Criptoanálisis del cifrado de Lorenz

El criptoanálisis del cifrado Lorenz fue el proceso que permitió a los británicos leer mensajes de alto nivel del ejército alemán durante la Segunda Guerra Mundial . La Escuela de Códigos y Cifrado del Gobierno Británico (GC&CS) en Bletchley Park descifró muchas comunicaciones entre el Oberkommando der Wehrmacht (OKW, Alto Mando Alemán) en Berlín y sus mandos militares en toda la Europa ocupada, algunas de las cuales estaban firmadas como "Adolf Hitler, Führer". ^{[ 3 ]} Se trataba de transmisiones de radio interceptadas que no utilizaban el código Morse y que habían sido cifradas con los adaptadores de cifrado de flujo de rotor Lorenz SZ para teletipos . El descifrado de este tráfico se convirtió en una importante fuente de inteligencia " Ultra ", que contribuyó significativamente a la victoria aliada. ^{[ 4 ]}

Para sus mensajes secretos de alto nivel, las fuerzas armadas alemanas cifraban cada carácter utilizando diversas máquinas de cifrado de flujo Geheimschreiber (escritor secreto) en línea en ambos extremos de un enlace telegráfico, empleando el Alfabeto Telegráfico Internacional n.º 2 (ITA2) de 5 bits . Posteriormente se descubrió que estas máquinas eran la Lorenz SZ (SZ por Schlüssel-Zusatz , que significa "accesorio de cifrado") para el ejército, ^{[ 5 ]} la Siemens y Halske T52 para la fuerza aérea y la Siemens T43, que fue poco utilizada y nunca descifrada por los Aliados. ^{[ 6 ]}

Los descifrados de Bletchley Park de mensajes cifrados con las máquinas Enigma revelaron que los alemanes llamaban a uno de sus sistemas de transmisión de teletipo inalámbrico "Sägefisch" (pez sierra), ^{[ 7 ]} lo que llevó a los criptógrafos británicos a referirse al tráfico radiotelegráfico alemán cifrado como " Fish ". ^{[ 5 ]} " Tunny " (atún) fue el nombre dado al primer enlace no Morse, y posteriormente se utilizó para las máquinas de cifrado y su tráfico. ^{[ 8 ]}

Al igual que con el criptoanálisis completamente independiente de Enigma , fueron las deficiencias operativas alemanas las que permitieron el diagnóstico inicial del sistema y una vía para su descifrado. ^{[ 9 ]} A diferencia de Enigma, ninguna máquina física llegó a manos aliadas hasta el final de la guerra en Europa, mucho después de que se hubiera establecido el descifrado generalizado. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Los problemas del descifrado de los mensajes de Tunny llevaron al desarrollo de " Colossus ", la primera computadora digital electrónica programable del mundo, diez de las cuales estaban en uso al final de la guerra, ^{[ 12 ] [ 13 ]} momento en el que se estaba descifrando aproximadamente el 90% de los mensajes de Tunny seleccionados en Bletchley Park. ^{[ 14 ]}

Albert W. Small, criptoanalista del Cuerpo de Señales del Ejército de los Estados Unidos, que fue adscrito a Bletchley Park y trabajó en Tunny, dijo en su informe de diciembre de 1944 a Arlington Hall que:

Las soluciones diarias de los mensajes Fish en GC&CS reflejan una sólida base de genialidad matemática británica, una excelente capacidad de ingeniería y un gran sentido común. Cada uno de estos factores ha sido esencial. Cualquiera de ellos podría haberse sobrevalorado o subvalorado en detrimento de las soluciones; lo destacable es que la combinación de los elementos se ha dado, aparentemente, en perfecta proporción. El resultado es una contribución excepcional a la ciencia criptoanalítica. ^{[ 15 ]}

Los módulos de cifrado Lorenz SZ implementaban un cifrado de flujo Vernam (que utilizaba la función XOR ) para encriptar los bits del texto plano combinándolos con los bits de la clave para producir el texto cifrado en el extremo transmisor. En el extremo receptor, una máquina con la misma configuración producía la misma secuencia de claves, que se combinaba con el texto cifrado para producir el texto plano; es decir, el sistema implementaba un algoritmo de clave simétrica .

