Enigma, časť 2/3: Čierna skrinka

Prvú časť článku nájdete tu

Enigma vyzerá ako písací stroj s jednou klávesnicou navyše. [1] Na prvej klávesnici sa píše správa. Po zadaní písmena správy – stlačení na klávesnici, sa vo vnútri Enigmy uzavrie elektrický obvod, prejde ním prúd a zasvieti žiarovka pod niektorým z písmen druhej klávesnice. To je nové písmeno zašifrovanej správy. Čo presne sa ale deje medzi stačením jedného písmena a zasvietením druhého?

Fungovanie strojov najlepšie pochopíme, keď si ich môžeme sami vyskúšať. Našťastie nemusíte zháňať Enigmu v starožitníctve, pretože na internete je k dispozícii viacero simulátorov. Jeden z nich, ktorý môžete skúšať počas čítania tohto textu alebo neskôr na posielanie tajných správ kolegom, je tu:
http://enigma.louisedade.co.uk/enigma.html

Skutočná Enigma a tak isto aj jej virtuálna verzia, používa na šifrovanie tri základné konštrukčné prvky:
– valce (anglicky: wheels, nemecky: Walze),
– prepájaciu dosku (anglicky: plugboard, nemecky: Steckerbrett),
– reflektor (anglicky: reflector, nemecky: Umkehrwalze).

Hlavný princíp šifrovania Enigmou je skrytý vo valcoch [2]. Každý z valcov obsahuje nejako poprehadzovanú abecedu, napríklad:
Abeceda: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

Valec 1: EKMFLGDQVZNTOWYHXUSPAIBRCJ
Valec 2: AJDKSIRUXBLHWTMCQGZNPYFVOE
Valec 3: ESOVPZJAYQUIRHXLNFTGKDCMWB

Teda ak Valec 1 dostane písmeno A, ďalej pošle E, ak dostane B, odošle K, ak C, odošle M…

Keďže Enigma je elektrický stroj, poprehadzovanie písmen vo valcoch je zrealizované drôtikmi spájajúcimi vstupné a výstupné písmená. Písmeno správy postupne prechádza ako elektrický prúd z klávesnice cez valce. Nech je prvé písmeno správy A. Valec 1 ho zmení a E, ktoré sa stane vstupom pre Valec 2. Ten zmení E na S, ktoré dostane Valec 3 a zmení ho na T.

Vyzerá to síce zložito, ale celkový efekt troch valcov je iba jedno nové poprehadzovanie abecedy. A to, ako sme zistili minule, je ľahké prelomiť počítaním frekvencie písmen v texte. Valce sú ale preto valce, aby sa mohli otáčať. Po napísaní každého znaku správy sa Valec 3 posunie o 1 písmeno. Jeho nové nastavenie bude:
Valec 3: SOVPZJAYQUIRHXLNFTGKDCMWBE,
teda E sa posunulo zo začiatku na koniec. Ak je druhé písmeno textu opäť A, jeho cesta valcami bude teraz:
A -> E -> S -> G

Po napísaní 26 znakov sa Valec 3 vráti do pôvodnej polohy a o jedno písmeno sa posunie Valec 2. Celá Enigma sa do pôvodného nastavenia vrátila po 26 x 26 x 26 znakoch. Ako také staré hodiny [3].

Každý znak textu je teda zakódovaný iným poprehadzovaním abecedy a trik s početnosťami písmen už nepomôže. To isté písmeno v správe sa na rôznych miestach mohlo zmeniť na rôzne písmená v šifrovanej správe a naopak, tie isté písmená v šifrovanej správe môžu zodpovedať iným písmenám v pôvodnom texte.

Operátori Enigmy mali k dispozícii 5 valcov, každý s iným preusporiadaním abecedy. Z nich si pre písanie správy vybrali 3 [4]. Tie potom nastavili do nejakej začiatočnej polohy, teda nejakého natočenia a začali písať. Ktoré valce a v akom poradí použiť, bolo dané vopred na každý kaledárny deň v manuáloch, ktoré nafasovali. Počiatočné nastavenie si volili sami, pre každú správu iné.

