Шифратор речи «Делайла»: всплыли документы о секретном изобретении Тьюринга

8 мая 1945 года, в День Победы в Европе, когда вся Британия праздновала капитуляцию Германии, Алан Тьюринг и его ассистент Дональд Бейли неспешно прогуливались по сельской местности. За плечами у них был год совместной работы в засекреченной электронной лаборатории в глубине английской провинции. Бейли, молодой инженер-электрик, практически ничего не знал о параллельной деятельности своего руководителя. Он лишь видел, как Тьюринг время от времени садился на велосипед и отправлялся за десять миль по проселочным дорогам в другое секретное учреждение – Блетчли-парк, который позже окажется центром крупнейшей в истории операции по взлому военных шифров.

Во время привала на лесной поляне Бейли не удержался от вопроса: "Ну что же, война закончилась – настало мирное время, теперь вы можете рассказать нам обо всём". "Не говори глупостей", – отрезал Тьюринг. Как вспоминал Бейли 67 лет спустя, на этом разговор был окончен.

Сегодня работа Тьюринга над взломом шифров уже не является тайной. Его признают одним из основоположников компьютерных наук и пионером в области искусственного интеллекта. Однако его достижения в сфере электротехники до недавнего времени оставались в тени.

В ноябре 2023 года всё изменилось – на лондонском аукционе за почти полмиллиона долларов была продана обширная коллекция военных документов , получившая название "бумаги Бейли". Архив содержит десятки листов с рукописными заметками ученого о сверхсекретном инженерном проекте "Делайла", которым он занимался с 1943 по 1945 год. Система, названная в честь библейской обманщицы мужчин, стала первой портативной разработкой для шифрования голоса. Среди документов также конспекты выступлений Тьюринга. Уцелели записи только благодаря Бейли, который бережно хранил их до своей смерти в 2020 году, пережив Тьюринга на 66 лет.

Британское правительство, узнав о готовящейся продаже бумаг, немедленно запретило их вывоз из страны. Власти объявили архив важной частью национального наследия и решили, что их нужно оставить “для британского покупателя”. Перед ноябрьской продажей аукционный дом обратился к специалистам за помощью в идентификации записей. Так "Бумаги Бейли" открыли новую, ранее неизвестную страницу в биографии великого математика – Тьюринга-инженера.

В военные годы Алан совершил важный переход от теории к практике. Документы показывают его эволюцию от довоенных исследований в области математической логики и теории чисел к погружению в мир электронных схем и инженерных расчетов. Именно тогда он понял, что следующим рубежом криптографии станет шифрование речи. Существовавшие в то время шифровальные машины – японская "Пурпур", британская "Тайпекс" и знаменитые немецкие "Энигма" и телетайпный SZ42 – работали только с печатным текстом. Однако командирам был нужен более удобный способ связи, поэтому защищенная голосовая коммуникация стала приоритетной задачей для военных разработчиков.

Первая система шифрования речи SIGSALY, созданная Bell Labs по заказу армии США в 1942-1943 годах, поражала своими размерами. Установка весила более 50 тонн и занимала целую комнату. Тьюринг, знакомый с этой системой, поставил амбициозную цель – уменьшить её габариты. Так и появилась "Делайла" – компактная технология из трех блоков размером с обувную коробку каждый. При общем весе всего 39 кг, включая источник питания, она легко помещалась в грузовик, окоп или даже крупный рюкзак.

Работу над проектом Тьюринг начал в 1943 году в бараке на территории Хэнслоуп-парка – засекреченного военного объекта в английской глубинке. Первые два года были очень плодотворными. Ученый обосновался в старом коттедже, питался в армейской столовой и, по воспоминаниям командира части, "быстро влился в коллектив". В 1944 году команда пополнилась молодым специалистом – недавним выпускником Бирмингемского университета Дональдом Бейли, получившим степень бакалавра электротехники. Они быстро нашли общий язык и проработали над "Делайлой" до осени 1945 года. В этом небольшом сообществе, объединявшем Блетчли-парк и Хэнслоуп, Тьюринга все называли просто "Проф".

"Я восхищался оригинальностью его мышления, – рассказывал Бейли в 1990-х годах. – Он передал мне столько знаний, что я до сих пор чувствую благодарность". В свою очередь, Бейли научил Тьюринга практической работе в лаборатории. Впервые увидев схемы начальника, напоминавшие "паучье гнездо", молодой инженер устроил ему настоящий курс молодого бойца по сборке электронных схем.

Год спустя, когда война в Европе близилась к завершению, их совместные усилия увенчались успехом – прототип системы был готов к работе. По оценке Бейли, устройство "полностью оправдало ожидания" и стало "одной из первых систем, построенных на строгих криптографических принципах".

