Máquina Enigma

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Máquina Enigma: Máquina que disponía de un mecanismo de cifrado rotatorio, que permitía usarla tanto para cifrar como para descifrar mensajes. Varios de sus modelos fueron muy utilizados en Europa desde inicios de los años 1920.

Máquina Enigma

Su fama se debe a haber sido adoptada por las fuerzas militares de Alemania desde 1930. Su facilidad de manejo y supuesta inviolabilidad fueron las principales razones para su amplio uso. Su sistema de cifrado fue finalmente descubierto y la lectura de la información que contenían los mensajes supuestamente protegidos es considerado, a veces, como la causa de haber podido concluir la Segunda Guerra Mundial al menos dos años antes de lo que hubiera acaecido sin su descifrado.

La máquina equivalente británica, Typex, y varias americanas, como la SIGABA (o M-135-C en el ejército), eran similares a Enigma. La primera máquina moderna de cifrado rotatorio, de Edward Hebern, era considerablemente menos segura, hecho constatado por William F. Friedman cuando fue ofrecida al gobierno de Estados Unidos.

Funcionamiento

La máquina Enigma era un dispositivo electromecánico, lo que significa que usaba una combinación de partes mecánicas y eléctricas. El mecanismo estaba constituido fundamentalmente por un teclado similar al de las máquinas de escribir cuyas teclas eran interruptores eléctricos, un engranaje mecánico y un panel de luces con las letras del alfabeto.

La parte eléctrica consistía en una batería que se conecta a una de las lámparas, que representan las diferentes letras del alfabeto. Se puede observar en la parte inferior de la imagen adjunta el teclado, siendo las lámparas los minúsculos círculos que aparecen encima de éste.

El corazón de la máquina Enigma era mecánico y constaba de varios rotores conectados entre sí. Un rotor es un disco circular plano con 26 contactos eléctricos en cada cara, uno por cada letra del alfabeto. Cada contacto de una cara está conectado o cableado a un contacto diferente de la cara contraria. Por ejemplo, en un rotor en particular, el contacto número 1 de una cara puede estar conectado con el contacto número 14 en la otra cara y el contacto número 5 de una cara con el número 22 de la otra. Cada uno de los cinco rotores proporcionados con la máquina Enigma estaba cableado de una forma diferente y los rotores utilizados por el ejército alemán poseían un cableado distinto al de los modelos comerciales.

Dentro de la máquina había, en la mayoría de las versiones, tres ranuras para poder introducir los rotores. Cada uno de los rotores se encajaba en la ranura correspondiente de forma que sus contactos de salida se conectaban con los contactos de entrada del rotor siguiente. El tercer y último rotor se conectaba, en la mayoría de los casos, a un reflector que conectaba el contacto de salida del tercer rotor con otro contacto del mismo rotor para realizar el mismo proceso pero en sentido contrario y por una ruta diferente. La existencia del reflector diferencia a la máquina Enigma de otras máquinas de cifrado basadas en rotores de la época. Este elemento, que no se incluía en las primeras versiones de la máquina, posibiltaba que la clave utilizada para el cifrado se pudiera emplear en el descifrado del mensaje. Se pueden observar en la parte superior de la imagen los tres rotores con sus correspondientes protuberancias dentadas que permitían girarlos a mano, colocándolos en una posición determinada.

Cuando se pulsaba una tecla en el teclado, por ejemplo la correspondiente a la letra A, la corriente eléctrica procedente de la batería se dirigía hasta el contacto correspondiente a la letra A del primer rotor. La corriente atravesaba el cableado interno del primer rotor y se situaba, por ejemplo, en el contacto correspondiente a la letra J en el lado contrario. Supongamos que este contacto del primer rotor estaba alineado con el contacto correspondiente a la letra X del segundo rotor. La corriente llegaba al segundo rotor y seguía su camino a través del segundo y tercer rotor, el reflector y de nuevo a través de los tres rotores en el camino de vuelta. Al final del trayecto, la salida del primer rotor se conectaba a la lámpara correspondiente a una letra, distinta de la A, en el panel de luces. El mensaje de cifrado se obtenía por tanto sustituyendo las letras del texto original por las proporcionadas por la máquina.

