Máquina Enigma

Hans-Thilo Schmidt era un alemán que espió para los franceses , obteniendo acceso a materiales de cifrado alemanes que incluían las claves diarias utilizadas en septiembre y octubre de 1932. Dichas claves incluían la configuración del panel de conexiones. Los franceses pasaron el material a Polonia . Alrededor de diciembre de 1932, Marian Rejewski , un matemático y criptólogo polaco de la Oficina Polaca de Cifrado , utilizó la teoría de permutaciones ^{[ 9 ]} y fallos en los procedimientos alemanes de cifrado de mensajes militares para descifrar las claves de mensajes de la máquina Enigma con panel de conexiones. ^{[ 10 ]} Rejewski utilizó el material suministrado por los franceses y el tráfico de mensajes que tuvo lugar en septiembre y octubre para resolver el cableado desconocido del rotor. En consecuencia, los matemáticos polacos pudieron construir sus propias máquinas Enigma, denominadas " Enigma dobles ". Rejewski contó con la ayuda de sus colegas matemáticos y criptólogos Jerzy Różycki y Henryk Zygalski , ambos reclutados junto con Rejewski en la Universidad de Poznań , elegida por el conocimiento del idioma alemán de sus estudiantes, ya que esa zona estaba bajo dominio alemán antes de la Primera Guerra Mundial. La Oficina de Cifrado polaca desarrolló técnicas para descifrar el tablero de conexiones y encontrar todos los componentes de la clave diaria, lo que le permitió leer los mensajes de Enigma alemanes a partir de enero de 1933. ^{[ 11 ]}

Con el tiempo, los procedimientos criptográficos alemanes mejoraron, y la Oficina de Cifrado desarrolló técnicas y diseñó dispositivos mecánicos para continuar descifrando el tráfico de Enigma. Como parte de ese esfuerzo, los polacos explotaron peculiaridades de los rotores, compilaron catálogos, construyeron un ciclómetro (inventado por Rejewski) para ayudar a crear un catálogo con 100 000 entradas, inventaron y produjeron hojas Zygalski , y construyeron la bomba criptológica electromecánica ( inventada por Rejewski ) para buscar configuraciones de rotor. En 1938, los polacos tenían seis bombas , pero cuando ese año los alemanes añadieron dos rotores más, se habrían necesitado diez veces más bombas para descifrar el tráfico. ^{[ 12 ]}

Los días 26 y 27 de julio de 1939, ^{[ 13 ]} en Pyry , al sur de Varsovia , los polacos iniciaron a representantes de la inteligencia militar francesa y británica en las técnicas y equipos polacos de descifrado de Enigma , incluidas las hojas de Zygalski y la bomba criptológica, y prometieron a cada delegación una máquina Enigma reconstruida en Polonia (los dispositivos fueron entregados poco después). ^{[ 14 ]}

En septiembre de 1939, la Misión Militar Británica 4, integrada por Colin Gubbins y Vera Atkins , se dirigió a Polonia con la intención de evacuar a los criptógrafos Marian Rejewski , Jerzy Różycki y Henryk Zygalski . Sin embargo, los criptólogos habían sido evacuados por sus superiores a Rumania, país aliado de Polonia en aquel entonces. Durante el trayecto, por motivos de seguridad, el personal de la Oficina Polaca de Cifrado destruyó deliberadamente sus registros y equipos. Desde Rumania, viajaron a Francia, donde reanudaron su trabajo criptológico, colaborando con los británicos , quienes comenzaron a descifrar mensajes Enigma alemanes utilizando equipos y técnicas polacas. ^{[ 15 ]}

Entre quienes se unieron al esfuerzo criptoanalítico en Francia se encontraba un equipo de siete criptógrafos españoles, conocido como "Equipo D", liderado por Antonio Camazón , antiguo jefe del Servicio de Información Militar del Ejército Republicano Español durante la Guerra Civil Española . Tras la caída de la República en 1939, Camazón y sus colegas buscaron refugio en Francia y fueron reclutados por el oficial de inteligencia francés Gustave Bertrand . Fueron destinados al centro PC Bruno , cerca de París, donde trabajaron junto a criptoanalistas polacos analizando el tráfico cifrado con Enigma y contribuyendo a la adaptación de los métodos de descifrado polacos.

Durante la campaña de Noruega (del 8 de abril al 10 de junio de 1940), se capturaron tres máquinas de cifrado Enigma intactas pertenecientes al Ejército y la Fuerza Aérea alemanas ( Luftwaffe ). A partir del 17 de mayo de 1940, se pusieron en funcionamiento en el centro de inteligencia británico de Bletchley Park . ^{[ 16 ]}

Tras la invasión alemana de Francia en junio de 1940 , el equipo español se trasladó primero al centro de Cadix, en la zona controlada por Vichy, y posteriormente a Argel , donde continuó su trabajo con los Aliados occidentales. Sus tareas incluían el descifrado manual, la reconstrucción de la configuración de los rotores y el análisis del tráfico de mensajes. Si bien su contribución permaneció prácticamente desconocida durante décadas, investigaciones históricas y documentales recientes han puesto de relieve su papel en el esfuerzo aliado general para descifrar Enigma. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

Gordon Welchman , quien se convirtió en jefe del Barracón 6 en Bletchley Park, escribió: «El Barracón 6 Ultra nunca habría despegado si no hubiéramos aprendido de los polacos, justo a tiempo, los detalles tanto de la versión militar alemana de la máquina Enigma comercial como de los procedimientos operativos que se utilizaban». La transferencia polaca de teoría y tecnología en Pyry constituyó la base crucial para el posterior esfuerzo británico de descifrado de Enigma durante la Segunda Guerra Mundial en Bletchley Park , donde trabajó Welchman. ^{[ 20 ]}

Durante la guerra, los criptólogos británicos descifraron una gran cantidad de mensajes cifrados con Enigma. La información obtenida de esta fuente, denominada " Ultra " por los británicos, fue una ayuda sustancial para el esfuerzo bélico aliado . ^{[ a ]}

