Enigma

Enigma

Enigma to niemiecka przenośna maszyna elektromechaniczna, służąca do szyfrowania. Oparta jest na mechanizmie obracających się wirników. Została skonstruowana przez Artura Scherbiusa i później produkowana w wytwórni Scherbius & Ritter. Fabryka ta powstała w 1918 roku i produkowała także silniki asynchroniczne. Scherbius odkupił prawa patentowe do innej wirnikowej maszyny szyfrującej, którą opracował Hugon Koch.

Enigma była używana od lat 20 XX stulecia w celach komercyjnych, później zaadaptowana także przez instytucje państwowe wielu krajów. Podczas II wojny światowej maszyna ta była wykorzystywana przez siły zbrojne, służby państwowe i wywiadowcze Niemiec i nie tylko.

Enigma była połączeniem systemów mechanicznego oraz elektrycznego. Mechaniczna składała się z klawiatury, która posiadała 26 znaków alfabetu. Były one osadzone na wspólnej osi i obracających bębenkach (nazywane rotorami lub wirnikami). Mechanizm obracał jeden lub kilka wirników za każdym naciśnięciem klawisza.

Kodowanie liter odbywało się elektrycznie. Obwód elektryczny zamykał się po naciśnięciu klawisza, a prąd przepływał przez elementy, z których składała się maszyna. Zapalała się wtedy jedna z wielu lampek, podświetlając literę wyjściową.

Nieustannie obracanie się wirników, prowadzi do ciągłej zmiany drogi sygnału, a więc wiadomość kodowana była szyfrem polialfabetycznym. Był to szyfr, w którym za daną literę podstawiano wiele różnych liter, który w tamtych czasach gwarantował bezpieczeństwo przekazu.

Bębenki (wirniki) były kołami o średnicy 10 centymetrów, wykonane z twardej gumy, stanowiły serce maszyny. Wraz z pinami (służyło do wykonywania połączeń elektrycznych pomiędzy elementami obwodu) ułożone były w kształt okręgu na sprężynkach po jednej stronie i płaskimi stykami elektrycznymi z drugiej. Piny i styki ułożone są tak jak opis literowy na pierścieniu wirnika – litery od A do Z.

Pojedynczy wirnik zapewniał tylko proste szyfrowanie jedna litera dla innej litery. Jednak złożoność tego szyfrowania polegała na tym, że zastosowano wiele równoległych wirników, które regularnie się obracają. Aby jeszcze bardziej skomplikować nie wszystkie wirniki poruszały się za każdym naciśnięciem klawisza.

Komunikacja wojskowa Niemiec została podzielona na wiele różnych sieci. Każda z nich używała innych ustawień dla używanej maszyny. Każda z jednostek otrzymywała co jakiś czas list ustawień Enigmy. W ośrodku kryptologicznym nosiły one nazwę kluczy i przypisano im dodatkowe kryptonimy: Red, Chaffinch i Shark. By pomyślnie przysłać wiadomość maszyna nadawcza, jak i odbiorcza musiały być tak samo ustawione. W tym także zestaw wirników, który musiał być ustawiony w takich samych pozycjach startowych. Początkowy klucz Enigmy zawierał:
• Kolejność wirników: typy wirników oraz kolejność w jakiej miały być ustawione.
• Początkowa pozycja wirników: wybierana przez operatora, różniła się dla każdej wiadomości.
• Ustawienie wirników: pozycja w jakiej należało ustawić pierścienie alfabetycznie w zależności od ich okablowania.
• Ustawienie łącznicy kablowej: schemat połączenia wtyczek na łącznicy kablowej.
• Sposób okablowania walca odwracającego (obecne w późniejszych wersjach).

Enigmę zaprojektowano tak, by transmisja mogła przebiegać bezpiecznie, nawet gdy okablowanie wirników było znane podsłuchującemu. Jednakże dane te były tajne, więc przy nieznaniu okablowania liczba ustawień do wypróbowania wynosiła 10114, natomiast znany sposób okablowania dawał wynik 1023. Użytkownicy maszyny byli przekonani o bezpieczeństwie szyfrowania przy tak dużej liczbie kombinacji, gdyż jedyną możliwością był atak metodą brute force, który polegał na sprawdzeniu wszystkich możliwych kombinacji.

Prawie wszystkie klucze obowiązywały przez dany czas, najczęściej był to jeden dzień. Mimo to wirniki były ustawiane indywidualnie dla każdej wiadomości. Robiono tak dlatego, że duża liczba zaszyfrowanych informacji w podobny sposób stanowiła materiał dla kryptologów i łatwiejsze złamanie szyfru. Działo się tak, ponieważ depesze wojskowe zawierały na początku identyfikator nadawcy. To było powodem, że gdy nadawcy przesyłali dużą liczbę depesz, otrzymywano taką ilość depesz z identycznym początkiem, co ułatwiało identyfikację. By temu zapobiec każda wiadomość wprowadzała indywidualne ustawienia. Zaszyfrowana informacja o właściwej pozycji wirników była transmitowana, tuż przez głównym szyfrem, nazywano to procedurą wstępną. Miała ona zapewnić bezpieczeństwo, a tymczasem przez błędy szyfrujących przyczyniła się do złamania pierwszych wersji Enigmy.

Jedne z pierwszych procedur wstępnych zostały wykorzystane przez polskich kryptologów do pierwszego złamania szyfru. Polegało to na ustawieniu wirników zgodnie z kluczem, który odczytano z książki kodowej. Początkowe ustawienia wirników były takie same, potem wybierano ich losową kombinację i to ona stawała się indywidualnym kluczem wiadomości. Klucz ten był wpisywany dwa razy i mógł nie mieć powtarzających się liter w kodzie. Gdy podano klucz operator, ustawiał wirniki w podanej pozycji i zaczynał pisać.

Odbiór wiadomości odbywał się w odwrotny sposób. Maszynę ustawiano zgodnie z kluczem dziennym, a po rozkodowaniu dawała osobisty klucz szyfru. Ustawiano wirniki w tej właśnie konfiguracji i nadawano właściwy przekaz.

Błędy, które popełniano podczas procedury wstępnej, pozwoliły na złamanie szyfru. Pierwszym z nich było nadawanie klucza wiadomości tekstem otwartym, drugi to konstruowanie klucza z trzech znaków i powtarzanie ich. Pozwoliło to na odkrycie relacji pomiędzy pierwszym i czwartym znakiem i tak dalej. To właśnie te