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Bomba

Una fotografía de tiempos de guerra de una bomba en Bletchley Park. La Bombe ( UK : / b ɒ m b / ) fue un dispositivo electromecánico utilizado por criptólogos británicos para ay...

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Una fotografía de tiempos de guerra de una bomba en Bletchley Park.

La Bombe ( UK : / b ɒ m b / ) fue un dispositivo electromecánico utilizado por criptólogos británicos para ayudar a descifrar mensajes secretos cifrados con la máquina Enigma alemana durante la Segunda Guerra Mundial . [ 1 ] La Bombe británica se desarrolló a partir de la bomba polaca , que había sido diseñada en la Oficina de Cifrado por el criptólogo Marian Rejewski , quien había estado descifrando mensajes Enigma alemanes durante los siete años anteriores, utilizando esta y máquinas anteriores.

El diseño inicial de la bombe británica fue producido en 1939 en la Escuela de Códigos y Cifrado del Gobierno del Reino Unido (GC&CS) en Bletchley Park por Alan Turing , [ 2 ] con un importante refinamiento ideado en 1940 por Gordon Welchman . [ 3 ] El diseño de ingeniería y la construcción fueron obra de Harold Keen de la British Tabulating Machine Company . La primera bombe, con nombre en clave Victory , se instaló en marzo de 1940 [ 4 ] mientras que la segunda versión, Agnus Dei o Agnes , que incorporaba el nuevo diseño de Welchman, estaba funcionando en agosto de 1940. [ 5 ] La Armada de los EE. UU . [ 6 ] y el Ejército de los EE. UU. [ 7 ] produjeron más tarde sus propias máquinas con las mismas especificaciones funcionales , aunque con ingeniería diferente entre sí y de las bombes polacas y británicas.

La bomba fue diseñada para descubrir algunos de los ajustes diarios de las máquinas Enigma en las diversas redes militares alemanas : específicamente, el conjunto de rotores en uso y sus posiciones en la máquina; las posiciones de inicio del núcleo del rotor para el mensaje —la clave del mensaje— y uno de los cableados del panel de conexiones . [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

La máquina Enigma

Una máquina Enigma de tres rotores con placa de conexiones ( Steckerbrett )
Representación de una serie de tres rotores de una máquina Enigma.

La Enigma es una máquina de rotores electromecánica utilizada para el cifrado y descifrado de mensajes secretos. Fue desarrollada en Alemania en la década de 1920. Los cambios repetidos en el circuito eléctrico desde el teclado hasta el panel de lámparas implementan un cifrado de sustitución polialfabética , que convierte el texto plano en texto cifrado y viceversa. El codificador de la Enigma contiene rotores con 26 contactos eléctricos en cada lado, cuyo cableado desvía la corriente a una posición diferente en ambos lados. Cuando se presiona una tecla en el teclado, una corriente eléctrica fluye a través de un tambor de entrada en el extremo derecho del codificador, luego a través del conjunto de rotores hasta un tambor reflector (o reflector) que la hace volver a pasar por los rotores y el tambor de entrada, e ilumina una de las lámparas del panel de lámparas. [ 11 ]

Con cada pulsación de tecla, el rotor derecho o "rápido" avanza una posición, lo que provoca un cambio en el cifrado. Además, una vez por rotación, el rotor derecho hace avanzar al rotor central; este último, a su vez, hace avanzar al rotor izquierdo (o "lento"). La posición de cada rotor se indica mediante una letra del alfabeto que se muestra a través de una ventana. El operador de Enigma gira las ruedas manualmente para establecer la posición inicial para cifrar o descifrar un mensaje. La secuencia de tres letras que indica la posición inicial de los rotores es la "clave de mensaje". Existen 26³ = 17 576 claves de mensaje diferentes y distintas posiciones del conjunto de tres rotores. Al abrir la tapa de la máquina y soltar una barra de compresión, el conjunto de tres rotores en su eje se puede extraer de la máquina y modificar su secuencia (denominada "orden de las ruedas" en Bletchley Park). Multiplicando 17.576 por los seis posibles órdenes de ruedas se obtienen 105.456 formas diferentes en que se puede configurar el mezclador. [ 12 ]

El panel de conexiones de una máquina Enigma, que muestra dos pares de letras intercambiadas: S–O y A–J. Durante la Segunda Guerra Mundial , se realizaron diez conexiones en el panel de conexiones.

Aunque 105.456 es un número grande, [ 13 ] no garantiza la seguridad. Es posible un ataque de fuerza bruta : uno podría imaginarse usando 100 codificadores que intentaran descifrar un mensaje cada uno usando 1000 configuraciones de rotor distintas. Los polacos desarrollaron catálogos de tarjetas para poder encontrar fácilmente las posiciones del rotor; Gran Bretaña construyó EINScatálogos " " (la palabra alemana para uno). También eran posibles métodos menos intensivos. Si todo el tráfico de mensajes de un día usaba la misma posición inicial del rotor, entonces el análisis de frecuencia para cada posición podría recuperar las sustituciones polialfabéticas. Si se usaban diferentes posiciones iniciales del rotor, entonces se podrían encontrar partes superpuestas de un mensaje usando el índice de coincidencia . [ 14 ] Muchas grandes potencias (incluidos los alemanes) podrían romper el tráfico de Enigma si conocieran el cableado del rotor. El ejército alemán sabía que Enigma era débil. [ 15 ]

En 1930, el ejército alemán introdujo una medida de seguridad adicional: un panel de conexiones ( Steckerbrett en alemán; cada conector es un Stecker , término que también usaban los criptólogos británicos) que mezclaba aún más las letras, tanto antes como después de que pasaran por el sistema rotor-reflector. El cifrado Enigma es una función autoinversa , lo que significa que sustituye las letras recíprocamente: si Ase transforma en R, entonces Rse transforma en A. La transformación del panel de conexiones mantenía la cualidad autoinversa, pero el cableado del panel, a diferencia de las posiciones del rotor, no cambia durante el cifrado. Esta regularidad fue aprovechada por la mejora del "panel diagonal" de Welchman para la Bombe, que aumentó enormemente su eficiencia. [ 16 ] Con seis cables de conexión en uso (dejando 14 letras "sin conectar"), había 100.391.791.500 formas posibles de configurar el panel de conexiones. [ 17 ]