Aunque Enigma tenía algunas debilidades criptográficas, en la práctica fueron los fallos de procedimiento alemanes, los errores de los operadores, la falta de introducción sistemática de cambios en los procedimientos de cifrado y la captura aliada de tablas de claves y hardware lo que, durante la guerra, permitió a los criptólogos aliados tener éxito. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

La Abwehr utilizó diferentes versiones de las máquinas Enigma. En noviembre de 1942, durante la Operación Torch , se capturó una máquina que no tenía placa de conexiones y cuyos tres rotores habían sido modificados para girar 11, 15 y 19 veces en lugar de una vez cada 26 letras, además de que una placa en el lado izquierdo actuaba como un cuarto rotor. ^{[ 23 ]}

El código de la Abwehr fue descifrado el 8 de diciembre de 1941 por Dilly Knox . Los agentes enviaban mensajes a la Abwehr en un código simple que luego se transmitía mediante una máquina Enigma. Estos códigos simples fueron descifrados y ayudaron a descifrar el cifrado diario de Enigma. Este descifrado del código permitió que el Sistema de Doble Cruce funcionara. ^{[ 23 ]} A partir de octubre de 1944, la Abwehr alemana utilizó el Schlüsselgerät 41 en cantidades limitadas. ^{[ 24 ]}

Una vía eléctrica es una ruta por la que viaja la corriente. Al manipular este fenómeno, la máquina Enigma pudo cifrar mensajes. ^{[ 25 ]} Las partes mecánicas actúan formando un circuito eléctrico variable . Cuando se presiona una tecla, uno o más rotores giran sobre el eje. En los lados de los rotores hay una serie de contactos eléctricos que, después de girar, se alinean con los contactos de los otros rotores o con el cableado fijo en cada extremo del eje. Cuando los rotores están correctamente alineados, cada tecla del teclado está conectada a una vía eléctrica única a través de la serie de contactos y el cableado interno. La corriente, generalmente de una batería, fluye a través de la tecla presionada, hacia el conjunto de circuitos recién configurados y de vuelta, encendiendo finalmente una luz indicadora , que muestra la letra de salida. Por ejemplo, al cifrar un mensaje que comienza con ANX... , el operador primero presionaría la tecla A , y la luz Z podría encenderse, por lo que Z sería la primera letra del texto cifrado . Luego, el operador presionaría N , y después X de la misma manera, y así sucesivamente.

La corriente fluye desde la batería (1) a través de un interruptor bidireccional del teclado (2) pulsado hasta el panel de conexiones (3). A continuación, pasa por el conector "A" (3) (sin usar en este caso, por lo que se muestra cerrado) a través de la rueda de entrada (4), a través del cableado de los tres (Wehrmacht Enigma) o cuatro ( variantes Kriegsmarine M4 y Abwehr ) rotores instalados (5), y entra en el reflector (6). El reflector devuelve la corriente, por una ruta completamente diferente, a través de los rotores (5) y la rueda de entrada (4), pasando por el conector "S" (7) conectado con un cable (8) al conector "D", y otro interruptor bidireccional (9) para encender la lámpara correspondiente. ^{[ 26 ]}

Los cambios repetidos en la trayectoria eléctrica a través de un codificador Enigma implementan un cifrado de sustitución polialfabética que proporciona la seguridad de Enigma. El diagrama de la derecha muestra cómo cambia la trayectoria eléctrica con cada pulsación de tecla, lo que provoca la rotación de al menos el rotor derecho. La corriente pasa al conjunto de rotores, entra y sale del reflector, y vuelve a salir a través de los rotores. Las líneas sombreadas representan otras posibles trayectorias dentro de cada rotor; estas están cableadas de un lado a otro de cada rotor. La letra A se cifra de forma diferente con pulsaciones consecutivas de teclas, primero a G y luego a C. Esto se debe a que el rotor derecho gira una posición con cada pulsación de tecla, enviando la señal por una ruta completamente diferente. Finalmente, otros rotores giran con cada pulsación de tecla.

Los rotores (también llamados ruedas o tambores , Walzen en alemán) constituyen el corazón de una máquina Enigma. Cada rotor es un disco de aproximadamente 10 cm (3,9 pulgadas) de diámetro, fabricado en ebonita o baquelita, con 26 contactos eléctricos de latón , accionados por resorte, dispuestos en círculo en una cara, mientras que la otra cara alberga 26 contactos eléctricos correspondientes en forma de placas circulares. Los contactos representan el alfabeto , generalmente las 26 letras A-Z, como se asumirá en el resto de esta descripción. Cuando los rotores se montan uno al lado del otro en el eje, los contactos de un rotor se apoyan contra los contactos de la placa del rotor vecino, estableciendo una conexión eléctrica. Dentro del cuerpo del rotor, 26 cables conectan cada contacto de un lado con un contacto del otro en un patrón complejo. La mayoría de los rotores se identifican con números romanos, y cada copia del rotor I, por ejemplo, está cableada de forma idéntica a las demás. Lo mismo ocurre con los rotores especiales delgados beta y gamma utilizados en la variante naval M4 .   

Por sí solo, un rotor realiza un tipo de cifrado muy simple : un cifrado de sustitución simple . Por ejemplo, el pin correspondiente a la letra E podría estar conectado al contacto de la letra T en la cara opuesta, y así sucesivamente. La seguridad de Enigma reside en el uso de varios rotores en serie (generalmente tres o cuatro) y en el movimiento escalonado regular de los mismos, lo que implementa un cifrado de sustitución polialfabético.

Cada rotor se puede colocar en una de las 26 posiciones iniciales de una máquina Enigma. Tras la inserción, el rotor se puede girar a la posición correcta manualmente, utilizando la rueda dentada que sobresale de la tapa interna de la Enigma cuando está cerrada. Para que el operador conozca la posición del rotor, cada uno tiene un anillo con letras (o anillo de letras) fijado al exterior del disco, con 26 caracteres (normalmente letras); uno de ellos es visible a través de la ventana de la ranura correspondiente en la tapa, indicando así la posición de rotación del rotor. En los primeros modelos, el anillo con letras estaba fijo al disco del rotor. Una mejora posterior permitió ajustar el anillo con letras en relación con el disco del rotor. La posición del anillo se conocía como Ringstellung ( "ajuste del anillo"), y dicho ajuste formaba parte de la configuración inicial necesaria antes de una sesión de operación. En términos modernos, formaba parte del vector de inicialización .

