Enigma şifrelemesinin analizi

Enigma şifrelemesinin analizi, enigma makinesinin kriptolojik analiz edilmesini anlatır. II. Dünya Savaşı öncesinde ve sırasında yapılan derinlemesine çalışmalar sayesinde Nazi Almanyası başta olmak üzere Mihver Devletleri arasındaki şifreli iletişim kırılmış ve savaşın kaderini belirleyecek şekilde istihbarat elde edilmiştir.
Müttefik Devletler tarafından savaş sırasında elde edilen radyo dalgalarıyla iletilen Mors alfabesiyle iletilen mesajların arşivlenmesi, tasnif edilmesi ve çözülmesi Ultra adı verilen program kapsamında yürütülmüştür. Müttefik Devletler Başkomutanı Dwight Eisenhower yapılan çalışmaları zafere giden yolda belirleyici olarak tanımlamıştır.
Enigma makinaları dönen şifreleyici kısma sahip taşınabilir şifre makinalarıydı. Harfi harfine uygulanması koşuluyla talimatlara göre işletilen bir şekilde hazırlanan şifrenin kırılma olanağı çok aza iniyordu. Ancak Enigmayı kullanılan Alman personel bu talimatlara uymayacak ve bu şekilde şifreler kırılabilecektir.
Enigma III. Reich'ın temel kripto aracı haline gelecektir. Bunu kırmak için çalışmalar 1930'lu yıllara kadar geri gider. 1932 yılında Fransız İstihbaratıyla ortak hareket eden Polonya İstihbaratı, Enigmanın bir benzerini yapmayı başarır. II. Dünya Savaşından az önce Polonya'da yapılan bir toplantıda Fransız ve İngiliz istihbaratçılara alet tanıtılır ve istihbarat paylaşımı yapılır.
Bu şekilde başlayan karşı-istihbarat faaliyetleri İngiltere'de Bletchley Park'ta kurulan tesislerde yürütülecektir. İlk başlarda sadece önemsiz mesajlar deşifre edilebiliyor, karmaşık Kriegsmarine mesajları deşifre edilemiyordu. Sonrasında Cambridge Üniversitesinde görevli matematikçi Alan Turing sayesinde her türlü şifre kırılacaktır. Alman U-Bootları için özel olarak geliştirilen ve dördüncü bir rotor eklenen Enigma makinelerinin şifreleri ise bazı mesajların deşifre edilememesine yol açacaktır.
Genel prensipler
Enigmada Vigenere tablosunda kullanılan çoklu alfabe yöntemi kullanılır. I. Dünya Savaşı sırasında pek çok farklı ülkede birbirinden bağımsız çalışan bilim adamı tamamen rastlantısal bir şekilde değiştirilen ve tekrarlanmayan çoklu alfabe yöntemi kullanılarak üretilen şifrelerin kırılamayacağını ortaya çıkartmıştır. Buradan hareketle her harf karakterinin değiştirilmesi için rotor mekanizmasının geliştirilmesine geçilmiştir. Bu karıştırıcı sayesinde her karakter için izlenen yol farklı olabilmektedir. Gönderici ve alıcı arasındaki bu sürekli değişkenlik aynı formun veya sık tekrarlamanın önüne geçmektedir.
Enigma döneminde kullanılan yöntemlerle bir şifreyi kırmak üç aşamada olmaktaydı. İlk aşamada şifreleme için kullanılan sistemin bilinmesi gerekiyordu. İkinci olarak şifrelemenin nasıl gerçekleştiği bulunur, son aşamada ise örnek bir mesajın çözümlenerek deşifre edilmesi gelirdi.
Enigma makinaları
Enigma'daki rotor şifrelemesi teoride mükemmel bir sistemdi. Çoklu alfabe sistemi sayesinde tekrara düşmeden, aynı anahtar kullanılmaksızın mesajlar gönderilebiliyordu. Ancak sistemin önemli bir zayıf yanı hiçbir harfin şifrelendikten sonraki halinin aynı harf olamamasıydı. Bu sayede deşifre çalışmalarında çok sayıda olasılık elenebiliyordu. Aşağıdaki örnekte Almanca Keine besonderen Ereignisse aşağıdaki şekillerde deşifre edilebilir:
Yapı
Enigma mekanizması sırasıyla klavye, elektrik bataryası, Enigma rotor kısmı ve karıştırıcıdan oluşmaktadır. Karıştırıcı kısmında harfler arası değişim sağayabilmek için birbirinin yerine değiştirilecek harfler için panel üzerindeki yuvaları kablolarla birbirine bağlanır. Rotorların içinden geçen kablolardan temas sağ taraftaki rotora aktarılacak şekilde tasarlanmıştır. Sonuçta klavyede bir harfe basıldığında süreç sonunda ışıklı bölümdeki ilgili harfin lambası yanarak işaret edilir.
