ローターマシン

暗号学において、ローターマシンは、メッセージの暗号化と復号化に使用される電気機械式ストリーム暗号装置です。ローターマシンは、20 世紀のほとんどの期間、暗号技術の最先端技術であり、1920 年代から 1970 年代にかけて広く使用されていました。最も有名な例はドイツのEnigma マシンで、その出力は第二次世界大戦中に連合国によって解読され、コード名Ultraと呼ばれる情報が生成されました。

ローター マシンの主な構成要素は、ホイールまたはドラムとも呼ばれる回転ディスクのセットです。回転ディスクの両側に電気接点の配列があります。接点間の配線により、文字の固定置換が実装され、複雑な方法で文字が置き換えられます。これだけではセキュリティはほとんど提供されませんが、各文字を暗号化する前または後に、ローターの位置が進み、置換が変更されます。この方法により、ローター マシンは、キーが押されるたびに変化する 複雑な多アルファベット置換暗号を生成します。

古典的暗号において、最も初期の暗号化方法の 1 つは単純な換字式暗号であり、これはメッセージ内の文字を何らかの秘密方式を使用して体系的に置換するものでした。単一アルファベット換字式暗号は単一の置換方式 (「アルファベット」と呼ばれることもあります) のみを使用していましたが、これは頻度分析などを使用して簡単に破ることができました。複数のアルファベットを使用する方式、つまり多アルファベット暗号は、よりいくらか安全でした。このような方式は手作業で実装されていたため、使用できるアルファベットは少数に限られ、それ以上複雑なものは実用的ではありませんでした。しかし、少数のアルファベットしか使用しないと、暗号は攻撃に対して脆弱なままでした。ローター マシンの発明により、多アルファベット暗号が機械化され、はるかに多くのアルファベットを使用する実用的な方法が提供されました。

最も初期の暗号解読技術は頻度分析であり、これは各言語に固有の文字パターンを使用して、単一アルファベット置換暗号で使用されている置換アルファベットに関する情報を発見するものでした。たとえば、英語では、平文の文字 E、T、A、O、I、N、S は、非常に頻繁に使用されるため、対応する暗号文の文字も同様に頻繁に使用されるという理由で、暗号文では通常簡単に識別できます。さらに、 NG、ST などのバイグラムの組み合わせも非常に頻繁に使用されますが、他の文字は非常にまれです (たとえば、Q の後に U 以外の文字が続く)。最も単純な頻度分析は、暗号文の 1 つの文字が常に暗号文の 1 つの文字に置き換えられていることに依存しています。そうでない場合、メッセージの解読はより困難になります。長年にわたり、暗号学者は一般的な文字のいくつかの異なる置換を使用して、特徴的な頻度を隠そうとしましたが、この技術では平文の文字の置換のパターンを完全に隠すことはできませんでした。こうした計画は 16 世紀までに広く破られるようになりました。

15 世紀半ば、現在では一般に多文字暗号として知られる新しい技術がアルベルティによって発明された。これは、複数の換字アルファベットを使用することの利点を認識したものであり、メッセージで使用する多数の換字パターンを「作成」するための単純な技術も発明した。2 者が少量の情報 (鍵と呼ばれる)を交換し、それを使用して多数の換字アルファベットを作成し、単一の平文の中で各平文文字の多数の異なる換字を作成する。このアイデアは単純かつ効果的であるが、予想以上に使用が難しいことが判明した。多くの暗号はアルベルティの暗号を部分的に実装しただけであり、そのため予想以上に簡単に解読できた (例:ヴィジュネル暗号)。

1840 年代 (バベッジ) になって初めて、多アルファベット暗号を確実に解読できる技術が知られるようになった。彼の技術では、暗号文内の繰り返しパターンも探し、鍵の長さに関する手がかりを得た。これが分かれば、メッセージは基本的に鍵の長さと同じ長さの一連のメッセージとなり、通常の頻度分析を適用できる。チャールズ・バベッジ、フリードリヒ・カシスキ、ウィリアム・F・フリードマンは、これらの技術の開発に大きく貢献した人物である。

