La máquina Enigma

Historia de la Criptografía

A lo largo de la historia militar, siempre ha sido de gran importancia el conseguir una buena red de comunicaciones entre las fuerzas armadas, sobre todo cuando se comenzó a realizar ataques organizados. Pero siempre ha existido un gran riesgo; si el enemigo llega a interceptar nuestra comunicación, tendrá una información de primera mano sobre nuestras intenciones, que puede darle una ventaja enorme. La solución está en transformar el mensaje en un uno indescifrable para todo el mundo excepto para el destinatario.

A lo largo de la historia, podemos distinguir tres formas de codificación de la información:

- Métodos manuales

- Métodos mecánicos

- Métodos electrónicos

Los métodos manuales fueron los primeros utilizados, y se basan en la necesidad de una persona que se encargue de codificar/decodificar el mensaje. Como ejemplo, uno de los primero métodos de cifrado usados, el sistema denominado "Cifrado del César" (Usado por los romanos), en el cual la codificación consistía en sustituir cada letra por una situada N posiciones a la derecha en el alfabeto de la letra a codificar. Por ejemplo, el mensaje

VENI, VIDI, VINCI

Con N=2 tendríamos que V=>X, E=>G, etc... con lo que el mensaje quedaría:

XGOK XKFK XKPEK

Aparentemente un galimatías. Este es un sistema muy simple, pero que supone un primer paso hacia codificaciones más complejas. Este tipo de codificación, consistente en la sustitución de una letra por otra, se denomina código de sustitución. Pierde utilidad a medida que crece la longitud del mensaje, dado que se puede descifrar por análisis estadístico de la presencia de cada símbolo, a partir del conocimiento de la presencia de una letra concreta en un idioma (Es preferible conocer el idioma en que está escrito el texto, pero no imprescindible)

Estos códigos fueron evolucionando en complejidad a lo largo de la historia, sin embargo el número de operaciones necesarias para la codificación/decodificación hacían imposible pasar de un cierto nivel de dificultad.

Uno de los últimos códigos de este tipo que se emplearon fue el uso de indios navajos para las comunicaciones mlilitares en la 2GM. Una técnica simple que proporcionaba un código muy complejo.

La aparición de las calculadoras mecánicas en el siglo XIX proporcionó una nueva forma para implementar los códigos mucho más rapida y potente. Estas máquinas realizaban operaciones matemáticas por métodos mecánicos de forma automática, eliminando la necesidad de una persona que conozca el código.

La máquina Enigma fue el máximo exponente de este tipo de dispositivos, pues después de la guerra aparecieron los primeros sistemas digitales electrónicos a base de válvulas de vacío en un principio y de transistores después, los que asumieron las tareas de criptografía hasta hoy en día.

La máquina Enigma

La Enigma fue patentada en 1918 por el alemán Arthur Scherbius con vistas a su uso en el intercambio de mensajes comerciales. Sin embargo, no tuvo el éxito esperado, a pesar de ser muy avanzada para su época, por lo que el invento pasó a ser ofrecido a los militares.

En un principio, también el ejército alemán rechazó el invento, pero tras sucesivas modificaciones el artefacto fue aceptado en 1923. Gracias a ésta decisión, las fuerzas armadas alemanas dejaron atrás el engorroso sistema de libros de claves para centralizar todo el cifrado/descifrado de sus comunicaciones en un aparato del tamaño y apariencia de una máquina de escribir.

Funcionamiento

En un principio, la Enigma usaba un sistema diferente para realizar la codificación y la decodificación, pero posteriormente se empleó una clave inversible, esto es, una clave que servía tanto para cifrar como para descifrar. Ello simplificaba la comunicación sin pérdida de complejidad.

El aparato funcionaba con electricidad, pero no por ello era una máquina electrónica. La electricidad se utilizaba para mover los dispositivos electromecánicos que realizaban las operaciones, no para operar. Básicamente era una caja con un teclado similar al de una máquina de escribir por el que se tecleaba el mensaje a codificar, y con una serie de círculos marcados con cada letra del alfabeto, que se iban iluminando secuencialmente para devolver el mensaje codificado a transmitir.

La enigma se basaba en una serie de cilindros de permutación. Estos cilindros, cuyo número era variable, se encargaban de la permutación de una letra por otra. A medida que aumentaba el número de cilindros, aumentaba la complejidad de la codificación.

