چگونه متفقین ماشین انیگما را شکستند

با انجام این کار، آنها به شکست یکی از بزرگترین شرارت هایی که جهان تا به حال دیده است کمک کردند و مقدمه ای برای کامپیوتر مدرن ایجاد کردند. اما این فقط تاریخ نیست که ما دنبال آن هستیم. حتی تقریباً یک قرن بعد، درس‌هایی وجود دارد که می‌توانیم در اینجا درباره امنیت سایبری مدرن بیاموزیم.

عنصر غافلگیری در جنگ بسیار مهم است. پیام دشمن را رهگیری کنید و قبل از انجام آنها از حرکات آنها مطلع خواهید شد. جنگ جهانی دوم نیز از این قاعده مستثنی نبود.

امواج رادیویی کشورهای جنگ جهانی دوم را قادر ساخت تا با سربازان خود در فواصل وسیع ارتباط برقرار کنند. با این حال، شنیدن آن پیام ها برای دشمنان نیز آسان بود. در جنگی که همه می توانند حرف های شما را بشنوند، برای انتقال اطلاعات محرمانه باید با رمز صحبت کنید. به همین دلیل بود که دولت آلمان ماشین انیگما را توسعه داد.

دستگاه انیگما چیست؟

دستگاه انیگما صفحه کلیدی بود که پیام‌ها را به‌گونه‌ای درهم می‌کرد که تنها توسط شخصی با استفاده از یک دستگاه مشابه با تنظیمات یکسان در جای دیگری می‌توانست آن را درهم کند. در ابتدا برای استفاده تجاری و دیپلماتیک قبل از جنگ ایجاد شد، اما دولت بعداً شروع به توسعه نسخه هایی با رمزگذاری قوی تر به طور انحصاری برای ارتش کرد.

این دستگاه شبیه ماشین تحریر بود، اما به جای تایپ حروف روی یک ورق کاغذ، تابلویی از چراغ داشت که برای هر حرف الفبا یک چراغ داشت. همانطور که اپراتور هر حرف از پیام خود را در دستگاه تایپ می کرد، یک حرف روی تابلو روشن می شد تا حرف به حرف، یک پیام درهم تولید شود.

ارتش آلمان در طول جنگ جهانی دوم از انیگما به شدت استفاده کرد. پیام‌های رمزگذاری‌شده ظاهراً نشکن آنها، حرکات ارتش، حملات هواپیماها و زیردریایی‌های مرگبار یوبوت را هدایت می‌کرد که کشتی‌های نظامی و غیرنظامی متفقین را در دو سوی اقیانوس اطلس به وحشت انداختند.

شکستن ماشین انیگما کلید کسب مزیت در جنگ جهانی دوم بود. اما ابتدا باید بفهمند که چگونه کار می کند.

دستگاه انیگما چگونه کار می کرد؟

کلید قدرت آن به روشی هوشمندانه بود که داخل آن سیم کشی شده بود. انیگما در زمان جنگ می‌تواند تریلیون‌ها و تریلیون‌ها ترکیب بالقوه ایجاد کند – بسیار زیاد برای هر روش معاصری. اما بعداً به آن خواهیم رسید. ابتدا، بیایید ببینیم برای ایجاد و ارسال یک پیام رمزگذاری شده با Enigma چه کاری باید انجام دهید:

مراحلی که باید برای ایجاد و ارسال پیام رمزگذاری شده با Enigma بردارید

تنظیمات خود را بررسی کنید

Enigma فقط در صورتی کار می‌کند که هر دو طرف مکالمه از تنظیمات یکسانی استفاده می‌کنند. برای این منظور، ارتش آلمان برگه هایی از تنظیمات روزانه Enigma را صادر می کند که در فرکانس های مختلف – معمولاً یک بار در ماه – جایگزین می شود.

Enigma به طور مداوم در طول جنگ به روز می شد، بنابراین انواع دقیق تنظیمات متفاوت بود. با این حال، آنها معمولا شامل:

     روتورها: Enigma M1 دارای سه روتور بود که اپراتور می‌توانست از بین 5 روتور انتخاب کند، اگرچه این تعداد بعداً به 8 افزایش یافت (و ماشینی با 4 شیار روتور در اواخر جنگ آزاد شد). روتورهای صحیح را وارد می‌کنید و سپس…

     موقعیت های روتور: هر روتور یک چرخ دنده با 26 موقعیت بود – یک موقعیت برای هر حرف الفبا. موقعیت شروع برای هر روتور هر روز تغییر می کند.

