Enigma

Jerzy Różycki, Henryk Zygalski i Marian Rejewski. Trzej Muszkieterowie, którym udało się złamać maszynę szyfrującą Enigma. Celowo nie piszę o złamaniu szyfru, ponieważ Enigma korzystała ze zwykłego szyfru transpozycyjnego (podstawieniowego), w którym jedną literę zastępuje się inną literą.

Ryc. 1 Marian Rejewski, Henryk Zygalski, Jerzy Różycki. Domena publiczna.

Zastosowanie jednokrotnego podstawienia jest jednak bardzo łatwe do rozszyfrowania, wystarczy znajomość statystyki występowania poszczególnych liter i ogólnych reguł leksykalnych dla danego języka. Do wczesnych lat dwudziestych XX. wieku wszystkie armie świata wykorzystywały bardziej lub mniej skomplikowane szyfry podstawieniowe, kodowane i dekodowane ręcznie. Polski wywiad nie miał więc kłopotów z rozszyfrowywaniem niemieckiej i radzieckiej tajnej korespondencji. Do czasu wprowadzenia wynalezionej przez Arthura Scherbiusa elektromechanicznej maszyny szyfrującej o nazwie Enigma. Dlaczego więc Enigma była takim skokiem jakościowym i wyzwaniem? Dlatego, że jako pierwsza maszyna, szyfrowała depesze szyfrem polialfabetycznym, wykorzystując kaskady bębnów szyfrujących (transponujących), dodatkowo obracanych po każdej literze, a także innych elementów transponujących litery oraz różne ustawienia początkowe, co skutkowało prawie nieskończoną liczbą możliwych permutacji liter alfabetu. Szyfr Enigmy nie mógł też być poddany standardowej statystycznej analizie językowej gdyż, w odróżnieniu od zwykłego szyfru podstawieniowego, litera „A” mogła być zaszyfrowana jako „D” albo „S” albo jakakolwiek inna litera, w zależności od jej pozycji w szyfrowanym tekście.

Ryc. 2 Schemat okablowania Enigmy. Czerwona linia to ścieżka przepływu prądu po naciśnięciu litery “A”. Prąd przepływa z baterii (1) przez obwód mającego dwa styki klawisza z literą (2) do łącznicy kablowej (3). Łącznica umożliwiała zamianę dwóch liter miejscami, a jednocześnie zapewniała połączenie klawiatury (2) z bębnem wstępnym (Eintrittswalze) (4). Prąd przepływa przez łącznicę kablową (3) do bębna wstępnego (4), a następnie przez trzy (w przypadku zastosowania w wojskach lądowych) lub cztery albo pięć (w przypadku marynarki) bębny szyfrujące do bębna odwracającego (Umkehrwalze) (6). Bęben odwracający zawraca sygnał z powrotem przez bębny szyfrujące (5), ale inną drogą, do bębna wstępnego (4), następnie doprowadzając go do gniazda ‘S’ łącznicy (7), a stamtąd przewodem (8) (Steckerverbindung) do gniazda ‘D’ i dwustykowego klawisza (9), powodując zaświecenie lampki.
Licencja CC BY-SA 3.0

