Crypto-IT

Elektryczne szyfrujące maszyny rotorowe były urządzeniami mechanicznymi umożliwiającymi stosowanie algorytmów szyfrujących, które były bardziej złożone od szyfrów, które stosowano ręcznie. Zostały wynalezione w połowie drugiej dekady XX wieku i szybko stały się jednym z najważniejszych sposobów utajniania przesyłanych wiadomości. Odgrywały ważną rolę w kryptografii na całym świecie przez kolejne kilkadziesiąt lat.

Pomysł użycia maszyn rotorowych w kryptografii pojawił się niezależnie w umysłach kilku wynalazców. Obecnie uważa się, że pierwszymi osobami, które zbudowały rotorową maszynę szyfrującą w 1915 roku, byli dwaj oficerowie marynarki wojennej Holandii, Theo A. van Hengel (1875 – 1939) i R. P. C. Spengler (1875 – 1955). Czterema innymi wynalazcami, którzy opracowali (mniej lub bardziej niezależnie) swoje własne szyfrujące maszyny rotorowe byli: Edward Hebern, Arvid Damm, Hugo Koch i Arthur Scherbius.

Maszyny elektro-mechaniczne wyposażone w ruchome dyski, nazywane rotorami, były w stanie generować długie i losowe ciągi znaków kluczy szyfrujących. Umożliwiało to szyfrowanie wiadomości przy użyciu wieloalfabetowych szyfrów podstawieniowych.

Kryptograficzne maszyny rotorowe wielkością i wyglądem przypominają zwykłe maszyny do pisania. Tekst wprowadzany jest przez operatora za pomocą klawiatury, składającej się zwykle z 26 do 32 znaków.

Idea, która leży u podstaw działania kryptograficznych maszyn rotorowych jest względnie prosta.

Każde wciśnięcie klawisza produkuje jeden znak na wyjściu maszyny, który zależy od jej wewnętrznego mechanizmu. W najprostszym przypadku, jeśli użyte są jedynie kable (bez żadnych ruchomych rotorów), każdy klawisz będzie odpowiadał jednemu określonemu znakowi na wyjściu maszyny.

Na przykład, jeśli klawisz K zostanie wciśnięty, to na wyjściu zawsze pojawi się litera C.

Tak zbudowana maszyna będzie w stanie szyfrować wiadomości przy użyciu prostego szyfru podstawieniowego.

Mając działającą prostą maszynę podstawieniową, można wyobrazić sobie dodanie ruchomego rotoru, z określonym wewnętrznym okablowaniem. Wirnik będzie obracał się o pewien kąt po każdym wciśnięciu klawisza. Wobec tego, po wpisaniu tej samej litery dwukrotnie, będzie ona za każdym razem zaszyfrowana za pomocą innego znaku (ponieważ zmieni się pozycja wewnętrznego okablowania).

Na przykład, po wciśnięciu liter KK na klawiaturze, maszyna może zwrócić litery CB, ponieważ położenie kabli na wirniku względem wejścia i wyjścia maszyny zmieniło się po wpisaniu pierwszej litery.

Wewnętrzne okablowanie wirnika powinno być trzymane w sekrecie, jednak należy być przygotowanym na to, że ewentualny napastnik może z czasem odkryć jego wewnętrzną budowę. Ułatwiłoby to kryptoanalizę szyfru, ale nie doprowadziłoby do całkowitego złamania jego zabezpieczeń.

W celu odszyfrowywania wiadomości odbiorca powinien używać maszyny wyposażonej w taki sam wirnik.

Zamontowanie rotora sprawi, że dostarczane szyfrowanie stało się silniejszym wieloalfabetowym szyfrem podstawieniowym.

Aby zwiększyć bezpieczeństwo szyfru należy wyposażyć maszynę w dodatkowe rotory. Sygnał wyjściowy produkowany przez jeden wirnik byłby kierowany na wejście kolejnego rotora. Wirniki byłyby połączone po kolei, jeden za drugim. Siła takiego szyfru zależy od paru czynników:

• liczby wirników zamontowanych w maszynie.
• wielkości każdego wirnika.
• liczby dostępnych rodzajów wirników (z różnymi wewnętrznymi okablowaniami).

W celu utrudnienia kryptoanalizy, wszystkie rotory powinny mieć różne wewnętrzne okablowania, z podstawieniami nieznanymi dla niewtajemniczonych osób. Dyski powinny obracać się różną częstotliwością, dynamicznie zmieniając w ten sposób pojedyncze podstawienia realizowane przez poszczególne wirniki.

Oprócz wirników, parę innych rozszerzeń może zostać opcjonalnie zamontowanych w maszynie, w celu dodatkowego losowego wymieszania liter. Można, na przykład, dodać stałe podstawienie, realizowane za pomocą kabli, które nie jest w ogóle związane z obracającymi się rotorami.

Niektóre maszyny rotorowe (ze słynną Enigmą na czele) były maszynami symetrycznymi. To znaczy, że szyfrując tę samą wiadomość dwukrotnie (przy użyciu tych samych ustawień początkowych), otrzymywałoby się z powrotem tę samą oryginalną wiadomość.