Una característica importante de la máquina desde el punto de vista de un criptoanalista, y de hecho el talón de Aquiles de Enigma , era que el reflector del codificador impedía que una letra se cifrara como ella misma. Por lo tanto, cualquier posible solución que produjera, para cualquier posición, la misma letra en el texto plano propuesto y en el texto cifrado podía ser descartada. [ 18 ]

En el período previo a la Segunda Guerra Mundial , los alemanes realizaron mejoras sucesivas en sus máquinas Enigma militares. En enero de 1939, se introdujeron rotores adicionales, de modo que se elegían tres de un conjunto de cinco (lo que daba lugar a 60 posibles órdenes de rueda) para las máquinas Enigma del ejército y la fuerza aérea, y tres de ocho (lo que resultaba en 336 posibles órdenes de rueda) para las máquinas de la marina. Además, se utilizaron diez cables en el panel de conexiones, dejando solo seis letras sin conectar. Esto significaba que las máquinas Enigma de la fuerza aérea y del ejército podían configurarse de 1,5 × 10¹⁹ maneras . En 1941, la marina alemana introdujo una versión de Enigma con un reflector giratorio (la M4 o Enigma de cuatro rotores) para comunicarse con sus submarinos . Esta podía configurarse de 1,8 × 10²⁰ maneras diferentes. [ 17 ]

Enigma de cuatro rotores

A finales de 1941, un cambio en la suerte de la Armada alemana en la Batalla del Atlántico , junto con informes de inteligencia, convenció al almirante Karl Dönitz de que los Aliados podían leer las comunicaciones codificadas de la Armada alemana, y se añadió un cuarto rotor con cableado desconocido a las máquinas Enigma de la Armada alemana utilizadas para las comunicaciones de los submarinos, produciendo el sistema Triton , conocido en Bletchley Park como Shark . [ 19 ] Esto se combinó con un diseño de reflector más delgado para dejar espacio para el rotor adicional. El Triton fue diseñado de tal manera que seguía siendo compatible con máquinas de tres rotores cuando fuera necesario: uno de los rotores adicionales del "cuarto" rotor, el "beta", fue diseñado de manera que cuando se emparejaba con el reflector delgado "B", y el rotor y el anillo se configuraban en "A", el par actuaba como un reflector "B" acoplado con tres rotores. Afortunadamente para los Aliados, en diciembre de 1941, antes de que la máquina entrara en servicio oficial, un submarino envió accidentalmente un mensaje con el cuarto rotor en la posición incorrecta y luego lo retransmitió con el rotor en la posición correcta para emular la máquina de tres rotores. En febrero de 1942, el cambio en el número de rotores utilizados se hizo oficial, y la capacidad de los Aliados para leer los mensajes de los submarinos alemanes cesó hasta que un fragmento de un submarino capturado reveló no solo la capacidad de la máquina de cuatro rotores para emular una de tres, sino también que el cuarto rotor no se movía durante la transmisión del mensaje. Esto, junto con la retransmisión mencionada, permitió finalmente a los criptógrafos descifrar el cableado de los cuartos rotores «beta» y «gamma».

La primera mitad de 1942 fue la " segunda época feliz " para los submarinos alemanes, con un éxito renovado en los ataques contra la navegación aliada, ya que Estados Unidos acababa de entrar en la guerra sin estar preparado para la ofensiva, careciendo de aeronaves, buques, personal, doctrina y organización antisubmarina (ASW). Además, la seguridad de la nueva Enigma y la capacidad alemana para leer los mensajes de los convoyes aliados enviados con el Cifrado Naval n.° 3 contribuyeron a su éxito. Entre enero y marzo de 1942, los submarinos alemanes hundieron 216 barcos frente a la costa este de Estados Unidos. En mayo de 1942, Estados Unidos comenzó a utilizar el sistema de convoyes y a exigir el apagón de las ciudades costeras para que los barcos no se vieran reflejados en sus luces, pero esto solo mejoró ligeramente la seguridad de la navegación aliada. El hecho de que los Aliados no cambiaran su cifrado durante tres meses, junto con el hecho de que los mensajes aliados nunca contenían descifrados de Enigma (ni siquiera mencionaban que estaban descifrando mensajes), ayudó a convencer a los alemanes de que sus mensajes eran seguros. Por el contrario, los Aliados supieron casi de inmediato, gracias al descifrado de Enigma, que los alemanes habían descifrado el código naval, pero perdieron muchos barcos debido a la demora en cambiar el código.

El principio de la bomba

Una lista de claves Enigma alemanas con la configuración de la máquina para cada día de un mes.
La máquina Bombe reconstruida y en funcionamiento se encuentra ahora en el Museo Nacional de la Computación en Bletchley Park . Cada uno de los tambores giratorios simula el movimiento de un rotor Enigma. Hay 36 equivalentes a Enigma y, en el extremo derecho de la fila central, tres tambores indicadores . John Harper dirigió el equipo "Phoenix" que reconstruyó esta Bombe. [ 20 ] Fue inaugurada oficialmente por el Duque de Kent , mecenas de la Sociedad Británica de Computación, el 17 de julio de 2008.

Para descifrar los mensajes militares alemanes de Enigma, es necesario descubrir la siguiente configuración de la máquina. Una vez conocida, se podrían descifrar todos los mensajes de esa red correspondientes a ese día (o a ese par de días, en el caso de la marina alemana).