La secuencia de claves fue generada por una matriz compleja de doce ruedas, diez de las cuales entregaron lo que debería haber sido una secuencia de números pseudoaleatorios criptográficamente seguros . Esta secuencia fue producto de la operación XOR de los bits del carácter de 5 bits generado por las cinco ruedas de la derecha (el chi (${\displaystyle \chi }$) ruedas) con las piezas de la mano izquierda cinco (la psi (${\displaystyle \psi }$) ruedas). Las ruedas chi siempre se movían en una posición por cada carácter de texto plano o cifrado entrante, pero el movimiento de las ruedas psi estaba determinado por las dos mu centrales (${\displaystyle \mu }$) o ruedas "motoras". ^{[ 17 ] [ 18 ]}

El${\displaystyle \mu }$_{La rueda 61} se movió después de cada personaje y sus levas determinaron el${\displaystyle \mu }$₃₇ movimiento de ruedas, cuyas levas a su vez controlaban el movimiento de las ruedas psi . ^{[ 19 ]} En todas las máquinas, excepto en las más antiguas, había un factor adicional que influía en el movimiento o no de las ruedas psi . Estos eran de cuatro tipos diferentes y se denominaban "Limitaciones" en Bletchley Park. Todos implicaban algún aspecto de las posiciones previas de las ruedas de la máquina. ^{[ 20 ]}

El número de levas en el conjunto de doce ruedas de las máquinas SZ42 ascendía a 501 y eran coprimos entre sí, lo que proporcionaba un período extremadamente largo antes de que se repitiera la secuencia de claves. Cada leva podía estar en posición elevada, en cuyo caso generaba x (como se escribió en Bletchley Park) y era equivalente a un dígito binario 1 para la lógica del sistema, o en posición baja cuando generaba • equivalente a un dígito binario 0. ^{[ 10 ]} El número total posible de patrones de levas elevadas era 2 ⁵⁰¹ , un número astronómicamente grande. ^{[ 21 ]} En la práctica, aproximadamente la mitad de las levas en cada rueda estaban en posición elevada, ya que los alemanes se dieron cuenta de que, de lo contrario, habría rachas de x y • , una debilidad criptográfica. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

El proceso de determinar los patrones de las levas de las ruedas se denominaba "rotura de ruedas" en Bletchley Park. ^{[ 24 ]} La obtención de las posiciones iniciales de las ruedas para una transmisión específica se denominaba "ajuste de ruedas" o simplemente "ajuste". El hecho de que las ruedas psi se movieran todas juntas, pero no con cada carácter de entrada, constituía una importante debilidad de las máquinas que contribuyó al éxito criptoanalítico británico.

La telegrafía electromecánica se desarrolló en las décadas de 1830 y 1840, mucho antes que la telefonía , y se utilizaba en todo el mundo durante la Segunda Guerra Mundial . Un extenso sistema de cables conectaba estaciones dentro y entre países, con un voltaje estándar de -80  V que indicaba una "marca" y +80  V que indicaba un "espacio". ^{[ 25 ]} Cuando la transmisión por cable resultaba impracticable o inconveniente, como en el caso de las unidades móviles del ejército alemán, se utilizaba la transmisión por radio.

Teleprinters at each end of the circuit consisted of a keyboard and a printing mechanism, and very often a five-hole perforated paper-tape reading and punching mechanism. When used online, pressing an alphabet key at the transmitting end caused the relevant character to print at the receiving end. Commonly, however, the communication system involved the transmitting operator preparing a set of messages offline by punching them onto paper tape, and then going online only for the transmission of the messages recorded on the tape. The system would typically send some ten characters per second, and so occupy the line or the radio channel for a shorter period of time than for online typing.

The characters of the message were represented by the codes of the International Telegraphy Alphabet No. 2 (ITA2). The transmission medium, either wire or radio, used asynchronous serial communication with each character signaled by a start (space) impulse, 5 data impulses and 1½ stop (mark) impulses. At Bletchley Park mark impulses were signified by x ("cross") and space impulses by • ("dot").^[26] For example, the letter "H" would be coded as ••x•x.

The figure shift (FIGS) and letter shift (LETRS) characters determined how the receiving end interpreted the string of characters up to the next shift character. Because of the danger of a shift character being corrupted, some operators would type a pair of shift characters when changing from letters to numbers or vice versa. So they would type 55M88 to represent a full stop.^[28] Such doubling of characters was very helpful for the statistical cryptanalysis used at Bletchley Park. After encipherment, shift characters had no special meaning.

La velocidad de transmisión de un mensaje radiotelegráfico era tres o cuatro veces mayor que la del código Morse, y un oyente humano no podía interpretarlo. Sin embargo, un teletipo estándar sí podía reproducir el texto del mensaje. El cifrado Lorenz transformaba el texto plano del mensaje en un texto cifrado ininteligible para quienes no dispusieran de una máquina idéntica configurada de la misma manera. Este fue el reto al que se enfrentaron los criptógrafos de Bletchley Park.

