密码那些事儿｜ 二十一 再下一城，图灵破解最高级别恩尼格玛机(图灵破译二战德国密码感受)
密码那些事儿｜ 二十一 再下一城，图灵破解最高级别恩尼格玛机(图灵破译二战德国密码感受)
在布莱切利园中，德国海军的恩尼格玛密码一直被认为是最难以破解的。
德国海军历来极其重视无线通信的可靠性和保密性，就是他们率先使用了恩尼格玛机来加密。而且，德国海军还频繁地在结构和操作方式上对恩尼格玛机进行改进，以确保它无懈可击、牢不可破。
第二次世界大战前夕，德国陆军和空军将恩尼格玛机的转子从3个增加到了5个，而德国海军则是继续增加到了7个，最后更是丧心病狂的增加到了8个。
而且，德国海军还使用了与陆军及空军不一样的新操作规程，主要包括两个方面：
一、增加“密钥手册”，规定每天0点更新初始参数。
（a）选择8个转子中的3个并规定其基左中右位置；
（b）设定各转子的内外轮之间的相对位置；
（c）设定接线板上的10对接线；
（d）设定3个转子的初始位置。
二、采用“双字替换表”
（a）发报前，先从密钥手册中选3个字母，比如ABC，作为密钥，然后把恩尼格玛机的3个转子调到当天规定的初始位置，输入ABC，假设得到FTN，再把转子调到FTN的位置，开始加密正式电文；
（b）再从密钥手册中选另一组字母，比如XYZ，在XYZ的左边和密钥ABC的右边任意增加一个字母，比如P、Q，列成两行，上下对齐。
P X Y Z
A B C Q
（c）根据当天有效的“双字替换表”把各列的字母对PA、XB、YC、ZQ分别替换，比如替换成IS、OW、MD、UV；
（d）发送电报时，把这4对字母加在正式密文的首尾；
（e）对方接收到电报后，先对4对字母反向操作，得到3个字母ABC，再得到FTN，然后开始解密正文。
这样一来，原来重复加密3个字母密钥的操作就不存在了，以致雷杰夫斯基发明的破解方法完全失效。
在图灵来到布莱切利园之前，几乎所有人都认为德国海军的密码是无法破译的，因此没有人愿意为它浪费时间。图灵到来之后，发明了基于crib方法的“炸弹”机，理论上是可以对德国海军的密码进行破译的，但由于早期的“炸弹”机性能过低，所以破解的效率极为低下。
当时德国的U-潜艇正在严重威胁盟军的大西洋生命线，寻找有效的破解德国海军密码的方法变得刻不容缓。经过一段时间的摸索和研究，图灵终于发明了基于贝叶斯统计原理的“班布里方法”，能够有效破解德国海军的恩尼格玛机。
班布里方法基于语言学中的一个统计事实：把任意两段文字拿来排成行上下对齐进行比较，查看其中有多少对字母是相同的；当这两段文字属于同一编码系统时出现相同字母对的概率，明显高于当它们不属于同一编码系统时的相应概率。
基于这个原理，图灵找到了破解德国海军恩尼格玛机的途径。不过图灵所用的方法包含了大量数学理论，过程也相当繁琐，这里就不详细表述了，我们只说一下图灵的大致思路。
首先，通过对比分析大量的电文头尾的明文字母，部分甚至完全破解“双字替换表”，从而获得电文密钥；
其次，用班布里方法，确定右边转子是8个转子中的哪一个；
再次，重复使用班布里方法，进一步确定中间转子是哪一个；
最后，用“炸弹”机破解全部密文。
这个步骤被验证是行之有效的，图灵就这样搞定了最高级别的德国海军恩尼格玛机。
1940年5月8日，用班布里方法破解德国海军密码首次获得成功。以后的三年里，此方法结合“炸弹”机成为英国破解德国海军密码的主要手段，为盟军重创德国U-潜艇舰队、守住大西洋生命线做出了巨大贡献。
据不完全统计，破解之后，盟军全年被击沉船只的吨位下降了60%；而德军潜艇的损失率，从破译前的不到7%，猛增到50%。
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他足够真实
活出自己常常需要很大的勇气。
当警方调查图灵的同性恋倾向时，要求他写一份“犯罪事实”。
图灵最后交出的是一份5页纸的优美散文，用流畅的文笔细致描写了他“作案”的全部过程和细节。
这篇“色情文学”让警方震撼：“他是一个真正的异端……他真的相信他的行为无罪。”
这就是图灵，在常人眼里他太过怪异，太过与众不同。
他足够伟大
在计算机世界里，图灵杰出的仿佛是上帝般的存在。
他被誉为“计算机之父”。图灵奖是计算机世界的最高奖项，以他的名字命名
1999年《时代》周刊将图灵评为“二十世纪最重要的一百人”之一。因为，今天我们每个人都工作在一台“图灵机”上。
图灵更为传奇的故事发生在第二次世界大战。
他成功破译了纳粹德国复杂严密的密码系统，让希特勒的战争部署赤裸裸暴露在盟军面前。
可以说，他用自己的天才，改变了整个英国、乃至全人类的命运走向。
他足够广阔
一个人能取得上面这两项成就，已经堪称伟大，但这可远远不是图灵的全部。
? 在现代科技领域，他还被称为“人工智能之父”。他第一次提出了“机器思维”的概念，这被公认是人工智能的起点。
? 在数学领域，他解决了困扰数学界30年之久的希尔伯特“可计算性与特判定问题”，是数学史上一个重要的里程碑；
? 在生物学领域，他第一个触及到了复杂系统的自组织问题，他首次提出了这样的课题：一锅无序混乱的“化学汤”中如何创生出了生命？现在，这门学科仍然是自然科学中的前沿显学。
? 在哲学领域，他基于人工智能和复杂系统提出的很多命题，至今还是哲学家思考和辩论的重要议题。
计算机、人工智能、复杂系统……图灵的力量并不在于他解决了哪些问题，而在于他为人类开创了一系列全新的科学方向。
在他死去60年之后，这些方向仍然是人类最先锋、最前沿的研究领域。
他足够独特
学霸的人生往往平淡。
但这不适用于图灵，图灵的精彩甚至超越了他的时代。
他最动人的故事是他的同性恋取向，还有他的死亡。
? 爱着男人的图灵
他一生迷恋男性，从不掩饰。他在和同事聊天时，甚至会直接询问：“Are you gay?”