Cada vez que se introducía una letra del mensaje original, pulsando la tecla correspondiente en el teclado, la posición de los rotores variaba. Debido a esta variación, a dos letras idénticas en el mensaje original, por ejemplo AA, les correspondían dos letras diferentes en el mensaje cifrado, por ejemplo QL. En la mayoría de las versiones de la máquina, el primer rotor avanzaba una posición con cada letra. Cuando se habían introducido 26 letras y por tanto el primer rotor había completado una vuelta completa, se avanzaba en una muesca la posición del segundo rotor, y cuando éste terminaba su vuelta, se variaba la posición del tercer rotor. El número de pasos que provocaba el avance de cada uno de los rotores, era un parámetro configurable por el operario.

Debido a que el cableado de cada rotor era diferente, la secuencia exacta de los alfabetos de sustitución variaba en función de qué rotores estaban instalados en las ranuras (cada máquina disponía de cinco), su orden de instalación y la posición inicial de cada uno. A estos datos se les conocía con el nombre de configuración inicial, y eran distribuidos, mensualmente al principio y con mayor frecuencia a medida que avanzaba la guerra, en libros a los usuarios de las máquinas.

El funcionamiento de las versiones más comunes de la máquina Enigma era simétrico en el sentido de que el proceso de descifrado era análogo al proceso de cifrado. Para obtener el mensaje original sólo había que introducir las letras del mensaje cifrado en la máquina, y ésta devolvía una a una las letras del mensaje original, siempre y cuando la configuración inicial de la máquina fuera idéntica a la utilizada al cifrar la información.

Criptoanálisis básico

Los cifrados, por supuesto, pueden ser atacados, y la forma más efectiva de ataque depende del método de cifrado. Al principio de la Primera Guerra Mundial, los departamentos de descifrado eran lo bastante avanzados como para poder descubrir la mayoría de los cifrados, si se dedicaban suficientes esfuerzos. Sin embargo, la mayoría de estas técnicas se basaban en conseguir cantidades suficientes de texto cifrado con una clave particular. A partir de estos textos, con suficiente análisis estadístico, se podían reconocer patrones e inducir la clave.

En la técnica del análisis de frecuencia, las letras y los patrones de las letras son la pista. Puesto que aparecen ciertas letras con mucha más frecuencia que otras en cada lengua, la cuenta de ocurrencias de cada letra en el texto cifrado revela generalmente la información sobre probables sustituciones en los cifrados usados de manera frecuente en la sustitución.

Los analistas buscan típicamente algunas letras y combinaciones importantes. Por ejemplo, en inglés, E, T, A, O, I, N y S son generalmente fáciles de identificar, siendo muy frecuentes (véase de frecuencias: ETAOIN SHRDLU); también NG, ST y otras combinaciones, muy frecuentes en inglés. Una vez que algunos (o todos) de estos elementos son identificados, el mensaje se descifra parcialmente, revelando más información sobre otras sustituciones probables. El análisis de frecuencia simple confía en que una letra es sustituida siempre por otra letra del texto original en el texto cifrado; si éste no es el caso, la situación es más difícil.

Por muchos años, los criptógrafos procuraron ocultar las frecuencias usando varias sustituciones diferentes para las letras comunes, pero esto no puede ocultar completamente los patrones en las sustituciones para las letras del texto original. Tales códigos eran descubiertos extensamente hacia el año 1500.

