آلة إنجما

الحركة الخطوية

من أجل تجنب الحصول على شيفرة استبدالية بسيطة سهلة الفك، كانت بعض الدوّارات تدور نتيجة الضرب المتكرر على زر ما، مما يؤدي إلى الحصول على تعمية مختلفة عند كل موضع للدوّار، وهذا يعطي شيفرة أبجدية استبدالية متغيرة بشكل كبير. أكثر الآليات استخدامًا لهذا الغرض هي آلية ترس السقاطة واللسين ذات الدوّار المجهز بترس سقاطة ذات 26 سنًا، ولسين يتعشق مع أسنان الترس. يمكن إزاحة اللسين من التعشيق مع كل ضربة زر في الآلة، فيتحرك الدوّار خطوة واحدة.
في آلة فيرماخت إنجما، لكل دوّار حلقة محززة قابلة للضبط. ولكل من الدوّارات الأساسية الخمسة (I–V) حلقة محززة بثلم واحد، بينما للدوّارات الإضافية التابعة للقوات البحرية (VI، VII، VIII) حلقة مجهزة بثلمين. وعند نقطة معينة يتوازى ثلم الدوّار مع اللسين، مما يسمح بالتعاشق مع ترس السقاطة للدوّار المجاور والتحرك معه عند ضربة الزر التالية. عندما يكون اللسين غير متوازٍ مع السقاطة، فإنه ينزلق ببساطة فوق سطح الحلقة دون أن يتعاشق مع السقاطة. وفي نظام الدوّار ذي الثلم الواحد، فإن الدوّار الثاني يتقدم خطوة واحدة بعد 26 خطوة للدوّار الأول، وبشكل مشابه، يتقدم الدوار الثالث خطوة واحدة بعد 26 خطوة للدوّار الثاني. يتقدم الدوّار الثاني أيضًا في نفس الوقت الذي يتقدم فيه الدوّار الثالث، مما يعني أن الدوّار الثاني يمكن أن يخطو مرتين في ضربة الزر اللاحقة (خطوة مزدوجة)، موفرًا الوقت.
هذه الخطوة المزدوجة تسبب انحراف الدوّارات عن العدّاد. تحدث الخطوة المزدوجة كالآتي: يخطو الدوّار الأول خطوة واحدة، ويأخذ معه الدوّار الثاني ليخطو خطوة إضافية. فإذا تحرك الدوّار الثاني في هذه الخطوة ضمن موقع الثلم الخاص به، سقط اللسين الثالث. في الخطوة التالية، يدفع هذا اللسين سقاطة الدوّار الثالث ليخطو خطوة واحدة، ولكنه يندفع متعاشقًا مع ثلم الدوّار الثاني، دافعًا الدوّار الثاني مرة ثانية.
ومع ثلاثة سقاطات ولسين واحد في الداوليب الأول والثاني، فإن للآلة 16,900 احتمال دورات (26 × 25 × 26، وليس 26 × 26 × 26 بسبب الخطوة المزدوجة للدوّار الثاني). وكانت الرسائل تاريخياً مقتصرة على حوالي ألفي كلمة، وبالتالي فإن احتمال تكرر الموضع في الرسالة الواحدة كان قليلاً جدًا.

دولاب الدخل

يربط دولاب الدخل (بالألمانية: Eintrittswalze) لوحة المآخذ (إن وجدت) أو لوحة المفاتيح مع مجموعة الدوّارات. وبينما لا يشكل التوصيل الدقيق المستخدم أهمية كبيرة في أمن المعلومات، فقد برهن إعاقته لعمل محلل الشيفرة البولندي ماريان رييفسكي أثناء استنتاجه لتوصيل الدوّارات. يتم وصل المفاتيح في الإنجما التجارية بترتيب وضعها على لوحة المفاتيح QA, WB, EC وهكذا دواليك، إلا أنها توصل بشكل متسلسل في الإنجما العسكرية AA, BB, CC.