     جفت‌های “Stecker”: در قوی‌ترین حالت، دستگاه نظامی Enigma دارای تابلویی بود که به اپراتور اجازه می‌داد جفت‌های حروف ایجاد کند. به آنها دستور داده شد که هر روز 10 جفت را انتخاب کنند، و وقتی این کار را انجام دادند، آن حروف تغییر می کردند و پیام را بیشتر درهم می زدند.

هر Enigma همچنین دارای یک بازتابنده بود، اما تنها تعدادی از نسخه ها می توانستند بازتابنده های خود را تنظیم کنند. بعداً به بازتابنده می‌رسیم، زیرا نقصی را معرفی می‌کند که برای تلاش‌های متفقین برای شکستن انیگما بسیار مهم بود.

در هر صورت، هنگامی که دستگاه انیگما به درستی پیکربندی شد، زمان ارسال پیام شما فرا رسید.

پیام خود را تایپ و ضبط کنید

Enigma یک دستگاه انتقال نبود، یک دستگاه رمزگذاری بود. همانطور که شما در یک پیام تایپ می کنید، حرفی را که هر یک از حروف به آن درهم شده بود روشن می کند. وظیفه اپراتور نوشتن پیام و انتقال آن بود. با هر کلیک کلید، روتورها جلو می روند و تنظیمات را تغییر می دهند.

پیام را حذف کنید در انتهای دیگر، اپراتور پیام درهم را تایپ می کند و حروفی را که روی صفحه کلیدشان روشن می شود ضبط می کند. وقتی نوشتن آن نامه‌ها تمام شد، پیامی را که شما فرستاده‌اید بیان می‌کردند. هر کس آن را رهگیری کند با حرف های بیهوده باقی می ماند.

چیزی که شکستن انیگما با ابزارهای امروزی را بسیار سخت می کرد این بود که تنظیمات با هر ضربه کلید تغییر می کرد. اگر همین الان پشت دستگاه انیگما بنشینید و کلید “A” را سه بار فشار دهید، هر بار یک حرف درهم متفاوت دریافت می کنید. به عنوان مثال، کلمه “AARDVARK” به خوبی می تواند در “GFKLRLWC” درهم شود – و اگر بخواهم بعداً آن را دوباره در پیامم تایپ کنم، می تواند کاملاً متفاوت به نظر برسد!

به سختی می توان گفت که هر کد داده شده چقدر درهم می تواند عمیق باشد زیرا اعداد واقعاً نجومی هستند. امیدوارم ریاضی اینجا کمک کند:

بی رحمی انیگما عملا غیرممکن بود. پس چگونه متفقین ممکن است امیدوار به شکستن آن باشند؟

خب، خود انیگما یک نقص مهلک داشت – جزء بازتابنده آن را طوری ساخته بود که هیچ‌وقت یک حرف برای خودش در پیام درهم کدگذاری نشود. به عبارت دیگر، اگر متن درهم شده “HWLER” باشد، می توانید بلافاصله کلمه “HELLO” را در آن نقطه رد کنید زیرا “H” و “L” اول مطابقت دارند. اما برای اینکه واقعاً بفهمیم چرا این یک نقص کلیدی بود، باید بفهمیم که متفقین چگونه برای شکستن انیگما کار کردند.

هالیوود به ما نشان داده است که چگونه ارتش بریتانیا در نهایت ابتکار عمل را در شکستن کد انیگما به دست گرفت، اما همه کشورهای متفقین برای کمک به این موضوع وارد عمل شدند. روند رمزگشایی انیگما خیلی قبل از جنگ آغاز شد.

لهستان کار را آغاز می کند

لهستان به‌عنوان همسایه آلمان، تهدیدی را که آلمان ارائه می‌کرد، درک کرد و شروع به تلاش برای شکستن نسخه‌های اولیه و ساده‌تر انیگما کرد.

