ENIGMA
Kratka zgodovina:
Enigma je elektro-mehanska naprava za šifriranje sporočil, ki so jo med drugo svetovno vojno uporabljale nemške oborožene sile. Beseda enigma izhaja iz grščine (ainigma) in pomeni uganka. Enigmo, napravo za šifriranje je razvil nemški elektroinženir Artur Scherbius (1878-1929). Sprva je bila namenjena civilnemu trgu (npr. za komuniciranje med bankami, tovarnami, …), ko pa so proti koncu leta 1920 zanimanje za napravo pokazale nemške oborožene sile, je izginila iz civilnega trga. Enigma je bila med 2. svetovno vojno najbolj uporabljan sistem šifriranja.
Artur Scherbius (1878-1929):
Patent iz leta 1928:
Uporaba
Obstaja več različic Enigem, ki jih lahko na grobo razdelimo na tiste, v katere lahko za šifriranje vstavimo tri in tiste v katere lahko vstavimo štiri šifrirne kolute (rotorje). Enigma s tremi in Enigma s štirimi rotorji:
Na začetku je bilo za menjavanje na razpolago pet, kasneje pa osem kolutov. Nemška mornarica (Kriegsmarine) je od samega začetka uporabljala Enigme s štirimi rotorji. V tajni kodni knjigi je bilo za vsak dan napisano, katere kolute in v kakšnem vrstnem redu jih je potrebno vstaviti v Enigmo. Rotorji so bili označeni z rimskimi številkami od I do VIII. V kodni knjigi zapis I IV II pomeni, da se na levi strani vstavi kolut I, v sredini kolut IV in desno kolut II. Primerek kodne knjige je na spodnji sliki:
Za kodne knjige je bilo značilno, da so bile tiskane na roza papirju z roza tiskarskim črnilom, ki je v stiku z vodo zbledelo in tiskano besedilo je izginilo na roza papirju. Tako je bilo mogoče kodne knjige v slučaju nevarnosti, da pridejo sovražniku v roke, hitro uničiti. Kljub temu je zaveznikom uspelo zapleniti Enigmo in kodne knjige (vremensko šifro in knjigo kratkih kod) iz poškodovane nemške podmornice U-505. Zaplemba teh pomembnih dokumentov je bila ena od največjih in skrbno varovanih skrivnosti 2. svetovne vojne.
V Enigmi ni smel en kolut nikoli ostati na istem mestu več kot dva dni. Menjava se je opravila vsak dan natanko ob polnoči. Bolj podrobno o zgradbi delovanju in šifriranju se lahko prebere na http://sl.wikipedia.org/wiki/Enigma_(naprava) . Na kratko lahko samo povzamem delovanje naprave in napišem, da je pri vsakem pritisku iste tipke zasvetila druga žarnica, ki je osvetlila kodo pritisnjene črke – npr., če smo odtipkali besedilo SSSR, bi dobili šifrirano besedilo HUTW.
Dekodiranje
Uporabniki Enigme so bili prepričani, da se njihovo strojno izdelano šifriranje besedil ne da »zlomiti« z ročnimi metodami, kar je bilo možno za praktično vse sisteme šifriranja do leta 1918. Kar so spregledali, je bilo, da se strojno šifriranje da »zlomiti« s strojnimi metodami. Za Enigmo obstaja 2.109.120 možnih šifer (nastavitev). Teh približno 2 milijona možnosti se ročno ne da rešiti. Če se uporabi ustrezna z motorjem poganjana naprava, ki obdela 20 možnosti na sekundo, pomeni to 300 ur. To je še sprejemljiv čas. Če pa se uporabi 60 strojev (enega za vsako nastavitev vrtljivih kolutov), je potrebnih samo še 30 minut, kar je izredno ugodno.
Skupina poljskih matematikov, zbranih okrog Mariana Rejewskega, je že pred drugo svetovno vojno dosegla velike uspehe pri dešifriranju besedil, šifriranih na Enigmah. Enigme, zgrajene pred letom 1939 so bile malce enostavnejše. Bile so industrijske izvedenke, kakršne so uporabljala velika nemška podjetja: AG Farben, Siemens, Krupp itn. Te so imele na začetku šifrirne kolute povezane kar naravnost.