Configuración interna (que requería abrir la tapa de la máquina Enigma)

  • La selección de rotores utilizados en el codificador de la Enigma y su posición en el eje ( Walzenlage o "orden de rotores"). Las posibles órdenes de rotores eran 60 (tres rotores de entre cinco) para las redes del ejército y la fuerza aérea, y 336 (tres rotores de entre ocho) para las redes navales.
  • Las posiciones de la muesca de giro de los anillos del alfabeto en relación con el núcleo de cada rotor en uso ( Ringstellung o "ajustes de anillo"). Hay 26 posibles ajustes de anillo para cada rotor. [ 21 ]

Configuración externa (que podía modificarse sin abrir la máquina Enigma)

  • Las conexiones del panel de enchufes ( Steckerverbindungen o "conexiones de enchufes"). Los diez cables se podían disponer en(262)⋅(242)⋅(222)⋅⋯⋅(82)10¡=150738274937250{\displaystyle {\frac {{26 \choose 2}\cdot {24 \choose 2}\cdot {22 \choose 2}\cdot \dots \cdot {8 \choose 2}}{10!}}=150\,738\,274\,937\,250}diferentes combinaciones (aproximadamente 151  billones). [ 22 ]
  • Las posiciones del rotor del codificador al inicio del cifrado de la clave del mensaje (la Grundstellung o "posición base"), hasta mayo de 1940; o, posteriormente, las posiciones iniciales de cada rotor al inicio del cifrado del mensaje (la "clave del mensaje") a partir de las cuales se podía derivar la posición base. Hay17 576 posibles claves de tres letras.

La bomba identificó posibles posiciones iniciales de los núcleos del rotor y el Stecker (tapón) asociado a una letra específica para un conjunto de órdenes de ruedas. Posteriormente, se utilizaron técnicas manuales para completar el proceso de descifrado. [ 23 ] En palabras de Gordon Welchman , «la tarea de la bomba consistía simplemente en reducir a un número manejable las suposiciones sobre el orden de las ruedas (rotores) y las posiciones de los codificadores que requerían un "análisis adicional"». [ 24 ]

Estructura

Tambores de la Bombe reconstruida en funcionamiento. Los tambores superiores giran de forma continua y sincronizada.
Los tres tambores de una de las 36 máquinas equivalentes a Enigma, y ​​las placas de montaje de otra, que muestran los 104 contactos para las escobillas de alambre en la parte posterior de los tambores. El tambor superior corresponde al rotor izquierdo de Enigma, el tambor central al rotor central y el tambor inferior al rotor derecho.
Cepillos de alambre en la parte posterior de un tambor de la Bombe reconstruida.

La bomba era un dispositivo electromecánico que replicaba el funcionamiento de varias máquinas Enigma conectadas entre sí. Una Enigma alemana estándar empleaba, en cualquier momento, un conjunto de tres rotores , cada uno de los cuales podía colocarse en cualquiera de las 26 posiciones. La bomba británica estándar contenía 36 equivalentes de Enigma, cada uno con tres tambores conectados para producir el mismo efecto de codificación que los rotores de Enigma. Una bomba podía ejecutar dos o tres tareas simultáneamente. Cada tarea tenía un " menú " que debía ejecutarse con diferentes órdenes de rotor. Si el menú contenía 12 letras o menos, se podían ejecutar tres órdenes de rotor diferentes en una bomba; si contenía más de 12 letras, solo dos.

Para simular los rotores de Enigma, cada tambor del rotor de la máquina Bombe tenía dos conjuntos completos de contactos: uno para la entrada hacia el reflector y otro para la salida del mismo, de modo que la señal reflejada pudiera pasar de vuelta a través de un conjunto de contactos independiente. Cada tambor tenía 104 escobillas de alambre que hacían contacto con la placa sobre la que estaban colocadas. Las escobillas y el conjunto de contactos correspondiente en la placa estaban dispuestos en cuatro círculos concéntricos de 26. El par de círculos exteriores (entrada y salida) equivalía a la corriente que circula en una dirección a través del codificador de Enigma, y ​​el par interior equivalía a la corriente que fluye en la dirección opuesta.

Las interconexiones dentro de los tambores entre los dos conjuntos de contactos de entrada y salida eran idénticas a las del rotor Enigma correspondiente. Existía un cableado permanente entre los dos conjuntos internos de contactos de las tres placas de entrada/salida. Desde allí, el circuito continuaba hasta un panel de conexiones ubicado en el extremo izquierdo, cableado para imitar un reflector Enigma, y ​​luego regresaba a través del par de contactos externos. En cada extremo de la "Enigma de doble extremo", había tomas en la parte posterior de la máquina, en las que se podían conectar cables de 26 pines.

Los tambores bombe se dispusieron de manera que el superior de los tres simulara el rotor izquierdo del codificador Enigma, el del medio el rotor central y el inferior el rotor derecho. Todos los tambores superiores eran accionados en sincronía por un motor eléctrico. Por cada rotación completa de los tambores superiores, los tambores centrales se incrementaban en una posición, y lo mismo ocurría con los tambores centrales e inferiores, lo que daba un total de 26 × 26 × 26 =17 576 posiciones del codificador Enigma de 3 rotores. [ 25 ] [ 26 ]

Los tambores estaban codificados por colores según el rotor Enigma que emulaban: I rojo; II granate; III verde; IV amarillo; V marrón; VI cobalto (azul); VII negro (azabache); VIII plateado. [ 27 ]

En cada posición de los rotores, circularía o no corriente eléctrica por cada uno de los 26 cables, y esto se comprobaría en la unidad comparadora de la máquina Bombe. Para un gran número de posiciones, la prueba arrojaría una contradicción lógica , descartando esa configuración. Si la prueba no arrojaba ninguna contradicción, la máquina se detendría.

El operador localizaba entonces el punto en el que la prueba se superaba, registraba la solución candidata leyendo la posición de los tambores indicadores y la unidad indicadora en el panel lateral derecho de la Bombe. A continuación, reiniciaba la prueba. Las soluciones candidatas, denominadas paradas , se procesaban posteriormente para eliminar el mayor número posible de paradas falsas. Normalmente, se producían muchas paradas falsas de la Bombe antes de encontrar la correcta.