Cada rotor contiene una o más muescas que controlan el avance del rotor. En las variantes militares, las muescas están ubicadas en el anillo del alfabeto.

Las máquinas Enigma del Ejército y la Fuerza Aérea se utilizaban con varios rotores, inicialmente tres. El 15 de diciembre de 1938, se pasó a cinco, de los cuales se elegían tres para cada sesión. Los rotores estaban marcados con números romanos para distinguirlos: I, II, III, IV y V, todos con muescas de giro únicas ubicadas en diferentes puntos del anillo alfabético. Esta variación probablemente se concibió como una medida de seguridad, pero finalmente permitió los ataques del Método del Reloj Polaco y del Banburismo Británico .

La versión naval de la Enigma de la Wehrmacht siempre se suministró con más rotores que las demás ramas de las Fuerzas Armadas: al principio seis, luego siete y finalmente ocho. Los rotores adicionales estaban marcados como VI, VII y VIII, todos con un cableado diferente y tenían dos muescas, lo que resultaba en una rotación más frecuente. La máquina Enigma naval de cuatro rotores (M4) alojaba un rotor adicional en el mismo espacio que la versión de tres rotores. Esto se logró reemplazando el reflector original por uno más delgado y agregando un cuarto rotor delgado. Ese cuarto rotor era de dos tipos, Beta o Gamma , y ​​nunca era escalonado, sino que podía ajustarse manualmente a cualquiera de las 26 posiciones. Una de las 26 hacía que la máquina funcionara de forma idéntica a la de tres rotores.

Para evitar simplemente implementar un cifrado de sustitución sencillo (resoluble), cada vez que se pulsaba una tecla, uno o más rotores giraban un veintiséisavo de vuelta completa antes de que se establecieran las conexiones eléctricas. Esto modificaba el alfabeto de sustitución utilizado para el cifrado, asegurando que la sustitución criptográfica fuera diferente en cada nueva posición del rotor, lo que generaba un cifrado de sustitución polialfabético más robusto. El mecanismo de avance variaba ligeramente entre los distintos modelos. El rotor derecho giraba una vez con cada pulsación de tecla, mientras que los demás giraban con menos frecuencia.

El avance de un rotor distinto al izquierdo era denominado " giro" por los británicos. Esto se lograba mediante un mecanismo de trinquete y pestillo . Cada rotor tenía un trinquete con 26 dientes y, cada vez que se pulsaba una tecla, el conjunto de pestillos con resorte se movía hacia adelante al unísono, intentando acoplarse con un trinquete. El anillo con letras del rotor derecho normalmente lo impedía. A medida que este anillo giraba con su rotor, una muesca mecanizada en él se alineaba con el pestillo, permitiéndole acoplarse con el trinquete y hacer avanzar el rotor de su izquierda. El pestillo derecho, al no tener rotor ni anillo a su derecha, hacía avanzar su rotor con cada pulsación de tecla. ^{[ 27 ]} Para un rotor de una sola muesca en la posición derecha, el rotor central avanzaba una vez por cada 26 pasos del rotor derecho. Lo mismo ocurría con los rotores dos y tres. Para un rotor de dos muescas, el rotor de su izquierda giraba dos veces por cada rotación.

Los primeros cinco rotores introducidos (I-V) contenían una muesca cada uno, mientras que los rotores navales adicionales VI, VII y VIII tenían dos muescas cada uno. La posición de la muesca en cada rotor estaba determinada por el anillo de letras que podía ajustarse en relación con el núcleo que contenía las interconexiones. Los puntos en los anillos en los que provocaban el movimiento de la siguiente rueda eran los siguientes. ^{[ 28 ]}

El diseño también incluía una característica conocida como doble paso . Esto ocurría cuando cada trinquete se alineaba tanto con el trinquete de su rotor como con el anillo dentado giratorio del rotor vecino. Si un trinquete se acoplaba a un trinquete mediante la alineación con una muesca, al moverse hacia adelante empujaba contra ambos, haciendo avanzar ambos rotores. En una máquina de tres rotores, el doble paso afectaba solo al rotor dos. Si, al moverse hacia adelante, el trinquete del rotor tres se acoplaba, el rotor dos se movería de nuevo en la siguiente pulsación de tecla, lo que resultaba en dos pasos consecutivos. El rotor dos también empuja al rotor uno hacia adelante después de 26 pasos, pero como el rotor uno se mueve hacia adelante con cada pulsación de tecla de todos modos, no hay doble paso. ^{[ 27 ]} Este doble paso hacía que los rotores se desviaran del movimiento regular tipo odómetro .

Con tres ruedas y solo muescas simples en la primera y la segunda rueda, la máquina tenía un período de 26 × 25 × 26  = 16 900 (no 26 × 26 × 26, debido al doble paso). ^{[ 27 ]} Históricamente, los mensajes se limitaban a unos pocos cientos de letras, por lo que no había posibilidad de repetir ninguna posición combinada del rotor durante una sola sesión, lo que negaba a los criptoanalistas valiosas pistas.

Para dar cabida al cuarto rotor naval, el reflector se hizo mucho más delgado. El cuarto rotor encajó en el espacio resultante. No se realizaron otros cambios, lo que facilitó la transición. Dado que solo había tres trinquetes, el cuarto rotor nunca se movía de forma escalonada, sino que podía colocarse manualmente en una de las 26 posiciones posibles.