Ponieważ dotychczasowe, lingwistyczne metody pracy Biura Szyfrów wobec Enigmy okazały się nieskuteczne, postawiono na matematyków. Zorganizowano kurs kryptologiczny dla wyróżniających się studentów matematyki Uniwersytetu Poznańskiego, wybrano kilku najlepszych, których zatrudniono w Biurze Szyfrów mieszczącym się w podziemiach Komendy Miasta przy ul. św. Marcin. Znaleźli się wśród nich nasi Muszkieterowie. Przy wyborze takiej, a nie innej lokalizacji nie bez znaczenia była doskonała znajomość niemieckiego i niemieckich nawyków językowych u poznańskich matematyków, co pozwoliło w przyszłości Rejewskiemu błyskotliwie przewidywać zachowanie niemieckich szyfrantów i kilka razy pójść na skróty, „odgadując wynik”. Przez trzy lata szkolono matematyków na kryptologów, zanim zostali wtajemniczeni, na czym będzie polegało ich zadanie. Marian Rejewski, będąc wciąż bardziej matematykiem niż kryptologiem, podszedł do problemu niestandardowo, czyli matematycznie. Zamiast szyfru, zaczął rozpracowywać maszynę. Wykorzystując posiadaną wiedzę matematyczną zapisał wszystko, co wiedział, w postaci równań, w których zamiast zmiennych znalazły się permutacje. Luki w teorii uzupełnił własnymi pomysłami. W ciągu kilku miesięcy, pod koniec 1933 roku, stworzył model matematyczny urządzenia, którego nie widział na oczy. Wtedy też odkodowano pierwszy niemiecki szyfrogram. Podejście Rejewskiego było rewolucyjne, gdyż do tej pory szyfry łamano metodami lingwistycznymi, poszukując reguł językowych, których proces szyfrowania nie zatarł. Wieloetapowe szyfrowanie oraz obracanie bębnów po każdym znaku powodowało jednak, że zaszyfrowany ciąg liter nie posiadał żadnych cech języka źródłowego, a analiza statystyczna nie wykazywała żadnych prawidłowości. Można powiedzieć, że maszynowe szyfrowanie Enigmą dawało na wyjściu losowy ciąg znaków. W rzeczy samej Marian Rejewski był pionierem kryptologii jako gałęzi matematyki stosowanej.

O sukcesie polskiego zespołu zadecydował, oprócz niewątpliwego profesjonalizmu, łut szczęścia. Ale wiadomo, audaces fortuna iuvat, szczęście sprzyja zuchwałym (niektórzy mówią, że śmiałym).

Pierwszym szczęśliwym zbiegiem okoliczności był fakt, że wojskowa maszyna szyfrująca Enigma miała swój mniej skomplikowany odpowiednik komercyjny, wykorzystywany przez niemieckie firmy do szyfrowania wrażliwej korespondencji handlowej. Przechwycenie tej maszyny w 1928 umożliwiło zbudowanie jej dokładniej repliki.

Drugim szczęśliwym przypadkiem było przekazanie w 1931 przez wywiad francuski dwóch niezwykle ważnych dokumentów. Pierwszym z nich była instrukcja obsługi maszyny szyfrującej, drugi zawierał klucze dzienne na październik i grudzień 1931 roku. Ciekawe, że ani wywiad francuski, ani angielski, posiadając przecież te dokumenty, nie zdołały Enigmy „rozgryźć”.
W ciągu kilku miesięcy zespół mgr Rejewskiego odtworzył połączenia wewnętrzne Enigmy i opracował jej „model matematyczny”. Na jego podstawie został skonstruowany „sobowtór” Enigmy, zresztą znacznie lepszy i wydajniejszy niż niemiecki oryginał. Praca ta została wykonana w Warszawskiej Wytwórni Radiotechnicznej AVA. Razem zbudowano 15 takich zrekonstruowanych maszyn Enigma”
[dr inż. Tadeusz Lisicki, kierownik Oddziału Radiotechniki Wojskowej „Historia i metody rozwiązania niemieckiego szyfru maszynowego „ENIGMA”][1]

Trzecim szczęśliwym przypadkiem była praktyka dwukrotnego szyfrowania klucza depeszy przez Niemców, w dodatku nie za pomocą Enigmy ale za pomocą zewnętrznego kodowania. Było to nieocenioną wskazówką przy wyszukiwaniu prawidłowości rządzących Enigmą.

