Enigma (šifrovací stroj)

Enigma (novogr. αίνιγμα – záhada, hádanka) 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, nem. Chiffrierwalzen) 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.

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 (I – V) mali po jednom záreze, no dodatkové rotory strojov Kriegsmarine (VI – VIII) 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 (nem. Eintrittswalze), 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: QA, WB, EC, a tak ďalej, no vo vojenskej verzii bola prepojená abecedne: AA, BB, CC, a tak ďalej. Odkrytie toho faktu Rejewskim mu umožnilo vypracovanie ďalších rovníc dovoľujúcich konečné prelomenie tajomstva Enigmy.

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 (slov. hodiny). 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.

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 (slov. osem) alebo Richtung (slov. smer) 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 (slov. Mínolovka) 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.

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 65×45×35 cm a vážil okolo 50 kg. 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 (A – Z 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“ (nem. Zählwerk).
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.

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.