Marian Rejewski:
Rejewski je uporabil zakone teorije permutacij, prav tako jezikovna pravila nemščine in odstopanje od pravil slučajnosti, ki so bile povzročene z vplivi ljudi. Tako ljudje radi za ključ sporočila uporabljajo enostavne kombinacije kot AAA, BBB, ABC, … ter dejstvo, da so Nemci poslali na začetku vsakega sporočila, tako imenovani ključ sporočila. Ta je bil zašifriran z dnevnim ključem in je bil na začetku sporočila poslan dvakrat. Vseboval je začetno nastavitev šifrirnih kolutov in to sporočilo je bilo namenjeno zmanjšanju napak pri sprejemanju/oddajanju sporočil. To je za dešifrerje postal "crib" (crib = jasli, otroška posteljica - izhodišče za dekodiranje). Sprejemnik sporočila je najprej dešifriral začetnih 6 črk sporočila z dnevnim ključem in nato postavil vrtljive kolute v tako določen začetni položaj in dešifriral dejansko sporočilo. Rejewski je razpolagal tudi s kodnimi knjigami Nemcev, te so dobili od Francozov, ki si z njimi niso mogli pomagati, navodili za uporabo in drugimi materiali. Nemci so tudi delali napake, ko so na zahtevo po pošiljanju testnega signala oddali na primer 50 krat črko A, kar je bilo enostavno dešifrirati. Tako je bil napor za »lomljenje« šifer bistveno zmanjšan. Odprto besedilo šifriranega sporočila dobimo samo, če rešimo naslednje delne probleme:
Najprej: zgradba povezav za vse šifrirne kolute, vključno z reflektorjem, potem:
• ključ za sporočilo
• dnevni ključ, ki ga sestavlja:
o izbor kolutov (npr.: I, III, V)
o položaj kolutov (npr.: V - I - III)
o osnovna nastavitev kolutov (npr.: A - B - C)
o povezave na stikalni plošči (npr.: D v F, G v J itn)
S pomočjo elektromehanskih naprav, tako imenovanih »bomb«, je bilo možno v nekaj urah odkriti dnevni ključ, ki se je uporabljal za nastavitve kolutov in so ga Nemci menjali vsak dan točno ob polnoči. Leta 1939 so Nemci izboljšali sestavo Enigme, tako da so namesto treh uporabljali pet šifrirnih kolutov, od katerih so bili istočasno v uporabi vedno le trije. Prav tako so uvedli povezavo stikalne plošče za 10 parov namesto dotedanjih štirih parov. Tako nastalo komplikacijo so Poljaki rešili z uporabo 60 »bomb«. Angleži so po Poljakih prevzeli termin "bomba", ki lahko pomeni bombo za razbitje šifer, imajo pa Poljaki tudi slaščico s tem imenom (nekakšen "indijanček"), kar bi lahko pomenilo tudi "slaščico" za poljske dešifrerje.
Dva tedna pred nemškim napadom na Poljsko, leta 1939, so Poljaki seznanili zaprepadene Angleže in Francoze, ki se jim o Enigmi še sanjalo ni, o kriptografskih slabostih Enigme, načrt »bomb« in izročili dve na Poljskem izdelani kopiji Enigme Veliki Britaniji in Franciji. Spoznanja poljskega Urada šifer (Biuro Szyfrów) so zavezniki razvijali naprej. Ta napredek sta vsaj delno podprla dva Nemca. Prvi je bil Hans-Thilo Schmidt. Služboval je v radijski postaji nemških oboroženih sil in se je hotel maščevati za svoj odpust na koncu prve svetovne vojne, potreboval pa je tudi denar za svoje razkošno življenje. Stopil je v stik s francosko tajno službo in se trikrat srečal z agentom z ilegalnim imenom Rex. Francozom je dostavil načrte Enigme, vendar brez podatkov o povezavah v šifrirnih kolutih. Leta 1943 ga je francoska tajna služba izdala in še isto leto so ga Nemci usmrtili. Leta 1999 je postalo znano, da je Hans-Thilo Schmidt s tajnim imenom Asch dobavil francoskemu kriptografu Bertrand|Bertrandu podrobne predloge. Domneva se, da bi Rejewski uspel tudi brez teh predlog, vendar so mu prav gotovo pomagale, da je pridobil dragoceni čas. Poudariti je še treba, da so Poljaki zlomili šifre tri kolutne Enigme, mornariške s štirimi koluti pa niso zmogli, prav tako ne pet kolutne izvedenke nemške Luftwaffe.