Prepínacia doska [5] je stupeň medzi medzi klávesnicou a valcami. Umožňuje prepojiť do 10 dvojíc písmen, čím ich prehodí a vytvorí novú klávesnicu ako vstup pre valce.
Napríklad:
Klávesnica: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
Prepojenia: A-B D-Q, I-K, U-X
Nový vstup: BACQEFGHKJILMNOPDRSTXVWUYZ

Tieto prepojenia sa v rámci jednej správy nemenia. Nastavenie prepínacej dosky bolo vopred určené na každý deň a operátori Enigmy ho opäť mali vo svojich manuáloch.

Posledný prvok je reflektor. Signál po vyjdení z tretieho valca totiž nejde priamo do svietiacej klávesnice. Namiesto toho je odrazený reflektorom a opäť si putuje valcami.
Reflektor je vlastne ďalší valec obsahujúci nejaké poprehadzovanie abecedy. Počas písania správy sa ale neotáča. Nech má konfiguráciu:
EJMZALYXVBWFCRQUONTSPIKHGD
Teda ak z Valca 3 dostane A, vždy pošle naspäť E.

Cesta písmena Enigmou teda vyzerá nasledovne:
Klávesnica – Prepájacia doska – valec 1 – valec 2 – valec 3 – reflektor – valec 3 – valec 2 – valec 1 – žiarovková klávesnica.

Môže sa zdať, že bezpečnosť Enigmy je skrytá v tajnom poradí písmen vo valcoch a v reflektore a ak by ich niekto získal, šifra by bola prelomená. Tak to ale nie je. Podstatou bezpečnosti je veľké množstvo počiatočných konfigurácií daných výberom, poradím a počiatočným nastavením valcov a spojmi v prepájacej doske (tá je zodpovedná za väčšinu z nich) [6] a pseudonáhodný spôsob generovania kľúča. Enigma teda spĺňa, tzv. Kerckhoffov princíp, ktorý tvrdí, že šifrovanie má byť bezpečné, aj keď sú známe všetky detaily mechanizmu okrem použitého kľúča.

Samozrejme, tak to aj bolo. Prvé valce dodal ešte pred vojnou špión Hans-Thilo Schmidt Francúzom, ktorí ich posunuli do Poľska, kde sa začala práca na dešifrovaní Enigmy. Počas vojny zase pracovali na získavaní novo zavedených valcov Briti. Jedným z aktérov týchto akcií bol špión Ian Flemming, neskorší autor príbehov o tom najslávnejšom špiónovi, Jamesovi Bondovi.

Reflektor zabezpečoval symetrickosť Enigmy, teda rovnaké počiatočné nastavenie sa použilo na zašifrovanie aj dešifrovanie a nebolo treba konštruovať žiadny zložitý mechanizmus, ktorý by prepínal medzi šifrovacím a dešifrovacím módom. Okrem zjednodušenia práce však pre jej používateľov predstavoval aj slabú stránku. O tom ale nabudúce.

[Lukáš]

Článok pokračuje v tretej časti.

Poznámky:

Za tip na výborné video o fungovaní Enigmy ďakujeme Jozefovi:
https://youtu.be/G2_Q9FoD-oQ

[1] Fotky Enigmy má na svojej stránke britský spisovateľ Simon Singh, autor vynikajúcej knihy Codebook (Kniha kódov a šifier, https://vedator.space/simon-singh-the-codebook/):
https://simonsingh.net/cryptography/enigma-photos/
Poznámky [2] a [5] obsahujú fotky konkrétnych súčastí Enigmy z tejto galérie.
[2] https://simonsingh.net/wp-content/uploads/2014/12/DSCF0040.jpg
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Flip_clock#/media/File:Split-flap_display.jpg
Trochu presnejšie: každý valec mal definované nejaké písmeno, ktoré spôsobilo otočenie predchádzajúceho. Teda ak bol na začiatku písania v tejto polohe, predchádzajúci valec sa otočil hneď po prvom znaku správy a až potom čakal 26 znakov.
[4] Počas vojny boli postupne pridávané nové valce. Zložitejšia, námorná Enigma, používala naraz nie 3 ale 4 valce.
[5] https://simonsingh.net/wp-content/uploads/2014/12/DSCF0061.jpg
[6] V Enigme s výberom troch valcom z patich a desiatimi prepojeniami za klávesnicou je to 60 (výber a poradie valcov) x 17576 (počiatočné nastavenie valcov) x 150 738 274 937 250 (prepájacia doska). Výpočet nájdete vo videu spomínanom vyššie.