Оперативная часть «пурпурной» машины представляла собой бокс размером с выдвижной ящик стола, расположенный между двумя большими чёрными электронными печатными машинками «Underwood», которые были соединены друг с другом 26 проводами, подключёнными к целому ряду розеток, названными «штепсельным коммутатором». Для того чтобы зашифровать послание, шифровальщик должен был выполнить действия в следующей последовательности:
— посмотреть в толстый справочник машинных ключей;
— сделать проводные соединения в соответствии с порядком, обусловленным ключом на этот день;
— повернуть четыре диска на боксе так, чтобы цифры на их окончаниях соответствовали указаниям справочника;
— напечатать открытый текст.
Машина записывала открытый текст, в то время как другая, получив импульсы от кодирующего бокса, пропускала его через разные хитрые процедуры и печатала зашифрованный текст. Процедура дешифровки была такой же.
Алфавитная печатная машинка работала на латинском шрифте. Поэтому она могла расшифровывать английские и латинские тексты, подобные кодам «J». Поскольку машина не могла зашифровывать номера или пунктуацию, то шифровальщик сначала переводил их в трёхзначные буквенные коды, обозначенные в коротком кодовом списке, после чего их зашифровывал. Шифровальщик на приёме сначала возобновлял пунктуацию, разбивку по параграфам и т. д., а затем печатал окончательный текст декодированного послания.
Сердцем и душой машины были её штепсельный коммутатор и кодирующие диски. Они направляли движение в соответствии с соединениями в принимающей машине к выпускающей машине так, что если, например, на панели принимающей машины был нажат ключ «А», то он мог быть напечатан на выпускающей машине. Отклонения начинались с соединений панели. Если не было кодирующего бокса, то проводка панели получала электронные импульсы от ключа «А» печатной машинки открытого текста и передавала его, например, прямо на печатное устройство «R» шифровальной машины.
Другие провода также соединяли ключи открытого текста с соответствующими им печатными устройствами шифрованных текстов. Это немедленно приводило к созданию шифра, правда, достаточно примитивного. Каждый раз, когда нажималась буква текста «А», появлялась буква шифротекста «R». Простота системы обеспечивала её безопасность. Соединение на панели можно было изменять после каждого послания, даже, в ходе его передачи.
Теперь в дело вступали четыре шифродиска. Расположенные между штепсельным коммутатором машины открытого текста и шифровальной машины, они постоянно перемещались по отношению друг к другу с помощью соединительного устройства. Процедура шифрования сводилась к формированию непрерывно изменяемых путей прохождения сигнала от одной машины к другой, а постоянное вращение дисков непрерывно производило разные соединения. Таким образом, сигналы открытого текста, проходя по разным путям, превращались в полностью отличающийся от него зашифрованный текст. Обычно соединения на коммутаторе менялись ежедневно.
Все вместе эти факторы создавали шифр, который было очень трудно разгадать. Чем больше шифр отличался от первоначальной формы, в которой одна буква шифротекста заменяла одну букву открытого текста, тем тяжелее было прочитать текст. Шифр, например, мог заменять ту или иную букву открытого текста пятью разными буквами шифротекста, причём делать это в порядке ротации.
Но алфавитная машинка выполняла серии замен длиной в сотни тысяч букв. Её копирующие диски, которые меняли положение после каждой буквы, никогда не возвращались в прежнее положение для создания тех же серий шаблонов и, следовательно, тех же серий последовательности, пока не закончится шифрование сотен тысяч букв.
Поэтому основной задачей криптоаналитиков было воссоздание проводки и выключателей кодирующих дисков, а ежедневное изменение соединений на коммутаторе делало её еще более сложной. Когда же эта задача выполнялась, криптоаналитикам было необходимо ещё определить первоначальное положение кодирующих дисков на каждый день. Но это уже было более легко, поскольку «пурпурная» система заменила старую «красную», которую американцы давно «раскусили».