Britanski kripto analitiki so delali v Bletchley Parku:
Projekt je potekal pod kodnim imenom ULTRA. Nadaljevali so tam, kjer je moral Rejewski zaradi napada na Poljsko nehati in »zlomili« tudi šifro leta 1939 izboljšane Enigme. Pri delu jim je pomagala površnost nemških šifrantov (ponavljajoči in slabo izbrani ključi sporočil, standardna oblika vremenskih podatkov ob točno določenem času (ob 18. uri vsako popoldne za naslednji dan in podatkov o legi, …). Naenkrat je v Bletchleyju delalo približno 7.000 ljudi. Vendar iz lastnih moči niso mogli nadoknaditi tistega, kar so nepreklicno izgubili: čas. Leta 1939 so zavezniki (Francozi in Angleži) prejeli popolne podatke o poljskih dosežkih, vključno z dvema delujočima klonoma tri kolutne Enigme.
Eden od mnogih znanstvenikov v Bletchley Parku je bil angleški matematik Alan Turing, eden največjih umov 20. stoletja, katerega dela o računalništvu, matematiki in informatiki so še danes pomembna.
Alan Turing in Turingova bomba:
Turing je izdelal pomembne osnove za izdelavo angleške, močno izboljšane različice poljske »bombe«. Po njegovi zamisli je Tommy Flowers (1905-1998), poštni inženir, izdelal prvi elektronski programabilni računalnik na svetu Colossus I. in malo kasneje močno izboljšani Colossus II., za oba je Alan Turing napisal prve računalniške programe na svetu.
Računalnik Colossus II:
Te računalnike so uporabljali izključno za dešifriranje nemških šifer, posebej še šifrirnih strojev Fish in Tunny. Po končani 2. svetovni vojni so morali Angleži, po ukazu močno brihtnih politikov, vse Colossuse z načrti vred uničiti. Colossus II je imel ~1.500 elektronk in je samo za ogrevanje elektronk porabil toliko dragocene in manjkajoče električne energije, kot jo je v tedanjih vojnih časih porabila manjša angleška vas. Nameščen je bil v več prostorih, od tod tudi njegovo ime. Kot spomin je uporabljal običajni papirni perforirani teleprinterski trak. Za branje tega traku so Angleži mimogrede izumili in izdelali še prvi optični bralnik (v velikosti dveh cigaretnih škatlic), ki je igraje in brez vsakršnih napak bral s hitrostjo 9.600 Baudov. Hitrost so morali zmanjšati na polovico na 4.800 Baudov, ker se je papirnati teleprinterski trak, po besedah samega dr. Tommya Flowersa, prepogosto trgal. Leta 1994 so po nasvetih dr. Tommya Flowersa, in na srečo ne vseh uničenih načrtih, v Bletchley Parku izdelali delujočo kopijo Colossusa II. Sodobni računalničarji so Colossusu tudi izmerili njegovo taktno frekvenco, ki je znašala 8MHz, kar je približno toliko kot pri prvih PC-jih.
Primer sprejetega kodiranega sporočila v Bletchley Parku:
Primer dekodiranega sporočila:
Zaveznikom (Britancem) je 4. maja 1941 uspelo zajeti močno poškodovano nemško podmornico U-110 (http://www.uboat.net/boats/u110.htm) in dobiti v roke Enigmo M4 in številne kodne tabele. Ker je posadka podmornico zapustila in so jo na rušilcu HMS Bulldog takoj spravili pod palubo, Nemci niso izvedeli za ta zavezniški plen.
Kapitan nemške podmornice U-110 Fritz-Julius Lemp (http://www.uboat.net/men/lemp.htm) in potapljajoča podmornica U-110:
Kapitan Lemp je bil prepričan, da se bo zapuščena in poškodovana podmornica takoj potopila. Ko je sprevidel svojo zmoto, se je hotel ponovno vkrcati na podmornico. Od tu naprej njegova usoda ni povsem znana. Omenjata se dve možnosti: ali je utonil med plavanjem do podmornice, ali pa so ga pri poizkusu ponovnega vkrcanja ustrelili. Podmornico so Britanci usposobili za vleko in jo hoteli odvleči v pristanišče. Ker je zaradi tega obstajala velika nevarnost, da bi nasprotniki izvedeli za zajeto podmornico in posledično sklepali tudi na zajetje Enigme, so se kasneje odločili, da podmornico sami potopijo v vode Atlantskega oceana. Tako so nasprotnikom prikrili zajetje Enigme in kodnih knjig.