Şifreleme mekanizmadaki çok sayıdaki değişkene bağlı olarak klavye, rotor, farklı harf değişiklik kombinasyonu gibi seçenekler sayesinde deşifre olasılığı düşmektedir. Her karıştırıcı rotor işleme başlamadan önce alfabedeki harf sayısına bağlı olarak ayrı ayrı 26 konuma sahiptir. Üç rotorlu Engima makinalarında rotorların çark sırası olarak bilinen farklı konumlanma olasılıkları altı taneydi:
Sonraki Enigma modellerinde her rotorun şifrelemeye başladığı yer sayısını 26'ya çıkaracak şekilde yenileme uygulaması yapılmıştır. Savaşın sonlarına doğru karıştırıcı görevi görecek olan üç rotorun arasından seçileceği rotor sayısı artırılmış, Kriegsmarine kuvvetlerinde toplam rotor sayısı sekize kadar çıkartılmıştır.
Askeri enigma makinalarında standart özellik olarak gelen ön pano (Steckerbrett) birbirlerine bağlanan iki harfi karşılıklı olarak yer değiştirir.
Bu karmaşık mekanizma yüzünden Enigma şifrelerini kırabilmek için aşağıdaki verilere sahip olmak gerekmektedir:
Makinanın mantıksal yapısı (sabit)
Klavye ile mekanizma arasındaki kablolama
Her rotorun kablolama yapısı
Rotordaki sıra belirleyen çentiklerin adeti ve yerleri
Rotor sonlarındaki yansıtıcının kablolaması
İç ayarlar (seyrek değişir)
Kullanımda olan rotorlar ve rotor konumları
Rotorun içindeki alfabenin konumu
Dış ayarlar (değişken)
Ön pano bağlantıları
Mesajın başındaki rotor konumları
Güvenlik seviyesi
Farklı Enigma modellerinin farklı güvenlik seviyeleri bulunmaktadır. Ön panodaki harf değiştirici kısım şifreleme güvenliğini önemli ölçüde artırmıştır. Şifrelemenin güvenlik seviyesi sürece dahil olan olasılıkların artmasıyla artmaktaydı. Buna göre çeşitil olasılık faktörleri şu şekildedir:
3 rotorlu karıştırıcı sistemde 26x26x26 (263) = 17.576 farklı rotor konum olasılığı 4 rotorlu yapıda 26=456.976 konuma çıkabilmektedir.
Ön panoda altı adet harf değiştirici bulunduğu durumda birbiriyle değiştirilebilecek harf çifti 100 milyarın üzerine çıkmaktadır.
Ancak Enigma bu özelliklerine rağmen kullanımdan dolayı ortaya çıkan nedenlerle güvenlik zaafiyeti içinde olmuştur. Farklı ayarların sadece günlük olarak değiştirilmesi, o gün içinde yakalanan bir anahtar sayesinde gün boyunca tüm şifrelerin kırılmasına yol açmıştır. Kullanım tarzının dışında Enigma'nın az sayıdaki zayıflıkları da şifre kırıcılara kolaylık sağlamıştır:
Bir harf kendisine deşifre edilememektedir. Şifrelerdeki ilgili olasılıkları azaltmak için bu bilgi çok önemli olmuştur.
Ön panodaki harf değişiklikleri karşılıklıdır. Bu sayede şifre kırılmasında bazı olasılıklar elenebilmektedir.
Şifreleyici rotorların birbirleriyle bağlantıları ve farklı başlama konumları yine bazı rotor konumlarının elenmesine yaramıştır.
Ayarları
Enigma matematkisel olarak simetrik veya tersine çalışabilme özelliğine de sahip olduğu için şifrelerin deşifre edilmesinde de kullanılabiliyordu. Bu kapsamda mesajı gönderen ve alan arasında Enigma ayar bilgisine dair mesajlaşma da olmaktaydı. Örnek bir el kitabındaki ilgili kodlara verilen referans sayesinde gönderen makinanın ayarlarına getirilen Enigma hızla gelen mesajı deşifre edebiliyordu. II. Dünya Savaşı sırasında bu tür ayar kodları 24 saat yürürlükte oluyor sonrasında değiştiriliyordu. Savaşın ilerleyen dönemlerinde 8 saatte bir değişiklik yapılır hale gelmişti.
