Enigma (šifrovací stroj)

Enigma () bola prenosným elektromechanickým šifrovacím strojom pracujúcim na princípe otáčajúcich sa rotorov. Používala sa v niekoľkých modifikovaných verziách najmä nemeckými ozbrojenými silami pred vypuknutím a počas druhej svetovej vojny. Šifra Enigmy bola Nemcami považovaná za neprelomiteľnú a absolútne bezpečnú, no už v roku 1932 ju prelomili poľskí kryptológovia, ktorých poznatky využili po vypuknutí vojny spojenecké vojská. Informácia o prelomení kódu bola jednou z najtajnejších. O prispení Poliakov sa otvorene začalo hovoriť až v roku 1973.
Opis.
Tak ako iné, na rotoroch založené šifrovacie stroje, je Enigma kombináciou elektrického a mechanického systému. Mechanický systém je zložený z klávesnice, súbory rotačných valcov (alebo rotorov, ) zoradených na jednej osi a krokového mechanizmu, ktorý otáča postupne jedným alebo niekoľkými rotormi pri každom stlačení.
Šifrovanie prebieha takto: po stlačení klávesu sa uzavrie elektrický obvod. Prúd preteká rôznymi súčasťami, až sa nakoniec rozsvieti jedna z mnohých žiaroviek na paneli, čím indikuje výsledné zašifrované písmeno.
Napríklad pri šifrovaní správy ANX… operátor najskôr stlačí A, rozsvieti sa napríklad Z, teda Z bude prvým písmenom zašifrovaného textu. Následne operátor stlačí N a rovnakým spôsobom pokračuje.
Pre bližšie vysvetlenie je použitá schéma na ľavom obrázku. Pre zjednodušenie sú zobrazené iba 4 súčasti z každej časti. V skutočnosti je na paneli 26 žiaroviek, klávesov a zdierok. Prúd preteká z batérie (1) cez stlačené dvojcestné tlačidlo (2) k rozvodnej doske (3), ktorá umožňuje preskupiť zapojenie klávesnice, do pevného vstupného kolesa (4), ďalej cez tri (Wehrmacht Enigma) alebo štyri (Kriegsmarine M4) rotory (5). Potom vstupuje do reflektora (6), ktorý inou cestou vracia prúd späť do rotorov (5) a vstupného kolesa (4). Ďalej postupuje cez zástrčku 'S' (7), ktorá je v našom prípade prepojená s káblom (8) do zástrčky 'D', a následne ďalším dvojcestným spínačom ku žiarovke (9).
Neprestajné otáčanie sa rotorov zapríčiňuje neustálu zmenu cesty signálu a kódovanie správy polyalfabetickou šifrou, ktorý vo svojej dobe zabezpečoval veľmi vysokú bezpečnosť prenosu.
Rotory.
Rotory (tiež "bubienky" či "rotačné valce" , ) sú srdcom šifrovacieho stroja. Pripomínajú koleso s priemerom približne , vyrobené z tvrdej gumy alebo bakelitu, s kruhovo uloženými kolíkmi na pružinách z jednej strany a plochými elektrickými kontaktmi zo strany druhej. Uloženie kolíkov a kontaktov je rovnaké ako opis písmen na abecednom krúžku rotora – typicky 26 písmen od A do Z. Ak sú rotory uložené vedľa seba, kolíky jedného z nich sa dotýkajú s plochými elektrickými kontaktmi susedného, uzatvárajúc elektrický obvod. Vnútri rotora sa nachádza 26 prevodov spájajúcich zhodne so zvolenou kombináciou kolíky z jednej strany s kontaktmi z druhej. Spôsob káblového prepojenia je iný pre každý typ rotora.
Jednotlivý rotor zabezpečuje iba jednoduché substitučné šifrovanie. Napríklad kolík zodpovedajúci písmenu E môže byť spojený s kontaktom písmena T na druhej strane. Zložitosť systému šifrovania závisí na použití viacerých, navzájom prepojených rotorov – prevažne troch či štyroch – a zároveň ich pravidelného otáčania, čo zabezpečuje ešte vyšší stupeň komplikácie šifrovania.
Po vložení rotora do šifrovacieho stroja mohol byť nastavený do jednej z 26 pozícií. Otáčanie bubienka umožňoval do neho pripevnený vlnovkový krúžok, presahujúci cez vrchný kryt stroja po jeho zatvorení. Aby operátor stroja mohol nastaviť rotor do odpovedajúcej pozície, bol do neho pripevnený abecedný krúžok s 26 písmenami alebo číslami, ktorých zodpovedajúca pozícia bola viditeľná v špeciálnom okienku v kryte stroja. V raných modeloch stroja bol abecedný krúžok pripevnený k rotoru, ale neskôr sa kvôli zvýšeniu komplikácie šifrovania zaviedli rotory s meniacim sa nastavením abecedného krúžku. Toto nastavenie bolo nazvané termínom "Ringstellung" (nastavenie rotora).
Enigmy Heeru (pozemných vojsk) a Luftwaffe (letectva) boli vybavené niekoľkými typmi rotorov, no v čase zavedenia ich mali iba tri. 12. decembra 1938 bola súprava rotorov rozšírená na 5, z ktorých sa do použitia v stroji vyberali tri. Kvôli odlíšeniu boli rotory označené rímskymi číslicami I, II, III, IV a V. Každý z nich mal jeden zárez umiestnený v rôznych miestach abecedného krúžku, slúžiaci na jeho otáčanie, vďaka čomu značne narastala zložitosť šifry. Viera konštruktérov stroja, že zavedenie zárezu prakticky znemožní dekódovanie správ sa ukázala mylná, pretože vďaka zavedeniu poľskej „hodinovej metódy“ Jerzyho Różyckiho a neskôr britskej metódy nazvanej „banburismus“ bola nakoniec šifra Enigmy prelomená.