При разработке системы шифрования голоса Тьюринг использовал опыт работы с текстовыми шифровальными машинами. Особенно его заинтересовал немецкий шифратор SZ42, который его команда взломала в Блетчли-парке. Этот аппарат существенно отличался от знаменитой "Энигмы". Если "Энигма" передавала зашифрованные буквы азбукой Морзе через световую панель, то SZ42 напрямую подключался к телетайпу и использовал 5-битный телеграфный код. Такой подход позволял шифровать не только буквы, но и цифры со знаками препинания.

SZ42 был устроен по простому принципу: на исходный текст накладывалась цепочка маскирующих символов – ключ. Например, при шифровании немецкого приказа ANGREIFEN UM NUL NUL UHR (Атаковать в ноль часов) машина использовала маскирующую последовательность Y/RABV8WOUJL/H9VF3JX/D5Z. Она последовательно складывала 5-битные коды символов: первую букву текста "А" с символом "Y", вторую букву "N" со знаком "/" и так далее. На выходе получалось зашифрованное сообщение PNTDOOLLHANC9OAND9NK9CK5.

"Делайла" шифровала речь похожим образом. Только вместо маскирующих символов использовалась последовательность псевдослучайных чисел. Их генерировал специальный блок, в котором пять вращающихся дисков работали вместе со сложной электронной схемой. Как и в SZ42, устройства на обоих концах линии связи должны были вырабатывать одинаковые ключи в одно и то же время. В рассекреченном отчете Тьюринг и Бейли признавались, что синхронизация генераторов оказалась одной из самых сложных задач.

Процесс шифрования начинался с преобразования звукового сигнала в последовательность чисел – то, что сегодня называют аналого-цифровым преобразованием. Каждое число соответствовало напряжению сигнала в определенный момент времени. К этим числам добавлялись значения из последовательности ключа. При сложении использовался особый метод – цифры, которые нужно было перенести в следующий разряд, отбрасывались, что усиливало шифрование. Полученный ряд чисел представлял собой зашифрованный речевой сигнал, который передавался на приемную "Делайлу". Затем происходил обратный процесс: вычитание ключа и преобразование чисел обратно в звуковые колебания.

Качество воспроизведенной речи оставляло желать лучшего – в звуке присутствовал свист и шумы, хотя слова всё же можно было разобрать. Случались и технические сбои – в отчете Тьюринг и Бейли с характерным британским юмором упоминали о "внезапных хлопках, напоминающих выстрел винтовки". Тем не менее, система успешно прошла испытания с записью речи Уинстона Черчилля, доказав свою работоспособность.

Однако к концу войны военное руководство потеряло интерес к проекту. Вскоре после победы работа над "Делайлой" прекратилась.

Двухлетнее погружение в электротехнику не прошло для Тьюринга даром – полученный опыт пригодился ему при проектировании электронных вычислительных машин. Об этом периоде его работы рассказывают материалы из "бумаг Бейли": лабораторный журнал, множество разрозненных листов и – жемчужина коллекции – толстая папка с кольцевым механизмом.

В найденном лабораторном журнале с зеленовато-серыми страницами Тьюринг подробно фиксировал все эксперименты. Первые записи его рукой описывают работу с мультивибратором – устройством, которое создает электрические импульсы определенной формы. Тьюринг изучал эти импульсы с помощью осциллографа. Следующая страница, озаглавленная "Измерение функции Хевисайда", содержит результаты измерений напряжения в разных частях этой схемы.

Мультивибраторы оказались ключевым элементом проекта – они вошли в состав генератора ключа, самой важной части "Делайлы". Помимо пяти механических дисков, генератор включал восемь таких электронных схем. Вместе с дополнительными устройствами они обеспечивали высокую степень случайности при создании шифровального ключа. Интересно, что и сегодня мультивибраторы продолжают использовать в криптографии.

Дальше в журнале описаны испытания других частей "Делайлы": системы модуляции импульсов, анализатора гармоник, схем для обработки сигналов, радиочастотных компонентов и антенн. До марта 1944 года, когда к проекту присоединился Бейли, все записи вел сам Тьюринг. После появления помощника эта обязанность перешла к нему.

"Бумаги Бейли" открывают нам другого Тьюринга – изобретательного инженера-электрика, пусть даже его паяные соединения, как любил вспоминать ассистент, имели привычку разваливаться. Его лекционные записи фактически представляют собой учебник по высшей математике для разработчиков электронных схем, хотя сегодня он, конечно, безнадежно устарел.