Kriegsmarine Enigma şifreleme sistemini daha karmaşık ve zor deşifre edilir bir hale getirmek için gösterge parametresini eklemiştir. Buna göre mesajı ileten kullanıcı, alıcı tarafındakine rotor ayarlarıyla birlikte mesaj anahtarı olarak tanımlanabilecek üç harflik kodu iki kez göndererek altı harflik gösterge bilgisi üretir. Sonrasındaki mesajın önüne konan bu gösterge sayesinde mesaj doğru şekilde deşifre edilebilmekteydi. Yukarıdaki tablodaki gösterge ayarları bu değerleri simgeler.
Bu gösterge uygulamasındaki zayıflık iki sebeplidir. Birincisi bu gösterge genel bir kurala göre değil göndericinin inisiyatifine bağlı olarak seçiliyordu. İkincisi de aynı mesaj içinde bu göstergenin sürekli tekrarlanmasıydı. Bu sayede 1930'lu yıllarda Polonyalılar sistemi kırabileceklerdir. 1940 yılında Almanlar gösterge uygulamasını aynı mesaj içinde sadece bir kez yapmaya başlayacaklardır.
Polonya karşı-istihbaratı
1920'li yıllarda Alman Silahlı Kuvvetleri 3 rotorlu Enigma makinasını kullanmaya başladı. Makinanın güvenliği 1930'larda eklenen ön panodaki karıştırıcının eklenmesiyle artırılmış oldu. Almanya'nın gelişiminden çekince duyan Polonya İstihbaratı ise Alman şifreli haberleşme sistemlerinin kırılmasına dair çalışmaları başlatır. Bu kapsamda genç matematikçiler Marian Rejewski, Henryk Zygalski ve Jerzy Różycki istihbarat çalışmalarına dahil edilir. Görevleri Enigma şifrelerinin kırılmasıdır. 1932 yılı Aralık ayında Polonya istihbaratı Fransız askeri istihbaratından Gustave Bertrand sayesinde çeşitli Alman belgeleri ve günlük Enigma anahtar kelimelerinin bulunduğu yazıları elde eder. Bu veriler sayesinde Rejewski ve arkadaşları deşifre teknikleri üzerinde çalışma ve Enigma şifrelerini kırma konusunda önemli adımlar atarlar. Rejewski şifrelerin kırılmasında kullanılmak üzere bomba adı verilen elektro-mekanik makinalar üreterek tüm olasılıkları deneyen bir mekanizma kurar. Bu şekilde altı rotorlu şekilde imal edilen makinadan çok sayıda üretilerek şifreler kaba kuvvet kullanılarak kırılmaya çalışılır. 1939 yılına gelindiğinde Varşova'daki şifre bürosunda çalışan elektrikli altı bomba yüz kişinin işini yapıyor ve yaklaşık iki saatte o günkü anahtar kelimeyi ortaya çıkartabiliyordu.
II. Dünya Savaşı
Mihver devletleri
İtalyan Enigması
İspanya İç Savaşı sırasında Franco saflarında savaşan Mussolini İtalyası Deniz Kuvvetleri Enigma'yı kullanmıştır. Bu haberleşme İngiliz uzman Dillwyn Knox tarafından 1937 yılı Nisan ayında kırılacaktır. Bu tür Enigma'da ön panodaki değiştirici yer almamaktadır. 1940 yılında Knox ve ekibi İtalyanların halen aynı sistemi kullanıp kullanmadığını öğrenmek için bazı şifre mesajlarını deşifre etmeye çalışınca küçük farklılıklar dışında aynı sistemin yürürlükte olduğunu görür. İtalyan Deniz Kuvvetleri Enigma mesajlarının kırılması Müttefik Devletler için çok önemli olmuştur. 1941 yılındaki Matapan Burnu Muharebesi bu tür istihbarat sayesinde kazanılmıştır.
Luftwaffe Enigması
III. Reich'taki tüm silahlı kuvvetler, SS birlikleri, polis ve demiryolu görevlileri benzer prosedürlü Enigma şifrelemesi kullansa da özellikle İngiliz istihbaratına veri sağlayan birim Alman Hava Kuvvetleri Luftwaffe olur. Bletchley Park'taki 6. kulübede deşifre edilen mesajlar 3. kulübede istihbarat raporlarına çevrilmekteydi. Çok verimli bir şekilde kırılabilen bu şifreler özellikle Alman operatör hataları ve gelişkin karşı-istihbarat kabiliyetinin sonucu olmuştur.