Un dispositivo que se diseñó, pero no se implementó antes del final de la guerra, fue la rueda de llenado de huecos ( Lückenfüllerwalze ), que implementaba un paso irregular. Permitía la configuración en campo de las muescas en las 26 posiciones. Si el número de muescas era un primo relativo de 26 y este número variaba para cada rueda, el paso sería más impredecible. Al igual que la Umkehrwalze-D, también permitía reconfigurar el cableado interno. ^{[ 29 ]}

La rueda de entrada actual ( Eintrittswalze en alemán), o estator de entrada , conecta el panel de conexiones al conjunto del rotor. Si el panel de conexiones no está presente, la rueda de entrada conecta el teclado y el panel de lámparas al conjunto del rotor. Si bien el cableado exacto utilizado es de relativa poca importancia para la seguridad, resultó un obstáculo para el progreso de Rejewski durante su estudio del cableado del rotor. La Enigma comercial conecta las teclas en el orden de su secuencia en un teclado QWERTZ : Q → A , W → B , E → C , etc. La Enigma militar las conecta en orden alfabético directo: A → A , B → B , C → C , etc. Rejewski necesitó una intuición brillante para comprender la modificación.

Con la excepción de los modelos A y B , el último rotor se encontraba antes de un «reflector» (en alemán: Umkehrwalze , que significa «rotor de inversión»), una característica patentada ^{[ 30 ]} exclusiva de Enigma entre las diversas máquinas de rotores de la época. El reflector conectaba las salidas del último rotor en pares, redirigiendo la corriente a través de los rotores por una ruta diferente. El reflector garantizaba que Enigma fuera autorrecíproca ; así, con dos máquinas configuradas de forma idéntica, un mensaje podía cifrarse en una y descifrarse en la otra, sin necesidad de un mecanismo voluminoso para alternar entre los modos de cifrado y descifrado. El reflector permitía un diseño más compacto, pero también le otorgaba a Enigma la propiedad de que ninguna letra se cifraba a sí misma. Esta era una grave falla criptológica que posteriormente fue explotada por los criptógrafos.

En el modelo 'C', el reflector podía insertarse en dos posiciones diferentes. En el modelo 'D', el reflector podía colocarse en 26 posiciones posibles, aunque no se movía durante el cifrado. En la máquina Enigma de la Abwehr , el reflector se desplazaba durante el cifrado de forma similar a las demás ruedas.

En la máquina Enigma del Ejército y la Fuerza Aérea alemanas, el reflector era fijo y no giraba; había cuatro versiones. La versión original estaba marcada como 'A', ^{[ 31 ]} y fue reemplazada por Umkehrwalze B el 1 de noviembre de 1937. Una tercera versión, Umkehrwalze C, se usó brevemente en 1940, posiblemente por error, y fue resuelta por Hut 6. [ ^{32 ] La} cuarta versión, observada por primera vez el 2 de enero de 1944, tenía un reflector recableable, llamado Umkehrwalze D , apodado Uncle Dick por los británicos, que permitía al operador de Enigma alterar las conexiones como parte de los ajustes de la llave.

El panel de conexiones ( Steckerbrett en alemán) permitía un cableado variable que el operador podía reconfigurar. Se introdujo en las versiones del Ejército Alemán en 1928, ^{[ 33 ]} y pronto fue adoptado por la Reichsmarine (Armada Alemana). El panel de conexiones aportaba mayor seguridad criptográfica que un rotor adicional, ya que tenía 150 billones de configuraciones posibles (véase más abajo). ^{[ 34 ]} Enigma sin panel de conexiones (conocido como Enigma sin stecker ) podía resolverse con relativa facilidad mediante métodos manuales; estas técnicas generalmente eran superadas por el panel de conexiones, lo que impulsó a los criptoanalistas aliados a desarrollar máquinas especiales para resolverlo.

Un cable conectado al panel de conexiones unía las letras en pares; por ejemplo, E y Q podían formar un par acoplado. Esto provocaba el intercambio de esas letras antes y después de la unidad de conmutación del rotor principal. Por ejemplo, cuando un operador pulsaba E , la señal se desviaba a Q antes de entrar en los rotores. Se podían utilizar hasta 13 pares acoplados simultáneamente, aunque normalmente solo se utilizaban 10.

La corriente fluía desde el teclado a través del panel de conexiones y llegaba al rotor de entrada o Eintrittswalze . Cada letra del panel tenía dos conectores. Al insertar un conector, se desconectaban el conector superior (del teclado) y el inferior (del rotor de entrada) de esa letra. El conector del otro extremo del cable cruzado se insertaba en los conectores de otra letra, invirtiendo así las conexiones de ambas.

Otras características hicieron que varias máquinas Enigma fueran más seguras o más convenientes. ^{[ 35 ]}

Reloj

En 1944, la Luftwaffe introdujo un interruptor de enchufe, llamado Uhr (reloj), una pequeña caja que contenía un interruptor con 40 posiciones. Reemplazó los enchufes estándar. Después de conectar los enchufes, según lo determinado en la hoja de llaves diaria, el operador giraba el interruptor a una de las 40 posiciones, cada una produciendo una combinación diferente de cableado de enchufes. La mayoría de estas conexiones de enchufes, a diferencia de los enchufes estándar, no eran en pares. ^{[ 26 ]} En una posición del interruptor, el Uhr no intercambiaba letras, sino que simplemente emulaba los 13 cables de conexión con enchufes.

La transformación Enigma para cada letra se puede especificar matemáticamente como un producto de permutaciones . ^{[ 9 ]} Suponiendo una Enigma del Ejército/Fuerza Aérea Alemana de tres rotores, sea P la transformación del tablero de conexiones, U la del reflector (${\displaystyle U=U^{-1}}$), y L , M , R denotan los de los rotores izquierdo, central y derecho respectivamente. Entonces, el cifrado E se puede expresar como

${\displaystyle E=PRMLUL^{-1}M^{-1}R^{-1}P^{-1}.}$

Después de cada pulsación de tecla, los rotores giran, cambiando la transformación. Por ejemplo, si el rotor derecho R gira n posiciones, la transformación se convierte en

${\displaystyle \rho ^{n}R\rho ^{-n},}$

donde ρ es la permutación cíclica que mapea A a B, B a C, y así sucesivamente. De manera similar, los rotores central e izquierdo pueden representarse como rotaciones j y k de M y L. La transformación de cifrado puede describirse entonces como