Las soluciones candidatas para el conjunto de órdenes de ruedas fueron sometidas a un extenso trabajo criptoanalítico adicional. Esto eliminó progresivamente las paradas falsas, construyó el conjunto de conexiones del tablero de conexiones y estableció las posiciones de los anillos del alfabeto del rotor. [ 28 ] Finalmente, el resultado se probaría en una máquina Typex que había sido modificada para replicar una Enigma, para ver si ese descifrado producía el idioma alemán . [ 29 ]

Menú Bombe

Las letras de una clave y el texto cifrado se expresan como un grafo para proporcionar un menú que especifica cómo configurar una operación Bombe Run. Este ejemplo es algo inusual, ya que contiene hasta tres bucles.
Menú Bombe basado en el cartel de Bletchley Park que atribuye la creación a Peggy Erskine-Tulloch.

Un descifrado de la máquina Bombe implicaba que un criptoanalista obtuviera primero una clave : una sección del texto plano que se creía que correspondía al texto cifrado . Encontrar claves no era nada sencillo; requería un conocimiento considerable de la jerga militar alemana y de los hábitos de comunicación de los operadores. Sin embargo, los descifradores contaban con la ayuda del hecho de que la Enigma nunca cifraba una carta dirigida a sí misma. Esto facilitaba la comprobación de una posible clave con el texto cifrado, ya que permitía descartar varias claves y posiciones donde la misma letra aparecía en la misma posición tanto en el texto plano como en el cifrado. A esto se le denominó un fallo en Bletchley Park.

Una vez elegido un código de prueba adecuado, el criptoanalista creaba un menú para conectar la máquina Bombe y probar el código con el texto cifrado. A continuación, se explica de forma simplificada el proceso de creación de un menú. Supongamos que el código de prueba es ATTACKATDAWN y se prueba con un fragmento específico del texto cifrado, por ejemplo, WSNPNLKLSTCS . Se comparaban las letras del código de prueba y del texto cifrado para establecer correspondencias entre ambos. Estas correspondencias se representaban gráficamente, como se muestra en el diagrama. Cabe destacar que las relaciones son recíprocas, de modo que la letra A del texto cifrado asociada a la letra W del texto cifrado es la misma que la letra W del texto cifrado asociada a la letra A del texto cifrado. En la posición 1 de la comparación entre texto plano y texto cifrado, la letra A se asocia con W , pero también se asocia con P en la posición 4, con K en la posición 7 y con T en la posición 10. Al construir estas relaciones en un diagrama de este tipo , se obtuvo el menú a partir del cual se configurarían las conexiones de la bomba y las posiciones de inicio del tambor.

En la ilustración, se muestran tres secuencias de letras que forman bucles (o ciclos o cierres ): ATLK , TNS y TAWCN . Cuantos más bucles haya en el menú, más configuraciones de rotor candidatas podrá rechazar la bomba y, por lo tanto, menos paradas falsas.

Alan Turing realizó un análisis muy exhaustivo (sin ayuda electrónica) para estimar cuántas paradas de la bomba se esperarían según el número de letras en el menú y el número de bucles. Algunos de sus resultados se muestran en la siguiente tabla. [ 30 ] Simulaciones recientes de la bomba han mostrado resultados similares.

Valores de Stecker

Un paso de deducción utilizado por la bomba; si bien los valores intermedios reales después del diagrama de conexiones P —los valores "encadenados"— son desconocidos, si se adivina uno, es posible usar la tabla de deducción para deducir otros valores encadenados. En este caso, una suposición de que P ( A ) = Y puede usarse para deducir que P ( T ) = Q porque A y T están vinculadas en la décima posición de la tabla de deducción.

La máquina Enigma militar alemana incluía un panel de conexiones ( Steckerbrett en alemán) que intercambiaba letras (indicadas aquí por P ) antes y después del cambio del codificador principal (indicado por S ). Los criptoanalistas conocían las conexiones del panel de conexiones como valores Stecker. Si no hubiera habido un panel de conexiones, habría sido relativamente sencillo probar la configuración de un rotor; se podría configurar una máquina Typex modificada para replicar Enigma y cifrar en ella la letra de la clave A , comparándola con el texto cifrado, W. Si coincidían, se probaría la siguiente letra, comprobando que T se cifrara en S y así sucesivamente durante toda la longitud de la clave. Si en algún momento las letras no coincidían, se rechazaría la configuración inicial del rotor; la mayoría de las configuraciones incorrectas se descartarían después de probar solo dos letras. Esta prueba podría mecanizarse fácilmente y aplicarse a todas las máquinas.17 576 configuraciones de los rotores.

Sin embargo, con el panel de conexiones, era mucho más difícil realizar cifrados de prueba porque se desconocía a qué se transformaban las letras de la clave y del texto cifrado. Por ejemplo, en la primera posición, P ( A ) y P ( W ) eran desconocidas porque se desconocía la configuración del panel de conexiones.

La solución de Turing para calcular los valores de conexión (conexiones del tablero de conexiones) consistió en observar que, aunque los valores de, por ejemplo, P ( A ) o P ( W ) , eran desconocidos, la información de referencia proporcionaba relaciones conocidas entre estos valores; es decir, los valores después de la transformación del tablero de conexiones. Utilizando estas relaciones, un criptoanalista podía deducir de una a otra y, potencialmente, llegar a una contradicción lógica, en cuyo caso se podía descartar la configuración del rotor en cuestión.

Un ejemplo práctico de este razonamiento podría ser el siguiente: un criptoanalista podría suponer que P ( A ) = Y. Observando la posición 10 de la comparación entre la clave y el texto cifrado, observamos que A se cifra como T , o, expresado como una fórmula:

T = P ( S 10 ( P ( A )))

Debido a que la función P es su propia inversa, podemos aplicarla a ambos lados de la ecuación y obtener lo siguiente:

P ( T ) = S 10 ( P ( A ))

Esto nos da una relación entre P ( A ) y P ( T ) . Si P ( A ) = Y , y para la configuración del rotor en consideración S10 ( Y ) = Q ( por ejemplo), podemos deducir que

P ( T ) = S 10 ( P ( A )) = S 10 ( Y ) = Q

Si bien la tabla de referencia no nos permite determinar los valores posteriores al diagrama de conexiones, sí establece una restricción entre ellos. En este caso, muestra cómo P ( T ) queda completamente determinado si se conoce P ( A ) .