En este diagrama se ve el esquema básico de un cilindro (Simplificado a 6 letras; en realidad tenían 26). A cada letra de entrada se le asigna una de salida. Este cambio se hacía una vez cada vez que la letra pasaba por un cilindro. La máquina original constaba de tres cilindros, por tanto había tres cambios. Los militares le fueron añadiendo más, hasta ocho, pero en una comunicación sólo se utilizaban tres (Cuatro desde 1942).

El uso de la máquina era simple: El operador iba tecleando el mensaje en el teclado y la letra codificada correspondiente iba apareciendo en una serie de dispositivos (uno por letra) que se iluminaban indicando el carácter a transmitir. Otro operador se encargaba de ir componiendo el mensaje.

Internamente, cada letra se iba permutando de acuerdo a la distribución de los cilindros. Cabe destacar que en cada pulsación se alteraba el enfrentamiento de los cilindros por medio del giro de los mismos, con lo cual la codificación se hacía mucho más compleja (si no el cifrado se hubiese reducido al sistema del "Cifrado del César" y hubiese sido muy simple). Esto es lo que hacía del sistema usado por la Enigma un sistema muy complejo.

El sistema de giros era similar al de un cuentakilómetros de coche: Cuando el primer cilindro había girado las 26 posiciones (una por pulsación), el segundo avanzaba una; cuando el segundo había completado 26 vueltas (tras 26 x 26 = 676 pulsaciones) el tercero avanzaba una. Al terminar de girar el tercer cilindro (si se llegaba a esta situación por la longitud del mensaje), se avanzaban los tres una letra, con lo que se evitaba una periodicidad en los códigos (la periodicidad se alcanzaría a muy largo plazo, siendo preciso para ello un mensaje enorme)

En la figura anterior se ve el efecto del giro de un cilindro tras la pulsación de una tecla (con un esquema de 2 cilindros y 6 letras) El giro de una posición en el cilindro provoca un cambio total del código usado

Modificaciones

Para simplificar el uso de la máquina, se introdujo el simetrizador. Este hacía que una vez el mensaje hubiese pasado por el tercer cilindro, volvía a pasar por los tres cilindros en orden inverso. Con ello se conseguía un sistema simétrico, en el que el camino de codificación realizaba también la decodificación (De otra manera, hubieran sido necesarios un código para cifrar y otro para descifrar. Así, sólo era preciso introducir el sistema a decodificar en la máquina en orden inverso, y aparecía descifrado en los indicadores luminosos).

Los militares introdujeron tambien un Steckerboard (Tablero de enchufes, en alemán). Constaba de 26 clavijas que se conectaban 2 a 2 con 13 cables, proporcionado una codificación adicional. Éste sistema se colocaba entre el teclado y los cilindros.

Con un sistema de tal complejidad, los alemanes pensaron que habían conseguido un sistema indescifrable. Pero se equivocaban....

Uso práctico

Para el uso de la máquina, era precisa la "Clave", y obviamente tener otra Enigma con el mismo sistema de cilindros. La clave consistía en la posición inicial de los cilindros, y en el caso del uso del "Steckerboard", la posición de las clavijas.

A continuación presentamos el fragmento final de un documento real transmitido en 1938. Primero, el mensaje tal y como se transmite cifrado.

BMHTT YFBHK YYXJK IXKDF RTSHB HLUEJ MFLAC ZRJDL CJZVK HFBYL GFSEW NRSGS KHLFW JKLLZ TFMWD QDQQV JUTJS VPRDE MUVPM PBPXX USOPG IVHFC ISGPY IYKST VQUIO CAVCW AKEQQ EFRVM XSLQC FPFTF SPIIU ENLW O =

El mensaje, tras pasar por la Enigma.

ABS X AENDERUNG DER ANWEISUNG Z OKH X GEN X ST X D X H X ERSTE ABT X NR X DREI dREI ZWO EINS X DREI AQT G X KDOS X VOM JULI EINS NEUN DREI AQT BLEIBT VORBEHALTEN X DER OBERBEFEHLSHABER DES HEERES

El mensaje, en alemán correcto:

Aenderugen den Anweisung OKH/Gen/St/D/H

Erste Abteilung Nr. 3321/38 G/Kdos vom Juli 1938 bleibt vorbehalten.

Der Oberbefehlshaber des heeres

Y por fin, el mensaje en español:

Hacer cambios a la orden OKH/Gen/St/D/H

Primera división Nr. 3321/38 Documentos secretos de Julio de 1938

El Comandante en Jefe del Ejército.

