En criptografía , una máquina de rotor es un dispositivo de cifrado de flujo electromecánico que se utiliza para cifrar y descifrar mensajes. Las máquinas de rotor fueron el estado del arte criptográfico durante un período prominente de la historia; fueron de uso generalizado en las décadas de 1920 y 1970. El ejemplo más famoso es la máquina alemana Enigma , cuyo resultado fue descifrado por los Aliados durante la Segunda Guerra Mundial, produciendo inteligencia con nombre en código Ultra .
Descripción
El componente principal es un conjunto de rotores , también denominados ruedas o tambores , que son discos giratorios con una serie de contactos eléctricos a cada lado. El cableado entre los contactos implementa una sustitución fija de letras, reemplazándolas de alguna manera compleja. Por sí solo, esto ofrecería poca seguridad; sin embargo, después de cifrar cada letra, los rotores avanzan posiciones, cambiando la sustitución. De esta manera, una máquina de rotor produce un cifrado de sustitución polialfabético complejo , que cambia con cada pulsación de tecla.
Fondo
En la criptografía clásica , uno de los primeros métodos de cifrado era el cifrado de sustitución simple , en el que las letras de un mensaje se reemplazaban sistemáticamente utilizando algún esquema secreto. Los cifrados de sustitución monoalfabéticos utilizaron un solo esquema de reemplazo, a veces denominado "alfabeto"; esto podría romperse fácilmente, por ejemplo, utilizando análisis de frecuencia . Algo más seguros eran los esquemas que involucraban múltiples alfabetos, cifrados polialfabéticos . Debido a que tales esquemas se implementaron a mano, solo se pudo usar un puñado de alfabetos diferentes; cualquier cosa más compleja no sería práctica. Sin embargo, el uso de solo unos pocos alfabetos dejó a los cifrados vulnerables a los ataques. La invención de las máquinas de rotor mecanizó el cifrado polialfabético, proporcionando una forma práctica de utilizar un número mucho mayor de alfabetos.
La técnica criptoanalítica más temprana fue el análisis de frecuencia , en el que se podían utilizar patrones de letras únicos para cada idioma para descubrir información sobre el alfabeto de sustitución en uso en un cifrado de sustitución mono-alfabético . Por ejemplo, en inglés, las letras de texto plano E, T, A, O, I, N y S, suelen ser fáciles de identificar en texto cifrado sobre la base de que, dado que son muy frecuentes (ver ETAOIN SHRDLU ), sus letras de texto cifrado correspondientes aparecerán. también sea tan frecuente. Además, las combinaciones de bigramas como NG, ST y otras también son muy frecuentes, mientras que otras son realmente raras (Q seguida de cualquier otra cosa que no sea U, por ejemplo). El análisis de frecuencia más simple se basa en que una letra de texto cifrado siempre se sustituye por una letra de texto simple en el cifrado: si este no es el caso, descifrar el mensaje es más difícil. Durante muchos años, los criptógrafos intentaron ocultar las frecuencias reveladoras utilizando varias sustituciones diferentes de letras comunes, pero esta técnica no pudo ocultar completamente los patrones en las sustituciones de letras de texto sin formato. Tales esquemas se estaban rompiendo ampliamente en el siglo XVI.
A mediados del siglo XV, Alberti inventó una nueva técnica , ahora conocida generalmente como cifrados polialfabéticos , que reconocía la virtud de utilizar más de un alfabeto de sustitución; también inventó una técnica simple para "crear" una multitud de patrones de sustitución para usar en un mensaje. Dos partes intercambiaron una pequeña cantidad de información (denominada clave ) y la utilizaron para crear muchos alfabetos de sustitución y tantas sustituciones diferentes para cada letra de texto sin formato en el transcurso de un solo texto sin formato. La idea es simple y efectiva, pero resultó más difícil de usar de lo que se esperaba. Muchos cifrados eran solo implementaciones parciales de los de Alberti, por lo que eran más fáciles de descifrar de lo que podrían haber sido (por ejemplo, el cifrado de Vigenère ).
Hasta la década de 1840 (Babbage) no se conoció ninguna técnica que pudiera romper de manera confiable cualquiera de los cifrados polialfabéticos. Su técnica también buscó patrones repetidos en el texto cifrado , que proporcionan pistas sobre la longitud de la clave. Una vez que esto se conoce, el mensaje se convierte esencialmente en una serie de mensajes, cada uno de la longitud de la clave, a los que se puede aplicar el análisis de frecuencia normal. Charles Babbage , Friedrich Kasiski y William F. Friedman se encuentran entre los que más hicieron para desarrollar estas técnicas.