Ryc. 3 Maszyna szyfrująca Enigma. Muzeum Techniki w Warszawie. Licencja CC BY-SA 3.0

Do opracowania metod deszyfracji Enigmy wykorzystano zaawansowane narzędzia matematyczne z dziedziny kombinatoryki (teoria cykli i transpozycji). Oryginalnymi wynalazkami Rejewskiego był tak zwany cyklometr do określania cykli bębnów szyfrujących oraz karty charakterystyk. Pozwalały one na ustalenie kodu dziennego w ciągu 15-20 minut. Niestety, kolejne udoskonalenie Enigmy we wrześniu 1938 spowodowało, że karty charakterystyk stały się bezużyteczne. W październiku 1938 roku Rejewski opracował urządzenie do automatycznego łamania Enigmy nazwane bombą kryptologiczną. Ową bombę skonstruowała firma AVA z sześciu sprzężonych replik Enigmy i była one używana do dekodowania podwójnie szyfrowanych kluczy dziennych. Kolejnym wynalazkiem polskich kryptologów były tzw. płachty Zygalskiego.

Ryc. 4 Klucze dzienne z oryginalnej książki kodów. Znaczenie poszczególnych kolumn: numer dnia miesiąca, kolejność bębnów, ustawienie pierścieni na bębnach, połączenia na łącznicy wtyczkowej, ustawienia podstawowe bębnów w okienkach
Źródło: The Late Tony Sale’s Codes and Ciphers Website (Tony Sale 2001).

Pierwszą depeszę Enigmy Marian Rejewski odczytał w grudniu 1932 a od stycznia 1938 odczytywano 75% niemieckich depesz.

Niestety, na tym kończy się szczęśliwy rozwój wypadków. Niemcy co rusz modernizowali Enigmę, dodawali nowe elementy, rozszerzali repertuar używanych bębnów, coraz bardziej komplikując proces szyfrowania. Polski zespół deszyfrujący nadążał za tymi zmianami do 1938 roku. W 1939 Niemcy po raz kolejny zmodernizowali Enigmę, co wymusiło konieczność skonstruowania kilkudziesięciu dodatkowych bomb kryptograficznych oraz niesamowicie kosztownych płacht Zygalskiego, a to już przekraczało możliwości finansowe i organizacyjne Biura Szyfrów. W obliczu zbliżającej się wojny i palącej konieczności efektywnej deszyfracji niemieckich depesz zdecydowano się na podzielenie się wynikami prac ze służbami innych państw.

Ograniczony budżet Biura Szyfrów i mała liczba personelu zmusiła Polaków do przekazania wyników swojej pracy sojusznikom, Francuzom i Anglikom. Nie tak to miało wyglądać. Początkowo Biuro Szyfrów miało przekazać wyniki swojej pracy na warunkach partnerskich, na zasadzie równorzędnej wymiany doświadczeń. Niestety okazało się, że Francuzi i Anglicy mimo posiadania tej samej wiedzy nie mogli się niczym pochwalić. Na spotkaniu w Pyrach, w lipcu 1939 do rozmów dołączył wiceszef brytyjskiego wywiadu pułkownik Stewart Menzies. Można sobie wyobrazić zdumienie Francuzów i Anglików kiedy otrzymali kompletne i działające metody deszyfracji ustawień początkowych i kluczy oraz po jednym egzemplarzu repliki wojskowej wersji Enigmy, wyprodukowanej przez wytwórnię „AVA”. Komandor Dillwyn Knox, uczestnik rozmów, w raporcie napisał bezczelnie, że „Polacy mieli szczęście” oraz że „przypadkowo rozwiązali zagadkę”. Tak zachowanie Knoxa relacjonuje kryptolog Alastair Denniston, który uczestniczył w spotkaniu:
Nagle stracił panowanie nad sobą i – zakładając, że nikt nie zna angielskiego – zaczął się pieklić, że [Polacy] nas okłamali, tak samo jak w Paryżu. Cały czas powtarzał, że to szalbierstwo. Nie złamali Enigmy. Zwędzili rozwiązanie lata temu i bazowali na tym jak każdy, ale musieli to kupić albo zwędzić.”[3]
Tak zakończyła się samodzielna praca polskich kryptologów nad rozpracowaniem Enigmy.