Enigmy Kriegsmarine (námorníctva), na rozdiel od strojov Heeru a Luftwaffe, boli vybavené väčším počtom rotorov. Na počiatku ich bolo 6, neskôr 7 a nakoniec 8. Dodatočné rotory označené ako VI, VII a VIII boli okáblované rôznym spôsobom a mali po dvoch zárezoch vo výške písmen 'N' a 'A', ktoré umožňovali ich častejšie otáčanie.
Enigma M4, ktorú využívalo Kriegsmarine, obsahovala štvrtý rotor, no jeho využitie nevyžadovalo prebudovanie štandardnej trojrotorovej verzie. Dodatočné miesto bolo získané vďaka použitiu nového tenšieho otáčajúceho bubienka a špeciálneho štvrtého rotora, ktorý sa síce neobracal, ale mohol byť nastavený ručne v jednej z 26 pozícií. Štvrtý rotor bol vyrábaný v dvoch verziách označených ako "Beta" a "Gama".
Krokový mechanizmus.
V snahe väčšieho skomplikovania kódu sa niektoré rotory neotáčali pri každom stlačení klávesu. Taká činnosť zabezpečuje meniace sa kódovanie znaku v každej pozícii rotorov ako aj stvorenie efektu veľmi komplikovaného mnohoznakového substitučného šifrovania.
Otáčanie rotorov bolo zabezpečené mechanizmom západky a rohatky. Na každý rotor boli pripevnené rohatky s 26 zubami spolupracujúcimi so západkami. Každé stlačenie klávesu stroja zároveň spôsobuje potlačenie západiek, ktoré v prípade zapadnutia do zárezu rohatky spôsobia jeho pootočenie.
V Enigme používanej pozemnými silami a letectvom bol na rotory vložený dodatkový krúžok so zárezom. Päť základných rotorov (IV) mali po jednom záreze, no dodatkové rotory strojov Kriegsmarine (VIVIII) po dva. V istých prípadoch sa zárez nastavil do takej pozície, že západka susedného rotora umožnila pootočenie dvoch rotorov naraz. V inom prípade sa západka kĺzala po povrchu krúžku so zárezom nespôsobujúc jeho dodatočné pootočenie. Pre rotory s jedným zárezom nastupuje dodatočné pootočenie každých 26 pootočení prvého rotora a podobne pootočenie tretieho, každých 26 pootočení druhého. Druhý rotor sa otáča takým istým spôsobom ako tretí, preto v istej chvíli preskočí o dva zúbky pri jednom stlačení klávesu, skracujúc svoju dobu obrátky (podvojný krok).
Fakt činiteľa "podvojného kroku" v Enigme odlišuje spôsob obracania sa rotorov napríklad od automobilového počítadla kilometrov. "Podvojný krok" sa vyskytne ak prvý rotor postupuje o krok a v okamihu trafenia sa západky do zárezu v druhom rotore, nastáva jeho pootočenie o jeden krok dopredu. Takisto sa to deje s tretím rotorom, ale v okamihu trafenia západky do zárezu je pootočený o jeden krok naraz s druhým rotorom. V nasledujúcom cykle západka posúva druhý rotor ďalší raz (druhý v rade).
V trojrotorovej Enigme obsahujúcej iba po jednom záreze na prvom a druhom rotore nastáva opakovanie kombinácie kódu každých 16 900 cyklov. 26 × 25 × 26 = 16 900 (pozor, nie je to 26 × 26 × 26 vzhľadom na podvojný krok druhého z rotorov, aj keď všetky rotory majú po 26 stykov). Vzhľadom na dĺžku predávaných správ, ohraničujúcich sa do niekoľko sto znakov, bola pravdepodobnosť opakovania sekvencie prakticky nulová.
Aby sa získalo miesto na štvrtý kódovací rotor "Beta" či "Gama" v Enigme Kriegsmarine, ktorá sa začala používať v roku 1942, bol uplatnený tenší otáčajúci rotor a stenčený bol aj štvrtý rotor. Žiadne iné mechanizmy stroja nepodliehali zmene. Rovnako nebola pridaná západka na dodatočný rotor, čiže mohol byť nastavený iba ručne v jednej z 26 pozícií.
Pri stlačení klávesu na klávesnici Enigmy nastáva najprv otočenie rotorov a až neskôr dochádza k uzavretiu elektrického obvodu.
Vstupný valec.
Vstupný valec (), alebo stojan, je spojený s rozvodnou doskou (ak je prítomná), alebo bezprostredne s klávesnicou a svetielkami a z druhej strany so sústavou rotorov. Aj keď sám spôsob spojenia klávesnice s valcom nemá väčší význam pre bezpečnosť kódovania, dopomohol na počiatku snáh Mariana Rejewskiho pracujúceho nad objasnením spôsobu káblového prepojenia rotorov. Komerčný stroj mal klávesy spojené v súlade s rozložením klávesnice: Qformula_1A, Wformula_1B, Eformula_1C, a tak ďalej, no vo vojenskej verzii bola prepojená abecedne: Aformula_1A, Bformula_1B, Cformula_1C, a tak ďalej. Odkrytie toho faktu Rejewskim mu umožnilo vypracovanie ďalších rovníc dovoľujúcich konečné prelomenie tajomstva Enigmy.
Reflektor.
S výnimkou prvých dvoch modelov Enigmy, označených písmenami A a B, obsahovali všetky neskoršie stroje reflektor (nemecky "Umkehrwalze"). Bolo to patentné riešenie, ktoré odlišovalo Enigmu od iných súdobých šifrovacích strojov na podobnom princípe. Úlohou reflektora bolo spojenie elektrických kontaktov do párov a spätné presmerovanie signálu cez sústavu rotorov, ale inou cestou.
Reflektor Enigmy je symetrický, čo značí, že zašifrovaná informácia je rozkódovávaná po jej vyslaní tou istou cestou (akoby znovu zakódovaná). Reflektor dáva Enigme ešte jednu vlastnosť, menovite, nikdy nijaké písmeno pred zašifrovaním nemôže mať tú istú hodnotu ako po zašifrovaní (čiže A nikdy nebude po zašifrovaní vystupovať ako A). Vyplýva to z konštrukcie reflektora, ktorý vždy zamieňa znaky pármi. Táto vlastnosť, aj keď mala byť výhodou, je v skutočnosti kryptografickou chybou a bola využitá na prelomenie kódu Enigmy.
V komerčnej verzii typu C mohol byť reflektor osadený v jednej z dvoch pozícií, no v novšej verzii D v jednej z 26 pozícií, ale počas šifrovania sa nepohyboval. Vo verzii pre tajnú spravodajskú službu Abwehr sa reflektor otáčal rovnako ako ostatné rotory.
Enigmy využívané v Heer a Luftwaffe takisto obsahovali nepohyblivé reflektory, ktoré boli produkované v štyroch verziách. Prvá z nich bola označená ako "Umkehrwalze A" a bola nahradená 1. novembra 1937 typom "Umkehrwalze B". Tretia verzia "Umkehrwalze C" zavedená v roku 1940 bola užívaná veľmi krátko, pravdepodobne kvôli chybe. Verzia Enigmy s touto verziou reflektora bola rozkódovaná sekciou "Hut 6" kryptologického strediska v Bletchley Park. Štvrtá verzia valca bola po prvý raz použitá okolo 2. decembra 1944. Na rozdiel od predchádzajúcich, "Umkehrwalze D" obsahoval zmenené vinutie, ktoré mohlo byť nastavené operátorom do jednej z preddefinovaných pozícií.
Rozvodná doska.
Rozvodná doska () umožňovala rôznorodé okáblovanie, ktoré mohlo byť menené operátorom. Prvý raz bola rozvodná doska zavedená v roku 1930 do strojov Heeru, Luftwaffe a onedlho aj v Kriegsmarine. Zmena okáblovania rozvodnej dosky napriek svojej jednoduchosti značne zvyšovala komplikáciu šifry Enigmy, dokonca viac než dodatočný rotor. Enigma bez rozvodnej dosky mohla byť rozkódovaná relatívne jednoduchým spôsobom, dokonca aj ručne, ale zmena písmen pomocou nej prinútila dešifrantov k použitiu špeciálnych dekódovacích strojov.
Prevody dosky dovoľovali zameniť miesta niektorých párov písmen, napríklad E a Q. Výsledkom toho bola zámena písmen rovnako pred, ako i po prejdení signálu cez kódovacie rotory. Napríklad ak operátor stlačil kláves E bol signál smerovaný do Q a následne do rotorov. V tom istom čase je možné zameniť až 13 párov písmen, čiže celú abecedu.
Elektrický signál prebieha z klávesnice cez rozvodnú dosku do vstupného valca (). Každé písmeno na doske obsahuje dve zástrčky na banánové konektory, do ktorých sa vkladá zásuvka. Po vložení zásuviek nastáva odpojenie horných kontaktov od klávesnice a dolných od vstupného valca. Elektrický signál prebieha zamieňajúc miesta prepojení dvoch písmen.
Príslušenstvo.
Veľmi užitočným príslušenstvom Enigmy M bol "Schreibmax", malá tlačiareň, ktorá mohla tlačiť celú sústavu 26 znakov na úzkej papierovej páske. Použitie tohto prístroja umožnilo zjednodušenie práce, takže nebol potrebný druhý operátor, ktorého úlohou bolo odčítavanie zo svetielok a zapisovanie dekódovanej správy. Schreibmax bol inštalovaný na hornom kryte stroja namiesto panelu so svetielkami, ktorý bol v čase práce tlačiarne demontovaný. Okrem očividnej výhody pre užívateľa, zavedenie Schreibmaxu zvyšovalo taktiež bezpečnosť prenosu. Aby sa zapisovateľovi šifrogramu znemožnilo čítanie dekódovanej správy, stačilo tlačiareň vzdialiť alebo inštalovať za prekážku.
Iným užitočným príslušenstvom bol dodatočný "diaľkový svetelný panel", ktorý tak ako v prípade Schreibmaxu umožňoval odčítavanie správy v druhej miestnosti, alebo mimo dosahu zraku operátora. Verzie Enigmy obsahujúce dodatočný svetelný panel mali objemnejšiu skrinku dovoľujúcu jeho uskladnenie v zodpovedajúcej priehradke.
V roku 1944 Luftwaffe zaviedla dodatočný rozvod rozvodnej dosky nazývaný "Uhr" (). Vyzeral ako malá škatuľka so 40-pozičným otočným prepínačom zastupujúcim doterajšie zásuvky. Po pripojení zariadenia do Enigmy zhodne s aktuálnym denným kľúčom, mohol operátor vybrať pomocou otočenia prepínača jednu zo 40 pozícií, z ktorej každá zodpovedala inej kombinácii okáblovania.
Matematický opis.
Šifrovací stroj Enigma kóduje písmená takým spôsobom, že každé z nich môže byť opísané matematicky ako výsledok permutácie. Na príklade trojrotorovej Enigmy používanej nemeckými pozemnými a leteckými silami to bude vyzerať následne: ak formula_7 označuje zmeny na rozvodnej doske, formula_8 označuje reflektor a formula_9 označujú zmeny na troch ďalších rotoroch. Matematický zápis šifrovania formula_10 môžeme zapísať takto:
Po každom stlačení klávesu sa rotory otáčajú, meniac spôsob šifrovania. Napríklad, ak prvý rotor z pravej strany formula_12 sa otočí o formula_13 pozícií, spôsob šifrovania bude vyjadrený ako formula_14, kde formula_15 je cyklickou permutáciou zrkadliacou A na B, B na C a tak ďalej. Podobne pohyby stredného a posledného rotora môžu byť predstavené ako otočenia formula_16 a formula_17 rotorov formula_18 a formula_19. Funkcia šifrovania potom bude vyzerať takto:
Procedúry používania Enigmy.