Los diseñadores de cifrado intentaron que los usuarios usaran una sustitución diferente para cada letra, pero esto generalmente significaba una clave muy larga, lo que era un problema de varias maneras. Una clave larga tarda más en transmitirse (de forma segura) a las partes que la necesitan, por lo que es más probable que se produzcan errores en la distribución de claves. Además, muchos usuarios no tienen la paciencia para llevar a cabo evoluciones largas y perfectas, y ciertamente no bajo presión de tiempo o estrés en el campo de batalla. El cifrado 'final' de este tipo sería uno en el que una clave tan 'larga' podría generarse a partir de un patrón simple (idealmente automáticamente), produciendo un cifrado en el que hay tantos alfabetos de sustitución que el conteo de frecuencias y los ataques estadísticos serían efectivamente imposible. Enigma, y las máquinas de rotor en general, eran justo lo que se necesitaba, ya que eran muy polialfabéticas, usaban un alfabeto de sustitución diferente para cada letra de texto plano y eran automáticas, y no requerían habilidades extraordinarias por parte de sus usuarios. Sus mensajes eran, en general, mucho más difíciles de descifrar que cualquier cifrado anterior.
Mecanización
Es sencillo crear una máquina para realizar una sustitución simple. En un sistema eléctrico con 26 interruptores conectados a 26 bombillas, cualquiera de los interruptores iluminará una de las bombillas. Si cada interruptor es operado por una llave en una máquina de escribir , y las bombillas están etiquetadas con letras, entonces dicho sistema puede usarse para el cifrado eligiendo el cableado entre las llaves y la bombilla: por ejemplo, escribir la letra A haría que el se enciende la bombilla con la etiqueta Q. Sin embargo, el cableado es fijo, lo que proporciona poca seguridad.
Las máquinas de rotor cambian el cableado de interconexión con cada pulsación de tecla. El cableado se coloca dentro de un rotor y luego se gira con un engranaje cada vez que se presiona una letra. Así, mientras que pulsando una primera vez podría generar una Q , la próxima vez que podría generar una J . Cada letra presionada en el teclado incrementa la posición del rotor y obtiene una nueva sustitución, implementando un cifrado de sustitución polialfabético.
Dependiendo del tamaño del rotor, esto puede, o no, ser más seguro que los cifrados manuales. Si el rotor tiene solo 26 posiciones, una para cada letra, todos los mensajes tendrán una tecla (repetida) de 26 letras. Aunque es posible que no se conozca la clave en sí (en su mayoría oculta en el cableado del rotor), los métodos para atacar este tipo de cifrados no necesitan esa información. Entonces, si bien una máquina de un solo rotor es ciertamente fácil de usar, no es más segura que cualquier otro sistema de cifrado polialfabético parcial.
Pero esto es fácil de corregir. Simplemente apile más rotores uno al lado del otro y ajústelos. Después de que el primer rotor gire "hasta el final", haga que el rotor junto a él gire una posición. Ahora tendría que escribir 26 × 26 = 676 letras (para el alfabeto latino ) antes de que se repita la tecla y, sin embargo, solo requiere que comunique una tecla de dos letras / números para configurar las cosas. Si una clave de 676 de longitud no es lo suficientemente larga, se puede agregar otro rotor, lo que da como resultado un período de 17 576 letras.
Para que sean tan fáciles de descifrar como cifrar, algunas máquinas de rotor, sobre todo la máquina Enigma , se diseñaron para ser simétricas , es decir, cifrar dos veces con la misma configuración recupera el mensaje original (ver involución ).
Historia
Invención
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El concepto de una máquina de rotor se les ocurrió a varios inventores de forma independiente en un momento similar.
En 2003, se supo que los primeros inventores fueron dos oficiales navales holandeses , Theo A. van Hengel (1875-1939) y RPC Spengler (1875-1955) en 1915 (De Leeuw, 2003). Anteriormente, la invención se había atribuido a cuatro inventores que trabajaban de forma independiente y casi al mismo tiempo: Edward Hebern , Arvid Damm , Hugo Koch y Arthur Scherbius .
En los Estados Unidos, Edward Hugh Hebern construyó una máquina de rotor con un solo rotor en 1917. Se convenció de que se haría rico vendiendo un sistema de este tipo a los militares, la Hebern Rotor Machine , y produjo una serie de máquinas diferentes con uno a cinco rotores. . Sin embargo, su éxito fue limitado y se declaró en quiebra en la década de 1920. Vendió una pequeña cantidad de máquinas a la Marina de los EE . UU . En 1931.
En las máquinas de Hebern, los rotores se podían abrir y el cableado se cambiaba en unos pocos minutos, por lo que se podía vender un solo sistema producido en serie a varios usuarios que luego producirían su propia llave de rotor. El descifrado consistió en sacar los rotores y darles la vuelta para invertir los circuitos. Sin que Hebern lo supiera, William F. Friedman, del SIS del Ejército de los Estados Unidos , demostró rápidamente una falla en el sistema que permitía descifrar los cifrados de él y de cualquier máquina con características de diseño similares con suficiente trabajo.
Otro inventor temprano de la máquina de rotor fue el holandés Hugo Koch , quien presentó una patente sobre una máquina de rotor en 1919. Aproximadamente al mismo tiempo en Suecia , Arvid Gerhard Damm inventó y patentó otro diseño de rotor. Sin embargo, la máquina de rotor finalmente se hizo famosa por Arthur Scherbius , quien presentó una patente de máquina de rotor en 1918. Scherbius luego pasó a diseñar y comercializar la máquina Enigma .