La interceptación de las transmisiones de Tunny presentaba problemas considerables. Dado que los transmisores eran direccionales, la mayoría de las señales eran bastante débiles para los receptores en Gran Bretaña. Además, se utilizaban unas 25 frecuencias diferentes para estas transmisiones, y a veces la frecuencia se cambiaba a mitad de la transmisión. Tras el descubrimiento inicial de las señales no Morse en 1940, se instaló una estación de interceptación de radio llamada Foreign Office Research and Development Establishment en una colina en Ivy Farm en Knockholt , Kent, específicamente para interceptar este tráfico. ^{[ 29 ] [ 30 ]} El centro estaba dirigido por Harold Kenworthy, tenía 30 receptores y empleaba a unos 600 trabajadores. Entró en pleno funcionamiento a principios de 1943.

Debido a que un solo carácter omitido o corrupto podía hacer imposible el descifrado, se requería la máxima precisión. ^{[ 31 ]} La tecnología de ondulador utilizada para registrar los impulsos se había desarrollado originalmente para el código Morse de alta velocidad. Producía un registro visible de los impulsos en una estrecha cinta de papel. Esta era leída por personas empleadas como "lectores de deslizamientos" que interpretaban los picos y valles como las marcas y espacios de los caracteres ITA2. ^{[ 32 ]} Posteriormente, se producía cinta de papel perforada para la transmisión telegráfica a Bletchley Park, donde se perforaba. ^{[ 33 ]}

El cifrado Vernam implementado por las máquinas Lorenz SZ cifra el flujo de bits del texto plano combinándolo con un flujo de bits aleatorio o pseudoaleatorio (el " flujo de claves ") para generar el texto cifrado. Esta combinación se realiza y verbaliza como "A o B, pero no ambos". Esto se representa mediante la siguiente tabla de verdad , donde x representa "verdadero" y • representa "falso".

Otros nombres para esta función son: disyunción exclusiva, no igual (NEQ) y suma módulo 2 (sin "acarreo") y resta (sin "préstamo"). La suma y la resta módulo 2 son idénticas. Algunas descripciones del descifrado de Tunny se refieren a la suma y otras a la diferencia, es decir, la resta, pero significan lo mismo. El operador XOR es asociativo y conmutativo .

La reciprocidad es una característica deseable de un cifrador automático, ya que permite que la misma máquina, con la misma configuración, se utilice tanto para cifrar como para descifrar. El cifrador Vernam logra esto, pues la combinación de la secuencia de caracteres del texto plano con la secuencia de claves produce el texto cifrado, y la combinación de la misma clave con el texto cifrado regenera el texto plano. ^{[ 34 ]}

Simbólicamente:

Texto plano ⊕ Clave = Texto cifrado

y

Texto cifrado ⊕ Clave = Texto plano

La idea original de Vernam era utilizar la telegrafía convencional, con una cinta de papel con el texto plano combinada con una cinta de papel con la clave en el extremo transmisor, y una cinta de clave idéntica combinada con la señal de texto cifrado en el extremo receptor. Cada par de cintas de clave habría sido único (una cinta de un solo uso ), pero generar y distribuir dichas cintas presentaba considerables dificultades prácticas. En la década de 1920, cuatro hombres en diferentes países inventaron máquinas de cifrado Vernam de rotor para producir una secuencia de claves que funcionara en lugar de una cinta de clave. La Lorenz SZ40/42 fue una de ellas. ^{[ 35 ]}

Un cifrado de sustitución monoalfabética, como el cifrado César , puede descifrarse fácilmente con una cantidad razonable de texto cifrado. Esto se logra mediante el análisis de frecuencia de las diferentes letras del texto cifrado y comparando el resultado con la distribución de frecuencia conocida de las letras del texto original. ^{[ 36 ]}

Con un cifrado polialfabético , existe un alfabeto de sustitución diferente para cada carácter sucesivo. Por lo tanto, un análisis de frecuencia muestra una distribución aproximadamente uniforme , como la obtenida con un generador de números (pseudo)aleatorios . Sin embargo, debido a que un conjunto de ruedas de Lorenz giraba con cada carácter mientras que el otro no, la máquina no lograba disimular el patrón en el uso de caracteres adyacentes en el texto plano alemán. Alan Turing descubrió esta debilidad e inventó la técnica de diferenciación que se describe a continuación para explotarla. ^{[ 37 ]}

El patrón de cuáles levas estaban en posición elevada y cuáles en posición baja se cambiaba diariamente en las ruedas del motor (${\displaystyle \mu }$37 y${\displaystyle \mu }$61). Los patrones de la rueda chi se cambiaban inicialmente de forma mensual. Los patrones de la rueda psi se cambiaban trimestralmente hasta octubre de 1942, cuando la frecuencia se incrementó a mensual, y luego a diaria el 1 de agosto de 1944, fecha en la que también se cambió la frecuencia de los patrones de la rueda chi a diaria. ^{[ 38 ]}