Una técnica para hacer más difícil el análisis de frecuencia es utilizar una sustitución diferente para cada letra, no sólo las comunes. Éste sería normalmente un proceso muy costoso en tiempo que requirió a ambas partes intercambiar sus patrones de sustitución antes de enviar mensajes cifrados. A mitad del siglo XV, una nueva técnica fue inventada por Alberti, ahora conocida generalmente como cifrado polialfabético, que proporcionó una técnica simple para crear una multiplicidad de patrones de sustitución. Las dos partes intercambiarían una cantidad de información pequeña (referida como la clave) y seguirían una técnica simple que produce muchos alfabetos de sustitución, y muchas sustituciones diferentes para cada letra del texto original. La idea es más simple y eficaz, pero resultó ser más difícil de lo esperado. Muchos cifrados fueron implementaciones parciales del concepto, y eran más fáciles de romperse que los anteriores (p.ej. el cifrado de Vigenère).

Costó centenares de años hallar métodos fiables para romper los cifrados polialfabéticos. Las nuevas técnicas confiaron en estadística (p.ej. cuenta de ocurrencias) para descubrir la información sobre la clave usada para un mensaje. Estas técnicas buscan la repetición de los patrones en el texto cifrado, que proporcionarán pistas sobre la longitud de la clave. Una vez que se sabe esto, el mensaje, esencialmente, se convierte en una serie de mensajes, cada uno con la longitud de la clave, a los cuales se puede aplicar el análisis de frecuencia normal. Charles Babbage, Friedrich Kasiski y William F. Friedman están entre los que aportaron la mayor parte del trabajo para desarrollar estas técnicas.

Se recomendó a los usuarios de los cifrados emplear no sólo una sustitución diferente para cada letra, sino también una clave muy larga, de manera que las nuevas técnicas fallaran (o que por lo menos fuera mucho más difícil). Sin embargo, esto es muy difícil de lograr; una clave larga toma más tiempo de ser transportada a las partes que la necesitan, y los errores son más probables. El cifrado ideal de esta clase sería uno en la cual una llave tan larga se podría generar de un patrón simple, produciendo un cifrado en que hay tantos alfabetos de substitución que la cuenta de ocurrencias y los ataques estadísticos fueran imposibles.

El uso de rotores múltiples en Enigma brindó un modo simple de determinar qué alfabeto de sustitución usar para un mensaje en particular (en el proceso de cifrado) y para un texto cifrado (en el de descifrado). A este respecto fue similar al cifrado polialfabético. Sin embargo, a diferencia de la mayoría de las variantes del sistema polialfabético, Enigma no tenía una longitud de clave obvia, debido a que los rotores generaban una nueva sustitución alfabética en cada pulsación, y toda la secuencia de alfabetos de sustitución podía ser cambiada haciendo girar uno o más rotores, cambiando el orden de los rotores, etc., antes de comenzar una nueva codificación. En el sentido más simple, Enigma tuvo un repertorio de 26 x 26 x 26 = 17.576 alfabetos de sustitución para cualquier combinación y orden de rotores dada. Mientras el mensaje original no fuera de más de 17.576 pulsaciones, no habría un uso repetido de un alfabeto de sustitución. Pero las máquinas Enigma agregaron otras posibilidades. La secuencia de los alfabetos utilizados era diferente si los rotores fueran colocados en la posición ABC, en comparación con ACB; había un anillo que rotaba en cada rotor que se podría fijar en una posición diferente, y la posición inicial de cada rotor era también variable. Y la mayoría de los Enigmas de uso militar añadieron un stecker (tablero de interconexión) que cambió varias asignaciones de llave (8 o más dependiendo de modelo). Así pues, esta llave se puede comunicar fácilmente a otro usuario. Son apenas algunos valores simples: rotores que utilizar, orden del rotor, posiciones de los anillos, posición inicial y ajustes del tablero de interconexión.

El método de cifrado

Por supuesto, si la configuración estuviera disponible, un criptoanalista podría simplemente poner un equipo Enigma a la misma configuración y descifrar el mensaje. Uno podría mandar libros de configuración que usar, pero podrían interceptarse. En cambio, los alemanes establecieron un sistema astuto que mezcló los dos diseños.

