Enigma - krótka historia

Autorem tekstu jest dr Marek Grajek.

Jak doszło do powstania kryptografii maszynowej?

Konieczność użycia maszyn szyfrujących wynikała z dwóch zasadniczych czynników: stworzenia wielkich armii obywatelskich oraz wykorzystania w łączności mediów wrażliwych na podsłuch. Większość wojen w historii stoczyły małe, mniej lub bardziej zawodowe armie, operujące na ograniczonym terytorium. Pierwszą wielką armię obywatelską zmobilizowała w końcówce XVIII wieku rewolucja francuska, a Napoleon zwielokrotnił jej skalę. Wzrost wielkości armii sprawił, że wojna przestała ograniczać się do niewielkiego terytorium i mogła objąć całe kontynenty. Pierwszym przykładem nowoczesnej wojny, w której działania wojenne objęły terytoria liczone w tysiącach kilometrów, była wojna secesyjna w Stanach Zjednoczonych.Bezprecedensowa skala konfliktu stała się możliwa dzięki masowemu wykorzystaniu dwóch innowacji technicznych: kolei oraz telegrafu.

Wojna secesyjna.

Kolej oferowała możność szybkiego przerzucania setek tysięcy żołnierzy oraz ton zaopatrzenia na odległości liczone w tysiącach kilometrów.Telegraf pozwalał koordynować działania oddziałów w teatrach wojny odległych o setki i tysiące kilometrów od sztabów. Ocenia się, że tylko na Północy w czasie wojny nadano ponad 6 milionów telegramów wojskowych. Ale użycie telegrafu wystawiło łączność na nieznane do tej pory zagrożenia.Ciągły nadzór nad tysiącami kilometrów linii telegraficznych był niewykonalny; przeciwnik mógł podłączyć się do linii i podsłuchiwać przesyłane w niej depesze.

Klucz do telegrafu z 1845 roku.

Niebezpieczeństwo to zarysowało się jeszcze bardziej dobitnie w czasie I wojny światowej, kiedy telegraf został w znacznej mierze zastąpiony przez radio. Na dobrą sprawę podsłuchiwanie depesz radiowych stało się jeszcze łatwiejsze niż przechwytywanie depesz telegraficznych. Dlatego najpierw w trakcie amerykańskiej wojny secesyjnej, a następnie w czasie I wojny światowej, szyfry i kody służące do ukrycia treści przesyłanych depesz zostały użyte po raz pierwszy na masową skalę.

Szybko też okazało się, że stosowane do tej pory ręczne systemy szyfrowania i kodowania nie są wystarczająco efektywne. Trzeba było szkolić coraz większą liczbę szyfrantów. Presja wojny sprawiała, że czas przeznaczony na ich wyszkolenie było coraz krótszy, a w konsekwencji poziom wyszkolenia – niższy. Popełniali w czasie pracy liczne błędy, czyniąc depesze niezrozumiałymi i zmuszając do ich ponownej transmisji. Bywało jeszcze gorzej – oszczędzając czas szyfranci popełniali błędy ułatwiające przeciwnikowi złamanie szyfru. Dlatego w końcowej fazie I wojny światowej niezależnie w kilku miejscach w świecie pojawił się pomysł zastąpienia szyfranta-człowieka przez maszynę szyfrującą, działającą szybko i bezbłędnie. Wydaje się, że pierwsza maszyna szyfrująca była dziełem dwóch oficerów marynarki holenderskiej, zostali oni jednak w majestacie prawa okradzeni ze swego wynalazku przez zwierzchników. Niezależnie od nich maszynę szyfrującą opatentował Amerykanin, Edward Hebern.Wynalazek nie przyniósł mu sukcesu; najpierw zbankrutowała firma stworzona dla jego wykorzystania, a następnie jego prawa patentowe zostały naruszone przez amerykański rząd, produkujący maszyny bez licencji wynalazcy.

Maszyna szyfrująca Edwarda Heberna.

Wreszcie, w lutym 1918 roku, wniosek patentowy dotyczący maszyny szyfrującej złożył niemiecki inżynier, Arthur Scherbius. Jego wynalazek, maszyna szyfrująca Enigma, miała z czasem zyskać status najsłynniejszej maszyny szyfrującej w historii.