قبل از جنگ، لهستان با رمزگذاری ضعیف‌تر Enigma و شیوه‌های امنیتی ضعیف‌تر آلمان مواجه بود. با این حال، نیاز شدید بین‌المللی به رمزگشایی آن هنوز وجود نداشت و لهستان منابع یا اطلاعاتی را برای دستیابی به پیشرفت‌هایی که متحدانش بعداً انجام دادند، نداشت.

به طرز چشمگیری، برخی از بزرگترین پیشرفت های لهستان از طریق قدرت ریاضی و استنتاج به دست آمد.

ماریان رژوسکی، ریاضیدان لهستانی، استنباط های دقیقی در مورد عملکرد درونی انیگما کاملاً بر اساس تحلیل ریاضی انجام داد. او به اختراع اولین ماشین‌های رمزنگاری که برای شکستن پیام‌های انیگما طراحی شده بودند کمک کرد، و این ماشین‌ها بعداً الهام بخش بریتانیایی‌ها برای اتخاذ رویکردی مشابه شدند.

     ریاضی‌دان لهستانی، هنریک زیگالسکی، صفحات کاغذی با سوراخ‌های دقیقی به نام ورق‌های زیگالسکی اختراع کرد که برای تعیین تنظیمات روتور استفاده می‌شد. بینش او همچنین به شروع تلاش‌های رمزنگاری بریتانیا کمک کرد.

ریاضیدانان لهستانی به نتایج قابل توجهی دست یافتند. آنها ثابت کردند که نسخه‌های قبلی انیگما می‌تواند شکسته شود و پایه‌های نظری را فراهم کردند که بسیاری از پیشرفت‌های بعدی بریتانیایی‌ها بر آن‌ها بنا شد.

با نزدیک شدن به جنگ، متفقین شروع به تبادل اطلاعات برای تسریع در شکستن انیگما کردند. جلسات مخفیانه مختصری در هتل ها و ایستگاه های قطار در سراسر اروپا برای تبادل اطلاعات ترتیب داده شد. یک جاسوس فرانسوی به نام هانس تیلو اشمیت که در دفتر رمزنگاری نیروهای مسلح آلمان جاسازی شده بود، سرنخ‌های مفید بسیاری ارائه کرد. او برای سال‌ها، کتاب‌های راهنمای انیگما و سایر اطلاعات را به اطلاعات فرانسوی می‌فروخت که به بقیه متحدان آنها راه پیدا کرد.

با شروع جنگ، انگلیسی ها رهبری را به دست می گیرند

در سال 1939، آلمان به لهستان حمله کرد و جنگ جهانی دوم آغاز شد. ریاضیدانان لهستانی از طریق چندین کشور به بریتانیا گریختند و در آنجا هر آنچه را که می دانستند با اطلاعات بریتانیا در میان گذاشتند. با این حال، آنها وظیفه حل سایر معماهای رمزنگاری را داشتند – بریتانیا و ایالات متحده رمزگشایی Enigma را در دست گرفتند و آن را در بالاترین سطوح رازداری پنهان کردند.

با نزدیک شدن به جنگ و شروع آن، چند تغییر مهم رخ داد:

     انیگما قوی‌تر شد: آلمان کاملاً به ماشین انیگما اطمینان داشت، اما آنها همچنین می‌دانستند که وارد یک مسابقه تسلیحاتی رمزنگاری شده‌اند. در طول جنگ، ارتش آلمان روش های ارتباطی خود را بهبود بخشید و خود ماشین ها را ایمن تر کرد. آنها تعداد روتورها و تعداد حروفی را که می توان روی پلاگین ها جفت کرد، افزایش دادند.

     متفقین باید با آنها کار بیشتری کنند: هر روز پیام هایی به واحدهای نظامی فعال در سراسر جهان ارسال می شد. با منابع بیشتر در اختیار دولت بریتانیا، آنها می توانند مقادیر زیادی از پیام های رمزگذاری شده را برای جستجوی الگوها، ضعف ها و اشتباهات تجزیه و تحلیل کنند.