暗号設計者は、ユーザーに各文字ごとに異なる置換文字を使用させようとしましたが、これは通常、非常に長い鍵を意味し、いくつかの点で問題がありました。長い鍵は、それを必要とする当事者に (安全に) 伝達するのに時間がかかり、鍵の配布で間違いが発生する可能性が高くなります。また、多くのユーザーは、長くて文字が完璧な進化を実行する忍耐力がなく、時間的プレッシャーや戦場のストレスの下ではなおさらです。このタイプの「究極の」暗号は、そのような「長い」鍵を単純なパターンから (理想的には自動的に) 生成できる暗号であり、置換文字が非常に多いため、頻度カウントや統計的攻撃が事実上不可能になります。エニグマ、およびローター マシン全般は、まさに必要とされていたものでした。なぜなら、それらは、平文の各文字ごとに異なる置換文字を使用し、自動で、ユーザーに特別な能力を要求しない、非常に多文字性であったからです。それらのメッセージは、一般に、以前のどの暗号よりも解読がはるかに困難でした。

単純な置換を実行するマシンを作成するのは簡単です。26 個の電球に 26 個のスイッチが取り付けられた電気システムでは、スイッチのいずれか 1 つを押すと電球の 1 つが点灯します。各スイッチがタイプライターのキーで操作され、電球に文字のラベルが付けられている場合、キーと電球間の配線を選択することで、このようなシステムを暗号化に使用できます。たとえば、文字Aを入力すると、 Q のラベルが付いた電球が点灯します。ただし、配線は固定されているため、セキュリティはほとんど提供されません。

ローター マシンは、キーを打つたびに相互接続配線を変更します。配線はローター内に配置され、文字が押されるたびにギアで回転します。そのため、最初にA を押すとQ が生成され、次に押すとJが生成される場合があります。キーボードで文字が押されるたびに、ローターの位置が増加して新しい置換が行われ、多アルファベット置換暗号が実装されます。

ローターのサイズによっては、手書きの暗号よりも安全になる場合とそうでない場合があります。ローターに 26 の位置 (各文字に 1 つずつ) しかない場合、すべてのメッセージには 26 文字の (繰り返し) キーが含まれます。キー自体は (ほとんどはローターの配線に隠されています) 不明ですが、このようなタイプの暗号を攻撃する方法ではその情報は必要ありません。したがって、このような単一ローターマシンは確かに使いやすいですが、他の部分的な多アルファベット暗号システムよりも安全というわけではありません。

しかし、これは簡単に修正できます。ローターを隣同士に積み重ね、ギアを合わせるだけです。最初のローターが「完全に」回転したら、その隣のローターを 1 回転させます。これで、キーが繰り返される前に 26 × 26 = 676 文字 (ラテン アルファベットの場合) を入力する必要がありますが、それでも設定に必要なのは 2 つの文字/数字のキーを伝えることだけです。676 の長さのキーでは足りない場合は、別のローターを追加して、17,576 文字の長さにすることができます。

暗号化と同じくらい解読も容易になるように、いくつかのローターマシン、最も有名なのはエニグママシンでは対称鍵アルゴリズムが採用されており、同じ設定で2回暗号化すると元のメッセージが復元されます（反転を参照）。

^[要出典]

ローターマシンの概念は、同時期に複数の発明家によって独立して考案されました。

2003年、最初の発明者は1915年のオランダ海軍士官2人、テオ・A・ファン・ヘンゲル（1875年～1939年）とRPC・スペングラー（1875年～1955年）であったことが明らかになりました（De Leeuw、2003年）。これまでこの発明は、エドワード・ヘーベルン、アルヴィド・ダム、ヒューゴ・コッホ、アーサー・シェルビウスの4人の発明者がほぼ同時期に独立して取り組んでいたと考えられていました。

