мини|Енигма машина је коришћена комерцијално од раних 1920-их, а прихватиле су је војске и владе разних земаља — најпознатије, нацистичка Немачка. Криптоанализа Енигминог шифарског система омогућила је западним савезницима у Другом светском рату да читају значајне количине Морзеовим кодом кодираних радио-комуникација Сила Осовине које су биле шифроване помоћу Енигма машина. То је дало војну обавештајну делатност која је, заједно са оном из других дешифрованих радио и телепринтерских преноса Осовине, добила кодно име Ултра.
Енигма машине су биле породица преносних шифарских уређаја са роторским скремблерима. Добре оперативне процедуре, правилно спроведене, учиниле би да Енигма са плочом за укључивање (Steckerbrett) буде несаломива за савезнике у то време.
Немачка Енигма са плочом за укључивање постала је главни криптосистем Немачког рајха и касније других сила Осовине. Децембра 1932. разбио ју је математичар Марјан Рејевски у Бироу шифара пољског Главног штаба, користећи математичку теорију група пермутација комбиновану са обавештајним материјалом који је доставила Француска, а добијен од немачког шпијуна Ханса-Тила Шмита. До 1938. Рејевски је изумео уређај, криптолошку бомбу, а Хенрик Зигалски је осмислио своје перфориране листове, како би разбијање шифре учинили ефикаснијим. Пет недеља пре почетка Другог светског рата, крајем јула 1939. на конференцији јужно од Варшаве, пољски Биро шифара је своје технике и технологију за разбијање Енигме поделио са Французима и Британцима.
Током немачке инвазије на Пољску, кључно особље пољског Бироа шифара евакуисано је преко Румуније у Француску, где су основали сигнално-обавештајну станицу PC Bruno уз подршку француских објеката. Успешна сарадња Пољака, Француза и Британаца настављена је до јуна 1940, када се Француска предала Немцима.
Од овог почетка, британска Владина школа за кодове и шифре у Блечли Парку изградила је обимну криптоаналитичку способност. У почетку су дешифровање углавном биле поруке Луфтвафе и неколико Хер порука, јер је Кригсмарине користила много сигурније процедуре за коришћење Енигме. Алан Тјуринг, математичар и логичар са Универзитета у Кембриџу, дао је велики део оригиналног размишљања које је довело до унапређења пољске криптолошке бомбе која се користила за дешифровање немачких Енигма шифри. Међутим, Кригсмарине је увела верзију Енигме са четвртим ротором за своје У-броде, што је довело до дугог периода када ове поруке нису могле бити дешифроване. Захваљујући заробљавању кључева шифре и употреби много бржих америчких морнаричких бомби, настављено је редовно, брзо читање порука У-бродова. Многи коментатори кажу да је прилив Ултра комуникационо-обавештајне информације из дешифровања Енигме, Лоренцове шифре и других шифри знатно скратио рат и можда чак променио његов исход.
Општи принципи
Енигма машине су комбиновале више нивоа покретних ротора и каблова за укључивање како би произвеле посебно сложену полиалфабетску супституциону шифру.
Током Првог светског рата, проналазачи у неколико земаља схватили су да би чисто случајни низ кључева, без понављајућег обрасца, у принципу учинио полиалфабетску супституциону шифру несаломивом. То је довело до развоја роторских машина које мењају сваки знак у отвореном тексту да би произвеле шифрат, помоћу скремблера који се састоји од скупа ротора који мењају електричну путању од знака до знака, између улазног уређаја и излазног уређаја. Ово стално мењање електричне путање производи веома дуг период пре него што се образац — низ кључева или супституционо писмо — понови.
Дешифровање шифрованих порука укључује три фазе, дефинисане донекле другачије у то доба него у савременој криптографији. Прво, ту је идентификација система који се користи, у овом случају Енигма; друго, разбијање система утврђивањем како тачно шифровање функционише, и треће, решавање, које подразумева проналажење начина на који је машина била подешена за појединачну поруку, тј. кључ поруке. Данас се често претпоставља да нападач зна како процес шифровања функционише (видети Керкхофсов принцип) и разбијање се често користи за решавање кључа. Међутим, Енигма машине су имале толико потенцијалних стања унутрашњег ожичења да је реконструкција машине, независно од одређених подешавања, била веома тежак задатак.