V juniju 1944 so Američani zaplenili še eno napravo Enigma in tajna navodila za šifriranje ob zajetju podmornice U-505 (http://www.uboat.net/boats/u505.htm ). Nemška podmornica U-505 kmalu po zajetju:
Ta podmornica je danes postavljena na ogled v muzeju v Chicagu:
Proti koncu vojne je zaveznikom uspelo dešifrirati večino nemških radijskih sporočil.
Zgodovinski vidiki
Na splošno velja, da je razbitje šifer Enigme ena od strateških prednosti zaveznikov med drugo svetovno vojno. Zgodovinarji domnevajo, da je to razbitje šifer skrajšalo vojno za nekaj mesecev, če ne za celo leto. Zgodovinar Rohwer domneva, da je ta dosežek prihranil potopitev kakšnih 400 zavezniških ladij. Rešeno pa je bilo tudi nešteto človeških življenj na obeh straneh, tako civilnih, kot vojaških.
Razprava o alternativnih potekih zgodovine je vedno polna špekulacij. Odločilen je tudi trenutek, ko bi Enigma spet postala popolnoma varna. Če bi se to zgodilo leta 1945, bi to imelo majhen vpliv na potek vojne, v letu 1944 pa bi bil vpliv bistveno večji. Bili bi ovirani načrti za operacijo Overlord (invazija v Normandiji). Kot je danes znano, je bila zaradi dešifriranih sporočil zaveznikom znana zelo natančna razporeditev nemških oboroženih sil v Normandiji. Nemška podmorniška ofenziva na Atlantiku bi uspela in tudi Rommel bi se za Hitlerja lahko dokopal do toliko želene nafte v Libiji in na Savdskem polotoku.
Kaj pa bi bilo, če sporočil Enigme sploh ne bi dešifrirali? V letu 1940 je Kraljevo vojno letalstvo (RAF) v bitki za Britanijo moral vključiti zadnje rezerve. Pri tem so bila dešifrirana sporočila o nemških načrtih v veliko pomoč. Brez te pomoči bi Britanija morda izgubila to letalsko bitko in operacija Morski lev (Seelöwe, načrtovana in kasneje dokončno odpovedana invazija na Veliko Britanijo) bi se začela. Kakšen bi bil izid, nihče ne ve. Če pa bi uspela, bi morda Velika Britanija tega leta končala vojno (Sovjetska zveza in ZDA še nista vstopili v vojno). Nemci pa, v nasprotju z mnogimi mnenji, tudi niso bili sposobni izdelati atomske bombe. Iz teh špekulacij se vidi izreden pomen kriptografije in kriptoanalize. Pri tem je bilo pomembno, da so zavezniki vso vojno in do sredine 70. let ohranili popolno tajnost o »zlomu« enigmine šifre (projekt ULTRA). ULTRA je bil sploh največji tajni projekt do tedaj, obdržan v popolni tajnosti, podobni ameriški projekt MAGIC je bil precej manjši po obsegu.
Na podlagi sumljivih potekov dogodkov so Nemci večkrat opravili preverjanje varnosti sistema, vendar niso odkrili ničesar, sumili so izdajalce. Po koncu vojne so zavezniki (predvsem Velika Britanija in ZDA) prodale del zaplenjenih in nekaj naknadno izdelanih naprav na Bližnji vzhod in v Afriko. Tako so lahko v miru še naprej brali radijski promet (v glavnem diplomatske note) v teh (izbranih) državah. Kot zanimivost lahko dodam, da so bile elektromehanske kodirne naprave v NSA v uporabi vse do leta 1980. (povzeto po http://www.wikipedia.org, na nekaterih mestih sem podatke dopolnil z informacijami iz drugih internetnih strani)
Enigma danes
Od sredine 70. let, ko je bila iz projekta ULTRA odstranjena oznaka "strogo zaupno", so se posamezne Enigme pojavile na trgu zbiralcev in v vitrinah muzejev, poveljnik nemške vojne mornarice Karl Doenitz je bil vse do svoje smrti prepričan, da šifra Enigme ni bila razbita.