El número de posiciones iniciales de las ruedas era 43×47×51×53×59×37×61×41×31×29×26×23, lo que equivale aproximadamente a 1,6× ^10¹⁹ (16 mil billones), una cantidad demasiado grande para que los criptoanalistas intentaran un ataque exhaustivo de fuerza bruta . En ocasiones, los operadores de Lorenz desobedecían las instrucciones y se transmitían dos mensajes con las mismas posiciones iniciales, un fenómeno denominado "profundidad" . El método mediante el cual el operador transmisor le comunicaba al receptor la configuración de las ruedas que había elegido para el mensaje que iba a transmitir se denominaba "indicador" en Bletchley Park.

En agosto de 1942, los inicios formulados de los mensajes, que resultaban útiles para los criptoanalistas, fueron reemplazados por un texto irrelevante, lo que dificultó la identificación del mensaje original. Este nuevo material fue denominado quatsch (término alemán que significa "tonterías") en Bletchley Park. ^{[ 39 ]}

Durante la fase de las transmisiones experimentales, el indicador consistía en doce nombres alemanes, cuyas iniciales indicaban la posición a la que los operadores giraban las doce ruedas. Además de mostrar cuándo dos transmisiones estaban completamente sumergidas, también permitía identificar profundidades parciales cuando dos indicadores diferían solo en la posición de una o dos ruedas. A partir de octubre de 1942, el sistema de indicadores cambió: el operador emisor transmitía las letras sin cifrar QEP ^{[ 40 ]} seguidas de un número de dos dígitos. Este número se extraía secuencialmente de un libro de códigos que se había entregado a ambos operadores y que proporcionaba, para cada número QEP, la configuración de las doce ruedas. Los libros se reemplazaban cuando se agotaban, pero entre reemplazos, se podían identificar profundidades completas reutilizando un número QEP en un enlace Tunny específico. ^{[ 41 ]}

El primer paso para descifrar un nuevo cifrado es diagnosticar la lógica de los procesos de cifrado y descifrado. En el caso de un cifrado automático como el de Tunny, esto implicó establecer la estructura lógica y, por lo tanto, el funcionamiento de la máquina. Esto se logró sin la ventaja de ver una máquina, lo cual solo ocurrió en 1945, poco antes de la victoria aliada en Europa. ^{[ 45 ]} El sistema de cifrado era muy bueno para asegurar que el texto cifrado Z no contuviera características estadísticas, periódicas o lingüísticas que lo distinguieran de algo aleatorio. Sin embargo, esto no se aplicaba a K , χ , ψ ' y D , lo que constituía la debilidad que permitía resolver las claves de Tunny. ^{[ 46 ]}

Durante el período experimental de las transmisiones de Tunny, cuando se utilizaba el sistema indicador de doce letras, John Tiltman , el veterano y extraordinariamente talentoso criptoanalista de Bletchley Park, estudió los textos cifrados de Tunny e identificó que utilizaban un cifrado Vernam.

Cuando dos transmisiones ( a y b ) usan la misma clave, es decir, están en profundidad, combinarlas elimina el efecto de la clave. ^{[ 47 ]} Llamemos a los dos textos cifrados Za y Zb , a la clave K y a los dos textos planos Pa y Pb . Entonces tenemos:

Za ⊕ Zb = Pa ⊕ Pb

Si se pueden descifrar los dos textos planos, la clave se puede recuperar a partir de cualquiera de los pares texto cifrado-texto plano, por ejemplo:

Za ⊕ Pa = K o Zb ⊕ Pb = K

El 31 de agosto de 1941 se recibieron dos mensajes largos con el mismo indicador HQIBPEXEZMUG. Los primeros siete caracteres de ambos textos cifrados eran idénticos, pero el segundo mensaje era más corto. Los primeros 15 caracteres de ambos mensajes eran los siguientes (según la interpretación de Bletchley Park):

John Tiltman probó varios fragmentos de texto plano probables, es decir, una "trampa" , contra la cadena Za ⊕ Zb y descubrió que el primer mensaje de texto plano comenzaba con la palabra alemana SPRUCHNUMMER (número de mensaje). En el segundo texto plano, el operador había usado la abreviatura común NR para NUMMER . Había más abreviaturas en el segundo mensaje, y la puntuación a veces difería. Esto permitió a Tiltman descifrar, durante diez días, el texto plano de ambos mensajes, ya que una secuencia de caracteres de texto plano descubierta en Pa podía luego probarse contra Pb y viceversa . ^{[ 48 ]} A su vez, esto produjo casi 4000 caracteres de clave. ^{[ 49 ]}