Asimismo, también podemos observar que T se cifra en L en la posición 8. Usando S 8 , también podemos deducir el valor encadenado para L usando un argumento similar, para obtener, por ejemplo,

P ( L ) = S 8 ( P ( T )) = S 8 ( Q ) = G

De manera similar, en la posición 6, K se cifra a L. Como la máquina Enigma es autorrecíproca, esto significa que en la misma posición L también se cifraría a K. Sabiendo esto, podemos aplicar el argumento una vez más para deducir un valor para P ( K ) , que podría ser:

P ( K ) = S 6 ( P ( L )) = S 6 ( G ) = F

Y de nuevo, el mismo tipo de razonamiento se aplica en la posición 7 para obtener:

P ( A ) = S 7 ( P ( K )) = S 7 ( F ) = N

Sin embargo, en este caso, hemos llegado a una contradicción , ya que, por hipótesis, asumimos inicialmente que P ( A ) = Y. Esto significa que la suposición inicial debe haber sido incorrecta, y por lo tanto (para esta configuración del rotor) P ( A ) ≠ Y (este tipo de argumento se denomina reducción al absurdo o "prueba por contradicción").

El criptoanalista planteó la hipótesis de una interconexión de la placa de conexiones para la bomba que se iba a probar. Los demás valores de los conectores y la configuración de los anillos se calcularon manualmente.

Deducción automatizada

Para automatizar estas deducciones lógicas, la máquina Bombe adoptó la forma de un circuito eléctrico. La corriente fluía por el circuito casi instantáneamente y representaba todas las deducciones lógicas posibles que podían realizarse en esa posición. Para formar este circuito, la Bombe utilizaba varios conjuntos de pilas de rotores Enigma conectados entre sí según las instrucciones de un menú, derivado de una tabla de referencia. Dado que cada máquina Enigma tenía 26 entradas y salidas, las pilas Enigma de réplica se conectaban entre sí mediante cables de 26 vías. Además, la configuración de cada rotor de la pila Enigma se desplazaba un número determinado de posiciones según su posición en la tabla de referencia; por ejemplo, una pila Enigma correspondiente a la quinta letra de la tabla de referencia estaría cuatro posiciones más adelante que la correspondiente a la primera letra.

En la práctica

Las máquinas Bombe prácticas utilizaban varias pilas de rotores girando simultáneamente para probar múltiples hipótesis sobre posibles configuraciones de la máquina Enigma, como el orden de los rotores en la pila.

Aunque la máquina Bombe de Turing funcionaba en teoría, requería tablas de depuración excesivamente largas para descartar un número suficientemente grande de configuraciones. Gordon Welchman ideó una forma de utilizar la simetría del conector de la Enigma para aumentar la potencia de la Bombe. Su sugerencia fue un accesorio llamado tablero diagonal que mejoró aún más la eficacia de la Bombe. [ 3 ]

La bomba británica

La bomba criptológica polaca (en polaco: bomba kryptologiczna ; plural bomby ) solo fue útil mientras se cumplieron tres condiciones. Primero, la forma del indicador debía incluir la repetición de la clave del mensaje; segundo, el número de rotores disponibles debía limitarse a tres, lo que daba seis "órdenes de rueda" diferentes (el orden de los tres rotores dentro de la máquina); y tercero, el número de cables del tablero de conexiones debía permanecer relativamente pequeño para que la mayoría de las letras no se conectaran . Se construyeron seis máquinas, una para cada orden de rotor posible. Las bomby se entregaron en noviembre de 1938, pero apenas un mes después los alemanes introdujeron dos rotores adicionales para cargar en el codificador Enigma, aumentando el número de órdenes de rueda en un factor de diez. Construir otras 54 bomby estaba más allá de los recursos de los polacos. Además, el 1 de enero de 1939, el número de cables del tablero de conexiones se aumentó a diez. Por lo tanto, los polacos tuvieron que volver a los métodos manuales, las hojas de Zygalski .

Alan Turing diseñó la bomba británica basándose en un principio más general: la suposición de la presencia de un texto, denominado " criba" , que los criptoanalistas podían predecir que probablemente estaría presente en un punto definido del mensaje. Esta técnica se conoce como ataque de texto plano conocido y había sido utilizada, en menor medida, por los polacos; por ejemplo, los alemanes emplearon "ANX" — "AN", que significa "A" en alemán, seguido de una "X" como separador.

Vista posterior de la máquina Bombe reconstruida. Se aprecian los paneles de conexión y los cables de 26 vías utilizados para cablear los menús. Incluye las placas diagonales que, a pesar de su nombre, son físicamente rectangulares.

Se obtuvo un presupuesto de 100 000 libras esterlinas para la construcción de la máquina de Turing y el contrato para construir las bombes se adjudicó a la British Tabulating Machine Company ( BTM) en Letchworth . [ 31 ] BTM puso el proyecto bajo la dirección de Harold 'Doc' Keen . Cada máquina medía aproximadamente 2,1 m de ancho, 1,98 m de alto, 0,61 m de profundidad y pesaba alrededor de una tonelada. [ 32 ] En la parte frontal de cada bombe había 108 lugares donde se podían montar tambores. Los tambores estaban en tres grupos de 12 tripletes. Cada triplete, dispuesto verticalmente, correspondía a los tres rotores de un codificador Enigma. Los contactos de entrada y salida de los tambores de la bombe iban a conectores de cable, lo que permitía cablear la bombe según el menú. El tambor "rápido" giraba a una velocidad de 50,4 rpm en los primeros modelos [ 33 ] y a 120 rpm en los posteriores, [ 34 ] cuando el tiempo para configurar y recorrer las 17.576 posiciones posibles para un orden de rotor era de unos 20 minutos. [ 35 ]     