${\displaystyle E=P\left(\rho ^{n}R\rho ^{-n}\right)\left(\rho ^{j}M\rho ^{-j}\right)\left(\rho ^{k}L\rho ^{-k}\right)U\left(\rho ^{k}L^{-1}\rho ^{-k}\right)\left(\rho ^{j}M^{-1}\rho ^{-j}\right)\left(\rho ^{n}R^{-1}\rho ^{-n}\right)P^{-1}.}$

Al combinar tres rotores de un conjunto de cinco, cada una de las 3 configuraciones de rotor con 26 posiciones, y el panel de conexiones con diez pares de letras conectadas, la máquina Enigma militar tiene 158.962.555.217.826.360.000 configuraciones diferentes (casi 159 quintillones o aproximadamente 67 bits ). ^{[ 34 ]}

• Elige 3 rotores de un conjunto de 5 rotores = 5 x 4 x 3 = 60
• 26 posiciones por rotor = 26 x 26 x 26 = 17.576
• Tablero de conexiones = 26! / ( 6! x 10! x 2^10) = 150.738.274.937.250
• Multiplica cada uno de los anteriores = 158.962.555.217.826.360.000

Un operador alemán de Enigma recibía un mensaje en texto plano para cifrar. Tras configurar su máquina, tecleaba el mensaje en el teclado Enigma. Por cada letra pulsada, se encendía una luz que indicaba una letra diferente según una sustitución pseudoaleatoria determinada por los circuitos eléctricos internos de la máquina. La letra indicada por la luz se registraba, normalmente por un segundo operador, como la letra cifrada . Al pulsar una tecla, también se movían uno o más rotores, de modo que la siguiente pulsación utilizaba un circuito eléctrico diferente, y así se producía una sustitución distinta incluso si se introducía de nuevo la misma letra en texto plano. Con cada pulsación, giraba al menos el rotor derecho y, con menos frecuencia, los otros dos, lo que resultaba en el uso de un alfabeto de sustitución diferente para cada letra del mensaje. Este proceso continuaba hasta completar el mensaje. El texto cifrado registrado por el segundo operador se transmitía entonces, normalmente por radio en código Morse , a un operador de otra máquina Enigma. Este operador tecleaba el texto cifrado y  , siempre que todos los ajustes de la máquina descifradora fueran idénticos a los de la máquina de cifrado  , con cada pulsación de tecla se producía la sustitución inversa y aparecía el mensaje en texto plano.

En su uso, la Enigma requería una lista de configuraciones de teclas diarias y documentos auxiliares. En la práctica militar alemana, las comunicaciones se dividían en redes separadas, cada una con configuraciones diferentes. Estas redes de comunicación se denominaban claves en Bletchley Park y se les asignaban nombres en clave , como Rojo , Pinzón y Tiburón . Cada unidad que operaba en una red recibía la misma lista de configuraciones para su Enigma, válida durante un período de tiempo. Los procedimientos para la Enigma de la Armada alemana eran más elaborados y seguros que los de otros servicios y empleaban libros de códigos auxiliares . Los libros de códigos de la Armada se imprimían en tinta roja soluble en agua sobre papel rosa para que pudieran destruirse fácilmente en caso de peligro o si el buque se hundía.

La configuración de una máquina Enigma (su clave criptográfica en términos modernos; Schlüssel en alemán) especificaba cada aspecto de la máquina que el operador podía ajustar:

• Orden de las ruedas ( Walzenlage ): la elección de los rotores y el orden en que se instalan.
• Ajustes de los anillos ( Ringstellung ): la posición de cada anillo del alfabeto en relación con el cableado de su rotor.
• Conexiones de enchufes ( Steckerverbindungen ): los pares de letras en el panel de enchufes que están conectadas entre sí.
• En versiones muy recientes, el cableado del reflector reconfigurable.
• La posición inicial de los rotores ( Grundstellung ), elegida por el operador, debe ser diferente para cada mensaje.

Para que un mensaje se cifrara y descifrara correctamente, tanto el remitente como el receptor debían configurar su Enigma de la misma manera; la selección y el orden de los rotores, las posiciones de los anillos, las conexiones del panel de conexiones y las posiciones iniciales de los rotores debían ser idénticas. Excepto por las posiciones iniciales, estos ajustes se establecían de antemano, se distribuían en listas de claves y se cambiaban diariamente. Por ejemplo, los ajustes para el día 18 del mes en la lista de claves número 649 de la Enigma de la Luftwaffe alemana (véase la imagen) eran los siguientes:

• Orden de las ruedas: IV, II, V
• Ajustes del anillo: 15, 23, 26
• Conexiones del cuadro de enchufes: EJ OY IV AQ KW FX MT PS LU BD
• Cableado de reflector reconfigurable: IU AS DV GL FT OX EZ CH MR KN BQ PW
• Grupos de indicadores: lsa zbw vcj rxn

Enigma fue diseñado para ser seguro incluso si el cableado del rotor era conocido por un oponente, aunque en la práctica se realizó un esfuerzo considerable para proteger la configuración del cableado. Si el cableado es secreto, se ha calculado que el número total de configuraciones posibles es de alrededor de3 × 10 ¹¹⁴ (aproximadamente 380 bits); con el cableado conocido y otras restricciones operativas, esto se reduce a alrededor de10 ²³ (76 bits). ^{[ 36 ]} Debido a la gran cantidad de posibilidades, los usuarios de Enigma confiaban en su seguridad; entonces no era factible que un adversario siquiera comenzara a intentar un ataque de fuerza bruta .

La mayor parte de la clave se mantuvo constante durante un período de tiempo determinado, normalmente un día. Se utilizó una posición inicial del rotor diferente para cada mensaje, un concepto similar a un vector de inicialización en criptografía moderna. La razón es que cifrar muchos mensajes con configuraciones idénticas o casi idénticas (lo que en criptoanálisis se denomina " en profundidad ") permitiría un ataque utilizando un procedimiento estadístico como el índice de coincidencia de Friedman . ^{[ 37 ]} La ​​posición inicial de los rotores se transmitía justo antes del texto cifrado, normalmente después de haber sido cifrado. El método exacto utilizado se denominó procedimiento indicador . La debilidad del diseño y la negligencia del operador en estos procedimientos indicadores fueron dos de las principales debilidades que hicieron posible el descifrado de Enigma.