Криптоаналитики отметили некоторые характерные черты «пурпурной» машины: частоту букв, процент пустых мест (букв, которые не печатались в нужных местах), количество повторений. И поэтому они увидели, что новая машина является намного сложнее и совершеннее по сравнению со своей предшественницей. Первые попытки раскрыть принцип работы новой машины были связаны со стремлением распознать характер шифра.
Предыдущие успехи с «красной» машиной и другими менее сложными системами позволили американцам понять японские дипломатические формы обращения друг к другу, повседневные фразы и стиль (например, абзацы всегда нумеровались). Это дало возможность криптоаналитикам составить наборы слов, которые чаще всего встречались в открытом тексте, что в конечном итоге позволило им решить задачу раскрытия шифра.
Вступительные и заключительные шаблоны, такие как «Имею честь информировать ваше превосходительство» или «На вашу телеграмму», стали первыми удачами. Кроме того, газетная информация наводила на мысль о характере предполагаемых сообщений. Госдепартамент США иногда публиковал полные тексты дипломатических нот Японии американскому правительству, тем самым предоставляя криптоаналитикам открытые тексты (или их переводы) всего послания.
Японское МИД чаще всего рассылало тот же текст в несколько посольств, не все из которых имели «пурпурную» машину. Поэтому шифровальщику приходилось кодировать телеграммы как на «пурпурной» машине, так и другим кодом, который американские криптоаналитики уже могли читать. Происходило сравнение времени и длины послания — и возникала ещё одна ниточка на пути к разгадке. Как всегда, существенную помощь оказывали допущенные ошибки.
Так, в ноябре 1941 года станция в Маниле повторила текст телеграммы из-за ошибки на «штепсельном коммутаторе». А сколько однотипных ошибок было сделано в период, когда шифровальщики ещё только учились работать на новой машине. Передача одного и того же сообщения двумя разными кодами приводила к созданию «изоморфных» телеграмм, представлявших собой очень ценную информацию для определения построения шифра.
Криптоаналитики «SIS» и «Ор-20-G» сравнивали эти открытые сообщения со своими зашифрованными текстами и пытались найти повторы, из которых они могли установить последовательность шифрования. Данный этап работы, особенно в начале сложного криптоанализа, был, вероятно, наиболее болезненным, раздражающим умственный процесс, свойственный человеку. Час за часом, день за днём, а иногда и месяц за месяцем криптоаналитик буквально «высушивал» свой мозг, стремясь найти какую-нибудь взаимосвязь между буквами, вынуждая себя не поддаваться панике в тупиковой ситуации и запутываться в собственных противоречиях, чтобы добиться дополнительных важных результатов.
Как писал один из криптоаналитиков: «Большую часть времени он бродит в полной темноте. Иногда в ночи появлялись слабые отблески просвета, которые дают ему болезненную надежду на то, что он нашёл последовательность. Он бросается с надеждой только для того, чтобы очутиться опять в лабиринте. И только знание того, что день меняет ночь, поддерживает в нём мужество продолжать работу, и он опять стремится туда, где, по его мнению, должны возникнуть утренние лучи.
Иногда, правда, он опять оказывается в объятиях беспробудной полярной ночи». Именно такое ощущение бесконечной северной ночи возникало у криптоаналитика, когда он приступал к разбору новой японской машины. Дешифровка сначала продвигалась далеко вперед для того, чтобы потом в течение месяцев не продвинуться дальше ни на шаг.
Многоалфавитная система шифрования, к которой принадлежала «пурпурная» машина, основывалась на алфавитной таблице размером 26x26. Для реконструкции этих таблиц криптоаналитики применяли прямые и непрямые симметрии положения — наименования были не менее сложны, чем непосредственно сами методы.
Ошибки, которые возникали из-за неточности перехвата или же просто ошибок в криптоанализе, приводили в беспорядок эти непростые методы и осложняли работу. Дешифровальщик, который колдовал над исчёрканным листком бумаги, лежавшим на его столе, пытался найти основу повтора в нескольких разбросанных буквах и вставить в него уже «раскрытый» фрагмент.