Abwehr Enigması
Knox 1943 yılında ölmeden önce 1941 yılında Abwehr Enigma şifrelerini de kıracaktır. Elde edilen şifreli mesajlardaki uzunluk dört adet rotor kullanıldığı şüphesi uyandırmıştır. Bu varsayım şifre kırıldığında doğrulanacaktır. Abwehr tarafından kullanılan Enigma ön panodaki karıştırıcı mekanizmaya sahip değildir. Kullanılan rotorların günlük konumları tahmin edilerek çok sayıda deneme sonucu bulunuyor ve şifre kırılmış oluyordu. Abwehr, III. Reich karşı-istihbarat örgütü olduğu için ajanlarından merkeze gelip giden mesajlar hayati öneme sahip oluyordu. Bu şekilde elde edilen mesajlar sayesinde özellikle MI5 İngiltere içindeki Alman ajanlarını deşifre edebilmiştir.
Wehrmacht Enigması
Wehrmacht birlikleri arasındaki iletişimin çoğu karadan telle yapıldığı için Bletchley Park mesajlara ulaşamıyordu. Britanya Muharebesi sırasında İngiliz istihbaratı sınırlı enerjisini Luftwaffe ve Abwehr şifrelerinin çözülmesi için kullanmıştır. Elde edilen Wehrmacht verileri ancak 1942 yılı sonunda kırılabilmiştir. Wehrmacht deşifrasyonunun daha zorlu olmasına operatör hatalarının azlığının mı sebep olduğu bilinmemektedir.
Kriegsmarine Enigması
Kriegsmarine olarak adlandırılan Alman donanması diğer silahlı kuvvetler gibi 1937 yılında yeni bir şifreleme sistemine geçerler. Anahtarların bulunduğu talimatnameler iki veya üç günde bir değişmekte ve güvenliği artırıcı unsur olarak Kenngruppenbuch olarak adlandırılan şifre kitabı kullanılırdı. Bu sistem savaş öncesinde Polonya istihbaratı tarafından kırılamamıştır.
Savaş döneminde güvenlik seviyesi oldukça yükselen Kriegsmarine prosedürleri donanma Enigma makinalarına eklenen üç ilave rotor sayesinde daha da geliştirilmiştir. Eklenen üç rotor sayesinde hangi rotorların şifreleme sırasında kullanılacağının tahmin edilmesi zorlaşıyordu. Her ilave rotorun olası şifreleme başlangıç konumları düşünüldüğünde olasılık sayısı 6'dan 336'ya çıkıyordu.
Bu denli zor bir durumdaki Kriegsmarine deşifre çalışmalarını Alan Turing bizzat üstlenir ve kurduğu küçük bir ekiple buna yoğunlaşır. Bu sırada 1942 yılı Şubat ayı itibarıyla Atlantik Okyanusundaki U-Bootlarla iletişim sırasında çok sayıda şifreli mesaj ele geçirilir. Bletchley Park'ta mesajların yapısal olarak çok farklı olduğu anlaşılır. Bunun sebebi dördüncü bir rotorun sisteme eklenmesidir. Bu durum İngiliz istihbaratını şaşırtmasa da işleri oldukça zorlaştırır. Ancak bu zor durum U-Boot mesajlarındaki değişmeyle birlikte çözüme kavuşur. Mesajların uzaması yüzünden yerlerinin açığa çıkma olasılığı ortaya çıkan denizaltılar denizlerdeki Müttefik konumuna göre kısa mesaj göndermeye başlarlar. Ayrıca 9 Mayıs 1941 tarihinde ele geçirilen U-110 ve 29 Ekim 1942 tarihinde ele geçirilen U-559 denizaltılarında ele geçen kodlarla birlikte yeni kodlar deşifre edilebilir hale gelir.
Müttefik devletler
İngiliz bombası
Bomba olarak adlandırılan deşifre makinalarının en önemlileri arasında yer alan ve Alan Turing tarafından tasarlanan makina 1939 yılı Eylül ayında Bletchley Park'ta kurulur. Turing'in fikirleri özel bir şirkette çalışan Harold Keen tarafından hayata geçirilir. Bomba sayesinde eldeki veriler ışığında Enigma makinası rotor konumları, rotor sırası belirlenebilmekteydi. Tüm olasılıklar denenerek ortaya çıkartılan ve karşılaştırılarak yapılan deşifrasyon bomba sayesinde kolaylaştırılmıştır. Sonraları Enigma'daki ön pano karıştırıcı mekanizmasındaki açıkları da değerlendiren bombalar yapılacaktır. Tüm olasılıklardan ortaya çıkan mesajlar Typex olarak adlandırılan makinalarda anlamlı kelimelere bölünmeye çalışılıyor ve tüm mesajı anlamlı kılan kombinasyon ortaya çıkıyordu. Deşifre makinalarının üretimi ilk başta yavaştır, 1941 yılı Haziran ayında beş adet makina bulunmaktadır. Bu sayı 1941 yılı sonunda 15, 1942 yılı Eylül ayında 30, 1943 yılı Ocak ayında 49 sayısına ulaşır. Savaşın sonunda bu sayı 210'a ulaşacaktır. 1941 yılında Bletchley Park'a özel olarak gelen Deniz Kuvvetlerine bağlı kadın askerler deşifre operatörleri olur. 1945 yılında 2000 kadın asker deşifre makinalarında görev yapmaktadır. Çoğu deşifre makinası Bletchley Park dışında yer alıyordu. Eastcote ve Stanmore bu istasyonlardan en büyükleri olmuştur.