Uno de los primeros procedimientos de indicador para la Enigma presentaba fallos criptográficos que permitieron a criptoanalistas polacos realizar los primeros descifrados de la Enigma de placa de conexiones. El procedimiento requería que el operador configurara su máquina de acuerdo con los ajustes secretos que compartían todos los operadores de la red. Estos ajustes incluían una posición inicial para los rotores (la Grundstellung ), por ejemplo, AOH . El operador giraba los rotores hasta que AOH era visible a través de las ventanas de los rotores. En ese momento, el operador elegía una posición inicial arbitraria para el mensaje que enviaría. Un operador podía seleccionar EIN , que se convertía en el ajuste del mensaje para esa sesión de cifrado. A continuación, el operador escribía EIN dos veces en la máquina, lo que producía el indicador cifrado, por ejemplo XHTLOA . Este se transmitía, momento en el que el operador giraba los rotores a su ajuste de mensaje, EIN en este ejemplo, y luego escribía el texto plano del mensaje.

En el extremo receptor, el operador configuró la máquina con los ajustes iniciales ( AOH ) e introdujo las seis primeras letras del mensaje ( XHTLOA ). En este ejemplo, aparecieron las luces con la secuencia EINEIN , lo que permitió al operador conocer la configuración del mensaje que el remitente utilizó para cifrarlo. El operador receptor configuró sus rotores en EIN , introdujo el resto del texto cifrado y obtuvo el mensaje descifrado.

Este esquema de indicadores presentaba dos debilidades. En primer lugar, el uso de una posición inicial global ( Grundstellung ) implicaba que todas las claves de mensaje utilizaban la misma sustitución polialfabética. En procedimientos de indicadores posteriores, el operador seleccionaba su posición inicial para cifrar el indicador y la enviaba en texto plano. El segundo problema era la repetición del indicador, lo que constituía una grave falla de seguridad. La configuración del mensaje se codificaba dos veces, lo que generaba una relación entre el primer y el cuarto, el segundo y el quinto, y el tercero y el sexto carácter. Estas fallas de seguridad permitieron a la Oficina de Cifrado Polaca descifrar el sistema Enigma de antes de la guerra ya en 1932. El procedimiento inicial de indicadores fue posteriormente descrito por criptoanalistas alemanes como la "técnica de indicador defectuosa". ^{[ 38 ]}

Durante la Segunda Guerra Mundial, los libros de códigos se usaban diariamente solo para configurar los rotores, sus ajustes de anillo y el panel de conexiones. Para cada mensaje, el operador seleccionaba una posición inicial aleatoria, digamos WZA , y una clave de mensaje aleatoria, tal vez SXT . Movía los rotores a la posición inicial WZA y codificaba la clave de mensaje SXT . Supongamos que el resultado era UHL . Luego, configuraba la clave de mensaje, SXT , como la posición inicial y cifraba el mensaje. A continuación, transmitía la posición inicial, WZA , la clave de mensaje codificada, UHL , y luego el texto cifrado. El receptor configuraba la posición inicial según el primer trigrama, WZA , y decodificaba el segundo trigrama, UHL , para obtener la configuración de mensaje SXT . Luego, usaba esta configuración de mensaje SXT como posición inicial para descifrar el mensaje. De esta manera, cada configuración de tierra era diferente y el nuevo procedimiento evitaba la vulnerabilidad de seguridad de las configuraciones de mensajes doblemente codificadas. ^{[ 39 ]}

Este procedimiento fue utilizado únicamente por el Heer y la Luftwaffe . Los procedimientos de la Kriegsmarine para enviar mensajes con la Enigma eran mucho más complejos y elaborados. Antes del cifrado, el mensaje se codificaba utilizando el libro de códigos Kurzsignalheft . El Kurzsignalheft contenía tablas para convertir frases en grupos de cuatro letras. Se incluían numerosas opciones, por ejemplo, cuestiones logísticas como el reabastecimiento de combustible y el encuentro con buques de suministro, posiciones y listas de cuadrículas, nombres de puertos, países, armas, condiciones meteorológicas, posiciones y buques enemigos, y tablas de fechas y horas. Otro libro de códigos contenía el Kenngruppen y el Spruchschlüssel : la clave de identificación y la clave del mensaje. ^{[ 40 ]}

La máquina Enigma del Ejército utilizaba únicamente los 26 caracteres del alfabeto. La puntuación se sustituía por combinaciones de caracteres poco comunes. Se omitía el espacio o se reemplazaba por una X. La X se utilizaba generalmente como punto final.

Algunos signos de puntuación eran diferentes en otras ramas de las fuerzas armadas. La Wehrmacht sustituyó la coma por ZZ y el signo de interrogación por FRAGE o FRAQ.

La Kriegsmarine sustituyó la coma por una Y y el signo de interrogación por una UD. La combinación CH, como en " Acht " (ocho) o " Richtung " (dirección), se sustituyó por una Q (AQT, RIQTUNG). Dos, tres y cuatro ceros se sustituyeron por CENTA, MILLE y MYRIA.

La Wehrmacht y la Luftwaffe transmitían mensajes en grupos de cinco caracteres y contaban las letras.

La Kriegsmarine utilizaba grupos de cuatro caracteres y contaba esos grupos.