Po wybuchu wojny zespół kryptologów z B-S-4 (Radiowywiad i szyfry „Zachód”) ewakuował się do Rumunii, a następnie do Francji. Niestety Francuzi nie pozwolili na powstanie równoprawnego polsko-francusko-angielskiego zespołu . Powstał francuski ośrodek kryptologiczny nazwany „Zespołem Z” zlokalizowany 35 km od Paryża, w willi Chateau de Vignolles w Gretz-Armainvilliers. Polscy kryptolodzy w liczbie piętnastu, w tym nasi Muszkieterowie, zostali „wypożyczeni” Francuzom. Zespół dysponował całym polskim dorobkiem, w tym replikami Enigmy. Pracę rozpoczęto w październiku 1939 a już w styczniu 1940 złamano pierwszy klucz dzienny Wehrmachtu. Ośrodek był często odwiedzany przez Alana Turinga, który organizował ośrodek w Bletchley Park, ale to już zupełnie inna historia.

Do czerwca 1940 odczytano ponad osiem tysięcy zaszyfrowanych depesz Enigmy. Po upadku Francji ośrodek został zlikwidowany, a prace nad Enigmą przejęli Brytyjczycy. Na nieokupowanym terytorium Francji działał jeszcze ośrodek w Chateau des Fouzes w Uzes niedaleko Nantes, o kryptonimie Cadix. Ekipa polskich kryptologów pracowała w nim rotacyjnie, dojeżdżając z Algierii i dzieląc się wynikami pracy z Anglikami z Bletchley Park.

Liczba kombinacji szyfrowania Enigmy wynosiła 3*10114, czyli o wiele rzędów wielkości więcej, niż jest atomów we Wszechświecie.

Niemiecka Kriegsmarine używała innej, bardziej skomplikowanej wersji Enigmy z większą liczbą bębnów, której polskim Muszkieterom nigdy nie udało się złamać.

Niemcy nie ułatwiali pracy kryptologom. W latach 20., kiedy Polacy odczytywali pierwsze depesze Enigmy, klucz zmieniał się raz w miesiącu. Z biegiem czasu poszczególne jego elementy zmieniały się co tydzień, później codziennie, a następnie, w czasie II wojny światowej, nawet kilka razy w ciągu doby. Właśnie to spowodowało, że w 1939 Sztab Główny podjął decyzję bez bez precedensu w dziejach wywiadu: przekazał aliantom bez warunków wstępnych swój najpilniej strzeżony sekret.

Z wyprodukowanych kilkudziesięciu tysięcy egzemplarzy Enigmy, do czasów współczesnych dotrwało zaledwie kilkadziesiąt. Pozostałe zostały celowo zniszczone, ukryte lub porzucone. Te egzemplarze, o których wiemy, osiągają na aukcjach ceny sięgające 100 tysięcy dolarów.

Źródła:
1. https://elitadywersji.org/tag/biuro-szyfrow/#02
2. https://wielkahistoria.pl/zlamanie-kodu-enigmy-jak-polskiemu-wywiadowi-udalo-sie-rozpracowac-niemiecka-maszyne-szyfrujaca/
3. https://wielkahistoria.pl/reakcje-na-zlamanie-kodu-enigmy-przez-polakow-brytyjski-ekspert-oskarzyl-nas-o-kradziez-i-oszustwo/
4. https://wielkahistoria.pl/zlamanie-kodu-enigmy-jak-polskiemu-wywiadowi-udalo-sie-rozpracowac-niemiecka-maszyne-szyfrujaca/
5. https://elitadywersji.org/tag/biuro-szyfrow/
6. https://fpg24.pl/pogromca-enigmy-byl-polakiem/
7. https://ciekawostkihistoryczne.pl/2022/12/25/enigma-i-tajemnica-zlamania-szyfru/
8. https://wielkahistoria.pl/reakcje-na-zlamanie-kodu-enigmy-przez-polakow-brytyjski-ekspert-oskarzyl-nas-o-kradziez-i-oszustwo/

Udostępnij wpis

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *