Máquina de rotor - Rotor machine

Uma série de três rotores de uma máquina Enigma, usada pela Alemanha durante a Segunda Guerra Mundial
Vista explodida de um rotor de máquina Enigma: 1 anel entalhado, 2 pontos marcando a posição do contato "A", 3 letras "pneu" ou anel, 4 contatos da placa elétrica, conexões de 5 fios, 6 molas contatos de pino carregados, alavanca de ajuste de anel com 7 molas, 8-cubo, através da qual se encaixa o eixo central, roda de 9 dedos, mecanismo de 10 catracas

Na criptografia , uma máquina de rotor é um dispositivo de codificação de fluxo eletromecânico usado para criptografar e descriptografar mensagens. As máquinas de rotor foram o estado da arte da criptografia em um período importante da história; eles eram amplamente usados ​​nas décadas de 1920-1970. O exemplo mais famoso é a máquina alemã Enigma , cuja saída foi decifrada pelos Aliados durante a Segunda Guerra Mundial, produzindo inteligência com o codinome Ultra .

Descrição

O componente principal é um conjunto de rotores , também chamados de rodas ou tambores , que são discos giratórios com uma série de contatos elétricos em cada lado. A fiação entre os contatos implementa uma substituição fixa de letras, substituindo-as de alguma forma complexa. Por si só, isso ofereceria pouca segurança; porém, após criptografar cada letra, os rotores avançam posições, alterando a substituição. Dessa forma, uma máquina de rotor produz uma cifra de substituição polialfabética complexa , que muda a cada pressionamento de tecla.

Fundo

Rotores de 40 pontos de uma máquina feita por Tatjana van Vark

Na criptografia clássica , um dos métodos mais antigos de criptografia era a cifra de substituição simples , em que as letras em uma mensagem eram sistematicamente substituídas usando algum esquema secreto. As cifras de substituição monoalfabéticas usavam apenas um único esquema de substituição - às vezes chamado de "alfabeto"; isso poderia ser facilmente quebrado, por exemplo, usando análise de frequência . Um pouco mais seguros eram os esquemas que envolviam vários alfabetos, cifras polialfabéticas . Como esses esquemas eram implementados à mão, apenas um punhado de alfabetos diferentes podiam ser usados; qualquer coisa mais complexa seria impraticável. No entanto, usar apenas alguns alfabetos deixou as cifras vulneráveis ​​a ataques. A invenção das máquinas de rotor mecanizou a criptografia polialfabética, proporcionando uma maneira prática de usar um número muito maior de alfabetos.

A técnica criptanalítica mais antiga era a análise de frequência , na qual padrões de letras exclusivos para cada idioma podiam ser usados ​​para descobrir informações sobre o (s) alfabeto (s) em uso em uma cifra de substituição monoalfabética . Por exemplo, em inglês, as letras do texto simples E, T, A, O, I, N e S, são geralmente fáceis de identificar no texto cifrado com base no fato de que, uma vez que são muito frequentes (ver ETAOIN SHRDLU ), suas letras de texto cifrado correspondentes irão também ser tão frequente. Além disso, combinações de bigramas como NG, ST e outros também são muito frequentes, enquanto outros são realmente raros (Q seguido por qualquer coisa diferente de U, por exemplo). A análise de frequência mais simples depende de uma letra do texto cifrado sempre substituída por uma letra do texto simples na cifra: se não for o caso, decifrar a mensagem é mais difícil. Por muitos anos, os criptógrafos tentaram ocultar as frequências reveladoras usando várias substituições diferentes para letras comuns, mas essa técnica foi incapaz de ocultar totalmente os padrões nas substituições de letras de texto simples. Esses esquemas estavam sendo amplamente quebrados no século XVI.

Em meados do século 15, uma nova técnica foi inventada por Alberti , agora conhecida geralmente como cifras polialfabéticas , que reconhecia a virtude de usar mais do que um único alfabeto de substituição; ele também inventou uma técnica simples para "criar" uma infinidade de padrões de substituição para uso em uma mensagem. Duas partes trocaram uma pequena quantidade de informação (referida como a chave ) e a usaram para criar muitos alfabetos de substituição e tantas substituições diferentes para cada letra do texto simples no decorrer de um único texto simples. A ideia é simples e eficaz, mas provou ser mais difícil de usar do que se esperava. Muitas cifras eram apenas implementações parciais de Alberti e, portanto, eram mais fáceis de quebrar do que deveriam ser (por exemplo, a cifra de Vigenère ).