Dlaczego Enigma stała się tak ważna dla losów II wojny światowej?

Dwa nowe rodzaje broni – samolot i czołg – pojawiły się co prawda już w czasie I wojny światowej, jednak teoretycy wojskowości nie zdążyli w jej trakcie zaproponować sposobu użycia wykorzystującego w pełni ich możliwości. Po zakończeniu wojny kilku teoretyków zaproponowało nowe zasady prowadzenia wojny, oparte na możliwościach obu rodzajów broni. W Wielkiej Brytanii opracowano koncepcję użycia czołgów jako siły przełamującej linie obrony przeciwnika i dezorganizującej jego zaplecze. Włoch, Giulio Douhet, przewidywał kluczową rolę lotnictwa, szerzącego terror zmuszający przeciwnika do kapitulacji nawet bez użycia sił lądowych. W połowie lat 1930-tych niemiecki generał, Heinz Guderian, dokonał syntezy dotychczasowych koncepcji i zaproponował nowatorską doktrynę prowadzenia działań wojennych, która przeszła do historii pod nazwą Blitzkriegu, czyli wojny błyskawicznej.

Panzer IV Ausf. C.

W doktrynie tej czołgi miały przełamywać linie obrony przeciwnika nie zwracając uwagi na odizolowane punkty oporu, po czym ruszać na głębokie tyły obrony, dezorganizując dowodzenie i zaopatrzenie walczących wojsk, a także szerząc terror wśród ludności cywilnej. W trakcie rajdów miały ściśle współpracować z lotnictwem, które na ich rzecz wykonywało zadania zwiadowcze, działało jako latająca artyleria, bombardując kluczowe punkty oporu oraz w wypadku potrzeby zaopatrywało czołgi dostarczając na polowe lotniska paliwo i amunicję. Tak ścisła współpraca pomiędzy wojskami pancernymi i lotnictwem, dodatkowo realizowana na terenie przynajmniej nominalnie kontrolowanym przez przeciwnika, wymagała ścisłej koordynacji działań, możliwej jedynie z wykorzystaniem radia. Ale radio nie było bezpiecznym środkiem łączności; Guderian potrzebował sposobu szybkiego i bezbłędnego utajniania przekazywanych depesz. Rolę tę przejęła przewoźna i łatwa w użyciu maszyna szyfrująca Enigma. Bez szerokiego wykorzystania radia oraz Enigmy Blitzkrieg nie byłby możliwy – stały się one trzecim, obok czołgów i samolotów – członem nowej doktryny wojskowej.

Bf 109 D-1 na lotnisku Gross-Stein, sierpień 1939 r.

Dlaczego Niemcy uważali Enigmę za bezpieczne narzędzie utajniania informacji?

Pod koniec I wojny światowej kryptolodzy znali i skutecznie stosowali metody ataku praktycznie na wszystkie znane do tej pory metody szyfrowania i kodowania informacji. W wielu wypadkach sukces ataku wymagał dodatkowej pomocy z zewnątrz w postaci błędu szyfranta, ukradzionej lub zdobytej informacji na temat zawartości depeszy, użytego klucza lub po prostu szczęścia. Jeśli kryptolog nie dysponował żadnym z opisanych atutów, nadal zachowywał szansę sukcesu, jednak wymagał on dotarcia do krawędzi możliwości ludzkiego umysłu.

Rotory maszyny szyfrującej enigma.

Kilku słynnych kryptologów musiało, po odniesieniu swych największych sukcesów, poddać się leczeniu w szpitalu i długiemu okresowi rekonwalescencji, co dobrze obrazuje skalę wyzwania, jakie przed ludzkim umysłem stawia dobrze zaprojektowany i właściwie użyty szyfr.Pojawienie się szyfrów maszynowych bardzo daleko przesunęło granicę wysiłku niezbędnego dla odniesienia sukcesu. Jego najbardziej bezpośrednim skutkiem była dezaktualizacja zdecydowanej większości metod ataku na szyfr, które do tej pory dobrze służyły kryptologom.Trzeba było rozpocząć zmagania z szyfrem od podstaw, nie zakładając żadnej wiedzy na jego temat i stosując zupełnie nowe podejście. Nowe, ale jakie? Tego nikt nie wiedział…