El fin de Enigma

A lo largo de la guerra, la ruptura de las claves alemanas fue un objetivo fundamental de los aliados. Ya antes de la guerra, los polacos se las ingeniaron para obtener las claves e incluso una versión comercial de la Enigma. Sin embargo, los cambios introducidos por los alemanes invalidaban los logros obtenidos.

Tras el comienzo de la guerra, los investigadores polacos huyeron a Francia, y tras la caída de ésta a Inglaterra, aunque muchos fueron capturados por los alemanes mientras huían.

En Inglaterra, las investigaciones fueron infructuosas hasta que los polacos huídos revelaron el cableado interno de los cilindros de la Enigma. Los primeros éxitos llegaron en 1940, cuando ya se podían leer la mayor parte de los códigos de la Luftwaffe. La operación recibió el nombre clave ULTRA.

Un hecho curioso es que, para evitar que los alemanes se diesen cuenta de que sus códigos estaban sindo reventados, los ingleses transmitían todo lo relativo a ULTRA a través de una máquina similar a Enigma, pero mejorada, dado que los aliados conocían los fallos de la Enigma alemana.

Aunque se conocían los códigos de la Luftwaffe, los de la Kriegsmarine seguían siendo un misterio. Esto se solucionó en parte con la captura en Febrero de 1940 del U-33, ya que un marino alemán olvido deshacerse de sus cilindros, como se le había ordenado, y gracias a ello los ingleses conocieron el conexionado de dos de los cilindros de la Kriegsmarine (Recordemos que había ocho distintos y que se empleaban sólo tres en una máquina)

Aun sin descifrar los mensajes de la marina, los de la aviación fueron suficientes para que los ingleses estuviesen al tanto de los preparativos para la operación Seelowe y fueran capaces de vencer los intentos de la Luftwaffe de preparar dicha operación.

Una prueba de la importancia del conocimiento de los códigos fue que, aunque en un mensaje alemán se revelaba la intención de bombardear Coventry, los ingleses no se atrevieron a evacuarla, pues esto hubiese revelado que conocían la operación, y por tanto las claves. En ese caso, los alemanes hubiesen cambiado los códigos.

La captura en 1941 del U-110 proporcionó casi todos los cilindros e información precisa para descifrar las claves de la marina, con lo que partir de entonces frustraron muchas de las operaciones navales alemanas.

La máquina japonesa: "Purple"

Los japoneses obtuvieron una Enigma de los alemanes y, fieles a sus costumbres, la adaptaron y modificaron para sus propios fines. Esta era similar al modelo alemán, pero con 4 cilindros. Los Estados Unidos se encontraron con un problema similar al británico, al tener que romper las claves japonesas para así averiguar sus intenciones.

La costumbre japonesa de repetir la frase "Tengo el honor de informar a su excelencia..." al comienzo de cada comunicación, así como la transmisión de mensajes en un sistema ya conocido y en "Purple" facilitó en gran manera la construcción de una réplica operativa para 1940.

Gracias a ello, los americanos descifraron en Diciembre de 1941 un mensaje transmitido a la embajada japonesa en E.E.U.U: La declaración de guerra. Sin embargo, el que fuese un documento tan importante hizo necesario que lo transcribiesen oficiales de la embajada y que no eran expertos en ello. Esto provocó que la declaración de Guerra se produjese tras el ataque a Pearl Harbour y no antes.

El conocimiento de las claves japonesas durante toda la guerra fue una importante ventaja para E.E.U.U. Como ejemplo, la victoria de Midway fue en parte posible gracias a que los americanos conocían de antemano la intención de atacar el archipiélago.

La herencia de Enigma

Gracias al conocimiento de las claves del eje, se consiguío vencerle de forma más rápida, lo que redujo el número de combates y contribuyó a evitar pérdidas humanas.

Además, todo el esfuerzo implicado en la ruptura de las claves militares del Eje provocó un abrumador avance en las técnicas de cálculo mecánico y electrónico. De hecho, el primer computador efectivo de la historia se construyó en E.E.U.U. para ruptura de las claves, y fue el precursor de los primeros ordenadores construídos en la posguerra. A buen seguro, de no ser por la existencia de Enigma, hoy en día la informática no sería tal y como la conocemos.

Esteban Soteras
"RitterVonHawat"
hawat@eresmas.com
Agosto 2004

Bibliografía:

"Digital communicatons", J. G. Proakis. McGraw Hill, 2001

"La máquina enigma", Angel Muga Ocaña

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