La primera Bombe se llamó "Victory". Se instaló en la "Barcaza 1" en Bletchley Park el 18 de marzo de 1940. Se basó en el diseño original de Turing y, por lo tanto, carecía de un tablero diagonal. [ 36 ] El 26 de abril de 1940, el HMS Griffin  capturó un arrastrero alemán ( Schiff 26 , el Polares ) que enarbolaba una bandera holandesa; entre la captura se encontraban algunas llaves Enigma para los días 23 al 26 de abril. [ 37 ] Bletchley atacó retrospectivamente algunos mensajes enviados durante este período utilizando el material capturado y un ingenioso menú de Bombe donde los rotores rápidos de Enigma estaban todos en la misma posición. [ 38 ] En mayo y junio de 1940, Bletchley logró romper seis días de tráfico naval, del 22 al 27 de abril de 1940. [ 39 ] Esos mensajes fueron los primeros desciframientos de mensajes de la Kriegsmarine de la guerra, "[p]ero aunque este éxito amplió el conocimiento de la Sección Naval sobre la organización de señales de la Kriegsmarine, no afectó las operaciones navales ni hizo posibles más soluciones navales de Enigma". [ 40 ] La segunda bomba, llamada " Agnus dei ", luego abreviada a "Agnes" o "Aggie", estaba equipada con el tablero diagonal de Welchman y se instaló el 8 de agosto de 1940; "Victory" fue luego devuelta a Letchworth para que se le instalara un tablero diagonal. [ 41 ] Las bombas fueron luego trasladadas de "Hut 1" a "Hut 11". El capitán de grupo Winterbotham se refería a la bomba como una "Diosa de Bronce" debido a su color. [ 42 ] Los operadores describieron los dispositivos de manera más prosaica como "grandes estanterías metálicas". [ 43 ]

Durante 1940, se descifraron 178 mensajes en las dos máquinas, casi todos con éxito. Debido al peligro de que las máquinas bombeadas en Bletchley Park se perdieran en caso de un bombardeo, se establecieron estaciones de bombeadas [ 44 ] en Adstock , Gayhurst y Wavendon , todas en Buckinghamshire . [ 45 ] En junio-agosto de 1941 había de 4 a 6 máquinas bombeadas en Bletchley Park, y cuando se completó Wavendon, Bletchley, Adstock y Wavendon tenían un total de 24 a 30 máquinas bombeadas. Cuando Gayhurst entró en funcionamiento había un total de 40 a 46 máquinas bombeadas, y se esperaba que el total aumentara a unas 70 máquinas bombeadas operadas por unas 700 Wrens (Servicio Naval Real Femenino) . Pero en 1942 con la introducción de la Enigma naval de cuatro rotores, se necesitarían "muchas más de setenta máquinas bombeadas". Se establecieron nuevas bases en Stanmore y Eastcote , y los bombarderos Wavendon y Adstock fueron trasladados a ellas, aunque se conservó el emplazamiento de Gayhurst. Los pocos bombarderos que quedaron en Bletchley Park se utilizaron únicamente para demostraciones y entrenamiento. [ 46 ]

La producción de bombas por parte de BTM en Letchworth en condiciones de guerra no fue ni de lejos tan rápida como la que lograron posteriormente los estadounidenses en NCR en Dayton, Ohio.

Edward Travis le encomendó al sargento Jones la responsabilidad general del mantenimiento de las bombas Bombe . Posteriormente, ascendió a comandante de escuadrón (y no debe confundirse con Eric Jones) , fue uno de los ingenieros de mantenimiento originales de las Bombe y tenía experiencia en técnicas BTM . Welchman comentó que, más adelante en la guerra, cuando otros intentaron realizar el mantenimiento, se dieron cuenta de la suerte que tuvieron de contar con él. Aproximadamente 15 millones de delicados cepillos de alambre en los tambores debían hacer contacto fiable con los terminales de la plantilla. Había 104 cepillos por tambor, 720 tambores por Bombe y, en total, alrededor de 200 Bombe. [ 52 ]

Tras la Segunda Guerra Mundial, unas cincuenta máquinas Bombe se conservaron en la base aérea de Eastcote , mientras que el resto fueron destruidas. Las Bombe supervivientes se pusieron a trabajar, posiblemente en cifrados del bloque del Este . Smith cita la historia oficial de la Bombe, que afirma que «algunas de estas máquinas se almacenaron, pero otras se necesitaron para realizar nuevos trabajos y dieciséis se mantuvieron relativamente ocupadas con menús». Y añade: «Es interesante observar que surgieron la mayoría de los trabajos y que los tiempos de operación, comprobación y otros tiempos de mantenimiento fueron más rápidos que los mejores tiempos durante los períodos de guerra». [ 53 ]

Respuesta al Enigma de cuatro rotores

Bletchley Park inició un programa para diseñar máquinas descifradoras mucho más rápidas que pudieran descifrar el sistema de cuatro rotores en un tiempo razonable. Existían dos líneas de desarrollo. Una, con nombre en clave Cobra, equipada con una unidad de detección electrónica, fue producida por Charles Wynn-Williams del Telecommunications Research Establishment (TRE) en Malvern y Tommy Flowers de la General Post Office (GPO). [ 54 ] La otra, con nombre en clave Mammoth, fue diseñada por Harold Keen en BTM , Letchworth. La entrega inicial estaba prevista para agosto o septiembre de 1942. [ 47 ] Los dos proyectos de desarrollo generaron una considerable tensión entre los dos equipos, que pusieron en duda la viabilidad de la máquina del equipo contrario. Tras una considerable rivalidad y disputa interna, Gordon Welchman (para entonces, subdirector de mecanización de Bletchley Park) se vio obligado a intervenir para resolver la situación. Finalmente, Cobra resultó poco fiable y Mammoth entró en producción a gran escala. [ 55 ]

A diferencia de la situación en Bletchley Park, las fuerzas armadas de Estados Unidos no compartían un servicio criptoanalítico conjunto. De hecho, existía una considerable rivalidad entre la instalación del Ejército de EE. UU. , el Servicio de Inteligencia de Señales (SIS) , y la de la Armada de EE. UU. conocida como OP-20-G . [ 56 ] Antes de que EE. UU. entrara en la guerra, existía colaboración con Gran Bretaña, aunque con una considerable cautela por parte de Gran Bretaña debido a la extrema importancia de que Alemania y sus aliados no supieran que sus códigos estaban siendo descifrados. A pesar de cierta colaboración valiosa entre los criptoanalistas, sus superiores tardaron algún tiempo en lograr una relación de confianza en la que tanto los sistemas Bombe británicos como los estadounidenses se utilizaran para beneficio mutuo.