Al principio de cada mes, se daba a los operadores de la Enigma un nuevo libro que contenía las configuraciones iniciales para la máquina. Por ejemplo, en un día particular las configuraciones podrían ser poner el rotor n.° 1 en la hendidura 7, el n.° 2 en la 4 y el n.° 3 en la 6. Están entonces rotados, para que la hendidura 1 esté en la letra X, la hendidura 2 en la letra J y la hendidura 3 en la A. Como los rotores podían permutarse en la máquina, con tres rotores en tres hendiduras se obtienen otras 3 x 2 x 1 = 6 combinaciones para considerar, para dar un total de 105.456 posibles alfabetos.

A estas alturas, el operador seleccionaría algunas otras configuraciones para los rotores, esta vez definiendo sólo las posiciones o "giros" de los rotores. Un operador en particular podría seleccionar ABC, y éstos se convierten en la configuración del 'mensaje para esa sesión de cifrado'. Entonces teclearon la configuración del mensaje en la máquina que aún está con la configuración inicial. Los alemanes, creyendo que le otorgaban más seguridad al proceso, lo tecleaban dos veces, pero esto se desveló como una de las brechas de seguridad con la que "romper" el secreto de Enigma. Los resultados serían codificados para que la secuencia ABC tecleada dos veces podría convertirse en XHTLOA. El operador entonces gira los rotores a la configuración del mensaje, ABC. Entonces se teclea el resto del mensaje y lo envía por la radio.

En el extremo receptor, el funcionamiento se invierte. El operador pone la máquina en la configuración inicial e introduce las primeras seis letras del mensaje. Al hacer esto él verá ABCABC en la máquina. Entonces gira los rotores a ABC y tipea el resto del mensaje cifrado, descifrándolo.

Este sistema era excelente porque el criptoánalis se basa en algún tipo de análisis de frecuencias. Aunque se enviaran muchos mensajes en cualquier día con seis letras a partir de la configuración inicial, se asumía que esas letras eran al azar. Mientras que un ataque en el propio cifrado era posible, en cada mensaje se usó un cifrado diferente, lo que hace que el análisis de frecuencia sea inútil en la práctica. Con computadoras modernas, las cosas podrían haber sido diferentes, pero con lápiz y papel...

La Enigma fue muy segura. Tanto que los alemanes se confiaron mucho en ella. El tráfico cifrado con Enigma incluyó de todo, desde mensajes de alto nivel sobre las tácticas y planes, a trivialidades como informes del tiempo e incluso las felicitaciones de cumpleaños.

Rompiendo la Enigma

El esfuerzo que rompió el cifrado alemán empezó en 1929 cuando los polacos interceptaron una máquina Enigma enviada de Berlín a Varsovia y equivocadamente no protegida como equipaje diplomático. No era una versión militar, pero proporcionó una pista de que los alemanes podrían estar utilizando una máquina de tipo Enigma en el futuro. Cuando el Ejército alemán comenzó a usar Enigmas modificadas años después, los polacos intentaron "romper el sistema" buscando el cableado de los rotores usados en la versión del Ejército y encontrando una manera de recuperar las configuraciones usadas para cada mensaje en particular.

Un joven matemático polaco, Marian Rejewski, hizo uno de los mayores descubrimientos significativos en la historia del criptoanálisis usando técnicas fundamentales de matemáticas y estadística al encontrar una manera de combinarlas. Rejewski notó un patrón que probó ser vital; puesto que el código del mensaje se repitió dos veces al principio del mensaje, podría suponerse el cableado de un rotor no por las letras, sino por la manera que estas cambiaban.

Por ejemplo, digamos que un operador escogió QRS como configuración para el mensaje. Él pondría la máquina con la configuración inicial del día, y entonces escribió QRSQRS. Esto se convertiría en algo como JXDRFT; parece un balbuceo, pero la pista que Rejewski aprovechó fue que el disco se había movido tres posiciones entre los dos juegos de QRS; nosotros sabemos que J y R son originalmente la misma letra y lo mismo para XF y DT. No sabemos qué letras son, ni tampoco tenemos que saberlo, porque mientras hay un número grande de configuraciones del rotor, hay sólo un número pequeño de rotores que tendrán una letra que va de J a R, X a F y D a T. Rejewski llamó a estos modelos cadenas.