Los nombres o palabras de uso frecuente se variaron lo máximo posible. Palabras como Minensuchboot (buscaminas) podían escribirse como MINENSUCHBOOT, MINBOOT o MMMBOOT. Para dificultar el criptoanálisis, los mensajes se limitaron a 250 caracteres. Los mensajes más largos se dividieron en varias partes, cada una con una clave de mensaje diferente. ^{[ 41 ] [ 42 ]}

Las sustituciones de caracteres realizadas por la máquina Enigma en su conjunto pueden expresarse como una cadena de letras, donde cada posición está ocupada por el carácter que reemplazará al carácter en la posición correspondiente del alfabeto. Por ejemplo, una configuración de máquina dada que cifraba A a L, B a U, C a S, ..., y Z a J podría representarse de forma compacta como

LUSHQOXDMZNAIKFREPCYBWVGTJ

y el cifrado de un carácter particular mediante esa configuración podría representarse resaltando el carácter cifrado como en

D > LUS(H)QOXDMZNAIKFREPCYBWVGTJ

Dado que el funcionamiento de una máquina Enigma al cifrar un mensaje es una serie de configuraciones de este tipo, cada una asociada a un único carácter que se cifra, se puede utilizar una secuencia de tales representaciones para representar el funcionamiento de la máquina mientras cifra un mensaje. Por ejemplo, el proceso de cifrar la primera frase del cuerpo principal del famoso "mensaje de Dönitz" ^{[ 43 ]} a

RBBF PMHP HGCZ XTDY GAHG UFXG EWKB LKGJ

puede representarse como

0001 F > KGWNT(R)BLQPAHYDVJIFXEZOCSMU CDTK 25 15 16 26 0002 O > UORYTQSLWXZHNM(B)VFCGEAPIJDK CDTL 25 15 16 01 0003 L > HLNRSKJAMGF(B)ICUQPDEYOZXWTV CDTM 25 15 16 02 0004 G > KPTXIG(F)MESAUHYQBOVJCLRZDNW CDUN 25 15 17 03 0005 E > XDYB(P)WOSMUZRIQGENLHVJTFACK CDUO 25 15 17 04 0006 N > DLIAJUOVCEXBN(M)GQPWZYFHRKTS CDUP 25 15 17 05 0007 D > LUS(H)QOXDMZNAIKFREPCYBWVGTJ CDUQ 25 15 17 06 0008 E > JKGO(P)TCIHABRNMDEYLZFXWVUQS CDUR 25 15 17 07 0009 S > GCBUBRASYXVMLPQNOF(H)WDKTJIE CDUS 25 15 17 08 0010 I > XPJUOWIY(G)CVRTQEBNLZMDKFAHS CDUT 25 15 17 09 0011 S > DISAUYOMBPNTHKGJRQ(C)LEZXWFV CDUU 25 15 17 10 0012 T > FJLVQAKXNBGCPIRMEOY(Z)WDUHST CDUV 25 15 17 11 0013 S > KTJUQONPZCAMLGFHEW(X)BDYRSVI CDUW 25 15 17 12 0014 O > ZQXUVGFNWRLKPH(T)MBJYODEICSA CDUX 25 15 17 13 0015 F > XJWFR(D)ZSQBLKTVPOIEHMYNCAUG CDUY 25 15 17 14 0016 O > FSKTJARXPECNUL(Y)IZGBDMWVHOQ CDUZ 25 15 17 15 0017 R > CEAKBMRYUVDNFLTXW(G)ZOIJQPHS CDVA 25 15 18 16 0018 T > TLJRVQHGUCXBZYSWFDO(A)IEPKNM CDVB 25 15 18 17 0019 B > Y(H)LPGTEBKWICSVUDRQMFONJZAX CDVC 25 15 18 18 0020 E > KRUL(G)JEWNFADVIPOYBXZCMHSQT CDVD 25 15 18 19 0021 K > RCBPQMVZXY(U)OFSLDEANWKGTIJH CDVE 25 15 18 20 0022 A > (F)CBJQAWTVDYNXLUSEZPHOIGMKR CDVF 25 15 18 21 0023 N > VFTQSBPORUZWY(X)HGDIECJALNMK CDVG 25 15 18 22 0024 N > JSRHFENDUAZYQ(G)XTMCBPIWVOLK CDVH 25 15 18 23 0025 T > RCBUTXVZJINQPKWMLAY(E)DGOFSH CDVI 25 15 18 24 0026 Z > URFXNCMYLVPIGESKTBOQAJZDH(W) CDVJ 25 15 18 25 0027 U > JIOZFEWMBAUSHPCNRQLV(K)TGYXD CDVK 25 15 18 26 0028 G > ZGVRKO(B)XLNEIWJFUSDQYPCMHTA CDVL 25 15 18 01 0029 E > RMJV(L)YQZKCIEBONUGAWXPDSTFH CDVM 25 15 18 02 0030 B > G(K)QRFEANZPBMLHVJCDUXSOYTWI CDWN 25 15 19 03 0031 E > YMZT(G)VEKQOHPBSJLIUNDRFXWAC CDWO 25 15 19 04 0032 N > PDSBTIUQFNOVW(J)KAHZCEGLMYXR CDWP 25 15 19 05

donde las letras que siguen a cada mapeo son las letras que aparecen en las ventanas en esa etapa (los únicos cambios de estado visibles para el operador) y los números muestran la posición física subyacente de cada rotor.

Las asignaciones de caracteres para una configuración dada de la máquina son, a su vez, el resultado de una serie de asignaciones similares aplicadas en cada pasada por un componente de la máquina: el cifrado de un carácter resultante de la aplicación de la asignación de un componente dado sirve como entrada para la asignación del componente subsiguiente. Por ejemplo, el cuarto paso del cifrado anterior se puede ampliar para mostrar cada una de estas etapas utilizando la misma representación de asignaciones y resaltado para el carácter cifrado:

G > ABCDEF(G)HIJKLMNOPQRSTUVWXYZ   P EFMQAB(G)UINKXCJORDPZTHWVLYS AE.BF.CM.DQ.HU.JN.LX.PR.SZ.VW 1 OFRJVM(A)ZHQNBXPYKCULGSWETDI N 03 VIII 2 (N)UKCHVSMDGTZQFYEWPIALOXRJB U 17 VI 3 XJMIYVCARQOWH(L)NDSUFKGBEPZT D 15 V 4 QUNGALXEPKZ(Y)RDSOFTVCMBIHWJ C 25 β R RDOBJNTKVEHMLFCWZAXGYIPS(U)Q c 4 EVTNHQDXWZJFUCPIAMOR(B)SYGLK β 3 H(V)GPWSUMDBTNCOKXJIQZRFLAEY V 2 TZDIPNJESYCUHAVRMXGKB(F)QWOL VI 1 GLQYW(B)TIZDPSFKANJCUXREVMOH VIII PE(F)MQABGUINKXCJORDPZTHWVLYS AE.BF.CM.DQ.HU.JN.LX.PR.SZ.VW                                                   F < KPTXIG(F)MESAUHYQBOVJCLRZDNW

