cifrado de Lorenz

Las máquinas Lorenz SZ40 , SZ42a y SZ42b eran máquinas de cifrado de flujo de rotor alemanas utilizadas por el ejército alemán durante la Segunda Guerra Mundial . Fueron desarrolladas por C. Lorenz AG en Berlín . El nombre del modelo, SZ , deriva de Schlüssel-Zusatz , que significa accesorio de cifrado . Estos instrumentos implementaban un cifrado de flujo Vernam .

Los criptoanalistas británicos , que se referían al tráfico cifrado de teletipos alemanes como Fish , bautizaron a la máquina y su tráfico como Tunny (que significa atún) y dedujeron su estructura lógica tres años antes de ver una máquina de ese tipo. ^{[ 1 ]}

Las máquinas SZ eran accesorios en línea para teletipos estándar . En junio de 1941 se inició un enlace experimental con máquinas SZ40. Las máquinas SZ42 mejoradas se utilizaron de forma generalizada a partir de mediados de 1942 para comunicaciones de alto nivel entre el Alto Mando alemán en Wünsdorf, cerca de Berlín, y los mandos del ejército en toda la Europa ocupada. ^{[ 2 ]} La SZ42A, más avanzada, entró en uso rutinario en febrero de 1943 y la SZ42B en junio de 1944. ^{[ 3 ]}

Para este tráfico se utilizó radioteletipo (RTTY) en lugar de circuitos de línea terrestre. ^{[ 4 ]} Estos mensajes de modulación por desplazamiento de frecuencia de audio no Morse (NoMo) fueron captados por las estaciones Y británicas en Knockholt en Kent, su estación remota en Higher Wincombe ^{[ 5 ]} en Wiltshire y en Denmark Hill en el sur de Londres, y reenviados a la Escuela de Código y Cifrado del Gobierno en Bletchley Park (BP). Algunos fueron descifrados mediante métodos manuales antes de que el proceso se automatizara parcialmente, primero con máquinas Robinson y luego con las computadoras Colossus . ^{[ 6 ]} Los mensajes Lorenz descifrados hicieron una de las contribuciones más significativas a la inteligencia militar británica Ultra y a la victoria aliada en Europa, debido a la naturaleza estratégica de alto nivel de la información obtenida de los descifrados de Lorenz. ^{[ 7 ]}

Tras la Segunda Guerra Mundial, un grupo de criptoanalistas británicos y estadounidenses se infiltró en Alemania con las tropas del frente para capturar los documentos, la tecnología y el personal de las diversas organizaciones alemanas de inteligencia de señales antes de que estos secretos pudieran ser destruidos, saqueados o capturados por los soviéticos. Se les denominó Comité de Inteligencia de Objetivos : TICOM. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

De los criptógrafos alemanes capturados, los doctores Huttenhain y Fricke, se enteraron del desarrollo de la SZ40 y la SZ42 a/b. ^{[ 10 ]} El diseño era para una máquina que pudiera acoplarse a cualquier teletipo. La primera máquina se denominó SZ40 (tipo antiguo) y tenía diez rotores con levas fijas. Se reconoció que la seguridad de esta máquina no era muy buena. La SZ40 definitiva tenía doce rotores con levas móviles. Los cinco rotores de la derecha se llamaban Spaltencäsar , pero Bill Tutte los denominó ruedas Chi . Los cinco de la izquierda se llamaban Springcäsar , ruedas Psi para Tutte. Los dos rotores centrales Vorgeleger se llamaban Mu o ruedas motoras, según Tutte.

Los cinco bits de datos de cada carácter telegráfico codificado en ITA2 fueron procesados ​​primero por las cinco ruedas chi y luego por las cinco ruedas psi . Las levas de las ruedas invertían el valor de un bit si estaban en la posición elevada, pero lo dejaban sin cambios si estaban en la posición baja.