En febrero de 1941, el capitán Abe Sinkov y el teniente Leo Rosen del Ejército de los EE. UU., y los tenientes Robert Weeks y Prescott Currier de la Armada de los EE. UU ., llegaron a Bletchley Park trayendo, entre otras cosas, una réplica de la máquina de cifrado "Purple" para la sección japonesa de Bletchley Park en el Barracón 7. [ 57 ] Los cuatro regresaron a Estados Unidos después de diez semanas, con una unidad de radiogoniometría naval y muchos documentos [ 58 ] incluyendo una "Enigma de papel". [ 59 ]

Currier escribió más tarde:

Hubo total cooperación. Fuimos a todas partes, incluyendo el Barracón 6. Observamos toda la operación y nos explicaron todas las técnicas con gran detalle. Nos informaron exhaustivamente sobre las últimas técnicas para la resolución de Enigma y el funcionamiento de las máquinas Bombe. Tuvimos amplia oportunidad de tomar todas las notas que quisimos y de observar de primera mano todas las operaciones involucradas. [ 60 ]

La principal respuesta a la máquina Enigma de cuatro rotores fue la máquina Bombe de la Armada estadounidense, que se fabricó en instalaciones mucho menos limitadas que las disponibles en Gran Bretaña durante la guerra.

Bomba de la Armada de los Estados Unidos

El coronel John Tiltman , quien más tarde se convirtió en subdirector en Bletchley Park, visitó la oficina de criptoanálisis de la Armada de los EE. UU. ( OP-20-G ) en abril de 1942 y reconoció el interés vital de Estados Unidos en descifrar el tráfico de los submarinos. La necesidad urgente, las dudas sobre la carga de trabajo de ingeniería británica y el lento progreso, impulsaron a los EE. UU. a comenzar a investigar diseños para una bomba naval, basándose en los planos completos y diagramas de cableado recibidos por los tenientes navales estadounidenses Robert Ely y Joseph Eachus en Bletchley Park en julio de 1942. [ 62 ] [ 16 ] [ 63 ] Se solicitó financiación para un esfuerzo de desarrollo naval completo de 2 millones de dólares el 3 de septiembre de 1942 y se aprobó al día siguiente.

La Bombe de la Armada de los EE. UU. contenía 16 análogos de Enigma de cuatro rotores y era mucho más rápida que las Bombe británicas de tres rotores. [ 64 ]

El comandante Edward Travis , subdirector, y Frank Birch , jefe de la Sección Naval Alemana, viajaron de Bletchley Park a Washington en septiembre de 1942. Junto con Carl Frederick Holden , director de Comunicaciones Navales de EE . UU., establecieron, el 2 de octubre de 1942, un acuerdo entre el Reino Unido y EE. UU. que podría tener "una pretensión más firme que el BRUSA de ser el precursor del Acuerdo UKUSA ", al ser el primer acuerdo "en establecer la relación especial de inteligencia de señales entre los dos países", y "sentó las bases para el UKUSA, en el sentido de que Estados Unidos era el socio principal de la alianza". [ 65 ] Este acuerdo estableció una relación de "colaboración plena" entre Bletchley Park y OP-20-G. [ 16 ]

Se consideró una solución totalmente electrónica para el problema de una bomba rápida, [ 16 ] pero se descartó por razones pragmáticas y se firmó un contrato con la National Cash Register Corporation (NCR) en Dayton, Ohio . Esto estableció el Laboratorio de Máquinas de Computación Naval de los Estados Unidos . [ 7 ] El desarrollo de ingeniería fue liderado por Joseph Desch de NCR .

Alan Turing , quien había escrito un memorándum a OP-20-G (probablemente en 1941), [ 66 ] fue adscrito a la Misión Conjunta del Estado Mayor Británico en Washington en diciembre de 1942, debido a su conocimiento excepcionalmente amplio sobre las máquinas Bombe y los métodos de su uso. Se le pidió que examinara las máquinas Bombe que estaba construyendo NCR y la seguridad de ciertos equipos de cifrado de voz en desarrollo en Bell Labs. [ 67 ] Visitó OP-20-G y fue a NCR en Dayton el 21 de diciembre. Pudo demostrar que no era necesario construir 336 máquinas Bombe, una para cada posible orden de rotor, utilizando técnicas como Banburismus . [ 16 ] El pedido inicial se redujo a 96 máquinas.

Las máquinas Bombe de la Armada de los EE. UU. utilizaban tambores para los rotores Enigma de forma muy similar a las Bombe británicas. Tenían ocho equivalentes de Enigma en la parte delantera y ocho en la trasera. El tambor rápido giraba a 1725 rpm , 34 veces la velocidad de las primeras Bombe británicas. Las paradas se detectaban electrónicamente mediante válvulas termoiónicas (tubos de vacío) —principalmente tiratrones— para los circuitos de alta velocidad. Cuando se encontraba una parada [ 68 ], la máquina se detenía al reducir la velocidad, retrocedía a la posición encontrada e imprimía el resultado antes de reiniciarse. El tiempo de funcionamiento para una prueba con 4 rotores era de unos 20 minutos, y para una prueba con 3 rotores, de unos 50 segundos. [ 69 ] Cada máquina medía 3,0 m de ancho, 2,1 m de alto, 0,61 m de profundidad y pesaba 2,5 toneladas.   