تعداد زیادی از ریاضیدانان، تحلیلگران و مهندسان درخشان در تاسیسات فوق سری در بلچلی پارک کار می کردند، اما آلن تورینگ (با بازی بندیکت کامبربچ در فیلم بازی تقلید) و گوردون ولچمن ستاره های تلاش انیگما در نظر گرفته می شوند. آنها با توسعه بمب – ماشین حساب الکترومکانیکی که به شکستن انیگما کمک کرد و بسیاری آن را پیشرو کامپیوتر مدرن می نامند، اعتبار دارند. با این گفته، معاصران آنها گفته اند که کمک های ریاضیدانان لهستانی باعث شد تورینگ و ولچمن یک سال کار کنند.

بیایید مراحل فرآیند کدشکن بریتانیایی Enigma را بشکافیم تا نحوه عملکرد آن را درک کنیم.

1. شکار سرنخ: سربازان پست های فرماندهی دشمن را برای کتاب کد جستجو می کردند. اپراتورهای رادیویی پیام‌های درهم را ضبط می‌کردند و الگوهای آن‌ها را تجزیه و تحلیل می‌کردند. ملوان‌ها برای جست‌وجوی کشتی‌های تسخیر شده یا شکسته‌شده برای یافتن برگه‌های کد بازمانده به تقلا می‌رفتند. جاسوس ها به دنبال اطلاعات فنی یا راه های دیگری برای تضعیف پروژه انیگما بودند. اطلاعاتی که آنها از منابع مختلف به دست آوردند به انگلیسی ها کمک کرد تا Enigma و نحوه استفاده از آن را درک کنند.

2. تحلیل رمز: تیم‌هایی از ریاضیدانان بریتانیایی پیام‌ها را تجزیه و تحلیل کردند تا الگوها و سرنخ‌هایی را بیابند که می‌تواند کمک کند، اما مفیدترین ابزار آنها گهواره‌ها بود – کلمات متنی که آنها فرض می‌کردند ممکن است در یک پیام درهم وجود داشته باشد. برای تولید گهواره های مفید بر اساس فرضیه های محکم، رمزنگاران باهوش مجبور بودند کوه هایی از داده های جمع آوری شده از سراسر اروپا توسط بریتانیایی ها و متحدانشان را بررسی کنند.

نقص بازتابنده که قبلا ذکر شد، استفاده از این تخت‌خواب‌ها را بسیار آسان‌تر کرده است. اگر حتی یکی از حروف با متن درهم مطابقت داشته باشد، می‌توان محل گهواره را در متن رد کرد.

3. محاسبات: هنگامی که آنها گهواره های خوبی داشتند و پیام های رمزگذاری شده را رهگیری می کردند، تحلیلگران بلچلی پارک می توانستند از بمب های خود برای آزمایش گهواره ها و کشف تنظیمات Enigma که توسط آلمانی ها برای آن روز استفاده می شد استفاده کنند. اگر آنها می توانستند به اندازه کافی سریع این کار را انجام دهند، این قدرت را داشتند که پیام های Enigma را تا پایان روز باز کنند. هر روز باید همه چیز را از نو شروع می کردند.

هر دستگاه بمب افکن اساساً از آرایه بزرگی از روتورهای انیگما شبیه سازی شده تشکیل شده بود. آنها با آزمایش هزاران تنظیمات Enigma کار کردند تا تنظیماتی را کشف کنند که می توانست گهواره هایی را ایجاد کند که تحلیلگران به آنها داده بودند. با بینش های هوشمندانه، تحلیلگران توانستند تنظیمات خاصی را برای کارآمدتر کردن کار ماشین ها رد کنند.

سرانجام، بریتانیایی ها توانستند تأسیسات وسیعی را پر از ماشین های بمب افکن بسازند و آنها را برای شکستن کدهای انیگما به کار ببندند. در اواخر جنگ، بریتانیایی ها 155 بمب 3 روتور داشتند که در چندین سایت فعال بودند (برای محافظت از آنها در برابر حملات هوایی).

بیایید به سرنخ‌ها و اشتباهات انسانی بپردازیم که ریاضیدانان بریتانیایی را قادر می‌سازد تا تخت‌خواب‌های مفیدی را برای تغذیه ماشین‌های بمب‌افکن خود تشکیل دهند.