После этого он пробовал объединить эти достижения и потом обнаруживал, что объединение даёт приемлемый открытый текст. Тогда он вставлял свое исследование в проблему общего решения и двигался дальше. Японисты вставляли отсутствующие буквы, математики привязывали один цикл к другому и потом оба цикла к таблицам. Любое возможное оружие криптоаналитической науки, которая, в основном, опиралась на математиков, использующих теорию групп, конгруэнтность и т. п., бросалось в «сражение». В конечном итоге процесс решения достигал определенной вершины, когда криптоаналитики имели на бумаге достаточно точное воссоздание «пурпурной» машины.
Тогда американцы начали сооружать машину, которая автоматически могла делать то же, что криптоаналитики ручным способом со своими циклами и таблицами. Они собирали её из обычных запчастей, которые использовались в средствах связи. Это вряд ли можно было назвать прекрасным творениям, поскольку когда в ней что-то не срабатывало, она начинала искрить или ожесточённо скрипеть. Хотя американцы никогда не видели японскую машину, её аналог внешне удивительно походил на неё и, самое главное, полностью воспроизводил машину с криптологической точки зрения.
Криптоаналитики продемонстрировали первую машину, созданную своими руками, в августе 1940 года после 18–20 месяцев напряжённой работы. Оглядываясь назад на все те усилия, которые привели к этому выдающемуся криптологическому успеху всех времён, Фридман писал: «Обычно это был результат совместной работы всех тех, кто принимал в ней участие. Не было ни одного человека, на которого возлагалась бы честь этого открытия, как не было и ни одного, кому принадлежала бы решающая роль.
Как я уже сказал, это была команда, и успех оказался возможным только благодаря сплочённой командной работе всех участников. Результат стал выдающимся достижением армейской криптоаналитической службы, потому что, насколько я знаю, криптологи Англии и Германии работали над этой проблемой, но так и не смогли её решить».
Между тем криптоаналитики построили вторую «пурпурную» машину и отдали её ВМФ США. Третья машина была отправлена в Англию в январе 1941 года на самом современном и большом британском линкоре «Георг Пятый». Машину сопровождали двое армейских и двое морских криптоаналитиков. В ответ США получили английскую криптоаналитическую информацию, связанную с немецкими шифрами и кодами. Машина, в конце концов, оказалась в руках английской шифровальной группы в Сингапуре.
А затем, когда японцы двинулись в Малайзию, она была эвакуирована в Дели. Четвёртая машина была отправлена на Филиппины, а пятую держали как резервную в самой «SIS». До нападения японцев на Пёрл-Харбор конструировалась машина также и для Гавайских островов. Но из-за происшедших событий её, как и третью машину, передали англичанам.
Когда «Ор-20-G» уже внесла значительный вклад в облегчение и ускорение ежедневных дешифровок машины, 27-летний лейтенант Френсис Рэйвен (Francis Raven) (1914-83) раскрыл тайну её ключей. После того, как несколько посланий машины было дешифровано, он заметил, что ежедневные ключи в течение каждого третьего цикла по десять дней связаны друг с другом, и вскоре пришёл к выводу, что японцы просто перемешивали ключи первого дня, чтобы составить ключи следующих девяти дней. Аналогичный порядок существовал и для других десятидневных циклов.
Открытие Рэйвена позволило американским криптоаналитикам предусматривать ключи на девять из десяти дней. Обычно им необходимо было отдельно расшифровывать ключи первого дня, но потом работа значительно облегчалась. Более того, криптоаналитикам, поскольку они знали порядок перемешивания, удавалось читать всю переписка данного периода, даже, если они распознавали только один из ежедневных ключей.