Los miembros de la Sección de Investigación trabajaron en esta clave para intentar obtener una descripción matemática del proceso de generación de la misma, pero sin éxito. Bill Tutte se unió a la sección en octubre de 1941 y se le asignó la tarea. Había estudiado química y matemáticas en el Trinity College de Cambridge antes de ser contratado por Bletchley Park. En su curso de formación, le enseñaron la técnica de examen de Kasiski , que consiste en escribir una clave en papel cuadriculado con una nueva fila después de un número determinado de caracteres que se sospecha que corresponde a la frecuencia de repetición de la clave. Si este número era correcto, las columnas de la matriz mostrarían más repeticiones de secuencias de caracteres de las que cabría esperar por mera casualidad.

Tutte pensó que era posible que, en lugar de usar esta técnica en todas las letras de la clave, que probablemente tendrían una larga frecuencia de repetición, valdría la pena probarla en la secuencia formada al tomar solo un impulso (bit) de cada letra, basándose en que " la parte podría ser criptográficamente más simple que el todo ". ^{[ 50 ]} Dado que los indicadores de Tunny usaban 25 letras (excluyendo la J) para 11 de ellos, pero solo 23 letras para el duodécimo, probó la técnica de Kasiski en el primer bit de los caracteres de la clave usando una repetición de 25 × 23 = 575. Esto no produjo una gran cantidad de repeticiones en las columnas, pero Tutte sí observó el fenómeno en una diagonal. Por lo tanto, lo intentó de nuevo con 574, lo que mostró repeticiones en las columnas. Al reconocer que los factores primos de este número son 2, 7 y 41, lo intentó de nuevo con un período de 41 y " obtuvo un rectángulo de puntos y cruces repleto de repeticiones ". ^{[ 51 ]}

Sin embargo, era evidente que la secuencia de los primeros bits era más compleja que la producida por una sola rueda de 41 posiciones. Tutte denominó a este componente de la clave χ ₁ ( chi ). Descubrió que existía otro componente, que se combinaba mediante XOR con este, que no siempre cambiaba con cada nuevo carácter, y que este era el producto de una rueda que denominó ψ ₁ ( psi ). Lo mismo se aplicaba a cada uno de los cinco bits (indicados aquí por subíndices). Así, para un solo carácter, la clave K constaba de dos componentes:

K = χ ⊕ ψ .

La secuencia real de caracteres añadidos por las ruedas psi , incluyendo aquellos cuando no avanzan, se denominó psi extendida , ^{[ 43 ]} y se simbolizó por ψ ′

K = χ ⊕ ψ ′ .

La derivación del componente ψ por parte de Tutte fue posible gracias a que era más probable que los puntos fueran seguidos de puntos, y las cruces de cruces. Esto se debía a una debilidad en la configuración de teclas alemana, que posteriormente se corrigió. Una vez que Tutte logró este avance, el resto de la Sección de Investigación se unió para estudiar los demás bits, y se estableció que las cinco ruedas ψ se movían simultáneamente bajo el control de dos ruedas μ ( mu o "motor").

Diagnosticar el funcionamiento de la máquina Tunny de esta manera fue un logro criptoanalítico verdaderamente notable, y fue descrito cuando Tutte fue investido como Oficial de la Orden de Canadá en octubre de 2001, como " una de las mayores hazañas intelectuales de la Segunda Guerra Mundial ". ^{[ 52 ]}

En julio de 1942, Alan Turing pasó algunas semanas en la Sección de Investigación. ^{[ 53 ]} Se había interesado en el problema de resolver el problema de Tunny a partir de las claves obtenidas a partir de las profundidades. ^{[ 54 ]} En julio, desarrolló un método para derivar los ajustes de la leva ("rotura de la rueda") a partir de una longitud de clave. Este método se conoció como "Turingería" ^{[ 55 ]} (llamado jocosamente "Turingismo" por Peter Ericsson, Peter Hilton y Donald Michie ^{[ 54 ]} ) e introdujo el importante método de "diferenciación" en el que se basó gran parte del resto de la resolución de las claves de Tunny en ausencia de profundidades. ^{[ 55 ]}

El Testery era la sección en Bletchley Park que realizaba la mayor parte del trabajo relacionado con el descifrado de los mensajes Tunny. ^{[ 65 ]} Para julio de 1942, el volumen de tráfico estaba aumentando considerablemente. Por lo tanto, se creó una nueva sección, dirigida por Ralph Tester —de ahí el nombre—. El personal estaba compuesto principalmente por exmiembros de la Sección de Investigación, ^{[ 1 ]} e incluía a Peter Ericsson, Peter Hilton , Denis Oswald y Jerry Roberts . ^{[ 66 ]} Los métodos del Testery eran casi completamente manuales, tanto antes como después de la introducción de métodos automatizados en el Newmanry para complementar y acelerar su trabajo. ^{[ 14 ] [ 1 ]}