从他16岁开始，他的一生都在同性中寻找真爱。
1951年，图灵遇到了他人生中最后一个伴侣，一个19岁的俊俏的无业男孩。但就是这个男孩，把他带向了人生悲剧的顶点。
情报，左右战争胜负之关键。 无论是冷兵器时代，还是现代战争，一条关键情报所起到的作用能够胜过千军万马。 第二次世界大战堪称是情报战争，可以说，改变战争走向的不是军备，甚至不是策略，而是情报。毕竟很多策略都是在情报的基础上制定的。 于是，反法西斯联军的胜利，除了要感谢做出英明决策的领导人，奋勇拼杀的士兵，还得感谢前线以及幕后的情报人员。其中一个人，是有着计算机之父，人工智能之父的Alan Mathison Turing，艾伦·麦席森·图灵。 电脑科技的鼻祖怎么和战争扯上关系呢？ 电影《模仿游戏》给出了答案。 在深入这部2015年奥斯卡热门影片之前，不妨先透过故事背景，了解真实世界中的艾伦·图灵，以及那段鲜为人知的二战历史。 《模仿游戏》采用的是非线性叙事，一开始就去到了1951年。不过主故事线是从1939年开始。 1939年9月1日，人类回想起了被战争所支配的恐惧。德国军队在那一天对波兰发起闪击战，第二次世界大战，爆发。 这时候的艾伦·图灵已经是个小有名气的数学家，被誉为英国数学领域的奇才，他 *** 到「 ”布莱奇利庄园”参加一个秘密项目，专门研究破译德国的密码通讯系统「 ”Enigma”。 「 ”布莱奇利庄园”里的秘密组织，就是英国 *** 通讯总部前身，相当于美国的国家安全局，与英国军情五处、六处合称为英国情报机构的「 ”三叉戟”。 有资料显示，1939年二战爆发时，布莱奇利庄园里的工作人员已经达到200人；到1943年，其规模超过了6000人。 ”Enigma「 ”，恩尼格玛密码机，则是电影中的终极BOSS，是一种用于加密与解密文件的密码机。 纳粹德国的军事通讯文件，大都用这种恩尼格玛进行加密和解密，尤其是高级机密，就算反法西斯联军截取了情报，面对一串天文数字也无可奈何。超过一亿亿种排列组合的可能性，没打错字，是「 ”10,000,000,000,000,000”，不是一亿，想靠「 ”暴力破解法”来逐一试验可能性，破解的可能性犹如花十辈子来买中一次彩票。 更让情报人员绝望的是，德国人每一天都会用不同的密码设置模式，也就是说，情报人员只有18小时的时间破译，因为第二天又得换一种新的方式重新来过。 总之，”Enigma「 ”犹如德国的一条加强版马奇诺防线，摆在了反法西斯联军的面前，所有人都认为它牢不可破。 电影中，图灵很快就意识到，光靠「 ”人力”，根本不可能完成任务。 于是他开始设想一种「 ”模仿游戏”，用机器去模仿人工运算。其他人在努力做数学题，他却自己一个人搞起了机械工程。 这好比数学课上做物理作业，领导很生气，图灵也受到了很大的阻碍。 「 ”阻碍设置”是《模仿游戏》成功的重点因素，不过本文先学习下历史知识，下一篇在谈电影剧本的优秀之处。 真实的历史中，图灵遇到的麻烦肯定也不比电影的少，只是现实和改编故事似乎有点不一样。 首先是机器，影片中由图灵一手策划打造的「 ”克里斯托弗”机器，俗称「 ”图灵机”，澎湃新闻的一篇报道，百度百科的资料都指出，实际上早在1938年底就有了，而且发明者也不是图灵，而是波兰的数学专家。机器的名字也不叫「 ”克里斯托弗”或「 ”图灵机”，而是La Bomba，「 ”炸弹”。 图灵是很天才，但「 ”用机器对付机器”的想法绝不只有他一个人才能想出来。正如中校所说，图灵并不是唯一擅长做「 ”游戏”的人。 图灵故事的开始之前，还有着一段非常重要的前史。现实中，如果没有这段前史，单凭图灵一个人，根本是不可能在短短几年内打败恩尼格玛。 电影中，这段前史通过中校的一句台词带过。 「 ”是波兰情报局从柏林弄回来的。” 恩尼格玛是德国发明家亚瑟·谢尔比乌斯于1918年成功发明，1926年德国方面就开始投入使用。