Gilbert Vernam fue un ingeniero de investigación de AT&T Bell Labs que, en 1917, inventó un sistema de cifrado en el que la secuencia de bits del texto plano se cifra combinándola con una secuencia de bits aleatoria o pseudoaleatoria (la "secuencia de clave") para generar el texto cifrado. Esta combinación se realiza utilizando la función booleana "o exclusivo" (XOR) , simbolizada por ⊕. ^{[ 11 ]} Esto se representa mediante la siguiente " tabla de verdad ", donde 1 representa "verdadero" y 0 representa "falso".

Otros nombres para esta función son: Distinto de (NEQ), suma módulo 2 (sin 'acarreo') y resta módulo 2 (sin 'préstamo').

El cifrado de Vernam es un algoritmo de clave simétrica , es decir, se utiliza la misma clave tanto para cifrar el texto plano y producir el texto cifrado como para descifrarlo y obtener el texto plano original:

y:

Esto genera la reciprocidad esencial que permite utilizar la misma máquina con la misma configuración tanto para el cifrado como para el descifrado.

La idea de Vernam era utilizar la telegrafía convencional con una cinta de papel que contenía el texto plano, combinada con una cinta de papel que contenía la clave. Cada cinta de clave habría sido única (una cinta de un solo uso ), pero generar y distribuir dichas cintas presentaba considerables dificultades prácticas. En la década de 1920, cuatro hombres de diferentes países inventaron máquinas de cifrado de rotor para producir una secuencia de claves que funcionara en lugar de una cinta. ^{[ 12 ]} La Lorenz SZ40/42 de 1940 fue una de ellas. ^{[ 13 ]}

El funcionamiento lógico del sistema Tunny se había desarrollado mucho antes de que los criptoanalistas de Bletchley Park vieran una de las máquinas, lo que no ocurrió hasta 1945, cuando Alemania se rendía a los Aliados. ^{[ 14 ]}

La máquina SZ servía como un accesorio en línea para una teleimpresora Lorenz estándar. Tenía una base metálica de 48 cm × 39 cm (19 pulg . × 15,5 pulg .) y una altura de 43 cm (17 pulg.) . ^{[ 13 ]} Los caracteres de la teleimpresora consistían en cinco bits de datos (o "impulsos"), codificados en el Alfabeto Telegráfico Internacional n.° 2 (ITA2) . La máquina SZ generaba una secuencia de caracteres pseudoaleatorios como clave, que se combinaba con los caracteres de entrada en texto plano para formar los caracteres de salida cifrados. La combinación se realizaba mediante el proceso XOR (o suma módulo 2). ^{[ 16 ]}        

La secuencia de claves constaba de dos partes componentes que se combinaban mediante una operación XOR. Estas se generaban mediante dos conjuntos de cinco ruedas que giraban juntas. El criptoanalista de Bletchley Park, Bill Tutte, las denominó ruedas χ (" chi ") y ruedas ψ (" psi "). Cada rueda tenía una serie de levas (o "pasadores") alrededor de su circunferencia. Estas levas podían colocarse en una posición elevada (activa) o bajada (inactiva). En la posición elevada generaban un "1" que invertía el valor de un bit; en la posición baja generaban un "0" que dejaba el bit sin cambios. ^{[ 17 ]} El número de levas en cada rueda era igual al número de impulsos necesarios para que completaran una rotación completa. Estos números son todos coprimos entre sí, lo que proporciona el tiempo máximo posible antes de que el patrón se repitiera. Este es el producto del número de posiciones de las ruedas. Para el conjunto de ruedas χ fue 41 × 31 × 29 × 26 × 23 = 22.041.682 y para las ruedas ψ fue 43 × 47 × 51 × 53 × 59 = 322.303.017. El número de formas diferentes en que se podían colocar las doce ruedas fue1,603 × 10 ¹⁹ es decir 16 mil millones de billones.