La primera fase del trabajo del Testery se extendió de julio a octubre, y el método de descifrado predominante se basó en profundidades y profundidades parciales. ^{[ 67 ]} Sin embargo, después de diez días, el inicio formulado de los mensajes fue reemplazado por un quatsch sin sentido , lo que dificultó el descifrado. Este período fue productivo, a pesar de que cada descifrado requirió un tiempo considerable. Finalmente, en septiembre, se recibió una profundidad que permitió utilizar el método de Turing para romper la rueda, la " Turingería ", lo que permitió comenzar a leer el tráfico actual. Se recopilaron datos extensos sobre las características estadísticas del lenguaje de los mensajes y se amplió la colección de cribs. ^{[ 55 ]}

A finales de octubre de 1942, se cerró el enlace experimental Tunny y se abrieron dos nuevos enlaces (Codfish y Octopus). Con estos y los enlaces posteriores, el sistema de indicadores de 12 letras para especificar la clave del mensaje fue reemplazado por el sistema QEP. Esto significó que solo se podían reconocer profundidades completas —a partir de números QEP idénticos—, lo que provocó una considerable reducción del tráfico descifrado.

Una vez que el Newmanry entró en funcionamiento en junio de 1943, la naturaleza del trabajo realizado en el Testery cambió, y los descifrados y la rotura de ruedas ya no dependían de la profundidad.

Atún británico

La llamada "Máquina Tunny Británica" era un dispositivo que replicaba exactamente las funciones de las máquinas SZ40/42. Se utilizaba para producir el texto plano alemán a partir de una cinta de texto cifrado, después de que se hubieran determinado los ajustes de la leva. ^{[ 68 ]} El diseño funcional se produjo en Bletchley Park, donde diez Tunny de Testery estaban en uso al final de la guerra. Fue diseñada y construida en el laboratorio de Tommy Flowers en la Estación de Investigación de la Oficina General de Correos en Dollis Hill por Gil Hayward , "Doc" Coombs , Bill Chandler y Sid Broadhurst. ^{[ 69 ]} Se construyó principalmente con equipo electromecánico estándar de central telefónica británica , como relés y uniselectores . La entrada y salida se realizaba mediante un teletipo con lectura y perforación de cinta de papel. ^{[ 70 ]} Estas máquinas se utilizaron tanto en Testery como más tarde en Newmanry . Dorothy Du Boisson, operadora de maquinaria y miembro del Servicio Naval Real Femenino (Wren), describió el proceso de configurar los ajustes como si se tratara de operar una antigua central telefónica, y que recibía descargas eléctricas durante el mismo. ^{[ 71 ]}

Cuando Flowers fue invitado por Hayward a probar la primera máquina británica Tunny en Dollis Hill escribiendo la frase de prueba estándar: "Ahora es el momento de que todos los hombres buenos acudan en ayuda del partido", apreció mucho que las funciones del rotor se hubieran configurado para proporcionar la siguiente salida wordsworthiana : ^{[ 72 ]}

Se añadieron características adicionales a los Tunnies británicos para simplificar su funcionamiento. Se realizaron mejoras adicionales en las versiones utilizadas en el Newmanry, y el tercer Tunny fue equipado para producir cintas de- chi . ^{[ 73 ] [ 74 ]}

La Newmanry fue una sección creada bajo la dirección de Max Newman en diciembre de 1942 para investigar la posibilidad de ayudar al trabajo de la Testery automatizando partes de los procesos de descifrado de mensajes Tunny. Newman había estado trabajando con Gerry Morgan, jefe de la Sección de Investigación, en métodos para descifrar Tunny cuando Bill Tutte se les acercó en noviembre de 1942 con la idea de lo que se conoció como el "ataque 1+2". ^{[ 75 ]} Esto se reconoció como factible, pero solo si se automatizaba.