La primera máquina se completó y probó el 3 de mayo de 1943. Para el 22 de junio, las dos primeras máquinas, llamadas 'Adam' y 'Eve', descifraron un cifrado naval alemán particularmente difícil, los ajustes de oficial para el 9 y 10 de junio. [ 70 ] AP Mahon, quien se había unido a la Sección Naval en el Barracón 8 en 1941, informó en su "Historia del Barracón Ocho 1939-1945" oficial de 1945:

La bomba estadounidense era esencialmente igual que la inglesa, aunque funcionaba mejor, ya que no se veía limitada por tener que fabricarla, como Keen se vio obligado a hacer debido a dificultades de producción, sobre el bastidor de una máquina de tres ruedas. A finales del otoño [de 1943], las nuevas máquinas estadounidenses entraban en funcionamiento a un ritmo de aproximadamente dos por semana, llegando a un total de alrededor de 125. [ 71 ]

Estas máquinas Bombe eran más rápidas y pronto estuvieron más disponibles que las Bombe británicas en Bletchley Park y sus estaciones de avanzada. En consecuencia, se utilizaron para el trabajo en la Barraca 6 , así como en la Barraca 8. [ 72 ] En su "Historia criptográfica del trabajo en la máquina Enigma naval alemana", Alexander escribió lo siguiente.

Cuando los estadounidenses comenzaron a producir bombas en grandes cantidades, hubo un intercambio constante de señales: claves, mensajes, chat criptográfico, etc. Todo esto se transmitía por cable, primero cifrado en la máquina de cifrado angloamericana combinada, CCM. La mayoría de las claves eran de urgencia operativa, por lo que la comunicación rápida y eficiente era esencial, y se alcanzó un alto nivel en este aspecto; una señal de emergencia prioritaria, consistente en una clave larga con la clave y el mensaje repetidos como medida de seguridad contra la corrupción, tardaba menos de una hora desde que comenzábamos a escribir la señal en la cabaña 8 hasta que se completaba su descifrado en la Op. 20 G. Como resultado, pudimos usar las bombas de la Op. 20 G casi con la misma facilidad que si hubieran estado en una de nuestras estaciones avanzadas a 20 o 30 millas de distancia. [ 73 ] Cap. VIII párr. 11

La producción se detuvo en septiembre de 1944 tras la fabricación de 121 bombas. [ 69 ] La última bomba fabricada por la Armada de los Estados Unidos se exhibe en el Museo Nacional de Criptología de los Estados Unidos . Jack Ingram, antiguo conservador del museo, relata que le informaron de la existencia de una segunda bomba y que la buscó, pero no la encontró completa. Se desconoce si permanece almacenada en piezas, a la espera de ser descubierta, o si ya no existe.

Bomba del Ejército de los Estados Unidos

La Bombe del Ejército de los EE. UU. era físicamente muy diferente de las bombes británicas y de la Armada de los EE. UU. El contrato para su creación se firmó con Bell Labs el 30 de septiembre de 1942. [ 74 ] La máquina fue diseñada para analizar el tráfico de 3 rotores, no de 4 rotores. Era conocida como "003" o "Madame X". [ 75 ] [ 76 ] No utilizaba tambores para representar los rotores de Enigma, sino relés de tipo telefónico. Sin embargo, podía manejar un problema que las bombes con tambores no podían. [ 69 ] [ 72 ] El conjunto de diez bombes consistía en un total de 144 equivalentes de Enigma, cada uno montado en un bastidor de aproximadamente 2,1 m de largo , 2,4 m de alto y 150 mm de ancho. Había 12 estaciones de control que podían asignar cualquiera de los equivalentes de Enigma a la configuración deseada mediante paneles de conexión. Los cambios de orden de los rotores no requerían el proceso mecánico de cambio de tambores, sino que se realizaban en aproximadamente medio minuto mediante pulsadores. [ 68 ] Una operación con 3 rotores duraba aproximadamente 10 minutos. [ 69 ]   

Reconstrucción de la planta Bombe

En 1994, un grupo liderado por John Harper de la BCS Computer Conservation Society inició un proyecto para construir una réplica funcional de una máquina Bombe. [ 77 ] El proyecto requirió una investigación detallada y tomó trece años de esfuerzo antes de que la réplica se completara, la cual luego se exhibió en el museo de Bletchley Park . En marzo de 2009 ganó un premio de Patrimonio de la Ingeniería. [ 78 ] La reconstrucción de la Bombe se trasladó al Museo Nacional de la Computación en Bletchley Park en mayo de 2018, [ 79 ] la nueva galería reabrió oficialmente el 23 de junio de 2018. [ 80 ]

Simuladores

  • Bomba virtual: simulación 3D en línea de una bomba Turing-Welchman.
  • Turing Bombe y simulador de la Bombe de la Armada de los EE. UU.

Véase también

Notas

  1. ↑ Welchman 2005 , págs. 138–145.
  2. ↑ Smith 2007 , pág. 60.
  3. 1 2 Welchman 2005 , pág. 77.
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  7. 1 2 Wenger 1945 .
  8. ↑ Budiansky 2000 , pág. 195.
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  13. ↑ Kahn 1991 , p. 40 afirma que la primera Enigma utilizaba 3 rotores, pero que había disponibles 5. Esto generaría aproximadamente 1 millón de posiciones iniciales posibles. En lugar de 26 posiciones, la primera Enigma naval tenía 29 porque incluía 3 caracteres con diéresis. 
  14. ↑ Kahn 1991 , p. 40 describe las preocupaciones alemanas sobre el ataque de superposición. 
  15. ↑ Kahn (1991 , p. 43) , afirmando: "En particular, aceptó las incómodas conclusiones de un estudio del teniente Henno Lucan, segundo oficial de radio del acorazado Elsass , de que ni en seguridad física ni criptológica la Enigma cumplía con los requisitos modernos". 
  16. ^ Budiansky 2000 , págs . 238-242 . 
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Referencias

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  • Un simulador tanto para Turing como para las bombas de la Armada de los EE. UU.
  • Descifrando los mensajes de la Armada alemana: Los mensajes U534 de la máquina Enigma M4: Descifrados con un software de la máquina Bombe de Turing.
  • Máquinas de cifrado Enigma en el Museo de Criptografía.
  • Vídeo: Descifrando el código Enigma con la máquina Bombe de Turing-Welchman (Ejemplo paso a paso)