Через год после сооружения первой «пурпурной» машины американцы смогли расшифровать послание, закодированное «наивысшей степенью секретности по классификации, применяемой японским МИД». Это послание было в первую очередь закодировано в системе «АС». Потом перемешано в соответствии с системой «К9» (обычно применяемого с кодом «Л 9»), а затем перемешанный кодированный текст был опять зашифрован на «пурпурной» машине. Решение, основанное на количестве сочетаний, заняло бы целую вечность, а в данном случае на это нужно было всего лишь четыре дня.
Благодаря имеющемуся аналогу «пурпурной» машины 2 декабря 1941 года американские криптоаналитики прочитали циркуляры № 2444 и № 2445 по коду «JI9» из Токио для японских посольств и консульств в Вашингтоне, Лондоне, Гонконге, Сингапуре и Маниле. В этих документах дипломатам предписывалось немедленно уничтожить «пурпурные» машины, все телеграфные коды и системы, кроме одного экземпляра, и все секретные документы.
Процедура уничтожения шифровальных машин была расписана в заранее подготовленных инструкциях. Машины сначала развинчивались отвёрткой на части, которые потом искажались до неузнаваемости ударами молотка и растворялись в кислоте до их полного исчезновения. Это был явный признак подготовки японцев к началу войны с американцами.
6 декабря 1941 года криптослужбы США получили перехваченную зашифрованную японскую телеграмму в Вашингтонское посольство и в тот же день её расшифровали. Она состояла из 14 частей, но важнейшая последняя часть, где говорилось о разрыве переговоров Японии и США, была передана из Токио лишь ночью с 6 на 7 декабря.
Благодаря напряжённой работе криптоаналитиков 14-я часть была расшифрована уже в восемь часов утра 7 декабря и отправлена Президенту США. Интересно, что в японском посольстве последняя часть была расшифрована лишь в тринадцать часов, то есть американское правительство прочитало японскую ноту в полном объёме на несколько часов раньше японского посольства в Вашингтоне.
К сожалению, огромный и кропотливый труд американских криптослужб не смог предупредить нападение Японии на военно-морскую базу в Пёрл-Харборе, который произошло в тринадцать часов (по Вашингтонскому времени) 7 декабря 1941 года. Во-первых, несмотря на большой объём дешифрованной японской переписки, ни в одной телеграмме не шла речь о нападении на Пёрл-Харбор. Во-вторых, американская военно-морская разведка не имела никакой информации о местонахождении и движении японского флота из-за его радиомолчания и других мер по безопасности связи.
Кстати, на территории базы работало подразделение радиотехнической разведки, которое обслуживало Тихоокеанский флот США и состояло из тридцати офицеров и рядовых. Его начальником был Джозеф Рошфор (Joseph Rochefort) (1900-76), перед которым стояла задача раскрытия японских радиограмм, зашифрованных военно-морским кодом «JN-25» (англ. Japanese Navy code № 25). Этот код был «взломан» в 1939 году ведущим криптоаналитиком «Ор-20-G» Дрисколл.
В 1942 году военно-морская радиоразведка «Ор-20-G» была реорганизована, на базе которой была создана Организация разведки коммуникаций ВМФ (англ. Communications Intelligence Organization) под руководством капитана третьего ранга Лоренса Саффорда (Laurance Safford) (1890–1973), ставшая центром криптослужб ВМФ. Она должна была разрабатывать военно-морские коды и шифры, перехватывать проводные и радиосообщения противника, пеленговать его радиостанции, осуществлять криптоанализ кодов и шифров и, наконец, лабораторные исследования в сфере криптологии. Часть отмеченных функций предусматривалось выполнять только в случае ведения армией боевых действий.
Эта организация была наделена широкими криптологическими функциями: составляла и рассылала новые коды и шифры, а также вела переговоры с фирмами по производству шифровальных машин. Деятельность отдела распределялась между подразделениями в Вашингтоне, на Гавайях и Филиппинах. Только Вашингтону поручалась работа над дипломатическими и морскими кодами зарубежных стран, которые применялись на атлантическом театре военных действий (в основном, Германии).