Aquí el cifrado comienza trivialmente con el primer "mapeo" que representa el teclado (que no tiene ningún efecto), seguido del panel de conexiones, configurado como AE.BF.CM.DQ.HU.JN.LX.PR.SZ.VW que no tiene ningún efecto sobre 'G', seguido del rotor VIII en la posición 03, que mapea G a A, luego el rotor VI en la posición 17, que mapea A a N, ..., y finalmente el panel de conexiones nuevamente, que mapea B a F, produciendo el mapeo general indicado en el paso final: G a F.

Este modelo tiene 4 rotores (líneas 1 a 4) y el reflector (línea R) también permuta (distorsiona) las letras.

El 23 de febrero de 1918, ^{[ 47 ]} Arthur Scherbius solicitó una patente para una máquina de cifrado que utilizaba rotores . ^{[ 48 ]} Scherbius y E. Richard Ritter fundaron la empresa Scherbius & Ritter. Presentaron su diseño a la Armada alemana y al Ministerio de Asuntos Exteriores, pero ninguna de las agencias mostró interés. Scherbius & Ritter cedió entonces los derechos de patente a Gewerkschaft Securitas, que fundó Chiffriermaschinen Aktien-Gesellschaft (Sociedad Anónima de Máquinas de Cifrado) el 9 de julio de 1923; Scherbius y Ritter formaban parte del consejo de administración.

Enigma B (1924)

El modelo Enigma B se introdujo a finales de 1924 y tenía una construcción similar. ^{[ 49 ]} Si bien llevaban el nombre Enigma, los modelos A y B eran bastante diferentes de las versiones posteriores: diferían en tamaño y forma física, pero también criptográficamente, ya que carecían del reflector. Este modelo de máquina Enigma se conocía como Glowlamp Enigma o Glühlampenmaschine, puesto que producía su salida en un panel de lámparas en lugar de papel. Este método de salida era mucho más fiable y rentable. Por lo tanto, esta máquina costaba 1/8 del precio de su predecesora. ^{[ 25 ]}

Enigma H (1929)

También existió un modelo de impresora grande de ocho rotores, la Enigma H , denominada Enigma II por la Reichswehr . En 1933, la Oficina de Cifrado polaca detectó que se utilizaba para comunicaciones militares de alto nivel, pero pronto fue retirada, ya que no era fiable y se bloqueaba con frecuencia. ^{[ 52 ]}

Los distintos servicios de la Wehrmacht utilizaron diversas versiones de Enigma y las reemplazaron con frecuencia, a veces con versiones adaptadas de otros servicios. Enigma rara vez transportaba mensajes estratégicos de alto nivel, que cuando no eran urgentes se enviaban por mensajero, y cuando eran urgentes, mediante otros sistemas criptográficos, incluido el Geheimschreiber .

Wehrmacht Enigma I (1930-1938)

La máquina Enigma G fue modificada a Enigma I en junio de 1930. ^{[ 59 ]} Enigma I también es conocida como Wehrmacht o Enigma de "Servicios", y fue utilizada ampliamente por los servicios militares alemanes y otras organizaciones gubernamentales (como los ferrocarriles ^{[ 60 ]} ) antes y durante la Segunda Guerra Mundial .

La principal diferencia entre la Enigma I (versión del ejército alemán de 1930) y los modelos comerciales de Enigma radicaba en la adición de un panel de conexiones para intercambiar pares de letras, lo que aumentaba enormemente la seguridad criptográfica.

Otras diferencias incluían el uso de un reflector fijo y la reubicación de las muescas de paso del cuerpo del rotor a los anillos de letras móviles. La máquina medía 28 cm × 34 cm × 15 cm (11,0 pulg. × 13,4 pulg. × 5,9 pulg.) y pesaba alrededor de 12 kg (26 lb) . ^{[ 61 ]}            

En agosto de 1935, la Fuerza Aérea introdujo la Enigma de la Wehrmacht para sus comunicaciones. ^{[ 59 ]}

M3 (1934)

En 1930, la Reichswehr sugirió que la Armada adoptara su máquina, citando los beneficios de una mayor seguridad (con el panel de conexiones) y comunicaciones interservicios más sencillas. ^{[ 62 ]} La Reichsmarine finalmente aceptó y en 1934 ^{[ 63 ]} puso en servicio la versión naval de la Enigma del Ejército, denominada Funkschlüssel o M3 . Mientras que el Ejército usaba solo tres rotores en ese momento, la Armada especificó la opción de elegir tres de entre cinco posibles. ^{[ 64 ]}

M4 (1942)

La Armada introdujo una máquina Enigma de cuatro rotores para el tráfico de submarinos el 1 de febrero de 1942, denominada M4 (la red era conocida como Tritón o Tiburón para los Aliados). El rotor adicional se instaló en el mismo espacio dividiendo el reflector en una combinación de un reflector delgado y un cuarto rotor delgado.

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  La máquina Enigma G, utilizada por la Abwehr , tenía cuatro rotores, carecía de placa de conexiones y presentaba múltiples muescas en los rotores.
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  La máquina Enigma-K de fabricación alemana utilizada por el ejército suizo tenía tres rotores y un reflector, pero carecía de placa de conexiones. Tenía rotores recableados localmente y un panel de lámparas adicional.
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  Una Enigma modelo T (Tirpitz), una Enigma K comercial modificada fabricada para su uso por los japoneses.
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  Una máquina Enigma en el Museo Imperial de la Guerra del Reino Unido.
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  Enigma en uso en Rusia
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  Enigma en el coche de radio del estado mayor de la 7ª División Panzer, agosto de 1941.