Encontrar las cadenas apropiadas de las 10.545 combinaciones era toda una tarea. Los polacos (particularmente los colegas de Rejewski, Jerzy Rozycki y Henryk Zygalski), desarrollaron un número de métodos de ayuda. Una técnica utilizaba unas tiras en blanco para cada rotor mostrando cuáles letras podrían encadenarse, bloqueando las letras que no podrían encadenarse. Los usuarios tomarían las tiras sobreponiéndolas, buscando las selecciones donde estaban completamente claras las tres letras. Los británicos también habían desarrollado tal técnica cuando tuvieron éxito en romper la Enigma comercial, aunque intentaron (y no lograron) romper las versiones militares del Enigma.

Por supuesto, unos cuantos miles de posibilidades eran aún muchas por probar. Para ayudar con esto, los polacos construyeron máquinas que consistían en "enigmas en paralelo" que llamaron bomba kryptologiczna (bomba criptológica). Es posible que el nombre fuera escogido de un tipo de un postre helado local, o del tictac que hacían las máquinas cuando generaban las combinaciones; los franceses cambiaron el nombre a bombe y los angloparlantes a bomb. Nada apunta a algo explosivo). Entonces se cargarían juegos de discos posibles en la máquina y podría probarse un mensaje en las configuraciones, uno tras otro. Ahora las posibilidades eran sólo centenares. Esos centenares son un número razonable para atacar a mano.

Los polacos pudieron determinar el cableado de los rotores en uso por aquel entonces por el ejército alemán y, descifrando buena parte del tráfico del Ejército alemán en los años 1930 hasta el principio de la segunda guerra mundial. Recibieron alguna ayuda secreta de los franceses, quienes tenían un agente (Hans Thilo-Schmidt, con nombre código Asch) en Berlín con acceso a las claves programadas para la Enigma, manuales, etc. Los hallazgos del criptoanalista Rejewski no dependieron de esa información; no fue siquiera informado sobre el agente francés ni tuvo acceso a ese material.

Algunas fuentes sostienen (sin mucho apoyo de otros participantes informados) que en 1938 un mecánico polaco empleado en una fábrica alemana que producía las máquinas Enigma tomó notas de los componentes antes de ser repatriado y, con la ayuda de los servicios secretos británicos y franceses, construyeron un modelo en madera de la máquina. Hay también una historia sobre una emboscada hecha por la resistencia polaca a un vehículo del ejército alemán que llevaba una máquina Enigma... En ningún caso las configuraciones iniciales, mucho menos los ajustes individuales de los mensajes elegidos por los operadores, se hicieron disponibles, de modo que el conocimiento, no obstante ganado valientemente, fue de poco valor. Estas historias son, así, menos que intrínsecamente relevantes.

Sin embargo, en 1939 el ejército alemán aumentó la complejidad de sus equipos Enigma. Mientras que en el pasado utilizaban solamente tres rotores y los movían simplemente de ranura en ranura, ahora introdujeron dos rotores adicionales, usando así tres de cinco rotores a cualquier hora. Los operadores también dejaron de enviar dos veces las tres letras correspondientes a la configuración individual al principio de cada mensaje, lo que eliminó el método original de ataque. Probablemente...

Los polacos, conscientes de que la invasión alemana se acercaba e incapaces de extender sus técnicas con los recursos disponibles, decidieron a mediados de 1939 compartir su trabajo, y pasaron a los franceses y británicos algunas de sus réplicas Enigma, así como información sobre el descubrimiento de Rejewski y otras técnicas que ellos habían desarrollado. Todo eso se envió a Francia en valija diplomática; la parte británica fue a Bletchley Park. Hasta entonces, el tráfico militar alemán del Enigma había dado por vencido tanto a británicos y franceses, y ellos consideraron la posibilidad de asumir que las comunicaciones alemanas permanecerían en la oscuridad durante toda la guerra.