Nemecká vojenská komunikácia bola rozdelená na mnoho rôznych sietí, z ktorých každá používala iné nastavenia pre ňou používané stroje Enigma. Každá zo sietí mala v Bletchley Park názvy kľúčov () a boli im pripísané dodatočné kódové kryptonymy ako napríklad "Red", "Chaffinch" a "Shark". Každá z jednotiek pracujúcich v danej sieti dostávala v istých termínoch listy nastavení Enigmy. V záujme úspešného doručenia správy museli byť odosielajúci aj prijímajúci stroj nastavené identicky, zahŕňajúc do toho tú istú sústavu rotorov nastavených v tých istých štartovacích polohách ako aj identicky nastavenú rozvodnú dosku. Všetky informácie o nastaveniach strojov boli ustálené dopredu a tlačené vo forme kódových kníh.
Počiatočné nastavenie Enigmy, jej kľúč obsahoval nasledujúce údaje:
Enigma bola projektovaná takým spôsobom, aby transmisia bola bezpečná tiež v prípade, že spôsob okáblovania rotorov je známy odpočúvajúcemu. V praxi boli ale informácie o spôsobe okáblovania tajné. Pri použití rotora s neznámym spôsobom okáblovania bol približný počet všetkých nastavení okolo 10114 (okolo 380 bitov), ale v prípade rotorov so známym spôsobom okáblovania ako aj znalosťou nastavenia bol počet do okolo 1023 (76 bitov). Užívatelia Enigmy si boli istí, že bezpečnosť správ je úplná, vzhľadom na obrovský počet možných kombinácií nastavení stroja, a jedinou metódou dekódovania správy je metóda útoku hrubou silou ().
Procedúry.
Väčšina kľúčov platila iba v ohraničenom čase, prevažne jeden deň. Do šifrovania každej správy boli navyše rotory nastavované individuálne. Postupovalo sa tak preto, že veľký počet správ zašifrovaných rovnakým alebo podobným spôsobom by bol dokonalým materiálom pre kryptológov na štatistickú analýzu a ľahšie prelomenie kódu. Spojené to bolo tiež s tým, že typická vojenská správa na začiatku obsahuje identifikátor (obyčajne kryptonym) odosielateľa. A napokon, v prípade odosielateľov posielajúcich veľké množstvo správ (napríklad štáby vysokého velenia), boli vysielané veľké počty správ s identickým začiatkom (zašifrovaný identifikátor odosielateľa, ktorý špionáž nepriateľa obvykle poznala), čo mohlo zjednodušiť kryptologický útok. Aby sa tomu zabránilo bolo pre každú správu zavedené individuálne nastavenie, podobne ako sa v súčasnej kryptografii používa štartovací vektor. Zašifrovaná správna poloha rotorov bola vysielaná tesne pred hlavným šifrogramom. Táto procedúra, nazvaná vstupnou procedúrou, napriek tomu že mala zvýšiť bezpečnosť, dopomohla vďaka chybám nemeckých šifrovačov prelomiť prvé verzie Enigmy.
Jedna z prvých vstupných procedúr bola využitá poľskými kryptológmi na prvé prelomenie šifry Enigmy. Spočívala na nastavení rotorov zhodne s denným kľúčom zapísaným v knihe kódov. Počiatočné nastavenie rotorov () mohlo mať podobu AOH a takú kombináciu nastavoval operátor. Následne bola vyberaná náhodná kombinácia nastavení rotorov, napríklad EIN, ktoré sa stali individuálnym kľúčom správy. Kľúč správy bol vpísaný dvojnásobne (aby sa predišlo chybe) ako EINEIN a po zašifrovaní mohol mať podobu XHTLOA, ktorá bola vysielaná na začiatku šifrovanej správy. Po vyslaní kľúča operátor nastavil rotory stroja v pozícii EIN a začínal vpisovať správu určenú na zašifrovanie.
Procedúra preberania bola opačnou operáciou. Najprv sa do stroja nastaveného podľa denného kľúča vpísala prvá prijatá sekvencia znakov XHTLOA, ktorá po rozkódovaní dávala individuálny kľúč šifrogramu EINEIN. Následne operátor nastavil rotory Enigmy do pozícií EIN a pristúpil k dekódovaniu samotnej správy.
Prvou chybou vstupnej procedúry v počiatkoch používania Enigmy bolo vysielanie individuálneho kľúča správy otvoreným textom. Druhou chybou bolo tvorenie kľúča správy z troch znakov opakovaných dvojnásobne, čo dovoľovalo odkrytie vzťahov medzi prvým a štvrtým znakom, druhým a piatym, tretím a šiestym. Obe nedostatočné zabezpečenia transmisie dovolili pracovníkom poľskej Kancelárie šifier odkrytie spôsobu práce Enigmy a dekódovanie správ posielaných pri použití predvojnových šifrovacích strojov. V roku 1940 bola vstupná procedúra zmenená, zvyšujúc bezpečnosť šifier. Iné chyby nemeckých šifrovačov zviazané s touto procedúrou boli:
Počas druhej svetovej vojny kódové knihy Enigmy obsahovali iba údaje na tému sústavy rotorov a ich vzájomného uloženia, bez denných kľúčov. Pre každú správu operátor vyberal náhodné počiatočné nastavenie rotorov, napríklad WZA, a náhodný kľúč správy, napríklad SXT. Po nastavení rotorov Enigmy v pozíciách WZA vpisoval kľúč správy SXT obdržiac napríklad sled znakov UHL. Následne nastavil rotory stroja do polôh SXT a kódoval zvyšok informácií. Vysielaný rozkaz sa začínal sledom znakov hovoriacich o počiatočnom nastavení WZA, následne zakódovaného kľúča správy UHL a následne samotného obsahu šifrogramu. Operátor prijímajúci správu vykonával operáciu opačne. Najprv nastavil rotory do pozícií WZA a dekódoval zo sledu UHL kľúč správy SXT. Následne nastavil stroj v súlade s kľúčom SXT a dešifroval správu. Táto vstupná procedúra bola oveľa bezpečnejšia než predvojnové, pretože neobsahovala dvojnásobné sekvencie znakov.