Karl Dönitz, nemški admiral in politik, * 16. september 1891, Grünau, Berlin, † 24. december 1980, Aumühle, Hamburg.
Kljub temu, da ni bil nikoli pripadnik NSDAP, je veliki admiral Dönitz sprva postal vrhovni poveljnik podmorniške flote (Befehlshaber der Unterseeboote; kratica B.d.U.), nato pa še Vrhovni poveljnik Vojne mornarice Tretjega rajha (Oberbefehlshaber der Kriegsmarine). Bil je tudi predsednik Nemčije (dolžnost je opravljal le 20 dni v letu 1945 - po samomoru Adolfa Hitlerja). (povzeto po http://www.wikipedia.org)
Različne izvedenke Enigem v muzeju National Cryptologic Museum USA:
Originalni šifrirni stroji - Enigme - v vseh različnih izvedenkah dosegajo astronomske vsote na avkcijah in so zelo cenjene med zbiratelji, vsi muzeji, ki imajo v svoji zbirki Enigmo pa jo s ponosom postavijo na ogled v vitrino. Prav zaradi astronomskih vsot, ki jih dandanes dosegajo Enigme na trgu starin - vojaških artefaktov, so za navadne smrtnike povsem nedostopne. Jaz sem se prvič srečal z Enigmo "iz oči v oči" v Imperial War Museum v Londonu in moram priznati, da me je povsem prevzela:
Pridih skrivnosti in špijonaže je navdihnil tudi nekaj filmov v katerih igra glavno vlogo: Enigma, U-571, ... Žal je v teh filmih precej netočnosti in le malo zgodovinskih dejstev, pa še ta so v veliki meri prirejena potrebi dramatizacije filma, kar je pripeljalo do kar nekaj zamer med resničnimi akterji resničnih dogodkov, ki so se dogajali pred in med 2. svetovno vojno. Za tiste, ki jih zgodovina Enigme zanima je tu odličen link: http://info-poland.buffalo.edu/web/hist ... link.shtml.
Med križarjenjem po internetu sem povsem slučajno naletel na zanimivo stran Nizozemskega kripto muzeja (http://www.cryptomuseum.com) na kateri sem našel zanimiv kit komplet elektronske verzije šifrirnega stroja Enigma: Enigma-E (http://www.cryptomuseum.com/kits/index.htm) ...
.... in malo kasneje na distributerja kit kompletov Museum Jan Corver - radioamaterski muzej (http://www.jancorver.org/en/). Tu se prodaja kar nekaj za radioamaterje zanimivih stvari (naj omenim samo ugodno opremo za APRS):
Kar nekaj tednov sem se uspešno boril s skušnjavo, kupiti ali ne kupiti, vendar sem na koncu izgubil neizprosen boj, skušnjava je bila prevelika, PayPal račun na dosegu enega klika in naslednji trenutek mi je Cor Moerman, PA0VYL, lastnik in kustos Radioamaterskega muzeja že poslal paket v katerem je bil kit komplet Enigme-E. Ne, jaz že nisem kriv, lahko najdem tisoč in en izgovor: čemerno vreme, prehlad, ki sem ga med tem časom prebolel, želja po spajkanju, ....., pa še rojstni dan, ki sem ga imel pred nekaj dnevi - joker se zmeraj prihrani za konec. V zanosu pričakovanja paketa sem bil celo tako (nenormalno) priden , da sem pospravil svojo malo radioamatersko delavnico. Kot dokaz prilagam sliko, saj dolgo itak ne bo zdržala tako lepo pospravljena:
V ponedeljek zjutraj plačam, malo kasneje je paket že na pošti in do mene pride v sredo pred osmo uro zjutraj. Še dobro, da otroci še niso v šoli in prevzamejo paket. "Orel je pristal" in zabava se lahko prične.