Enigma

Z przeszłości wynikała jedna lekcja: podstawową trudnością w łamaniu szyfrów i kodów była olbrzymia liczba kombinacji, którą kryptolog musiał wziąć pod uwagę.Dlatego np. w czasie I wojny światowej w Wielkiej Brytanii rekrutowano do służby w komórkach kryptologicznych ludzi przyzwyczajonych do obcowania z wielkimi liczbami – księgowych wielkich koncernów, maklerów z londyńskiego City itp. Jednak liczba kombinacji generowanych przez Enigmę drastycznie przewyższała nawet liczby, do których byli przyzwyczajeni maklerzy z City. I właśnie na tym opierali swe zaufanie do maszyny ludzie, którzy decydowali o jej zastosowaniu w niemieckich siłach zbrojnych.Do oceny poziomu bezpieczeństwa szyfrów Enigmy zatrudnili najbardziej właściwych ludzi – matematyków. Ci skrupulatnie obliczyli, że liczba kombinacji poszczególnych elementów maszyny jest wielokroć większa od liczby atomów we wszechświecie. Dodatkowy margines bezpieczeństwa miała zapewnić tajemnica otaczająca wojskowy model Enigmy. Jej konstrukcja, klucze i zasady użytkowania stanowiły jeden z najpilniej strzeżonych sekretów Wehrmachtu. Specjaliści bezpieczeństwa niemieckiej armii nie wzięli jednak pod uwagę dwóch czynników. Pierwszym był pieniądz. Jeden z największych wodzów w dziejach świata, Aleksander Wielki, zwykł mawiać, że żadna twierdza nie jest niezdobyta, jeśli w jej murach jest furtka dość szeroka, by przepuścić osła obładowanego złotem. Komórka szyfrów niemieckiej armii najwyraźniej miała taką furtkę. Drugim czynnikiem była matematyka. Kiedy niemieccy matematycy pracowicie zliczali liczbę kombinacji wytwarzanych przez maszynę przeoczyli, że jest grupa ludzi, na których gigantyczne liczby wynikające z obliczeń nie robią specjalnego wrażenia – ich zawodowi koledzy, matematycy.

Niemiecka maszyna szyfrująca enigma.

Jak udało się złamać szyfr maszyny uważanej za niemożliwą do złamania?

Kryptolodzy większości krajów świata uznali Enigmę za maszynę niemożliwą do złamania. Brytyjczycy, którzy reprezentowali w tym czasie najwyższy poziom w łamaniu cudzych szyfrów i kodów, na całe 10 przedwojennych lat zrezygnowali nawet z prowadzenia nasłuchu niemieckiej łączności radiowej szyfrowanej Enigmą. Uznali, że nie ma sensu tracić czasu na prowadzenie nasłuchu depesz, których i tak nie uda się złamać. Francuzi, którzy kryptologom zawdzięczali wiele zwycięstw w okresie I wojny światowej, po jej zakończeniu zaniedbali rozwój służb kryptologicznych.

Nie mogąc liczyć na kryptologów, pokładali nadzieje w szpiegach licząc, że zdołają oni ukraść lub kupić sekret Enigmy. Ich nadzieje spełniły się częściowo, gdy z francuskim wywiadem skontaktował się urzędnik pracujący w niemieckim biurze szyfrów, gotów sprzedać niektóre z jego sekretów. W ciągu następnych 10 lat sprzedał Francuzom za poważne pieniądze wiele niemieckich tajemnic, wśród nich instrukcje obsługi Enigmy oraz klucze do szyfru obejmujące okres wielu miesięcy.

Niestety, Francuzi najwyraźniej nie dysponowali kryptologami, którzy potrafiliby wykorzystać materiały dostarczone przez szpiega. W efekcie najpierw zwrócili się z propozycją współpracy do Brytyjczyków; w zamian za pokrycie połowy kosztów mieliby oni otrzymać kopie wszystkich pozyskanych materiałów. Już po trzech dniach z Londynu nadeszła negatywna odpowiedź: Brytyjczycy uznali materiały za bezwartościowe.Z braku lepszych pomysłów w następnej kolejności Francuzi zwrócili się do Warszawy, udostępniając od tej pory kopie wszystkich materiałów w zamian za obietnicę podzielenia się przez Polaków ewentualnymi efektami wykorzystania dostarczonych informacji. Polacy zauważyli użycie Enigmy około 1928 roku.