Casi todo el personal de la sección de la criptografía polaca dejó Polonia durante la invasión y la mayoría de ellos terminaron en Francia, trabajando con criptógrafos franceses en transmisiones alemanas. Algunos criptógrafos polacos fueron capturados por los alemanes antes de que salieran de Polonia o en tránsito, pero nada fue revelado sobre el trabajo del Enigma. La labor continuó en Francia en la "Estación PC Bruno" hasta la caída de este país (y también un poco después). Algunos de los integrantes del equipo franco-polaco escaparon entonces a Inglaterra; ninguno participó en el esfuerzo británico en criptoanálisis contra las redes de Enigma. Cuando el propio Rejewski supo (poco antes de su muerte) del trabajo llevado a cabo en Bletchley Park, que él había empezado en Polonia en 1932, y de su importancia en el curso de la guerra y la victoria aliada, quedó sorprendido.

Tras la guerra; revelación pública

El hecho de que el cifrado de Enigma había sido roto durante la guerra permaneció en secreto hasta finales de los años '60. Las importantes contribuciones al esfuerzo de la guerra de muchas grandes personas no fueron hechas públicas, y no pudieron compartir su parte de la gloria, pese a que su participación fue probablemente una de las razones principales por las que los Aliados ganaran la guerra tan rápidamente como lo hicieron. Finalmente, la historia salió a la luz.

Tras el fin de la guerra, los británicos y estadounidenses vendieron las máquinas Enigma sobrantes a muchos países alrededor del mundo, que se mantuvieron en la creencia de la seguridad de ésta. Su información no era tan segura como ellos pensaban, que por supuesto, fue la razón para que británicos y norteamericanos pusieran a su disposición las máquinas.

En 1967, David Kahn publicó su libro The Codebreakers, que describe la captura de la máquina Enigma Naval del U-505 en 1945. Comentó que en aquel momento ya se podían leer los mensajes, necesitando para ello máquinas que llenaban varios edificios. Hacia 1970 los nuevos cifrados basados en ordenadores se comenzaron a hacer populares a la vez que el mundo migraba a comunicaciones computarizadas, y la utilidad de Enigma (y de las máquinas de cifrado rotatorio en general) rápidamente decrecía. En ese momento se decidió descubrir el pastel y comenzaron a aparecer informes oficiales sobre las operaciones de Bletchley Park en 1974.

En febrero de 2006, y gracias a un programa de traducción de este tipo de mensajes denominado "Proyecto-M4", se logró descifrar uno de los últimos mensajes que quedaban por descifrar aún tras la rendición alemana. El mensaje decía así: nczwvusxpnyminhzxmqxsfwxwlkjahshnmcoccakuqpmkcsm hkseinjusblkiosxckubhmllxcsjusrrdvkohulxwccbgvliyxeoahx rhkkfvdrewezlxobafgyujqukgrtvukameurbveksuhhvoyhabcj wmaklfklmyfvnrizrvvrtkofdanjmolbgffleoprgtflvrhowopbekv wmuqfmpwparmfhagkxiibg

Con la ayuda de ordenadores particulares, se ha podido descifrar el contenido, enviado por un sumergible desde el Atlántico, y cuya traducción decía así: "Señal de radio 1132/19. Contenido: Forzados a sumergirnos durante ataque, cargas de profundidad. Última localización enemiga: 8:30h, cuadrícula AJ 9863, 220 grados, 8 millas náuticas. [Estoy] siguiendo [al enemigo]. [El barómetro] cae 14 milibares. NNO 4, visibilidad 10."

Fuente

Enigma - una famosa historia de criptología por Martin Oberzalek

Enlaces Externos

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Vease también

Ciencia de la Información