El conjunto de cinco ruedas χ se movió en una posición después de que cada carácter fue cifrado. Las cinco ruedas ψ , sin embargo, avanzaron intermitentemente. Su movimiento fue controlado por las dos ruedas μ (" mu ") o "motor" en serie. ^{[ 18 ]} La rueda motora SZ40 μ ₆₁ avanzaba cada vez, pero la rueda motora μ ₃₇ avanzaba solo si la primera rueda motora era un '1'. Las ruedas ψ avanzaban entonces solo si la segunda rueda motora era un '1'. ^{[ 19 ]} Los modelos SZ42A y SZ42B agregaron complejidad adicional a este mecanismo, conocida en Bletchley Park como Limitaciones . Dos de las cuatro limitaciones diferentes involucraban características del texto plano y, por lo tanto, eran autoclaves . ^{[ 20 ]}

La secuencia de claves generada por las máquinas SZ tenía, por lo tanto, un componente χ y un componente ψ . Simbólicamente, la clave que se combinó con el texto plano para cifrar y con el texto cifrado para descifrar, se puede representar de la siguiente manera. ^{[ 18 ]}

clave = χ -clave ⊕ ψ -clave

Sin embargo, para indicar que el componente ψ a menudo no cambiaba de un carácter a otro, se utilizó el término psi extendido , simbolizado como: Ψ' . Así, el cifrado se puede mostrar simbólicamente como:

texto plano ⊕ χ -flujo ⊕ ψ' -flujo = texto cifrado

y descifrando como:

texto cifrado ⊕ χ -flujo ⊕ ψ' -flujo = texto plano.

Cada enlace "Tunny" tenía cuatro máquinas SZ con un teletipo transmisor y otro receptor en cada extremo. Para que el cifrado y el descifrado funcionaran, las máquinas transmisoras y receptoras debían estar configuradas de forma idéntica. Esto constaba de dos partes: configurar los patrones de las levas en las ruedas y hacer girar las ruedas para iniciar el cifrado de un mensaje. La configuración de las levas se modificaba con menos frecuencia antes del verano de 1944. Las levas de las ruedas ψ se cambiaban inicialmente solo trimestralmente, pero posteriormente mensualmente; las ruedas χ se cambiaban mensualmente, pero los patrones de las ruedas del motor se cambiaban diariamente. A partir del 1 de agosto de 1944, todos los patrones de las ruedas se cambiaban diariamente. ^{[ 21 ]}

Inicialmente, la configuración de las ruedas para un mensaje se enviaba al receptor mediante un indicador de 12 letras sin cifrar, cuyas letras se asociaban a las posiciones de las ruedas en un libro. En octubre de 1942, esto cambió al uso de un libro de configuraciones de un solo uso, conocido como el libro QEP. Los dos últimos dígitos de la entrada del libro QEP se enviaban al operador receptor para que los buscara en su copia del libro QEP y configurara las ruedas de su máquina. Cada libro contenía cien o más combinaciones. Una vez que se habían utilizado todas las combinaciones de un libro QEP, se reemplazaba por uno nuevo. ^{[ 22 ]} La configuración del mensaje nunca debería haberse reutilizado, pero en ocasiones se hacía, proporcionando una "profundidad" que podía ser utilizada por un criptoanalista. ^{[ 23 ]}

Como era práctica habitual en telegrafía, los mensajes de cualquier longitud se introducían en una teleimpresora con perforadora de cinta de papel . La secuencia típica de operaciones consistía en que el operador emisor introducía el mensaje, contactaba con el operador receptor, utilizaba el interruptor EIN/AUS de la máquina SZ para conectarlo al circuito y, a continuación, pasaba la cinta por el lector. ^{[ 13 ]} En el extremo receptor, el operador conectaba de forma similar su máquina SZ al circuito y la salida se imprimía en una cinta adhesiva continua. Debido a esta práctica, el texto plano no contenía los caracteres de retorno de carro, salto de línea ni el carácter nulo (cinta en blanco, 00000). ^{[ 4 ]}

Los criptógrafos británicos de Bletchley Park habían deducido el funcionamiento de la máquina en enero de 1942 sin haber visto nunca una máquina Lorenz, una hazaña posible gracias a los errores cometidos por los operadores alemanes.