Енигма машина
мини|десно|Серија од три ротора из Енигминог скремблера. Када су убачени у машину, ови ротори се повезују са улазном плочом са десне стране и рефлекторским бубњем са леве стране.
Енигма роторска машина је потенцијално била одличан систем. Генерисала је полиалфабетску супституциону шифру, са периодом пре понављања супституционог алфабета који је био много дужи од било које поруке или скупа порука послатих истим кључем.
Међутим, главна слабост система била је у томе што ниједно слово није могло бити шифровано у само себе. То је значило да се нека могућа решења могу брзо елиминисати због тога што се исто слово појављује на истом месту и у шифрату и у претпостављеном делу отвореног текста. Поређење могућег отвореног текста Keine besonderen Ereignisse (дословно, „без посебних догађаја“ — можда боље преведено као „нема шта да се извести“; фраза коју је редовно користила једна немачка испостава у северној Африци), са делом шифрата, могло би дати следеће: + Искључивање неких позиција за могући отворени текст Keine besonderen Ereignisse ШифратOHJYPDOMQNJCOSGAWHLEIHYSOPJSMNU Позиција 1 KEINEBESONDERENEREIGNISSE Позиција 2 KEINEBESONDERENEREIGNISSE Позиција 3 KEINEBESONDERENEREIGNISSE Позиције 1 и 3 за могући отворени текст су немогуће због подударних слова. Црвене ћелије представљају ове колизије. Позиција 2 је могућност.
Структура Механизам Енигме састојао се од тастатуре повезане са батеријом и струјном улазном плочом или точком (немачки: Eintrittswalze), на десном крају скремблера (обично преко плоче за укључивање у војним верзијама). „Позадина” став 2 Ова је садржала скуп од 26 контаката који су остваривали електричну везу са скупом од 26 опружних пинова на десном ротору. Унутрашње ожичење језгра сваког ротора обезбеђивало је електричну путању од пинова на једној страни до различитих тачака повезивања на другој. Лева страна сваког ротора остваривала је електричну везу са ротором лево од њега. Најлевљи ротор је затим остваривао контакт са рефлектором (немачки: Umkehrwalze). Рефлектор је обезбеђивао скуп од тринаест упарених веза како би вратио струју назад кроз роторе скремблера и на крају до табле са лампама где се лампа испод слова палила.
Кад год би се притиснуо тастер на тастатури, активирао се механизам за корачање, померајући најдеснији ротор за једну позицију. Пошто се померао при сваком притиску тастера, понекад се назива брзи ротор. Када би зарез на том ротору захватио запорник на средњем ротору, померио би се и он; и слично са најлевијим („спорим”) ротором.
Постоји огроман број начина на које су везе унутар сваког ротора скремблера — и између улазне плоче и тастатуре или плоче за укључивање или табле са лампама — могле бити распоређене. За рефлекторску плочу постоји мање, али и даље велики број опција за њено могуће ожичење.
Сваки ротор скремблера могао се подесити на било коју од својих 26 почетних позиција (било које слово алфабета). За Енигма машине са само три ротора, њихов редослед у скремблеру — што је савезничким криптоаналитичарима било познато као редослед точкова (WO) — могао се изабрати од шест могућих.
+ Могући редоследи ротора — такође познати као Редослед точкова (WO) Леви Средњи Десни I II III I III II II I III II III I III I II III II I
десно|мини|Плоча за укључивање (Steckerbrett) била је постављена на предњој страни машине, испод тастера. На горњој фотографији, два пара слова су замењена (A↔J и S↔O). Током Другог светског рата, коришћено је десет каблова, остављајући само шест слова „неупарених”.