Somente na década de 1840 (Babbage) foi conhecida qualquer técnica que pudesse quebrar qualquer uma das cifras polialfabéticas. Sua técnica também procurava padrões repetidos no texto cifrado , que fornecem pistas sobre o comprimento da chave. Uma vez que isso é conhecido, a mensagem se torna essencialmente uma série de mensagens, cada uma com o comprimento da chave, à qual a análise de frequência normal pode ser aplicada. Charles Babbage , Friedrich Kasiski e William F. Friedman estão entre os que mais fizeram para desenvolver essas técnicas.

Os designers de cifras tentaram fazer com que os usuários usassem uma substituição diferente para cada letra, mas isso geralmente significava uma chave muito longa, o que era um problema de várias maneiras. Uma chave longa leva mais tempo para ser transmitida (com segurança) às partes que dela precisam e, portanto, erros são mais prováveis ​​na distribuição de chaves. Além disso, muitos usuários não têm paciência para realizar evoluções longas e perfeitas, e certamente não sob pressão de tempo ou estresse no campo de batalha. A cifra 'final' deste tipo seria aquela em que tal chave 'longa' pudesse ser gerada a partir de um padrão simples (idealmente automaticamente), produzindo uma cifra na qual existem tantos alfabetos de substituição que a contagem de frequência e os ataques estatísticos seriam efetivamente impossível. Enigma, e as máquinas de rotor em geral, eram exatamente o que era necessário, já que eram seriamente polialfabéticos, usando um alfabeto de substituição diferente para cada letra do texto simples, e automáticos, não exigindo habilidades extraordinárias de seus usuários. Suas mensagens eram, geralmente, muito mais difíceis de quebrar do que qualquer cifra anterior.

Mecanização

É simples criar uma máquina para realizar substituições simples. Em um sistema elétrico com 26 interruptores acoplados a 26 lâmpadas, qualquer um dos interruptores acenderá uma das lâmpadas. Se cada interruptor for operado por uma chave em uma máquina de escrever , e as lâmpadas forem rotuladas com letras, esse sistema pode ser usado para criptografia escolhendo a fiação entre as chaves e a lâmpada: por exemplo, digitar a letra A faria o lâmpada rotulada Q acende. Porém, a fiação é fixa, proporcionando pouca segurança.

As máquinas de rotor mudam a fiação de interconexão a cada golpe da tecla. A fiação é colocada dentro de um rotor e, em seguida, girada com uma engrenagem toda vez que uma letra é pressionada. Assim, enquanto pressionando A primeira vez pode gerar um Q , da próxima vez que pode gerar um J . Cada letra pressionada no teclado incrementa a posição do rotor e obtém uma nova substituição, implementando uma cifra de substituição polialfabética.

Dependendo do tamanho do rotor, isso pode, ou não, ser mais seguro do que cifras manuais. Se o rotor tiver apenas 26 posições, uma para cada letra, todas as mensagens terão uma chave (de repetição) com 26 letras. Embora a chave em si (a maior parte oculta na fiação do rotor) possa não ser conhecida, os métodos para atacar esses tipos de cifras não precisam dessa informação. Portanto, embora essa máquina de rotor único seja certamente fácil de usar, ela não é mais segura do que qualquer outro sistema de cifra polialfabética parcial.

Mas isso é fácil de corrigir. Simplesmente empilhe mais rotores próximos um do outro e engrene-os juntos. Depois que o primeiro rotor girar "até o fim", faça o rotor ao lado dele girar uma posição. Agora você teria que digitar 26 × 26 = 676 letras (para o alfabeto latino ) antes que a tecla se repita, e ainda assim, só requer que você comunique uma tecla de duas letras / números para configurar as coisas. Se uma chave de 676 comprimento não for longa o suficiente, outro rotor pode ser adicionado, resultando em um período de 17.576 letras.

Para serem tão fáceis de decifrar quanto cifrar, algumas máquinas de rotor, principalmente a máquina Enigma , foram projetadas para serem simétricas , ou seja, criptografar duas vezes com as mesmas configurações recupera a mensagem original (ver involução ).

História

Invenção

O conceito de uma máquina de rotor ocorreu a vários inventores de forma independente em um momento semelhante.