نقطه ضعف انسان

بسیاری از مورخان مدرن، ریاضیدانان و رمزنگاران موافق هستند – اگر انیگما به طور کامل عملیاتی می شد، ممکن بود شکستن آن غیرممکن بود. با این حال، اینطور نبود. انگلیسی‌ها برای انجام اشتباهاتی که می‌توانست سرنخ‌هایی به آنها بدهد، به افرادی که انیگما را اداره می‌کردند، تکیه کردند. در اینجا فقط برخی از راه هایی است که افرادی که از سیستم استفاده می کنند آن را تضعیف کردند:

     تکرار: برخی از راحت‌ترین گهواره‌های قابل بهره‌برداری از گزارش‌های روزانه به دست آمده‌اند که قالب‌های آن‌ها به ندرت تغییر می‌کند. برای مثال، اکثر U-boat ها گزارش های آب و هوای روزانه را ارسال می کنند. تحلیلگران می‌توانند حدس‌های دقیقی را در محل کلمه متنی ساده «گزارش آب‌وهوا» در پیام درهم‌کاری شده انجام دهند.

     در مناطق کمتر فعال، واحدهای نظامی ممکن است اغلب پیام‌هایی را ارسال کنند که حاوی کلمات «هیچ چیز غیرعادی نیست» یا «هیچ چیز برای گزارش کردن نیست» – تکرار مکرر دیگری که انگلیسی‌ها از آن به نفع خود استفاده کردند.

تکرار ناامن: در برخی موارد، یک پیام یک مرحله از سفر خود را با رمزگذاری از طریق Enigma طی می‌کند، رمزگشایی می‌شود و با رمز ضعیف‌تر یا بدون رمزگذاری به سفر خود ادامه می‌دهد. این پیام‌های ضعیف‌تر منبع ارزشمندی از گهواره‌ها برای حل تنظیمات Enigma آن روز بودند.

     برگه‌های تنظیمات ضعیف: تحلیلگران با بررسی داده‌های خود، به کشفیاتی در مورد نحوه ساخت برگه‌های تنظیمات Enigma دست یافتند. به عنوان مثال، در برخی مناطق، هیچ تنظیمات روتور هرگز نمی تواند در یک ماه تکرار شود، بنابراین پس از استفاده از آنها، می توان آنها را برای روزهای آینده حذف کرد. در برخی دیگر، هیچ روتوری نمی‌توانست همان اسلات روز قبل را در انیگما اشغال کند و همچنین تعداد گزینه‌هایی را که تحلیلگران برای بررسی نیاز داشتند کاهش می‌دهد.

     در موارد دیگر، برخی از دستورات کل ردیف‌ها یا ستون‌های برگه‌های ماه قبل را بازیافت می‌کنند و در صورت شناسایی این نقص‌ها، پیروزی‌های کوچکی را به بریتانیا می‌دهند.

     پیام‌های کوتاه: هر چه پیام انیگما طولانی‌تر باشد، در برابر تحلیل مقاومت بیشتری خواهد داشت. استفاده از پیام‌های کوتاه به تحلیل‌گران سرنخ‌هایی در مورد آنچه ممکن است در آنها باشد می‌دهد.

     اعتماد به نفس بیش از حد: دوره هایی در طول جنگ وجود داشت که بریتانیایی ها موفق می شدند کدهای Enigma را برای هفته ها متوالی بشکنند و کشتی های خود را با خیال راحت در اطراف گشت های U-boat آلمانی هدایت کنند. با این حال، تا پس از پایان جنگ، فرماندهان آلمانی همچنان معتقد بودند که انیگما فقط در تئوری شکستنی است، اما در عمل نه.

     گاهی انگلیسی ها برای تداوم این تصور غلط اقداماتی انجام می دادند. در یک مورد، زمانی که با شکستن پیام انیگما، موقعیت یک یوبوت در دریای مدیترانه کشف شد، نیروی هوایی بریتانیا ابتدا یک هواپیمای جاسوسی به محل اعزام کرد تا زیردریایی را “نقطه” و بهانه‌ای قابل قبول برای حمله به آن فراهم کند.