Vyššie uvedená procedúra bola využívaná iba silami Heer a Luftwaffe. Kriegsmarine mala vlastné, oveľa zložitejšie procedúry. Správa určená na zakódovanie Enigmou musela byť vstupne zakódovaná na základe Kurzsignalheft, knihy kódových skratiek, obsahujúcej tabuľky zamieňajúce celé vety a frázy na štvorpísmenné skupiny znakov. Zohľadnené boli všetky možné vyjadrenia a témy správy a situácie na mori. Svoje kódy obsahovali operácie tankovania a zásobovania na mori, názvy zálivov, krajín, zbraní, počasia, pozícií nepriateľských jednotiek, času, polohy atď. Cieľom prijatia takéhoto rozviazania nebolo iba sťaženie prelomenia šifry, ale tiež umožnenie posielania čo najobsiahlejšej informácie v čo najkratšej správe. Vyplývalo to z potreby čo najkratšieho vysielania aby sa zmenšila možnosť rádiového zamerania polohy lode. Druhá kniha kódov obsahovala "Kenngruppen" a "Spruchschlüssel", čiže identifikačné kľúče a kľúče správ.
Skratky a inštrukcie.
Enigma používaná vojskom používala iba 26-písmennú abecedu. Interpunkčné znamienka boli zastúpené ojedinele vystupujúcimi sekvenciami písmen. Medzera bola zvyčajne nevpisovaná alebo zastupovaná písmenom X, ktoré tiež bolo používané ako bodka (či desatinná čiarka). Niektoré znaky boli rôznymi ozbrojenými zložkami používané rôzne. Heer a Luftwaffe používali namiesto čiarky ZZ a namiesto otáznika frázu FRAGE či FRAQ. Kriegsmarine zase namiesto čiarky používalo Y a namiesto otáznika UD. Písmeno CH, ako vo výrazoch "Acht" () alebo "Richtung" () bolo zastúpené písmenom Q (AQT, RIQTUNG). Dve, tri alebo štyri nuly boli zastúpené cez zodpovedajúce: CENTA, MILLE a MYRIA.
Heer a Luftwaffe posielali správy v tvare päťznakových skupín. Kriegsmarine používala iné, štvorrotorové stroje, a tiež posielali správy iným spôsobom, v tvare štvorznakových skupín. Najčastejšie používané slová v záujme ich zamaskovania boli písané rôznymi spôsobmi. Napríklad slovo "Minensuchboot" () bolo písané ako MINENSUCHBOOT, MINBOOT, MMMBOOT či MMM354. Aby sa dodatočne sťažila práca kryptológov bola zavedená ohraničená dĺžka rozkazov do 250 znakov. Dlhšie správy boli rozdeľované na časti, z ktorých každá mala svoj vlastný kľúč správy.
Dejiny a vývoj.
V 7.10.1919 obyvateľ holandského Haagu Hugo Alexander Koch si v Amsterdame nechal patentovať šifrovací stroj, založený na pohyblivých kotúčoch (rotoroch). Patent dostal číslo 10700 a bol zaregistrovaný v roku 1920 aj v USA. Koch ho chcel začať vyrábať vo veľkom ako pomôcku pre banky a obchodníkov. Žiaden stroj však nevyrobil a špekuluje sa, že nápad pochádzal od jeho brata, ktorý mal prístup k strojom firmy RPC Spengler, ktoré boli založené na patente námorného poručíka Thea A. van Hengela z roku 1915. Kochov patent kúpil nemecký strojný inžinier Arthur Scherbins pravdepodobne preto, že sám mal podobný nemecký patent už z roku 1918. Tomu sa podarilo vyrobiť a zdokonaliť prvý fungujúci prototyp, ktorý nazval Enigma. Výroba prebiehala vo firme "Scherbius &amp; Ritter", založenej z iniciatívy Scherbiusa a nemeckého inžiniera Richarda Rittera v roku 1918. Predaj bol minimálny. O stroj v roku 1934 prejavil záujem Wehrmacht. Po úspešných testoch ho zaradil do svojho výstroja ako hlavný kódovací prístroj. Enigma zohrala veľkú úlohu počas 2. svetovej vojny, kedy sa k nej okrem nemeckých šifrovačov dostali aj šifrovači z Veľkej Británie, Poľska, USA.
23. februára 1918 si Artur Scherbius patentoval šifrovací stroj, no nebol prvý, kto skonštruoval stroj na princípe rotorov. Okrem neho a Huga Kocha sa zaoberali prácou nad podobnými strojmi tiež Edward Hebern (USA, 1917) a Arvid Gerhard Damm (Švédsko, 1919), ale iba Scherbius so svojou Enigmou dosiahol úspech jej uvedením na civilný trh a neskôr do štátnych inštitúcií.
Prvý raz sa šifrované správy zakódované pomocou Enigmy podarilo rozšifrovať poľským kryptológom v roku 1932. Práce, na ktorých sa podieľali najmä Marian Rejewski, Jerzy Różycki a Henryk Zygalski, dovoľovali ďalšiu prácu nad dekódovaním šifier neustále sa zdokonaľujúcich strojov Enigma najprv v Poľsku a po vypuknutí vojny vo Francúzsku a Veľkej Británii.