العاكس

باستثناء النماذج الأولى من الآلة A وB ، فإن الدوّار الأخير يأتي قبل العاكس (بالألمانية: Umkehrwalze) والذي هو ميزة موثقة ببراءة اختراع خاصة بعائلة آلات إنجما من بين العديد من أنواع آلات الدوّارات التي تم تصميمها في تلك الحقبة من الزمن. يربط العاكس مخارج آخر دوّار بشكل مزدوج بحيث يحول مسار الحركة عبر الدوّارات إلى طريق مختلف. يعمل العاكس على إعطاء الإنجما خاصية أن لا يمكن أن يشفر أي حرف إلى نفسه.
في الإنجما من الطراز C فإنه من الممكن إدراج العاكس بأحد شكلين مختلفين، أما في الطراز D فإنه من الممكن تعديل العاكس على 26 وضعية مختلفة، على الرغم من أنه لايتحرك أثناء التعمية.
تم تثبيت العاكس عند الجيش الألماني وسلاح الجو، لكن لم يسمح له بالدوران، حيث كان هناك أربع نسخ: النسخة A وقد تم استبدالها بالنسخة B في الأول من نوفمبر عام 1937، النسخة الثالثة C التي استخدمت لفترة قصيرة في عام 1940 وتم حلها من قبل الكوخ 6، ثم النسخة الرابعة D التي تم تشغيلها لأول مرة في الثاني من يناير سنة 1944، وكان لها عاكس قابل لإعادة التوصيل مما سمح لمستخدم الإنجما بتغيير التوصيلات كجزء من إعدادات المفاتيح.

لوحة المآخذ

لوحة المآخذ (بالألمانية: Steckerbrett) هي اللوحة التي تسمح بتوصيل متغير يقوم بتغييره مشغل الآلة. تم وضع هذه اللوحة قيد الاستعمال في الجيش الألماني في عام 1930 وتم اعتمادها بشكل فوري من قبل سلاح البحرية أيضًا. تشارك لوحة المآخذ بشكل كبير في قوة عملية التعمية التي تقوم بها الآلة، بشكل أكبر مما سيكون التأثير عليه لو تم إضافة دوّار جديد. يصبح بالإمكان حل شيفرة آلة إنجما بطرق بسيطة مباشرة، وربما بإجراء الحسابات يدويًا، عند غياب لوحة المآخذ، بينما عند إضافتها تنعدم إمكانية استخدام الطرق البسيطة في فك تعمية الآلة، حيث أن محللي الشيفرة لقوات الحلفاء اضطروا لتصنيع آلات خاصة من أجل فكها.
يوضع كبل على لوحة المآخذ بحيث يربط الحروف على شكل أزواج. مثلاً، من الممكن ربط الحرفين E وQ بحيث يشكلان زوجًا، ويكون تأثير هذا هو عكس هذين الحرفين قبل وبعد المزج في الدوّارات الرئيسية. على سبيل المثال عندما يضغط مشغل الآلة الحرف E فإن الإشارة ستحول إلى حرف Q قبل دخولها للدوّارات، ومن الممكن صنع حتى 13 زوجًا في وقت واحد.
يتدفق التيار من لوحة المفاتيح إلى لوحة المآخذ، ومن ثم يستمر ليدخل دوّار الدخل. لكل حرف على لوحة المآخذ قابسين، يفصل إدخال الكبل في قابس إحداها اتصاله من الأعلى مع لوحة المفاتيح ومن الأسفل مع دوّار الدخل، وعندما يوصل الكبل إلى حرف آخر على لوحة المآخذ، يتم إنشاء اتصال بين هذين الحرفين.