Em 2003, descobriu-se que os primeiros inventores foram dois oficiais da marinha holandesa , Theo A. van Hengel (1875–1939) e RPC Spengler (1875–1955) em 1915 (De Leeuw, 2003). Anteriormente, a invenção havia sido atribuída a quatro inventores trabalhando de forma independente e quase ao mesmo tempo: Edward Hebern , Arvid Damm , Hugo Koch e Arthur Scherbius .

Nos Estados Unidos, Edward Hugh Hebern construiu uma máquina de rotor usando um único rotor em 1917. Ele se convenceu de que ficaria rico vendendo tal sistema para os militares, a Máquina de Rotor Hebern , e produziu uma série de máquinas diferentes com um a cinco rotores . Seu sucesso foi limitado, entretanto, e ele faliu na década de 1920. Ele vendeu um pequeno número de máquinas para a Marinha dos Estados Unidos em 1931.

Nas máquinas de Hebern, os rotores podiam ser abertos e a fiação trocada em poucos minutos, de forma que um único sistema produzido em massa pudesse ser vendido a vários usuários que, então, produziriam sua própria chaveamento de rotor. A descriptografia consistia em retirar o (s) rotor (es) e girá-los para reverter o circuito. Sem o conhecimento de Hebern, William F. Friedman, do SIS do Exército dos EUA , prontamente demonstrou uma falha no sistema que permitia que as cifras dele, e de qualquer máquina com características de design semelhantes, fossem quebradas com trabalho suficiente.

Outro dos primeiros inventores de máquinas de rotor foi o holandês Hugo Koch , que registrou a patente de uma máquina de rotor em 1919. Mais ou menos na mesma época, na Suécia , Arvid Gerhard Damm inventou e patenteou outro projeto de rotor. No entanto, a máquina de rotor acabou ficando famosa por Arthur Scherbius , que registrou uma patente de máquina de rotor em 1918. Scherbius mais tarde passou a projetar e comercializar a máquina Enigma .

A máquina Enigma

Uma máquina Enigma alemã

O dispositivo de criptografia de rotor mais conhecido é a máquina alemã Enigma usada durante a Segunda Guerra Mundial, da qual havia várias variantes.

O modelo Enigma padrão, Enigma I, usava três rotores. No final da pilha de rotores estava um disco não giratório adicional, o "refletor", conectado de forma que a entrada fosse conectada eletricamente de volta a outro contato no mesmo lado e, assim, fosse "refletida" de volta através dos três pilha de rotor para produzir o texto cifrado .

Quando a corrente era enviada para a maioria das outras máquinas de criptografia de rotor, ela viajava através dos rotores e saía do outro lado para as lâmpadas. No Enigma, porém, era "refletido" de volta pelos discos antes de ir para as lâmpadas. A vantagem disso era que não havia nada a ser feito na configuração para decifrar uma mensagem; a máquina era "simétrica" ​​o tempo todo.

Reflector da Enigma garantido que nenhuma carta pode ser cifrada como a própria, portanto, uma Um nunca poderia voltar atrás em um A . Isso ajudou os esforços poloneses e, posteriormente, britânicos para quebrar a cifra. ( Veja Criptoanálise do Enigma .)

Scherbius juntou forças com um engenheiro mecânico chamado Ritter e formou a Chiffriermaschinen AG em Berlim antes de demonstrar a Enigma ao público em Berna em 1923, e depois em 1924 no Congresso Postal Mundial em Estocolmo . Em 1927, a Scherbius comprou as patentes de Koch e, em 1928, eles adicionaram um painel de encaixe , essencialmente um quarto rotor não giratório com fio manual, na parte frontal da máquina. Após a morte de Scherbius em 1929, Willi Korn foi responsável pelo desenvolvimento técnico da Enigma.

Como com outros esforços iniciais de máquina de rotor, Scherbius teve sucesso comercial limitado. No entanto, as forças armadas alemãs, respondendo em parte às revelações de que seus códigos foram quebrados durante a Primeira Guerra Mundial, adotaram o Enigma para proteger suas comunicações. O Reichsmarine adotou o Enigma em 1926, e o exército alemão começou a usar uma variante diferente por volta de 1928.

O Enigma (em várias variantes) era a máquina de rotor que a empresa de Scherbius e seu sucessor, Heimsoth & Reinke, forneciam aos militares alemães e a agências como a organização de segurança do partido nazista, SD .

