Enigma 密码机

加密通信在军事与外交领域的重要性是不言而喻的。在无线电发明之前，通信主要依靠实物（竹简、奏折、家书）来传递信息。在那个时代人们主要依靠封泥、密封等物理办法来防止信息泄露，当然也有通过化学反应的变色来书写的密信。在北宋时期，中国出现了用于军事的字验（类似于后来的加密解密用到的密码本）。那是关于替换加密法的最早历史记录。

由于无线电的开放性，传统的加密方式完全不能用在无线电通信上了。电报用到的摩尔斯电码是公开的，无线电信号也是很容易监听的。替换加密法成了唯一可用的加密方式。手工依靠密码本来加密和解密非常低效且容易出错。为了安全作想，密码本也是经常更换的，这近一步降低了手工加密和解密的效率及可靠性。德国人在1918年发明了一种专门用来加密解密的机器，名为Enigma。图灵（没错，就是教科书书里那个图灵）在二次世界大战中的重要贡献就是破解Enigma。

这种机器的结构十分巧妙。它包含26个按键和26个小灯用于输入输出26个字母。按下一个按键，对应加密后字母的小灯亮起。它还包括多个转子、一个反射板(Reflector)、一个插线板(pluginboard)。它的原理示意图如下：

原理图只画出了4个字母的通路，其他22个字母的通路与画出的4个通路是一样的。合并任何一个字母的一个单刀双掷开关，电流从电池正极出发，经过插线板，多个转子，经反射板后折返，回流过多个转子和插线板，最后经灯泡回到电池负极。电路上的原理很简单，好像乎没有任何巧妙可言。除连接电池正负极以外的每一根导线只能代表一个字母，合并一个开关时只能有一个灯泡亮起，一个灯泡亮起时也只能有一个开关合并。在转子保持静止时，插线板、转子、反射板中的一组通路把俩个灯泡的一端并联起来。合并被并联的两个灯泡中任意一个灯泡对应的一个开关时，另一个灯泡就会亮起。当开关S断开灯泡S，接到电池正极时，灯泡L亮起。反之当开关L接到电池正极时，灯泡S亮起。当转子旋转后，灯泡的并联关系发生变化，但是仍然每组最多有两个灯泡并联。

沿转子两个侧面的边沿各均匀分布有26个触点，两边一共52个触点。一侧的26个触点一一对应另一侧的26个触点。单个转子可能有26！种一一映射。转子的一一映射在出厂时设定好，出厂后不可以修改。单个转子可以进行一次简单的替换加密，转子之间的相对旋转又是一层加密。转子之间的旋转与钟表的指针一样，第一级转子旋转一圈后，下一级转子旋转1/26圈。一般的ENIGMA机有三个转子，最右边那个转得最快，中间的其次，左边的转到最慢。转子的替换周期为26^3，即在不更改其他部件的替换映射时，需要加密26^3 个字母，才会重复前面的替换映射。这让基于概率统计的破解办法变得十分低效。

插线板可以进行一次简单的替换加密，不过可以手动设定替换用的一一映射。

插线板有26对插孔，可以用线将两对插孔连起来。比如说，把A和O用交叉线连起来，当按下A键时，电流从键盘的端口A流出，就经过插线板的交叉线后就会从插线板的端口O流出。同样的，当O也会被转换成A。

反射板接在最左边转子的左侧，一共有26个触点，13根导线。一根导线两端分别连接两个触点。26个触点就被连成了13对。 信号流经反射板时，也是进行了一次一一映射的替换。反射板保证了一个明文字母永远不可能被加密为其自身，这是Enigma机最大的设计缺陷，图灵就是抓住了这一点才能破解Enigma机的。

Enigma 密码机在第二次世界大战中被德国军队发现并应用在军事通信中。Enigma在当时可算是最先进的加密机器了，加密复杂度也是最先进的。如果正确使用Enigma加密信息，以当时的技术水平几乎不可能破解密文。将第一次加密后的密文用另一个密钥再加密一次，第二次加密后的密文就有可能与原密文相同。