Niemieccy żołnierze pracujący przy enigmach.

Szef niemieckiej sekcji polskiego Biura Szyfrów, Maksymilian Ciężki, szybko uświadomił sobie konieczność użycia zupełnie nowych metod ataku na szyfr. Jego pierwsza próba była dość kuriozalna.

Okazał próbki szyfru inżynierowi Ossowieckiemu, znanemu specjaliście od zjawisk paranormalnych. Ossowiecki słynął z umiejętności odczytywania listów zamkniętych w kilku kopertach, włożonych jedna w drugą, ale koperta szyfru Enigmy okazała się nieprzejrzysta nawet dla niego.

Maksymilan Ciężki

Ciężki uświadomił sobie, że czeka go długa i trudna walka, toteż naszkicował długoterminową strategię ataku na szyfr. Zorganizował kurs kryptologii dla grupy studentów matematyki za Uniwersytetu Poznańskiego, po czym najlepszym jego absolwentom pozwolił terminować przez trzy lata w profesji kryptologa w filii Biura Szyfrów, specjalnie w tym celu utworzonej w Poznaniu. Co ciekawe, mniej więcej w tym samym czasie na zatrudnianie matematyków zdecydowały się wywiady kilku innych krajów, wśród nich Stany Zjednoczone i Szwecja. Ciężki jednak był pierwszy, wytyczając w ten sposób przyszłość profesji kryptologa.

Trójka wyłonionych matematyków

We wrześniu 1932 roku trójka matematyków, która przetrwała okres próby, została przeniesiona do Warszawy.Miesiąc później Ciężki ujawnił najstarszemu z nich, Marianowi Rejewskiemu, że celem ich szkolenia była atak na szyfr Enigmy, maszyny, której nazwy di tej pory nie słyszeli.Gdyby Rejewski należał do poprzedniego pokolenia kryptologów, najpewniej rozpocząłby swój atak na szyfr od próby zastosowania tradycyjnych metod – i zapewne poniósłby porażkę.Jednak jesienią 1932 roku Rejewski ciągle jeszcze był przede wszystkim matematykiem, a dopiero potem – kryptologiem. Szybko przekształcił dostępne informacje o maszynie w układ równań, po czym zabrał się do jego rozwiązywania.

Po drodze napotkał kilka przeszkód. Pierwszą z nich był fakt, że rolę zmiennych w jego równaniach odgrywały permutacje. Nikt przez nim nie usiłował rozwiązać układu równań opartych na permutacjach, ale Rejewski szybko sformułował niezbędną teorię, a jedno z jego matematycznych twierdzeń w wiele lat potem zostało określone mianem „twierdzenia, które wygrało II wojnę światową”. Najważniejszym skutkiem teoretycznych rozważań była wynikająca z nich możliwość podziału olbrzymiego problemu na kilka problemów mniejszej skali, które można było atakować osobno.

Drugim problemem Rejewskiego była nieznajomość zmienianych codziennie połączeń w łącznicy Enigmy, które wnosiły największy wkład w liczbę generowanych przez maszynę kombinacji. Na szczęście Ciężki dysponował materiałami przekazanymi przez francuski wywiad, wśród nich tabelami kluczy na dwa miesiące.

Marian Rejewski

Ustawienia łącznicy były elementem klucza, a zatem Rejewski mógł potraktować je jako znany element swych równań. Trzecim i ostatnim problemem była nieznajomość połączeń w tzw. walcu wejściowym maszyny. Rejewski bezskutecznie usiłował stosować różne metody ataku, wreszcie po kilku tygodniach próżnych zmagań stanął na krawędzi decyzji o porzuceniu dotychczas analizowanego podejścia. Zanim jednak przerwał atak uświadomił sobie, że Niemcy, jako ludzie zorganizowani i systematyczni, mogli w walcu wejściowym użyć zamiast połączeń w pełni przypadkowych schematu opartego na jakiejś zasadzie. W pierwszej kolejności spróbował podejścia opartego na układzie klawiatury – bez skutku.