Newman elaboró ​​una especificación funcional de lo que se convertiría en la máquina " Heath Robinson ". ^{[ 75 ]} Reclutó a la Estación de Investigación de Correos en Dollis Hill y al Dr. CE Wynn-Williams del Centro de Investigación de Telecomunicaciones (TRE) en Malvern para implementar su idea. El trabajo en el diseño de ingeniería comenzó en enero de 1943 y la primera máquina se entregó en junio. El personal en ese momento estaba compuesto por Newman, Donald Michie , Jack Good , dos ingenieros y 16 mujeres del Servicio Naval Femenino (Wrens). Al final de la guerra, el Newmanry contaba con tres máquinas Robinson, diez computadoras Colossus y varias computadoras Tunnie británicas. El personal estaba compuesto por 26 criptógrafos, 28 ingenieros y 275 mujeres del Servicio Naval Femenino (Wrens). ^{[ 76 ]}

La automatización de estos procesos requería el procesamiento de grandes cantidades de cintas de papel perforadas, como aquellas en las que se recibían los mensajes cifrados. La precisión absoluta de estas cintas y su transcripción era esencial, ya que un solo carácter erróneo podía invalidar o corromper una enorme cantidad de trabajo. Jack Good acuñó la máxima «Si no se comprueba, está mal». ^{[ 77 ]}

Coloso

Tommy Flowers tenía reservas sobre los dos bucles de cinta sincronizados de Heath Robinson, y su experiencia previa y única con válvulas termoiónicas (tubos de vacío) lo llevó a darse cuenta de que se podía producir una máquina mejor utilizando la electrónica. En lugar de leer la secuencia de claves desde una segunda cinta de papel perforada, una secuencia de claves generada electrónicamente permitiría un procesamiento mucho más rápido y flexible. La sugerencia de Flowers de que esto podría lograrse con una máquina totalmente electrónica que contendría entre mil y dos mil válvulas fue recibida con incredulidad tanto en el Centro de Investigación de Telecomunicaciones como en Bletchley Park, ya que se pensaba que sería "demasiado poco fiable para realizar un trabajo útil". Sin embargo, contó con el apoyo del Contralor de Investigación en Dollis Hill, W. Gordon Radley, ^{[ 89 ]} e implementó estas ideas produciendo Colossus , la primera máquina de computación electrónica, digital y programable del mundo, en el sorprendentemente corto tiempo de diez meses. ^{[ 90 ]} En esto le ayudaron sus colegas de la Estación de Investigación de la Oficina de Correos de Dollis Hill : Sidney Broadhurst, William Chandler, Allen Coombs y Harry Fensom .

El prototipo Mark 1 Colossus (Colossus I), con sus 1500 válvulas, entró en funcionamiento en Dollis Hill en diciembre de 1943 ^{[ 2 ]} y se volvió completamente operativo en Bletchley Park el 5 de febrero de 1944. ^{[ 91 ]} Este procesaba el mensaje a 5000 caracteres por segundo utilizando el impulso de la lectura de los agujeros de perforación de la cinta como señal de reloj . Rápidamente se hizo evidente que esto fue un gran salto adelante en el criptoanálisis de Tunny. Se encargaron más máquinas Colossus y se cancelaron los pedidos de más Robinsons. Un Colossus Mark 2 mejorado (Colossus II) contenía 2400 válvulas y funcionó por primera vez en Bletchley Park el 1 de junio de 1944, justo a tiempo para el desembarco de Normandía del Día D.

Las partes principales de esta máquina eran: ^{[ 92 ]}

• un mecanismo de transporte y lectura de cinta (el "armario") que reproducía la cinta de mensajes en bucle a 5000 caracteres por segundo;
• una unidad que generaba el flujo de claves electrónicamente;
• cinco unidades de procesamiento paralelo que podían programarse para realizar una amplia gama de operaciones booleanas (en el Colossus Mark II);
• cinco unidades de conteo que contaban cada una el número de • o x , y si excedía un total preestablecido, lo imprimían.

Las cinco unidades de procesamiento paralelo permitieron que la función "1+2 break in" de Tutte y otras funciones se ejecutaran a una velocidad efectiva de 25 000 caracteres por segundo mediante el uso de un circuito inventado por Flowers que ahora se denominaría registro de desplazamiento . Donald Michie desarrolló un método para usar Colossus para ayudar en la ruptura de la rueda, así como para su ajuste, a principios de 1944. ^{[ 93 ]} Esto se implementó posteriormente en hardware especial en Colossus posteriores.

Un total de diez computadoras Colossus estaban en uso y una undécima estaba en proceso de puesta en servicio al final de la guerra en Europa ( Día de la Victoria en Europa ). ^{[ 94 ]} De las diez, siete se usaban para "ajuste de ruedas" y tres para "desconexión de ruedas". ^{[ 95 ]}

Además de las teleimpresoras y reperforadoras de producción comercial, se construyeron otras máquinas para ayudar en la preparación y verificación de cintas en Newmanry y Testery. ^{[ 96 ] [ 97 ]} La dotación aproximada a mayo de 1945 era la siguiente.

Para calcular la posición inicial de las ruedas chi ( χ ) fue necesario primero determinar sus ajustes de leva mediante la "rotura de la rueda". Inicialmente, esto se logró mediante el envío de dos mensajes en profundidad .