ملحقات

في وقت لاحق أضيفت على إنجما M4 طابعة صغيرة (بالألمانية: Schreibmax) كانت تطبع 26 حرفًا على شريط ورقي صغير، وكانت هذه الطابعة ضرورية مع مشغل آخر يقرأ المصابيح ويكتب الحروف الناتجة. وضعت الطابعة على آلة إنجما ووصلت إلى لوحة المصابيح، ولتوصيلها، كان من الضروري إزالة غطاء المصابيح وكل المصابيح أيضًا. ويمكن للطابعةـإضافة لفائدتها في تحسين أمن العمليةـأن توضع في مكان بعيد مثل مكتب ضابط الإشارة المشغل للآلة الذي يمكنه أن يرى النص الكامل بعد فك التعمية.
إضافة أخرى إلى آلة إنجما، كانت لوحة مصابيح إضافية. فإذا تم تجهيز الآلة بلوحة مصابيح إضافية، تم تعريض الغلاف الخشبي الخاص بها. لذا كان هناك نسخة عن لوحة المصابيح أمكن توصيلها لاحقًا، لكنها تطلبت كما في حالة الطابعة، نزع لوحة المصابيح الأساسية وكل المصابيح. لقد سمحت هذه اللوحة لشخص بعيد أن يقرأ الرسالة بعد فك التعمية بدون أن يراها عامل فك التعمية.
في عام 1944، أضاف سلاح الجو الألماني مفتاحًا كهربائيًا إلى لوحة المآخذ وسماه الساعة، وقد كان عبارة عن صندوق صغير يحتوي على مفتاح كهربائي ذي أربعين موضعًا، يمكنها أن تحل محل المآخذ المفترضة. بعد توصيل المآخذ كما هو محدد في لوحة المفاتيح اليومية، يدير المشغل المفتاح إلى أحد المواقع الأربعين، وكل وضع يعطي توليفة مختلفة من توصيل المآخذ. معظم توصيلات المآخذ هذه كانت، وعلى عكس المآخذ المفترضة، غير مزدوجة. ففي أحد مواضع المفتاح، لا تفعل الساعة شيءًا سوى محاكاة توصيلات الأسلاك بالمآخذ.

المؤشرات

كانت معظم المفاتيح تترك ثابتة لفترة من الزمن، تُقدر عادةً بيوم. وبجميع الأحوال، كان يتم اختيار وضع جديد مختلف لكل دوّار ولكل رسالة، وهو مبدأ مشابه لمبدأ استهلال المتجهات (بالإنجليزية: Initialization vector)، في التعمية الحديثة، لأنه بحال أرسلت عدة رسائل معماة بنفس الإعدادات أو بإعدادات قريبة لها، فإن محلل التعمية، مع توفر عدة رسائل مطولة وتتكلم في عمق الموضوع، قد يكون قادرًا على فك الرسائل باستخدام تحليل التردد. يتم إرسال موضع البداية مباشرة قبل النص المعمى. يُشار إلى الطريقة الصحيحة المستخدمة بإجراء المؤشر، وقد سمحت إجراءات المؤشر الضعيفة بكسر تعمية الإنجما.
إن أول من استخدم إجراءات المؤشر هم محللو التعمية البولنديون ليخترقوا بشكل أولي آلة إنجما. وكان الإجراء يتمثل بإعداد المشغل آلته بالتوافق مع قائمة الإعدادات التي تتضمن موضعا مبدئيا عاما للدوّارات، وليكن مثلاً AOH. يدير المشغل الدوّارات حتى ظهور AOH ضمن نوافذ الدوّارات. وعندها يختار المشغل موضع البداية العشوائي لتلك الرسالة الخاصة. قد يختار المشغل EIN، وتصبح هذه إعدادات الرسالة لمقطع التعملية ذاك. ثم يبدأ المشغل بطباعة EIN على الآلة، مرتين، ليتحقق من أخطاء التحويل. تكون النتائج هي مؤشر معمّى، EIN مكتوبة مرتين قد تتحول إلى XHTLOA، التي تنتقل مع الرسالة. وأخيرًا، يدير المشغل الدوّارات إلى إعدادته للرسالة، EIN في هذا المثال، ويطبع نص الرسالة كاملاً.
تنعكس العملية عند الطرف المستلم. يعد المشغل الآلة بحسب الإعداد الأولي ويطبع الحروف الستة الأولى من الرسالة (XHTLOA). في هذا المثال، EINEIN تنتج عن المصابيح، يعيد تحريك الدوّارات إلى EIN، ثم يطبع المشغل كامل الرسالة لتنفك الرسالة المعماة.
أتى الضعف في نظام المؤشرات من عاملين: الأول، استخدام إعدادات عامة أساسية (بالإنجليزية: Global ground setting)، وهو ما تم تغييره بحيث أصبح المشغل يختار الموضع الأولي لتعمية المؤشر، ويرسل الوضع الأولي بشكل صريح. الثاني، هو تكرار المؤشرات الذي شكّل شرخًا خطيرًا في وثوقية العملية. كانت تعمية إعدادات الرسالة تكرر مرتين، مما يعطي علاقة في تحويل الحرفين الأول والرابع، وفي تحويل الحرفين الثاني والخامس، وفي تحويل الحرفين الثالث والسادس. مكّنت هذه المشكلة في الوثوقية مكتب التعمية البولندية من اختراق نظام إنجما قبل الحرب الحرب العالمية الثانية في بدايات سنة 1932. لذا أقدم الألمان، بدءًا من عام 1940، على تغيير الإجراءات لزيادة السريّة.
استخدم كتاب الرموز خلال الحرب العالمية الثانية لإعداد الدوّارات والحلقات. يختار المشغل لكل رسالة موضعا مبدئيا عشوائيا، وليكن WZA، مفتاحًا عشوائيًا للرسالة، وليكن SXT. يحرك المشغل الدوارات ليضبطها على موضع البداية WZA ويعمي مفتاح الرسالة SXT. لنفترض النتيجة هي UHL. ثم يعد مفتاح الرسالة SXT كموضع أولي ويعمي الرسالة. بعدها، يحول موضع البداية WZA، ومفتاح الرسالة المعمى UHL، ثم النص المعمى. يقوم المستلم بإعداد موضع البداية وفق أول مقطع رمزي، WZA، ويفك تعمية المقطع الثاني، UHL، للحصول على إعدادات الرسالة SXT. بعدها يستخدم إعداد الرسالة هذا SXT كموضع أولي لفك تعمية الرسالة. بهذه الطريقة، كانت الإعدادات الأساسية مختلفة وأوقفت الإجراءات السابقة الشرخ في وثوقية إعدادات الرسالة المعماة مرتين.
استخدم هذا الإجراء من قبل فيرماخت وسلاح الجو فقط. أما إجراءات القوات البحرية لإرسال الرسالة باستخدام آلة إنجما فكانت أكثر تعقيدًا، ومدروسة بشكل أكبر. قبل تعمية الرسالة باستخدام آلة إنجما، كانت الرسالة تعمى باستخدام كتاب رموز (بالألمانية: Kurzsignalheft). حوى هذا الكتاب جداول لتحويل الجمل إلى أربع مجموعات رباعية من الحروف والعديد من الجمل المنتقاة، مثل المسائل اللوجستية كالتزود بالوقود، والمواعيد مع سفن المؤونة، وأسماء المرافئ والبلدان والأسلحة وظروف الطقس ومواقع العدو وسفنه، وجداول الأوقات والتواريخ. ويوجد كتاب رموز آخر يتضمن تعريف المفتاح (بالألمانية: Kenngruppen) ومفتاح الرسالة (بالألمانية: Spruchschlüssel).