W kolejnym podejściu założył uporządkowanie alfabetyczne i ku jego zaskoczeniu równania ujawniły rozwiązanie! Rozwiązanie układu równań było równoznaczne z określeniem wewnętrznej konstrukcji maszyny, której nigdy w życiu nie widział. Pomiędzy świętami Bożego Narodzenia i Nowego Roku odczytał pierwszą depeszę Enigmy. Szyfr uważany za niemożliwy do złamania poddał się po niespełna 3 miesiącach ataku.

Jakie było znaczenie złamania Enigmy dla losów II wojny światowej?

Siła polskiej armii nie pozwoliła wykorzystać dekryptażu Enigmy w czasie kampanii we wrześniu 1939 roku. Ale jeszcze przed wybuchem wojny Polacy przekazali sekret łamania szyfru przyszłym sojusznikom, Francji i Wielkiej Brytanii. Francuzi nie zrobili zeń dobrego użytku, ale Brytyjczycy na bazie uzyskanych informacji niezwłocznie przystąpili do budowy wielkiej organizacji kryptologicznej, która u kresu wojny tylko w jednym pośrodku w Bletchley Park zatrudniała blisko 12 tysięcy ludzi.

Wiktoriański pałacyk w Bletchley, serce tajnego ośrodka kryptologicznego

Kryptolodzy z Bletchley Park z czasem zdobyli prawie całkowite panowanie nad niemieckimi szyframi, łamiąc depesze wszystkich rodzajów niemieckich wojsk i czytając je często szybciej niż właściwy adresat. Jest oczywiste, że dekryptaż Enigmy odegrał kapitalną rolę w trakcie II wojny światowej.

Coraz powszechniej też uznaje się, że przekazanie aliantom sekretu łamania jej szyfru stanowiło najważniejszy polski wkład w zwycięstwo aliantów w całym konflikcie. Jakie jednak było znaczenie tego sukcesu dla losów wojny?

Polscy żołnierze po kapitulacji Berlina maj 1945r.

Mówiąc najkrócej, historycy różnią się w jego ocenie. Nawet najostrożniejsi wśród nich zgadzają się, że złamanie Enigmy przyczyniło się do skrócenia wojny o co najmniej 2-3 lata. Zważywszy, że średnio w ciągu jednego roku wojny traciło życie około 10 milionów ludzi oznacza to, że Marian Rejewski i jego koledzy ocalili około 20-30 milionów istnień ludzkich. Gdyby wojna w Europie trwała jeszcze jesienią 1945 roku, pierwsze egzemplarze bomby jądrowej zostałyby zrzucone nie na miasta japońskie, lecz na Berlin i inne miasta naszego kontynentu. W tym sensie polscy kryptolodzy ocalili Europę od użycia broni jądrowej. Gdyby wojna trwała dłużej, armie rosyjskie zakończyłyby swój marsz na zachód nie w Berlinie i na Łabie, lecz pomaszerowałyby do Paryża i dalej – Żelazna Kurtyna zimnej wojny zapadałaby zapewne nad znaczną częścią Europy.
Ale to tylko ostrożne szacunki znaczenia sukcesu polskich kryptologów. Ludzie dobrze poinformowani zwracają uwagę, że w czasie II wojny światowej były okresy, w których alianci znajdowali się niebezpiecznie blisko częściowej lub całkowitej porażki.Klęski ponoszone w Bitwie o Atlantyk w połowie 1942 roku sprawiły, że w Wielkiej Brytanii do niebezpiecznie niskiego poziomu spadł poziom strategicznych zapasów: paliw, żywności, surowców do produkcji broni i amunicji.Gdyby nie dekryptaż depesz Enigmy, gdyby U-Bootom udało się zatopić kilkadziesiąt statków więcej, być może w połowie 1942 roku Wielka Brytania musiałaby poprosić o pokój, nie mogąc uzbroić swych żołnierzy i wyżywić obywateli.

Reichstag po kapitulacji Berlina 1945r.