Sestavljanje Enigme-E
Avtorja Enigme-E sta nizozemska radioamaterja Paul Reuvers PE1BXL in Marc Simons PE1RRT. Enigmo-E poganja RISC mikro kontroler PIC16F873A v katerem je vpisan program s katerim upravljamo vse funkcije, ki jih zmore prava Enigma. Programska podpora omogoča emulacijo M3 in M4 - tri in štiri kolutne Enigme. Kit kompletu so priložena izčrpna navodila za sestavljanje, nekaj modifikacij pa sem našel na internetu. Tiskano vezje je profesionalne kakovosti, dvostransko, z metaliziranimi luknjicami, s stop lakom, na zgornji strani je tiskan razpored elementov. Vsi elementi so klasični. Pazljivejše ravnanje je potrebno s FET tranzistorji, ki so občutjivi na elektrostatiko. Spajkanje je potekalo brez problemov. Seveda moramo paziti, da na prava mesta vstavimo prave elemente, elemente pri katerih je pomembna polariteta pa moramo seveda tudi prav obrniti na kar nas neprestano opozarjajo tudi priložena navodila, ki so napisana tako, da lahko Enigmo-E sestavi tudi nekdo, ki mu elektronske komponente niso domače. Potrebujemo še nekaj spretnosti pri vihtenju spajkalnika, male ščipalke za elektroniko ter ploščate klešče. Po nekaj urah spajkanja je pred nami gotov izdelek. Sledi adrenalinski dogodek , ki ga vsi, ki spajkamo še kako dobro poznamo - prvi priklop na napajanje in kontrola delovanja naprave:
Enigma-E na moje veliko veselje deluje tako kot mora. Sledi izdelava polnilca akumulatorjev na protoboardu. Ker imam na ploščici dovolj prostora, dodam še piskač za telegrafijo. Tako mi ne bo treba neprestano gledati na polje lučk, na katerem se prižigajo kode pritisnjenih tipk, saj bom kodne črke slišal v telegrafiji. Potem vse skupaj povežem z žicami. Enigma-E ima tudi možnost komuniciranja z računalnikom preko RS232 porta (9600, 8N1). RS232 priklop na Enigmo-E je realiziran s stereo 3,5mm vtičnico, ki jo montiram na prosto mesto na sredino polja s prevezavami. Izdelam še povezovalni RS232 kabel in testiram tudi to. Enigmo-E povežem z notebookom. Deluje!
Ožičenje in polnilec:
Potem je na vrsti vgradnja elektronike v leseno škatlo, ki mi jo je izdelal Marko S56CW. Uporabljen les - hrast in oblika škatle posnemata original:
Sledi nekaj dodelav, dodatkov in napisov, da je vse skupaj videti še bolj pristno in kmalu imam pred sabo končano elektronsko verzijo Enigme. Na zadnji strani lesene škatle je ročaj, ki opravlja dve funkciji: v pomoč je pri prenašanju in služi tudi kot opora za odprt pokrov:
Prava Enigma ima ob zgornjem robu kovinsko letvico z desetimi rezervnimi žarnicami, zato (prave! ) žarnice ne smejo manjkati tudi na modelu. Na opozorilu prilepljenem na notranji strani pokrova sem spremenil črko in številko, tako da ustreza številki moje Enigme-E:
Sprednja vtična plošča (steckerbrett), levo je dodano stikalo za vklop in izklop ter LED dioda, ki signalizira vklop naprave. Na sredino sem zmontiral RS232 port, desno pa je vtičnica za zunanje napajanje oziroma polnjenje vgrajenega akumulatorja:
Gotova Enigma-E, na sprednjo premično stranico sem dal (domišljijsko) oznako pripadnosti podmornici U-110, kot hommage Britancem, ki so prvi zajeli štiri kolutno Enigmo:
Enigma-E v "akciji":
Naj na koncu dodam še zanimivo sliko Enigme in Foxhole radia, dveh ikon 2. svetovne vojne. Napravi sta se uporabljali v vojskah, ki sta si na bojišču stali nasproti. In tako kot nasprotni vojskujoči strani, sta si napravi tudi tehnološko "nasprotni". Enigma je bila višek takratne kriptografske tehnologije, Foxhole radio pa je bil produkt iznajdljivosti zavezniških vojakov, ki so iz odpadkov sestavili uporabno stvar, ki jih je razveseljevala v težkih dneh 2. svetovne vojne:
73, Miloš S57D