الاختصارات وعلامات الترقيم

استخدمت آلة إنجما الحربية 26 حرفًا أبجديًا فقط. واستبدلت الإشارات بمجموعة من الرموز النادرة، وتم إهمال الفراغات أو استبدالها بحرف X، حيث كانت X تشير إلى الفراغ أو النقطة. اختلفت بعض الإشارات في القطع الأخرى من الجيش، حيث استبدل جيش الدفاع الفاصلة بحرفيّ ZZ وإشارة الاستفهام بعبارة "FRAGE" أو "FRAQ"، واستبدلت القوات البحرية الفاصلة بحرف Y، وإشارة الاستفهام بإشارة UD، كذلك استبدلت التركيبة CH، كما في كلمة "Acht" أي ثمانية، وكلمة "Richtung" أي اتجاه، استبدلت بحرف Q فأصبحت "AQT,RIQTUNG"، واستبدل الصفران أو الثلاثة أو الأربعة أصفار بعبارات Centa، MILLE، MYRIA.

كان جيش الدفاع وسلاح الجو يرسلون الرسائل في مجموعات من 5 حروف، بينما كانت القوات البحرية، وباستخدام آلة إنجما ذات الأربع دوّارات، ترسل الرسائل في مجموعات من أربع حروف. وكانت الكلمات المستخدمة بشكل متكرر ينبغي أن تتغير قدر الإمكان، فكلمات مثل "Minensuchboot" بمعنى كاسحة ألغام يمكن أن تكتب "MINENSUCHBOOT، أو MINBOOT، أو MMMBOOT، أو MMM354". ولجعل تحليل التعمية أصعب، فقد تم إلغاء أكثر من 250 حرفًا في الرسالة الواحدة. قسمت الرسائل الطويلة إلى عدة أجزاء، لكل منها مفتاح رسالة خاص به.
.