ABD bombası
ABD II. Dünya Savaşına dahil olmadan önce İngiltere ile istihbarat alanında işbirliği yapılsa da İngiltere bu konuda ketum davranıyordu. Naziler başta olmak üzere Mihver Devletlerinin şifreli mesajlarının kırılabildiğini öğrenmeleri kesinlikle istenmiyordu. Bu yüzden savaş dönemi başlarında yavaş ilerleyen işbirliği ilerleyen dönemlerde hızlanarak gelişecekti.
1941 yılı Şubat ayında ABD Kara ve Deniz Kuvvetlerine bağlı istihbaratçılar Bletchley Park'a giderler. Burada Japonlar tarafından kullanılan Enigma ile ilgili verileri paylaşırlar. 10 hafta süren ziyaret sonrasında işbirliği artarak devam eder. O dönemde İngiltere'ye göre çok üstün imkanlara sahip ABD dört rotorlu bir Enigma üreterek derhal çalışmalara başlar. ABD'deki tesisleri ziyaret eden Bletchley yöneticilerinden Albay John Tiltman deşifre konusunda ABD'nin yaptığı çalışmaların önemini derhal kavrar. Projeye derhal olağanüstü kaynaklar aktarılarak çalışmalar hızlandırılır. 2 Ekim 1942 tarihinde imzalanan antlaşmayla da İngiltere-ABD arasında istihbarat paylaşımı alanında tam işbirliği yapılacağı ilan edilir. ABD'deki tesisleri gezen konunun uzmanı Alan Turing son gelişmeler hakkında bilgi verecektir. 1943 yılıyla beraber üretime geçen ABD yapımı bombalar İngiliz modellerine göre daha hızlıdır. İngiltere'ye de getirilen bu makinalardan 121 adet yapılmıştır.
Şüpheler
1945 yılına gelindiğinde tüm Alman Enigma şifre trafiği (Wehrmacht, Kriegmarine, Luftwaffe, Abwehr) bir ya da iki gün içinde deşifre edilebilir haldeydi. Buna rağmen Almanların Enigma şifrelerinin kırıldığına dair herhangi bir sezgileri olduğuna dair bir işaret görülmemiştir. Tüm harekat planları açıkça paylaşılıyor ve Müttefiklerin eline muazzam miktarda istihbarat geçiyordu. Ancak bu bilgi yoğunluğu içinde gerçekten önemli olanların belirlenerek tam anlamıyla değerlendirildiğini söylemek de doğru olmaz.
Savaştan sonra çok sayıda Alman şifreleme personeli ele geçmiş ve sorgulanmıştır. ABD Silahlı Kuvvetleri tarafından yürütülen sorgularda Alman personel Enigma şifrelerinin kırılmaz olmadığını bilmeleri şaşkınlıkla karşılanmıştır. Bu kişiler sadece kimsenin bu kadar büyük bir zahmete girmeyeceğini düşündüklerini dile getirmişlerdir. Rosenheim bölgesinde özel olarak tutulan personele Enigma şifrelerinin kırıldığı söylendiğinde durum olağan karşılanmıştır. Konuyla ilgili önceden görüşünü açıklayan Amiral Karl Dönitz Enigma şifrelerinin kırılmasının en önemsiz güvenlik sorunlarından birisi olduğunu söylemiştir.
Sonrası
Enigma şifrelerini çözmek için günümüzde modern bilgisayarlar kullanılmaktadır. Hatta gönüllülerin çevrimiçi olarak katılabileceği ve henüz hiç deşifre edilmemiş Enigma şifrelerinin anlamının ortaya çıkartılmaya çalışıldığı projeler vardır. 2006 yılında kalan son enigma şifreleri Stefan Krah tarafından geliştirilen yazılım sayesinde kırılmıştır.