Os poloneses quebraram o Enigma do Exército Alemão a partir de dezembro de 1932, não muito depois de ele ter entrado em serviço. Em 25 de julho de 1939, apenas cinco semanas antes da invasão da Polônia por Hitler, o Gabinete de Cifras do Estado-Maior Polonês compartilhou seus métodos e equipamentos de descriptografia Enigma com os franceses e britânicos como a contribuição dos poloneses para a defesa comum contra a Alemanha nazista. Dilly Knox já havia quebrado mensagens nacionalistas espanholas em uma máquina comercial Enigma em 1937 durante a Guerra Civil Espanhola .

Poucos meses depois, usando as técnicas polonesas, os britânicos começaram a ler cifras Enigma em colaboração com os criptologistas do Departamento de Cifras polonês que haviam escapado da Polônia, invadida pelos alemães, para chegar a Paris . Os poloneses continuaram quebrando o Enigma do Exército Alemão - junto com o tráfego do Enigma da Luftwaffe - até que o trabalho na Estação PC Bruno na França foi encerrado pela invasão alemã de maio-junho de 1940.

Os britânicos continuaram quebrando a Enigma e, eventualmente auxiliados pelos Estados Unidos, estenderam o trabalho ao tráfego da Enigma Naval Alemã (que os poloneses tinham lido antes da guerra), mais especialmente de e para submarinos durante a Batalha do Atlântico .

Várias máquinas

A pilha de rotor de uma máquina de rotor Enigma. Os rotores desta máquina contêm 26 contatos.

Durante a Segunda Guerra Mundial (WWII), tanto os alemães quanto os aliados desenvolveram máquinas de rotor adicionais. Os alemães usaram as máquinas Lorenz SZ 40/42 e Siemens e Halske T52 para codificar o tráfego de teleimpressora que usava o código Baudot ; esse tráfego era conhecido como Peixe para os Aliados. Os Aliados desenvolveram o Typex (britânico) e o SIGABA (americano). Durante a guerra, os suíços começaram a desenvolver uma melhoria Enigma que se tornou a máquina NEMA, que foi colocada em serviço após a Segunda Guerra Mundial. Havia até uma variante do Enigma desenvolvida pelos japoneses, na qual os rotores ficavam horizontalmente; aparentemente nunca foi colocado em serviço. A máquina japonesa PURPLE não era uma máquina de rotor, sendo construída em torno de interruptores elétricos de passo , mas era conceitualmente semelhante.

As máquinas de rotor continuaram a ser usadas mesmo na era do computador. A KL-7 (ADONIS), uma máquina de criptografia com 8 rotores, foi amplamente utilizada pelos Estados Unidos e seus aliados dos anos 1950 aos 1980. A última mensagem canadense criptografada com um KL-7 foi enviada em 30 de junho de 1983. A União Soviética e seus aliados usaram uma máquina de 10 rotores chamada Fialka até a década de 1970.

Typex era uma máquina de rotor de impressão usada pelo Reino Unido e sua Comunidade e foi baseada nas patentes da Enigma.
O US SIGCUM era um sistema de cinco rotores usado para criptografar o tráfego de teletipo.

Uma máquina de rotor único foi construído em 2002 pela Holanda baseado Tatjana van Vark. Este dispositivo incomum é inspirado na Enigma, mas faz uso de rotores de 40 pontos, permitindo letras, números e alguma pontuação; cada rotor contém 509 peças.

Uma implementação de software de uma máquina de rotor foi usada no comando crypt que fazia parte dos primeiros sistemas operacionais UNIX . Foi um dos primeiros programas de software a entrar em conflito com os regulamentos de exportação dos EUA, que classificavam as implementações criptográficas como munições.

Lista de máquinas de rotor

Referências

  • Friedrich L. Bauer , "Um erro na história dos dispositivos de criptografia de rotor", Cryptologia 23 (3), julho de 1999, página 206.
  • Cipher A. Deavours, Louis Kruh, "Machine Cryptography and Modern Cryptanalysis", Artech House, 1985. ISBN   0-89006-161-0 .
  • Karl de Leeuw, "A invenção holandesa da máquina de rotor, 1915-1923". Cryptologia 27 (1), janeiro de 2003, pp73–94.

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