Máquinas de descifrado

Los británicos construyeron varias máquinas complejas para ayudar en el ataque a Tunny. La primera fue la Tunny británica . ^{[ 27 ] [ 28 ]} Esta máquina fue diseñada por Bletchley Park, basándose en el trabajo de ingeniería inversa realizado por el equipo de Tiltman en el Testery, para emular la máquina de cifrado Lorenz. Cuando el Testery encontró la configuración de la rueda de pines, la máquina Tunny se configuró y se puso en marcha para que se pudieran imprimir los mensajes.

Se construyó una familia de máquinas conocidas como " Robinsons " para Newmanry. Estas utilizaban dos cintas de papel , junto con circuitos lógicos, para determinar la configuración de las ruedas dentadas χ de la máquina de Lorenz. ^{[ 29 ]} Las Robinsons presentaban serios problemas para mantener sincronizadas las dos cintas de papel y eran relativamente lentas, leyendo solo 2000 caracteres por segundo.

La máquina más importante fue el Colossus , del cual diez estaban en uso al final de la guerra, el primero entrando en funcionamiento en diciembre de 1943. Aunque no eran totalmente programables, eran mucho más eficientes que sus predecesores, representando avances en las computadoras digitales electrónicas . Las computadoras Colossus fueron desarrolladas y construidas por Tommy Flowers , de la Estación de Investigación de la Oficina Postal de Dollis Hill , utilizando algoritmos desarrollados por Bill Tutte y su equipo de matemáticos. ^{[ 30 ]} El Colossus demostró ser eficiente y rápido frente a la máquina de cifrado de teletipo en línea Lorenz SZ42 de doce rotores.

Algunas figuras influyentes dudaban del diseño propuesto para la máquina de descifrado, y Flowers prosiguió con el proyecto financiándolo parcialmente él mismo. ^{[ 31 ] [ 32 ]} Al igual que la posterior ENIAC de 1946, Colossus no tenía un programa almacenado y se programaba mediante placas de conexión y cables puente. Era más rápido, más fiable y más capaz que los Robinson, lo que aceleró el proceso de encontrar los ajustes de la rueda de pines χ de Lorenz . Dado que Colossus generaba las supuestas claves electrónicamente, solo tenía que leer una cinta. Lo hacía con un lector óptico que, a 5000 caracteres por segundo, era mucho más rápido que el de los Robinson y significaba que la cinta viajaba a casi 30 millas por hora (48  km/h). ^{[ 33 ]} Esto, y la sincronización de la electrónica a partir de los orificios de las ruedas dentadas de la cinta de papel leída ópticamente, eliminó por completo los problemas de sincronización de los Robinson. La dirección de Bletchley Park, que se había mostrado escéptica sobre la capacidad de Flowers para crear un dispositivo funcional, comenzó de inmediato a presionarlo para que construyera otro. Tras el fin de la guerra, las máquinas Colossus fueron desmanteladas por orden de Winston Churchill, ^{[ 34 ]} pero el GCHQ conservó dos de ellas. ^{[ 35 ]}

Las máquinas de cifrado Lorenz se fabricaron en pequeñas cantidades; hoy en día solo sobreviven unas pocas en museos.

En Alemania, se pueden ver ejemplos en el Museo-Foro Heinz Nixdorf , un museo de informática en Paderborn , y en el Deutsches Museum , un museo de ciencia y tecnología en Múnich. ^{[ 36 ]} Otras dos máquinas Lorenz se exhiben en Bletchley Park y en el Museo Nacional de la Informática en el Reino Unido. Otro ejemplo se exhibe en el Museo Nacional de Criptología en Maryland, Estados Unidos.

John Whetter y John Pether, voluntarios del Museo Nacional de la Informática, compraron un teletipo Lorenz en eBay por 9,50 libras esterlinas que había sido recuperado de un cobertizo de jardín en Southend-on-Sea . ^{[ 37 ] [ 38 ]} Se descubrió que era la versión militar de la Segunda Guerra Mundial, fue restaurado y en mayo de 2016 se instaló junto a la máquina SZ42 en la galería "Tunny" del museo.

• Máquina Enigma
• Siemens y Halske T52
• Turingery
• Máquina de cifrado combinada

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