破译的密码机。

姑且，在我们的文章里，将统一称呼它为“恩尼格玛机”。

这种机器在本质上仍旧采用第二代加密法——替代和移位加密，但其独特之处在于它能够通过切换无数种加密配对组合来有效抵抗频率分析攻击。

恩尼格玛机是一种机械电子式的加密设备，它由一系列的齿轮、电线、灯泡、转盘和摇杆组成，第一台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。

尽管在此之前也有机器用于执行复杂的加密任务，但这些机器从未实现大规模生产，因此并未普及。

而恩尼格玛机则是第一种大规模生产的加密机，它的出现标志着密码学的一个重要转折点，即从依赖纸笔到使用机械和电子设备进行加密的过渡。

图片来自wiki

恩尼格玛机的基本构造包括三个主要部分：

一个用于输入明文的键盘，

一个将明文转换为密文的编码器，

一个显示密文的显示板。

操作员只需设置好机器，然后在键盘上输入明文，经过编码器的处理，密文就会在显示板上以亮起的字母形式显示出来，记录员则记录这些亮起的字母，完成加密过程。

编码器是恩尼格玛机的核心部件，它由多个可以手动调节的机械组件组成，任何调整都能改变加密结果。

编码器最显著的部件是一个齿轮式的字母盘，它通过电线与键盘和显示板连接。每次键入一个字母，信号就会通过电线传输到字母盘上的触点，然后再传到显示板，从而将明文转换为密文。

恩尼格玛机的巧妙之处在于，每敲击一个字母，齿轮就会转动一格。

齿轮的每一次转动都会导致连接的线路发生变化，从而改变加密结果。

因此，即使多次输入同一字母，显示板上的输出也会不同。这意味着，齿轮的每一格都代表一种不同的加密方法。

随着时间的推移，恩尼格玛机的设计不断改进，从最初的6格齿轮增加到了26格，甚至增加了多套齿轮，以此增强加密的复杂度和安全性。

比如，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。

想想都觉得头大！

恩尼格玛机，拥有三组齿轮的编码器

其实，恩尼的基本原理与维吉尼亚加密法相似，主要在于密钥的复杂性和不规律性上进行了创新。

维吉尼亚加密法的各个版本之间的区别主要在于密钥的长度和复杂性。

初版维吉尼亚加密使用的是一个简单的重复词作为密钥；

其后的版本则利用更长的文本，如文章或诗歌，作为密钥；

而更高级的版本则采用完全随机的字母序列，这虽然理论上更安全，但实际应用中由于操作复杂而鲜少使用。

恩尼格玛机的创新之处在于它的密钥不是静态的文本，而是通过机械装置生成的动态序列。

这台机器内置了多组可调节的齿轮和电缆，通过这些部件的不断转动和相互作用，产生看似随机但实际上有规律的密钥序列。

这种设计使得恩尼格玛机的加密过程具有很高的安全性。

使用时，操作员会设置齿轮的初始位置，这些位置通过机器上的小窗口显示，确保加密和解密双方能够同步。为了增加安全性，这些设置每天都会更改一次，以此来防止密码被破解。

尽管恩尼格玛机在设计上考虑了多种安全措施，如引入接线板来打乱字母的对应关系，以及可能的多组齿轮设计，但它的密钥生成过程中仍存在可预测的规律性。

这种规律性为破解者提供了可能的突破口，例如通过穷举法尝试所有可能的初始设置。

在实际应用中，恩尼格玛机最初并不成功，主要是因为其高昂的成本和复杂的操作。

初期主要面向商业市场推广，但并未获得市场的广泛接受。

然而，随着密码安全意识的提高和军事需求的增加，恩尼格玛机开始被军方广泛采用，特别是在德国，它成为了保障通信安全的重要工具。

总的来说，恩尼格玛机是密码学发展中的一个重要里程碑，尽管它的设计并不完美，但它在加密技术的发展和应用上都发挥了重要作用，特别是在战争中的使用显著提高了通信的安全性。

好，今天就这样啦～

科学羊🐏  2024/04/10

祝幸福~

参考文献

[1].https://www.dedao.cn/course/article?id=D4vE8rn63yN5JAL1OVOpoPzG0MdqBb

[2].卓克密码学课