Najčastejšie boli dešifrované správy zašifrované Enigmou vo verzii Wehrmachtu ("Wehrmacht Enigma"). Britská vojenská výzvedná služba označila Enigmu kryptonymom "ULTRA". Názov vznikol vzhľadom na najvyšší stupeň utajenia faktu prelomenia šifry Enigmy, vyššieho než "najtajnejší" (), čiže "„Ultra“ tajný".
Civilná enigma.
Scherbius a Ritter ponúkali svoj stroj nemeckému námorníctvu a ministerstvu zahraničia, ale nikto o stroj neprejavil záujem. Patent teda predali firme "Gewerkschaft Securitas", ktorá založila akciovú spoločnosť "Chiffriermaschinen AG", v ktorej Scherbius i Ritter zostali členmi riadenia.
V rokoch 1923 a 1924 "Chiffriermaschinen AG" vystavila stroj Enigma model A na kongrese "Svetovej poštovej únie". Stroj bol veľmi objemný a ťažký a navyše obsahoval písací stroj. Jeho rozmery boli 65×45× a vážil okolo . Podobnú konštrukciu mal aj model B. Oba modely sa líšili od nasledujúcich nielen veľkosťou, ale aj kryptograficky, pretože neobsahovali reflektor.
Model C z roku 1926 bol menší a neobsahoval písací stroj. Miesto neho sa objavili písmená podsvetlené žiarovkami, ktoré čítal operátor. Obsahoval tiež reflektor, vymyslený Scherbiusovým spolupracovníkom Willim Kornom, ktorý sa stal kľúčovou súčasťou strojov. Na odlíšenie od prvých modelov A a B bola občas nazývaná "svietiacou Enigmou". Model C čoskoro (1927) vystriedal model D, ktorý sa hojne používal a ktorého vzorky sa posielali do zahraničia (Švédska, Holandska, Veľkej Británie, Japonska, Talianska, Španielska, USA a Poľska).
Armádna Enigma.
Prvú vojenskú verziu dostalo nemecké námorníctvo. "Funkschlüssel C", ako bola táto nová verzia pomenovaná, vošla do výroby v roku 1925 a nasledujúcom roku bola uvedená do služby. Mala klávesnicu s 29 znakmi (AZ a Ä, Ö, Ü), ktoré boli usporiadané abecedne. Rotory mali 28 kontaktov (písmeno X obchádzalo šifrovací mechanizmus a zostávalo nezakódované). Stroj používal 3 rotory, ktoré sa vyberali zo súboru 5. Reflektor mohol byť vsadený v 4 možných pozíciách.
15. júna 1928 predstavila nemecká armáda svoju vlastnú verziu "Enigmy G", ktorá bola revidovaná v roku 1930 na "Enigmu I.", ktorá je známa tiež ako verzia Wehrmachtu. Táto verzia bola užívaná nielen armádou, ale aj ďalšími vládnymi organizáciami, a to nielen pred, ale aj v priebehu 2. svetovej vojny. Hlavným rozdielom oproti komerčnej verzii bolo pridanie ďalšej rozvodnej dosky, ktorá umožňovala prehodenie písmen na klávesnici, čo zosilnilo kryptografickú silu stroja. Ďalej obsahovala pevný reflektor, a krokujúce valčeky na rotoroch boli presunuté na nastaviteľné krúžky. V roku 1934 sa nová Enigma, označená ako "Funkschlüssel M" alebo "M3", dostala k námorníctvu. Pre väčšiu bezpečnosť bola vybavená sadou 5 rotorov, z ktorých sa vyberali ľubovoľné 3.
V decembri 1938 armáda pridala 2 rotory do súboru, takže bolo možné vyberať celkovo z 5. V priebehu roku 1938 námorníctvo pridalo do súboru ďalšie 2 rotory a ďalší v roku 1939. Na výber malo námorníctvo teda celkovo 8 rotorov. V auguste 1935 začalo Enigmu používať aj letectvo. 1. februára 1942 bola do ponorkového námorníctva zavedená nová verzia so 4 rotormi. Táto verzia bola označovaná ako "M4". Reflektor bol zúžený a do vzniknutého priestoru mohol byť umiestnený štvrtý úzky rotor.
Pre komunikáciu na vyššej úrovni sa používala tiež "Enigma II" s 8 rotormi. V službe ale nezotrvala dlho, pretože bola nespoľahlivá a často sa zasekávala.
Nemecká tajná služba Abwehr mala model "Enigma G". Tento variant bol vybavený 4 rotormi s niekoľkými zárezmi na každom z nich. Okrem toho mala počítadlo, ktoré sa zvyšovalo s každým stlačením klávesu. Tento stroj mal prezývku „počítadlo“ ().
Enigma nebola dokonalá. Zvlášť po tom, čo sa jej zmocnili západní Spojenci, im umožnila dešifrovať nemecké správy. To sa ukázalo veľmi výhodné predovšetkým v bitke o Atlantik, pretože nemecké ponorky komunikovali pomocou Enigmy a vlastne tak priamo predávali britskému rádiovému odpočúvaniu kľúčové informácie, slúžiace na ich dolapenie.
Okrem Nemecka bola Enigma využívaná aj iných krajinách. Talianske vojnové námorníctvo prispôsobilo na vojenské ciele civilnú verziu stroja, nazývaného "Kóder námorníctva D". Španielsko využívalo Enigmu počas občianskej vojny. Vo švajčiarskej armáde a diplomacii sa používali stroje pod označením "model K" alebo "Swiss K", ktoré boli veľmi podobné civilnej verzii Enigma D. Táto verzia stroja bola rozšifrovaná mnohými skupinami kryptológov z Poľska, Francúzska, Veľkej Británie a Spojených štátov (neskorší kódový názov bol INDIGO). "Enigma T", označená kódovým názvom Tirpitz, bola vyrobená špeciálne pre Japonsko.