米国 では、エドワード・ヒュー・ヘバーンが1917 年に単一のローターを使用したローター マシンを製作しました。彼は、そのようなシステムを軍に販売すれば金持ちになれると確信し、ヘバーン ローター マシンと名付け、1 個から 5 個のローターを備えた一連の異なるマシンを製造しました。しかし、彼の成功は限定的で、 1920 年代に破産しました。彼は 1931 年に少数のマシンを米国海軍に販売しました。

ヘバーンのマシンでは、ローターを開けて数分で配線を変更できるため、大量生産されたシステムを多数のユーザーに販売し、ユーザーが独自のローター キーを作成できるようにしました。暗号解読は、ローターを取り外して回転させて回路を逆にすることで行われました。ヘバーンは知りませんでしたが、米国陸軍のSISのウィリアム F. フリードマンは、十分な作業でこのマシンの暗号や同様の設計機能を持つマシンの暗号を解読できるシステムの欠陥をすぐに実証しました。

初期のローターマシンの発明者としては、オランダ人のヒューゴ・コッホが1919年にローターマシンの特許を申請した。同時期にスウェーデンでは、アルヴィド・ゲルハルト・ダムが別のローター設計を発明し、特許を取得した。しかし、ローターマシンを最終的に有名にしたのは、1918年にローターマシンの特許を申請したアーサー・シェルビウスだった。シェルビウスは後にエニグママシンを設計し、販売した。

最も広く知られているローター暗号装置は、第二次世界大戦中に使用されたドイツのエニグマ暗号機であり、これにはいくつかの派生型がありました。

標準的なエニグマ モデルであるエニグマ I では、3 つのローターが使用されていました。ローター スタックの端には、回転しない追加のディスク (「リフレクター」) があり、入力が同じ側の別の接点に電気的に接続されるように配線されているため、3 つのローター スタックを介して「反射」され、暗号文が生成されます。

他のほとんどのローター暗号機に電流が送られると、電流はローターを通過して反対側のランプに伝わります。しかし、エニグマでは、電流はランプに伝わる前にディスクに「反射」されます。この利点は、メッセージを解読するためにセットアップに何もする必要がなかったことです。つまり、この機械は「対称的」でした。

エニグマのリフレクターは、文字がそれ自体として暗号化されないことを保証し、A がAに戻ることは決してありませんでした。これはポーランド、そして後にイギリスによる暗号解読の試みに役立ちました。(エニグマの暗号解読を参照 。)

シェルビウスは、機械技師のリッターと力を合わせてベルリンでキフリエマシーネンAGを設立し、1923年にベルンで、続いて1924年にストックホルムで開催された世界郵便会議でエニグマを一般公開した。1927年にシェルビウスはコッホの特許を購入し、1928年に機械の前面にプラグボード（基本的には回転しないが手動で配線を変更できる4番目のローター）を追加した。1929年にシェルビウスが死去した後、ヴィリー・コーンがエニグマのさらなる技術開発を担当した。

他の初期のローター式暗号機と同様に、シェルビウスの商業的成功は限定的でした。しかし、ドイツ軍は、第一次世界大戦中に暗号が解読されたという暴露を受けて、通信の安全を確保するためにエニグマを採用しました。ドイツ海軍は1926 年にエニグマを採用し、ドイツ陸軍は1928 年頃から別の変種を使い始めました。

エニグマ（いくつかの派生型）は、シェルビウスの会社とその後継者であるハイムゾト＆ラインケがドイツ軍やナチ党の保安組織であるSDなどの機関に供給した回転式暗号機であった。

ポーランド人は、エニグマが配備されて間もない1932年12月からドイツ軍の暗号を解読し始めた。1939年7月25日、ヒトラーのポーランド侵攻のわずか5週間前に、ポーランド参謀本部の暗号局は、ナチスドイツに対する共同防衛へのポーランドの貢献として、エニグマの解読方法と装置をフランスとイギリスに提供した。ディリー・ノックスは、スペイン内戦中の1937年に、すでにスペイン国民党のメッセージを市販のエニグマ暗号機で解読していた。