对于德国这些不知所云的电文，英国等大国的情报部份纷纷宣告放弃破译，他们尝试过很多方法都毫无用处。 但德国的邻国波兰就不敢松懈了，他们没有放弃破译的工作。正当专家们一筹莫展之时，德国的一位知情人士把恩尼格玛机器的情报给了法国间谍，法国专家终于可以复制出一 *** 用的恩尼格玛来研究。 所谓知己知彼百战不殆，可是就算恩尼格玛弄到手，知道它的运行原理，法国人还是没能破解密码，于是他们只好把情报给了波兰人。 波兰人似乎要更聪明一些，他们通过复制出来的原型机找到了恩尼格玛的弱点，并制造了「 ”炸弹”机器用来破译。终于，波兰人真的成功破了一些恩尼格玛密码。 所谓道高一尺魔高一丈，有所察觉的德国人升级了恩尼格玛，波兰人又懵逼了。1939年4月27日，德国撕毁同波兰签订的和平条约，波兰方面赶紧把研究成果交给同盟国，结果，一位作家把一台波兰制造的恩尼格玛回了英国。 大概就是电影中出现的那一台机器。 所以感谢图灵的同时，也必须记得三位波兰数学家的代表人物，马里安·雷耶夫斯基、杰尔兹·罗佐基和亨里克·佐加尔斯基，以及那些不知名的工作人员，他们为破译恩尼格玛做出了重大贡献。 只可惜，波兰人的研究还没来得及完全成功，德国人就在1939年9月发起侵略战争，不到一个月时间，就把波兰给灭了。 既然得到了波兰人的研究成果，英国布莱奇利庄园这边的方向应该很明确才是。所以《模仿游戏》中只有图灵一个在研究机器的情节不一定真实，特别是他说要花10万英镑造机器的点子，知道内情的领导肯定不会反对，因为波兰人就是通过机器破解的密码，别说10万，100万他都不会拒绝。 事实上，图灵只是整个恩尼格玛漫长破译历程的最后一步，如果直接搜索关于恩尼格玛的资料，图灵的名字并不是排在最前面，也不是出现次数最多的。 在休·怀特摩尔创作的戏剧「 ”破译密码”把图灵视为二战中帮助英国破解恩尼格玛机的密码的最大功臣之后，图灵在这方面的贡献才得到了一定的加强。 如果不是一部《模仿游戏》，可能更多的人还不知道这位天才曾经在英国的情报机构上过班，用另一种方式参与过第二次世界大战。 图灵确实在整个破译过程中起到了关键作用，他根据波兰人的研究成功，用自己的理论，升级了「 ”炸弹”破译机器。电影里也不否认他是从老的「 ”波兰编码机”中受到启发。 依照图灵理论制造的新炸弹机投入使用后，英国破解恩尼格玛如鱼得水。两年内，英国就造了大约50台「 ”图灵炸弹机”。 恩尼格玛，至此被彻底打败。 与电影的描述相同，布莱奇利庄园里所有相关破译人员没有立刻得到表彰，反法西斯联军也为了不让德国人发现已经成功破译，不得不「 ”装不知道”，做出了很多牺牲。 几十年后，普罗大众才知道，布莱奇利庄园对恩尼格玛的成功破译，至少使得战争提前两年结束，并至少挽救了1400万人的生命。 《模仿游戏》与历史的情况基本相符，只是为了要突出主角，个别情节做出了修改，并且大大渲染了图灵的功劳。看完电影后，真的好像是图灵凭借一己之力扭转了整个二战的局势。只是理性地思考一下，事实肯定不是这样的。 而对于图灵性格孤傲，与同事相处很不愉快，这是确实存在的。对他性取向问题的描写，不仅迎合事实，还提升了影片的情感深度。 1952年，图灵家中遭遇盗窃，警察因此发现他是同性恋者。那时候，同性恋在英国是违法行为，图灵被控以「 ”明显的猥亵和性颠倒行为”的罪名。也就是《模仿游戏》开头的情节，只不过电影里的时间写的是1951年。 二战的功劳还不能公开，图灵只好默默接受了「 ”化学 *** ”的处罚。他的人生也从此一蹶不振。 17世纪，一个苹果启发了「 ”经典力学之父”牛顿发现万有引力； 20世纪，一个苹果却杀死了「 ”计算机之父”艾伦·图灵。 1954年6月7日，图灵服食了一个带有氰化物的苹果，在家中床上去世，享年41岁。 人们发现暴力带来深深的满足感，但除去这些满足感，暴力行为会变得非常空洞。——《模仿游戏》