همچنین سناریوها یا رویدادهای خاص جالبی وجود داشت که سرنخ‌های زیادی را برای همکاری با متفقین در اختیار داشت.

پیام “LLLL”: اپراتورهای آلمانی گاهی اوقات برای به تأخیر انداختن تلاش های بریتانیا برای شکستن رمزگذاری خود، پیام های فریب ارسال می کردند. با این حال، در یک مورد، یک تحلیلگر بریتانیایی متوجه چیز عجیبی شد – پیام درهم‌آمیزی که او در حال بررسی بود، مطلقاً حاوی «L» در هیچ جای متن نبود. به دلیل نقص بازتابنده، این بدان معنی است که هر یا همه حروف می توانند “L” باشند. معلوم شد که همه آنها بودند – اپراتور تنبل آلمانی به سادگی دکمه “L” را روی Enigma خود له کرده بود تا پیام فریبنده خود را بنویسد و عملاً تنظیمات آن روز را به انگلیسی ها هدیه داده بود.

مامور دوگانه ناتالی سرگیو: ناتالی یک جاسوس آلمانی بود که خود را به عنوان یک مامور مضاعف در اختیار اطلاعات بریتانیا قرار داده بود. سهم اصلی او در تلاش انیگما ارسال گزارش‌های مفصل به فرماندهان آلمانی‌اش بود که بعداً با استفاده از Enigma رمزگذاری مجدد شدند. این به تحلیلگران بریتانیایی گهواره های بسیار خوبی را برای کشف تنظیمات دستگاه در هنگام ارسال پیام های او ارائه کرد.

غرق شدن U-559: نیروی دریایی آلمان برگه های تنظیمی را که با جوهر نوشته شده بود توزیع کرد که در صورت خیس شدن حل می شوند و باعث می شود در برابر گرفتن بسیار مقاوم باشند. در یک نقطه از جنگ، آنها همچنین Enigmas خود را برای استفاده از 4 روتور ارتقا دادند و شکستن آنها را بسیار دشوارتر کرد.

اولین موفقیت بزرگ در شکستن انیگما ارتقا یافته در یک شکار جسورانه توسط ناوشکن HMS Petard به دست آمد. درگیری با زیردریایی U-559 آلمان با تسلیم زیردریایی پس از تاریک شدن هوا به پایان رسید. با این وجود، کاپیتان بلافاصله به سه سرباز دستور داد تا در آب شیرجه بزنند. آنها با نورافکن ها به سمت U-boat شنا کردند و خدمه آن تسلیم شدند تا قبل از غرق شدن هر کتابی را که می توانستند بازیابی کنند. خوشبختانه، زیردریایی به دلیل اشتباهات خدمه خروجی، کندتر از آنچه که باید غرق شد. این به سربازان لحظات گرانبهایی داد تا جایزه ارزشمند خود – کتاب های رمز دست نخورده – را بازیابی کنند.

عملیات کلیمور: طی یک یورش جسورانه و انفجاری به تأسیسات صنعتی آلمان در جزایر لوفوتن، کماندوها یک جایزه غیرمنتظره را به دست آوردند – مجموعه ای از روتورهای انیگما و یک کتاب رمز از یک کشتی پهلو گرفته.

اینها فقط چند مورد رنگارنگ منتخب هستند. این مسابقه تسلیحاتی رمزنگاری موازی در طول جنگ تا پایان جنگ انجام شد. در طول جنگ هیچ نقطه‌ای وجود نداشت که بتوان گفت در طول جنگ هر یک از طرفین به طور کامل پیروز شده یا شکست خورده است، اما در برخی از زمان‌ها متفقین دسترسی تقریباً نامحدودی به ارتباطات رادیویی آلمان داشتند.

جنگ با چیزی فراتر از شکستن انیگما به پیروزی رسید، اما کشف اسرار عملیاتی دشمن بدون شک نقشی اساسی داشت. علاوه بر این، این بازگویی برای لمس عناصر کلیدی که می تواند برای امنیت آنلاین مدرن مفید باشد، ساده شده است. برای کسانی که به ریاضیات، رمزنگاری یا تاریخ جنگ جهانی دوم علاقه دارند، این داستان بسیار بیشتر به صورت آنلاین در دسترس است!