Počet vyrobených strojov sa odhaduje na 100 000. Po skončení druhej svetovej vojny spojenci stále tajili, že sú schopní kódy Enigmy bez problémov dekódovať, preto ukoristené stroje predali najmä do rozvojových krajín. Tieto boli presvedčené, že šifra je stále bezpečná, a Enigmu používali ešte v 50. rokoch, ako pôvodnú tak aj jej modifikácie. To však poskytlo západnej (najmä britskej) špionáži veľké výhody.
Poľský vklad rozlúštenia kódu.
Prvé pokusy prelomenia šifry Enigmy vykonávali Francúzi, Angličania a Poliaci už koncom dvadsiatych rokov, ale bez úspechu. Hlavným problémom rozšifrovania bolo na svoje časy prevratné uplatnenie polyalfabetických šifier, v ktorých každé písmeno viditeľného textu je zašifrované pomocou inej permutácie abecedy, čo dovoľuje ukryť jazykové vlastnosti šifrogramu.
V lámaní šifier hrali hlavnú úlohu lingvisti, ktorí v procese kryptoanalýzy vychytávali charakteristické znaky jazyka, napríklad frekvencia opakovania sa písmen, dĺžka výrazov a podobne. V prípade použitia Enigmy však lingvistická analýza neprinášala žiadne výsledky. Vedenie Kancelárie šifier () druhého oddelenia generálneho štábu poľského vojska bolo preto donútené zamestnať profesionálnych matematikov.
V januári 1929 bol zorganizovaný na Poznaňskej univerzite kurz kryptológie, určený najmä pre študentov matematiky, ktorí poznali nemčinu. Výber poznaňskej školy nebol náhodný, pretože vzhľadom na polohu mesta bola znalosť nemčiny všeobecná. Na kurz, ktorého prednášateľmi boli, z Varšavy dochádzajúci major Franciszek Pokorny, kapitán Maksymilian Ciężki a inžinier Antoni Palluth, boli vyslaní traja najšikovnejší študenti profesora Zdzisława Krygowskeho – Marian Rejewski, Jerzy Różycki a Henryk Zygalski.
Na jeseň 1930 bola v Poznani vytvorená pobočka Kancelárie šifier, v ktorej boli zamestnaní ôsmi najúspešnejší absolventi kurzu kryptológie. Medzi nimi sa nachádzal aj Marian Rejewski. O dva roky neskôr bola pobočka zrušená a Marian Rejewski, Jerzy Różycki a Henryk Zygalski sa stali 1. septembra 1932 pracovníkmi varšavskej Kancelárie šifier generálneho štábu. Od septembra začal Rejewski pracovať nad Enigmou. Západné mocnosti tak veľmi pochybovali v úspešnosť prelomenia šifrujúceho algoritmu Enigmy, že v podstate ukončili akékoľvek pokusy. Preto, medzi inými, francúzska špionáž poskytla konštrukčné plány strojov Enigma získané okolo roku 1931 cez francúzskeho agenta Hansa-Thilo Schmidta (pseudonym Asché) Poliakom, považujúc tie informácie za bezcenné.
V decembri 1932 sa Rajewskemu podarilo rozviazať šifru Enigmy a vo februári 1933 bola vo firme "Wytwórnia Radiotechniczna AVA" objednaná kópia nemeckého šifrovacieho stroja. Od tej chvíle mohli Poliaci čítať nemeckú korešpondenciu, no nebolo to jednoduché, pretože Nemci zdokonaľovali nielen samotný stroj, ale aj spôsoby šifrovania.
Poliaci vypracovali neobvykle efektívne metódy dešifrovania Enigmy, využívajúc prevratným spôsobom jestvujúcu kombinatorickú teóriu cyklov a transpozíciu. Do opísania permutácií cyklov rotorov Enigmy boli využité Rejewského cyklometer a karty charakteristík, ktoré ale prestali byť využívané 15. septembra 1938 vzhľadom na zmenu kódovania. Do tej chvíle zaberalo ustálenie denného kódu pomocou vyššie uvedeného zariadenia približne 15 minút.
Okolo októbra 1938 vypracoval Rejewski ďalšie elektromechanické zariadenie nazvané "kryptologická bomba". Jeho zadaním bolo automatické lámanie šifry Enigmy, opierajúce sa o vypracovanú teóriu cyklov. Kryptologická bomba sa skladala zo šiestich poľských kópií Enigmy poháňaných elektromotorom. V polovici novembra toho istého roku bolo vyrobených šesť takých bômb, využívaných výlučne na rozšifrovanie podvojne šifrovaných denných kľúčov, nikdy nie na dešifrovanie samotných šifrogramov. Tie boli dekódované pomocou perforovaných šablón Zygalskiho, vypracovaných s cieľom nájsť správne uloženie rotorov Enigmy. Jedna kryptologická bomba dovoľovala odkódovanie denného kódu v priebehu približne dvoch hodín a zastupovala prácu okolo sto ľudí.
V roku 1939 Nemci znovu zmenili spôsob šifrovania, čo si vynútilo bezpodmienečnú výrobu 60 kryptologických bômb a vypracovanie 60 kompletov veľmi namáhavo vyrábaných Zygalskiho plachiet (komplet šablóna zahŕňa 26 hárkov).
Táto investícia značne prekračovala finančné možnosti poľskej špionáže, preto padlo rozhodnutie venovať po jednom exemplári Enigmy spolu s dokumentáciou výzvedným službám Veľkej Británie a Francúzska. Odovzdanie sa odohralo 25. júla 1939 v obci Pyry (od 1951 časť Varšavy).
Mimo skromných prostriedkov skupina poľských kryptológov pokračovala v práci na Enigme, zdokonaľujúc metódy dešifrovania a stále dešifrujúcich nemeckú korešpondenciu. Onedlho potom sa pod vedením Alana Turinga v stredisku dešifrovania v britskom Bletchley Parku začali práce nad rozšifrovávaním Enigmy na základe poľských materiálov pomocou rozšírených a prispôsobených kryptologických bômb.
