恩尼格玛密码机

谁都能听到的电报

无线电让部队之间不用拉线就能通信，可是电波向四面八方传，对方也在听。电报只能先加密再发出去，收到后再解密。

手工查密码本又慢又容易出错，密码本一旦落到对方手里就全部作废。二十世纪二十年代出现了用机器加密的办法：每打一个字母，机器内部的线路就变一次，同一个字母这一次和下一次会变成不同的字母。恩尼格玛 I 型从 1930 年起在德国陆军使用，后来空军也用，一共造了两万多台。

按一个键，亮一盏灯

恩尼格玛没有打印机。操作员按下一个键，灯板上就有一个字母亮起来，旁边的人把它记下来。整条消息打完，再用莫尔斯电码发出去。

按键的同时，最右边的转子先转过一格，然后电路才接通。所以连按五次 A，五次亮的灯各不相同，而且没有一次是 A。

电流走的路

一节 4.5 伏电池供电。电流从按下的键出发，先经过插线板，进入入口轮，再依次穿过右、中、左三个转子，到达反射器。反射器把它从另一个触点送回来，反向再穿过三个转子、入口轮和插线板，最后点亮一盏灯。

每个转子两面各有 26 个触点，里面用 26 根导线把两面的触点打乱连起来。转子转一格，整条路线就跟着变。

电流的路线：键 → 插线板 → 入口轮 → 右 → 中 → 左 → 反射器 → 左 → 中 → 右 → 入口轮 → 插线板 → 灯

转子像里程表一样走

右转子每按一次键走一格。每个转子的字母环上有一个缺口，右转子转过缺口时，带着中转子走一格；中转子转过自己的缺口时，再带左转子走一格。转子 I 到 V 的进位点分别在 Q、E、V、J、Z。

它和里程表有一处不同：中转子走到自己的缺口时，下一次按键它会和左转子一起再走一格，这叫双步进。转子 I、II、III 时，窗口里的位置是 ADU、ADV、AEW、BFX：中转子在 E 只停了一下。所以三个转子转一整圈要 26 × 25 × 26 = 16,900 次按键，而不是 17,576 次。

陆军的恩尼格玛 I 型字母环上印的是数字 01–26，窗口里读到的数字对应字母 A–Z

插线板

机器前面的木盖翻下来，是插线板。每根双芯线插在两个字母的插孔上，把这两个字母对调：电流进转子之前换一次，出来以后再换一次。战争期间通常插十根线，二十个字母被两两对调，剩下六个不变。

插线板不随按键改变，但它让转子里的线路对破译的人来说多了一层未知。每个插孔有一粗一细两个孔，插头只能按一个方向插进去。

同一组设置，加密也解密

反射器把每个触点和另一个触点成对连在一起。所以在同一个位置上，A 变成 B，B 也一定变成 A。收报的人把转子、字母环、起始位置和插线设得和发报的人一样，把密文敲进去，灯上亮的就是原文。加密和解密用的是同一台机器、同一个操作。

同一个原因带来一个弱点：电流不能原路返回同一个触点，所以没有任何一个字母会被加密成它自己。这看起来无关紧要，后来却成了破译的人手里的工具。

一共有多少种设置

每天的密钥规定：从五个转子里选三个排好顺序，60 种；三个起始位置，26 × 26 × 26 = 17,576 种；十根线的插法，150,738,274,937,250 种。三者相乘约 1.59 × 10²⁰。

字母环也算进来时，只有中、右两个环会改变进位的时机，再乘 676，约 1.07 × 10²³，相当于 77 位左右的二进制密钥。左环只相当于换了一个起始位置，不增加新的设置。各处常引用的数字不同，是因为算进去的东西不同。这个数字假定对方已经知道转子的接线，而他们确实知道。

60 × 17,576 × 150,738,274,937,250 × 676 ≈ 1.07 × 10²³

拆开来看

最上面是转子盖，盖上三个小窗口显示转子的位置，三个滚花拇指轮从缝里伸出来，用手就能拨。盖子下面从左到右是反射器、左中右三个转子和入口轮，最右边是装 4.5 伏电池的小盒子。

中间是灯板和 26 只小灯泡，前面是 26 个键，最前面翻下的木盖后面是插线板和插线。外面是带铰链盖子的橡木箱，盖子里放着备用灯泡、插线和一块绿色滤光片。

剖开一个转子

转子的胶木芯里埋着 26 根导线。一面是 26 根带弹簧的黄铜触针，另一面是 26 片平的黄铜触点，每根导线把一面的某个触针接到另一面的某个触点上，顺序是打乱的。五个转子接法各不相同。

字母环可以相对芯子转动，这就是环设置：它改变窗口里的字母和内部接线的对应关系，也改变进位缺口的时机。剖面里高亮的那根线，是此刻电流经过的那一根。

它是怎么被破译的

1932 年起，波兰密码局的三位数学家 Marian Rejewski、Jerzy Różycki 和 Henryk Zygalski 开始攻恩尼格玛。Rejewski 用置换群的方法，加上法国情报部门从一名德国线人 Hans-Thilo Schmidt 那里得到的操作说明和几个月的密钥表，推出了转子的接线，波兰随后造出了复制机。他们又发明了周期测量器、Zygalski 的打孔纸片，1938 年造出了叫 bomba 的机器，用来找每天的设置。

1938 年 12 月德军加了转子 IV 和 V，可能的转子顺序从 6 种变成 60 种。1939 年 7 月，波兰人在华沙附近的皮雷把全部成果和复制机交给了法国和英国。在英国布莱切利园，Alan Turing 设计了英国的 bombe，Gordon Welchman 加上了对角板；第一台在 1940 年 3 月运到，到战争结束时有两百多台，大多由女性操作。

Bombe 靠「明文猜测」：天气报告、固定格式的开头，常常可以猜到电文里的一段原文。把这段猜测沿着密文滑动，凡是有一个字母对上它自己的位置都可以排除，因为恩尼格玛不会把字母加密成自己。剩下的位置交给 bombe，它飞快地试转子顺序和起始位置，排除自相矛盾的插线假设。

把猜测的原文沿密文滑动：红色的位置有字母对上了自己，可以直接排除

它改变了什么

破译得到的情报在英国叫 Ultra。它帮助大西洋上的护航船队绕开潜艇，在北非和诺曼底登陆前后提供了德军的部署。这些工作在战后保密了近三十年，直到 1970 年代才公开，波兰人的贡献也是那时才为人所知。

Ultra 对战争的影响有多大，历史学家的估计不一样。英国情报战史的官方作者 Harry Hinsley 认为，没有它，诺曼底登陆可能要推迟到 1946 年，战争会长得多；也有人认为影响小一些。这类「如果没有」的问题本来就无法验证。比较确定的是：bombe 把破译变成了工业化的流程；恩尼格玛也提醒后来的密码设计者，机器本身迟早会被对方知道，安全只能靠密钥。