إنجما التجارية

في 23 شباط/فبراير سنة 1918، قدم المهندس الألماني آرثر شيربيوس من أجل تسجيل براءة اختراع لآلة تعمية باستخدام الدوّارات، وأسس مع ريتشارد ريتر شركة شيربيوس وريتر. وفاتحوا وزارة البحرية والخارجية الألمانية بتصميمهم، لكنه لم يلق أي اهتمام. ثم تخلوا عن حقوق البراءة لصالح اتحاد الأمن (بالألمانية: Gewerkschaft Securitas)، التي أسست في 9 حزيران/يونيو 1923 شركة آلات التعمية (بالألمانية: Chiffriermaschinen Aktien-Gesellschaft)، وكان شيربيوس وريتر على رأس مجلس الإدارة. بدأت الشركة سالفة الذكر الدعاية لآلة إنجما نموذج A التي عرضت في مؤتمر اتحاد البريد العالمي في عاميّ 1923 و1924. كانت الآلة ثقيلة وضخمة، ومزودة بآلة كتابة. وكانت بأبعاد 65×45×35 سم، ووصل وزنها إلى حوالي 50 كيلوجرام. تم بعد ذلك تقديم النموذج B، وكان بتركيب مشابه. كلا النموذجين A وB كانا مختلفان عن النسخ التالية: فقد اختلفا بالحجم والشكل، وطريقة التعمية وافتقدا العاكس، الذي اقترحه ويلي كورن زميل شيربيوس وأدخله على نموذج إنجما C في عام 1926.
كان النموذج C أصغر حجمًا وأسهل نقلاً من سابقيه، لكنه افتقد آلة كاتبة يعتمد عليها بدلاً من قراءة المصابيح، وبالتالي أسند له اسم إنجما ذات المصابيح لتمييزها عن النماذج A وB. انقرض النموذج C بسرعة، مفسحًا المجال لإنجما D 1927. استخدم هذا النموذج بشكل واسع، وصُدرت نماذج منه إلى السويد، وهولندا، والمملكة المتحدة، واليابان، وإيطاليا، وإسبانيا، والولايات المتحدة، وبولندا.

إنجما العسكرية

كان سلاح البحرية أول من امتلك آلة إنجما في فروع الجيش الألماني. حيث تم تصنيع الآلة المسماة الشيفرة السرية المذياعية C (بالألمانية: Funkschlüssel C) في عام 1925، وتم تشغيلها في عام 1926. كانت لوحة المفاتيح تحوي 29 حرفًا من الأبجدية الألمانية، كما كانت الأحرف مرتبة على نمط "QWERTZU" المميز. كان للدّوارات 28 نقطة اتصال، وكان الحرف X موصول عبر الدّوارات وغير مشَفَّر. تم اختيار ثلاث دوّارات من أصل خمسة، كما كان من الممكن حشر العاكس في أحد أربع أوضاع مختلفة. تم تعديل الآلة بشكل طفيف في عام 1933.
في 15 يوليو سنة 1928، استخدم الجيش الألماني نسخته الخاصة من آلة إنجما التي حملت اسم إنجما G، وتم تعديلها إلى إنجما I في يونيو 1930.

آلات إنجما الناجية

لم يتم الكشف عن جهود خرق شيفرة آلة إنجما حتى عقد السبعينات من القرن العشرين. منذ ذلك الوقت ازداد الاهتمام بآلة إنجما بشكل ملحوظ وتم عرض عدد منها على العامة في متاحف الولايات المتحدة وأوروبا. يمتلك المتحف الألماني في ميونخ طرازي إنجما العسكرية ذات الدوّارات الثلاث والدوّارات الأربعة، بالإضافة إلى عدة نسخ مدنية أخرى.
كذلك هناك نسخة من آلة إنجما صالحة للعمل تعرض في متحف التعمية الوطني في ماريلاند، حيث يستطيع الزوار لمس الآلة بالأيدي وتشفير رسائلهم أو فك تشفيرها.
كما أن المتحف العسكري في ستوكهولم يعرض أحد آلات إنجما في صالته. كما يوجد أيضًا عدة نماذج في متحف تاريخ الحواسب في الولايات المتحدة الأمريكية، حديقة بلتشلي في بريطانيا، وغيرها من المتاحف في أستراليا وألمانيا.