Po vypuknutí vojny pracovníci Kancelárie šifier vycestovali cez Rumunsko do Francúzska, kde v "Château de Vignolles" v obci Gretz-Armainvilliers pri Paríži ďalej viedli kryptologické práce v rámci strediska "Bruno". 10. júna 1940 vzhľadom na blízkosť frontu bola vykonaná evakuácia strediska "Bruno" a 24. júna boli prevezení letecky z Toulouse do Alžíru.
Po kapitulácii Francúzska, na formálnom území Francúzskeho štátu spravovanom z Vichy, bolo vo vile "Domaine les Fouzes" v obci Uzès pomaly vybudované kryptologycké stredisko nazvané "Cadix". V Alžíre zostala jeho pobočka, ktorej velil major Maksymilian Ciężki. Vždy po niekoľkých mesiacoch nastávala výmena kryptológov z oboch stredísk. Pri jednej z takých výmen, ktoré prebiehali lodnou cestou z Francúzska do Alžírska, v katastrofe lode "Lamoriciere" zahynuli traja poľskí pracovníci a francúzsky dôstojník strediska "Cadix". Medzi nimi sa nachádzal aj Jerzy Różycki.
Po vpáde Nemecka do južného Francúzska 9. novembra 1942 nastala nutnosť evakuácie strediska "Cadix" z obce Uzès.
Rejewski a Zygalski 29. januára 1943 sa dostali cez francúzsko-španielsku hranicu, kde boli takmer okamžite zatknutí španielskou políciou. Najprv ich uväznili v Seo de Urgel a 24. marca boli premiestnení do väzenia v Lleide. Napokon boli obaja kryptológovia na príhovor poľského Červeného kríža 4. mája uvoľnení a poslaní do Madridu. Následne sa Rejewski a Zygalski dostali do Portugalska odkiaľ na palube HMS Scottish preplávali do Gibraltáru, a odtiaľ lietadlom Douglas DC-3 do Spojeného kráľovstva, kam dorazili 3. augusta 1943. 16. augusta obaja začali pracovať v rádiovej jednotke generálneho štábu veliteľa poľských ozbrojených síl v Stanmore-Boxmoor pri Londýne, kde pracovali do konca vojny.
Ostatní členovia predvojnovej Kancelárie šifier, plukovník Gwidon Langer a major Maksymilian Ciężki, boli zatknutí Nemcami a poslaní do zajateckého tábora v zámku Jiřetín (v osade Jezeří, ktorá je miestnou časťou mesta Horní Jiřetín, nem. Schloss-Eisenberg). Inžinieri Antoni Palluth a Edward Fokczyński sa dostali do koncentračného tábora Sachsenhausen, kde obaja zahynuli. Palluth počas spojeneckého náletu a Fokczyński od vyčerpania.
Nielen vďaka práci poľských a neskôr britských kryptológov z Blechley Parku, ale aj medzičasom ukoristeným exemplárom Enigmy, bola prakticky celá korešpondencia, šifrovaná Enigmami, už koncom vojny čítaná spojencami. Na dešifrovanie nemeckého rozkazu bol potrebný jeden až dva dni.
Zachované Enigmy.
Informácie o rozlúštení kódu Enigmy boli utajené do 70. rokov 20. storočia. Neskôr stroje prestali byť využívané a mnoho exemplárov skončilo v muzeálnych zbierkach v Európe a Spojených štátoch. Zachované Enigmy sa nachádzajú v múzeách: Múzeum techniky vo Varšave (verzia M4 dar z Bletchley Parku), Muzeum Wojska Polskiego vo Varšave (civilná aj vojenská trojrotorová verzia), „Muzeum Wojska“ v Białystoku, „Muzeum Oręża Polskiego“ v Kołobrzegu, „Deutsches Museum“ v Mníchove (dva exempláre s 3 i 4 rotormi), Poštové múzeum v Berlíne (trojrotorová verzia), National „Cryptologic Museum NSA“ vo Fort Meade v štáte Maryland (funkčný exemplár na ktorom môžu návštevníci šifrovať a dešifrovať text), „Computer History Museum“ v Spojených štátoch, Bletchley Parku vo Veľkej Británii a „Australian War Memorial“ v Canberre v Austrálii. Množstvo strojov sa nachádza v zbierkach súkromných zberateľov .
Sporadicky sa objavujúce Enigmy v aukčných sieňach dosahujú ceny rádovo 20 tisíc dolárov. Rovnako je možné zakúpiť pracujúce repliky strojov vo verzii M4 Kriegsmarine, ako aj elektronické simulátory (tzv. Enigma-E) či program napodobňujúci jej prácu.
Iné stroje na základe Enigmy.
Enigma značne ovplyvnila konštrukciu mnohých šifrovacích strojov pracujúcich prevažne na princípe rotorov. Britský šifrovací stroj "Typex" bol inšpirovaný patentami Enigmy, rovnako tými, ktoré neboli použité vo vojenskej verzii. Britská vláda v snahe zachovania tajomstva nezverejnila informácie o využívaných riešeniach, a v súvislosti s tým neplatila tantiémy autorom projektu. Japonci využívali svoj šifrovací stroj, ktorý bol americkými kryptológmi nazvaný kryptonymom "GREEN". Obsahoval 4 rotory, ale nainštalované vertikálne na sebe. Japonský stroj však nenašiel také široké uplatnenie ako nemecký. Americký kryptológ William Friedman vyrobil svoj vlastný stroj, označený ako "M-325". Mal inú konštrukciu ale podobný spôsob kódovania ako Enigma.
V roku 2002 bol vyrobený v Holandsku unikátny stroj , ktorého konštrukcia sa opiera o myšlienku Enigmy, ale obsahuje 4 rotory so sústavou 40 znakov na rotor, čo umožnilo použitie čísel a interpunkčných znamienok. Každý z rotorov sa skladá z 509 častí .