数か月後、イギリス軍はポーランドの技術を使い、ドイツ軍に制圧されたポーランドから脱出してパリにたどり着いたポーランド暗号局の暗号学者と共同でエニグマ暗号の解読を開始した。ポーランド軍はドイツ軍のエニグマ暗号とドイツ空軍のエニグマ暗号の解読を続けたが、1940年5月から6月にかけてのドイツ軍の侵攻によりフランスの ブルーノ警察署での作業は中止された。

イギリスはエニグマの解読を続け、最終的にはアメリカの支援を受けて、その解読範囲をドイツ海軍のエニグマ通信（ポーランドは戦前から解読していた）にまで広げ、特に大西洋の戦いの際にはUボートとの間の解読に注力した。

第二次世界大戦中、ドイツと連合国はともに追加のローター式暗号機を開発した。ドイツはロレンツSZ40/42とシーメンスおよびハルスケT52の暗号機を使用して、ボードット符号を使用するテレタイプ暗号機の通信を暗号化した。この通信は連合国にはフィッシュと呼ばれていた。連合国はTypex（英国製）とSIGABA（米国製）を開発した。戦争中、スイスはエニグマの改良版の開発を開始し、これが第二次世界大戦後に実用化されたNEMA暗号機となった。日本製のエニグマの派生型もあり、ローターが水平に配置されていたが、実用化されることはなかったようだ。日本製のPURPLE暗号機はローター式暗号機ではなく、電気式ステップスイッチを中心に構築されていたが、概念的には類似していた。

ローター式暗号機は、コンピューター時代になっても使用され続けました。8つのローターを備えた暗号機であるKL-7 (ADONIS) は、1950 年代から 1980 年代まで米国とその同盟国で広く使用されていました。KL-7 で暗号化されたカナダの最後のメッセージは、1983 年 6 月 30 日に送信されました。ソ連とその同盟国は、1970 年代までずっと、 Fialkaと呼ばれる 10 個のローターを備えた暗号機を使用していました。

2002年、オランダを拠点とするタチアナ・ヴァン・ヴァルク氏によって、クリプトグラフと呼ばれるユニークなローターマシンが作られました。この珍しい装置はエニグマにヒントを得たものですが、40ポイントのローターを使用しており、文字、数字、一部の句読点を解読できます。各ローターには509個の部品が含まれています。

ローター マシンのソフトウェア実装は、初期のUNIXオペレーティング システムの一部であったcryptコマンドで使用されていました。これは、暗号化実装を軍需品として分類する米国の輸出規制に違反した最初のソフトウェア プログラムの 1 つでした。

• BID/60（シングル）
• 複合暗号機
• エニグママシン
• フィアルカ
• ハゲリンの機械には
  • C-36、
  • C-52
  • CD-57
  • M-209
• ヘベルンローターマシン
• HX-63
• KL-7
• ラシダ
• ローレンツSZ40/42
• M-325
• 水銀
• ネマ
• OMI暗号
• 赤
• シーメンスとハルスケT52
• シガバ
• シグカム
• タイプエックス

• フリードリヒ・L・バウアー、「ローター暗号化装置の歴史における誤り」、Cryptologia 23(3)、1999年7月、206ページ。
• Cipher A. Deavours、Louis Kruh、「Machine Cryptography and Modern Cryptanalysis」、Artech House、1985 年。ISBN  0-89006-161-0。
• Karl de Leeuw、「オランダにおけるローターマシンの発明、1915年 - 1923年」。Cryptologia 27(1)、2003年1月、pp73-94。

• 暗号機の画像、ローターマシンの画像が多数掲載されたサイト
• ローターマシンの写真
• 暗号機のタイムライン 2021-10-06 にWayback Machineでアーカイブされました