恩尼格码密码机如何工作？

恩尼格码机器底层工作原理是字母替换，明文中的每个字母都会被恩尼格码密码机替换成另一个字母。

1. 单个字母的旅程

恩尼格码机是一台机械式操作的电子设备，电信号通过电线与各种机械部件传递。了解这台机器运作方式最简单的方法就是跟随一个字母从键盘（输入，明文）到灯板（输出，密文）。

下面的图片显示了从键盘上按下字母T到灯板亮起字母G这一过程中电信号的路径。 ​

1.1 键盘

当密码机的操纵者在键盘上按下字母“T”的时候，机器会产生一个电信号，通过机器的电子线路，最后点亮灯板上的灯。键盘是整个“字母旅程”的起始站。

1.2 插接板

插接板是“字母旅程”的第一站，电信号来到插接板输入端字母“T”的位置。在插接板中，有些字母会被转接到其他不同字母上，导致输出的电信号也会被改变（如字母T）。如果没有输入字母没有被转接，那么直接输出它（如字母U）。此时，在本例中，字母T通过插接板后被转接成字母K。

1.3 静态转子

下一站是静态转子。顾名思义，它并没有改变信号，只是将电信号的载体从电线变成了金属触点（只有触点连接的时候，电信号才可以通过）。现在，我们的电信号仍然表示字母’K’。静态转子的输出端连接着右转子的输入端，从这里开始，事情变得复杂了起来。

1.4 转子

通过图1可以发现，一共有五个转子，最右侧的是一个静态转子，已经经过。现在字母’K’来到中间三个转子。三个转子的运行原理是相同的，所以我们先只讨论一个转子的结构。对于每一个转子，其外部右侧有一圈（26个）金属触点，其外部左侧也有一圈（26个）金属触点，这两个金属触点分别负责接收来自“上游”的电信号和将经过此转子的电信号传递给“下游”。经过此转子时，承载字母的电信号会被打乱（具体打乱的方式是：乱序地连接左右侧金属触点），比如在图1中，字母’K’经过Wheel III变成了字母’U’，这样，单个转子改变字母的任务就完成了。将三个转子拼接在一起，使转子之间可以通过各自的金属触点传递电信号，我们的字母’K’经过图1中三个转子后变成了字母’H’。

1.5 反射板

顾名思义，反射板的作用是将电信号反射回左侧第一个转子。反射板只有右侧一圈（26个）金属触点，反射的原理是使用导线将右侧一圈触点从其内部两两连接（是的，需要13根导线），从而达到“反射”电信号的作用。反射板的结构决定了它具有以下两个特点：

• 排己性：比如对反射板输入字母’A’，那么反射板输出的字母一定不是’A’，因为其内部不允许存在一根A触点连接到A触点的导线。

• 自反性：我们在初中都学过入射角与出射角的概念，光线经过入射角，经过反射，从出射角射出。加入将光线反着沿刚才的出射角射入，那么出射光线一定也会经过刚才的入射角。在恩尼格码机中也是同样的道理。这个特性使得恩尼格码机成为了一台加解密一体机。

此时，在本例中，经过反射板的反射，我们的字母’H’经过反射板已经变成了字母’D’，字母’D’沿着回路（图1中的蓝色实线）返回到灯箱中，“G灯”亮起。至此，一个字母’T’被恩尼格码机加密为字母’G’的旅程结束了。

2. 安全性

在经历单个字母的旅程后，可能会提出质疑：这不就是一个简单的单表替换密码吗？这不是很容易破解吗？诚然，恩尼格码机的转子结构是在做字母替换，而且单表替换密码安全性并不高。但是，恩尼格码机的三个转子都是可以转动的。

操作恩尼格码机的时候，每一次按键，三个转子最右侧的那一个都会转动一次，当最右侧转轮转动一圈后，中间转轮转动一次，中间转轮转动一圈后，最左侧转轮转动一次。这种转动过程可以被类比为26进制版本的时:分:秒（时分秒分别对应左中右转子）。

在转动的过程中，三个转子之间触点的两两对应关系随之改变，从而改变了每个字母信号通过转子时的电信号路径，意味着任意转子的转动都会产生不同的替换结果，效果是相当于产生了一张全新的字母替换表。

我们可以量化一下转子结构的安全性，我们在这里计算三个转轮产生的字母替换表数量：$ 262626 = 26^3 = 17576 $。这个数量应对当时的通讯文稿可以说绰绰有余，因为鲜有万字文件，所以在当时真正的做到了“一字一换表”的操作。

恩尼格码机操作员在操作之前，先将三个转轮调整在特定的位置，这个位置可以对应三个转轮呈现的一个数字三元组（例如17-9-22），然后输入明文并依次通过灯板记录密文。接收方要解密密文的前提是必须知晓三个转轮的初始位置，也就是那个数字三元组（17-9-22），接着在键盘上输入密文并依次通过灯板记录明文。是的，所谓的转轮初始位置便是密钥。

但是其实这样的设计并不能百分之百地规避开暴力破解手段。恩尼格码机发明人谢尔比乌斯（Arthur Scherbius）对于安全性有着极高的要求，于是他为恩尼格码机加装了插接板装置。前面提到，接线板的作用就是交换两个字母，交换线插到哪两个字母上就把这两个字母做了交换。如果插接板上存在六对交换线的话，那么相当于从26个字母中选出12个组成6对，可以计算有多少种方式：$9657700 * 10395 = 100391791500$