Каснији модели Енигме су укључивали алфабетски прстен попут гуме око језгра сваког ротора. Овај се могао подесити у било коју од 26 позиција у односу на језгро ротора. Прстен је садржао један или више зареза који су захватали запорник који је померао следећи ротор улево.
Још касније, три ротора за скремблер су бирана из сета од пет или, у случају немачке морнарице, осам ротора. Алфабетски прстенови ротора VI, VII и VIII садржали су два зареза што је, упркос скраћењу периода супституционог алфабета, отежавало дешифровање.
Већина војних Енигми је такође имала плочу за укључивање (немачки: Steckerbrett). Ова је мењала електричну путању између тастатуре и улазног точка скремблера и, у супротном смеру, између скремблера и табле са лампама. То је чинила реципрочним замењивањем слова, тако да ако је A било упарено са G, притиском на тастер A струја би улазила у скремблер на позицији G, а ако је притиснуто G струја би улазила на A. Исте везе су важиле за струју на излазу према табли са лампама.
Да би се дешифровале немачке војне Енигма поруке, требало је знати следеће информације.
Логичка структура машине (непроменљива) Ожичење између тастатуре (и табле са лампама) и улазне плоче. Ожичење сваког ротора. Број и положај(и) зареза за обртање на прстеновима ротора. Ожичење рефлектора. Унутрашња подешавања (обично ређе мењана од спољашњих) Избор ротора у употреби и њихов редослед на осовини (Walzenlage или „редослед точкова”). Положаји алфабетског прстена у односу на језгро сваког ротора у употреби (Ringstellung или „подешавања прстенова”). Спољашња подешавања (обично чешће мењана од унутрашњих) Везе на плочи за укључивање (Steckerverbindungen или „вредности утикача”). Положаји ротора на почетку шифровања текста поруке.
Откривање логичке структуре машине може се назвати њеним „разбијањем”, једнократним процесом осим када су вршене измене или додаци на машинама. Проналажење унутрашњих и спољашњих подешавања за једну или више порука може се назвати „решавањем” – иако се разбијање често користи и за овај процес.
Безбедносна својства Различити модели Енигме пружали су различите нивое безбедности. Присуство плоче за укључивање (Steckerbrett) значајно је повећало безбедност шифровања. Сваки пар слова који је био повезан каблом за укључивање називан је штекер партнери, а слова која су остала неповезана сматрана су само-упареним. Генерално, Енигма без плоче за укључивање коришћена је за комерцијални и дипломатски саобраћај и могла се релативно лако разбити ручним методама, док је напад на верзије са плочом за укључивање био много тежи. Британци су читали поруке Енигме без плоче за укључивање слате током Шпанског грађанског рата, а такође и неки италијански поморски саобраћај шифрован на почетку Другог светског рата.
Снага безбедности шифара које је производила Енигма машина била је производ великих бројева повезаних са процесом скрембловања. Производила је полиалфабетску супституциону шифру са периодом () који је био много пута дужи од најдуже поруке. 3-роторски скремблер могао се подесити на 26 × 26 × 26 = начина, а 4-роторски скремблер на 26 × = начина. Са L каблова на плочи за укључивање, број начина на које су парови слова могли бити замењени био је Са L=6, број комбинација био је (100 милијарди) а са десет каблова, био је (151 билион).
Међутим, начин на који су Немци користили Енигму значио је да, ако би се подешавања за један дан (или који год период представља сваки ред табеле са подешавањима) установила, остале поруке за ту мрежу тог дана могле су се брзо дешифровати.
Безбедност Енигма шифара је имала фундаменталне слабости које су се показале корисним за криптоаналитичаре. Слово никада није могло бити шифровано у само себе, што је последица рефлектора. Ово својство је било од велике помоћи у коришћењу крибова — кратких делова отвореног текста за које се веровало да су негде у шифрату — и могло се користити за елиминисање криба на одређеној позицији. За могућу локацију, ако се неко слово у крибу подударало са словом у шифрату на истој позицији, локација се могла искључити. Управо је ово својство искористио британски математичар и логичар Алан Тјуринг приликом осмишљавања британске бомбе.