El número de posiciones iniciales para las dos primeras ruedas, χ ₁ y χ _2, fue 41×31 = 1271. El primer paso fue probar todas estas posiciones iniciales contra la cinta de mensajes. Este fue el método de Tutte "1+2 break in" , que implicó calcular (∆Z ₁ ⊕ ∆Z ₂ ⊕ ∆ χ ₁ ⊕ ∆ χ ₂ ) —lo que da un supuesto ( ∆D ₁ ⊕ ∆D ₂ )— y contar el número de veces que esto dio • . Las posiciones iniciales incorrectas darían, en promedio, un recuento de puntos del 50% de la longitud del mensaje. En promedio, el recuento de puntos para un punto de inicio correcto sería del 54%, pero inevitablemente había una dispersión considerable de valores alrededor de estos promedios. ^{[ 83 ]}

Tanto Heath Robinson, que se desarrolló hasta convertirse en lo que se conoció como "Old Robinson", como Colossus fueron diseñados para automatizar este proceso. La teoría estadística permitió derivar medidas de cuán lejos estaba cualquier recuento del 50% esperado con un punto de partida incorrecto para las ruedas chi . Esta medida de desviación de la aleatoriedad se denominó sigma. Los puntos de partida que daban un recuento menor a 2,5 × sigma, denominado "total del conjunto", no se imprimían. ^{[ 105 ]} Lo ideal para una ejecución para establecer χ ₁ y χ ₂ era que un solo par de valores de prueba produjera un valor excepcional para sigma, identificando así las posiciones de inicio de las dos primeras ruedas chi . A continuación se muestra un ejemplo de la salida de dicha ejecución en un Colossus Mark 2 con sus cinco contadores: a, b, c, d y e.

Con un mensaje de tamaño promedio, esto tomaría aproximadamente ocho minutos. Sin embargo, al utilizar el paralelismo del Mark 2 Colossus, el número de veces que el mensaje tenía que leerse podría reducirse en un factor de cinco, de 1271 a 255. ^{[ 107 ]} Habiendo identificado posibles posiciones de inicio de χ ₁ , χ ₂ , el siguiente paso fue intentar encontrar las posiciones de inicio para las otras ruedas chi . En el ejemplo dado anteriormente, hay una configuración única de χ ₁ = 36 y χ ₂ = 21 cuyo valor sigma la hace destacar del resto. Este no fue siempre el caso, y Small enumera 36 ejecuciones adicionales diferentes que podrían intentarse según el resultado de la ejecución de χ ₁ , χ _2. ^{[ 108 ]} Al principio, las elecciones en este proceso iterativo las hacía el criptoanalista sentado en la salida de la máquina de escribir, y gritando instrucciones a los operadores de Wren. Max Newman diseñó un árbol de decisiones y luego encargó a Jack Good y Donald Michie que diseñaran otros. ^{[ 109 ]} Estos fueron utilizados por los Wrens sin recurrir a los criptoanalistas si se cumplían ciertos criterios. ^{[ 110 ]}

En uno de los ejemplos de Small mencionados anteriormente, la siguiente ejecución se realizó con las dos primeras ruedas chi colocadas en las posiciones iniciales encontradas y tres exploraciones paralelas separadas de las tres ruedas chi restantes . Dicha ejecución se denominó "ejecución corta" y duró aproximadamente dos minutos. ^{[ 107 ]}

Así pues, las posiciones iniciales probables para las ruedas chi son: χ ₁ = 36, χ ₂ = 21, χ ₃ = 01, χ ₄ = 19, χ ₅ = 04. Estas debían verificarse antes de que el mensaje de- chi ( D ) se transmitiera al Testery. Esto implicaba que Colossus realizara un recuento de la frecuencia de los 32 caracteres en ΔD . Small describe la comprobación del recuento de frecuencia de los caracteres ΔD como la "prueba de ácido" ^{[ 112 ]} y que prácticamente todos los criptoanalistas y Wren en Newmanry y Testery conocían de memoria el contenido de la siguiente tabla.

Si los puntos de inicio derivados de las ruedas chi superaban esta prueba, el mensaje de- chi -ed se enviaba al Testery, donde se utilizaban métodos manuales para derivar los ajustes psi y del motor. Como señaló Small, el trabajo en el Newmanry requería una gran cantidad de ciencia estadística, mientras que el del Testery requería un amplio conocimiento del lenguaje y era de gran interés como arte. El criptoanalista Jerry Roberts señaló que este trabajo en el Testery suponía una mayor carga para el personal que los procesos automatizados del Newmanry. ^{[ 14 ]}

• El Museo Nacional de la Informática