La máquina Enigma
El dispositivo de cifrado de rotor más conocido es la máquina alemana Enigma utilizada durante la Segunda Guerra Mundial, de la que había varias variantes.
El modelo estándar de Enigma, Enigma I, utilizó tres rotores. Al final de la pila de rotores había un disco no giratorio adicional, el "reflector", cableado de tal manera que la entrada se conectaba eléctricamente a otro contacto en el mismo lado y, por lo tanto, se "reflejaba" a través de los tres. pila de rotor para producir el texto cifrado .
Cuando se enviaba corriente a la mayoría de las otras máquinas de cifrado de rotor, viajaba a través de los rotores y salía por el otro lado hacia las lámparas. En el Enigma, sin embargo, se "reflejaba" a través de los discos antes de ir a las lámparas. La ventaja de esto era que no había nada que hacer en la configuración para descifrar un mensaje; la máquina era "simétrica" en todo momento.
Reflector del enigma garantiza que ninguna carta se podría cifrar como el mismo, por lo que un A nunca podría volver a ser una A . Esto ayudó a los esfuerzos polacos y, más tarde, británicos por descifrar el cifrado. ( Ver Criptoanálisis del Enigma .)
Scherbius unió fuerzas con un ingeniero mecánico llamado Ritter y formó Chiffriermaschinen AG en Berlín antes de demostrar Enigma al público en Berna en 1923, y luego en 1924 en el Congreso Postal Mundial en Estocolmo . En 1927, Scherbius compró las patentes de Koch, y en 1928 agregaron un tablero de conexiones , esencialmente un cuarto rotor no giratorio recableable manualmente, en la parte frontal de la máquina. Después de la muerte de Scherbius en 1929, Willi Korn estuvo a cargo del desarrollo técnico adicional de Enigma.
Al igual que con otros esfuerzos iniciales de máquinas de rotor, Scherbius tuvo un éxito comercial limitado. Sin embargo, las fuerzas armadas alemanas, respondiendo en parte a las revelaciones de que sus códigos se habían roto durante la Primera Guerra Mundial, adoptaron el Enigma para asegurar sus comunicaciones. La Reichsmarine adoptó Enigma en 1926, y el ejército alemán comenzó a utilizar una variante diferente alrededor de 1928.
El Enigma (en varias variantes) era la máquina de rotor que la compañía de Scherbius y su sucesora, Heimsoth & Reinke, suministraron al ejército alemán y a agencias como la organización de seguridad del partido nazi, la SD .
Los polacos rompieron el Enigma del ejército alemán a partir de diciembre de 1932, poco después de su puesta en servicio. El 25 de julio de 1939, sólo cinco semanas antes de la invasión de Polonia por Hitler, el Estado Mayor polaco 's Cipher Bureau compartió sus métodos Enigma-descifrado y equipos con los franceses y británicos como los polacos contribución a la defensa común contra la Alemania nazi. Dilly Knox ya había descifrado mensajes nacionalistas españoles en una máquina comercial Enigma en 1937 durante la Guerra Civil Española .
Unos meses más tarde, utilizando las técnicas polacas, los británicos comenzaron a leer cifrados Enigma en colaboración con los criptólogos de la Oficina de cifrado polaco que habían escapado de Polonia, invadida por los alemanes, para llegar a París . Los polacos continuaron rompiendo el Enigma del ejército alemán, junto con el tráfico de Enigma de la Luftwaffe , hasta que el trabajo en la Estación PC Bruno en Francia fue cerrado por la invasión alemana de mayo a junio de 1940.
Los británicos continuaron rompiendo Enigma y, eventualmente asistidos por los Estados Unidos, extendieron el trabajo al tráfico de Enigma naval alemán (que los polacos habían estado leyendo antes de la guerra), más especialmente hacia y desde submarinos durante la Batalla del Atlántico .
Varias maquinas
Durante la Segunda Guerra Mundial (Segunda Guerra Mundial), tanto los alemanes como los aliados desarrollaron máquinas de rotor adicionales. Los alemanes utilizaron las máquinas Lorenz SZ 40/42 y Siemens y Halske T52 para cifrar el tráfico de teleimpresores que utilizaban el código Baudot ; este tráfico se conocía como Pescado para los aliados. Los aliados desarrollaron el Typex (británico) y el SIGABA (estadounidense). Durante la guerra, los suizos comenzaron a desarrollar una mejora Enigma que se convirtió en la máquina NEMA que se puso en servicio después de la Segunda Guerra Mundial. Incluso hubo una variante japonesa desarrollada del Enigma en la que los rotores se colocaban horizontalmente; aparentemente nunca se puso en servicio. La máquina japonesa PÚRPURA no era una máquina de rotor, se construía alrededor de interruptores eléctricos paso a paso , pero era conceptualmente similar.
Las máquinas de rotor se siguieron utilizando incluso en la era de las computadoras. El KL-7 (ADONIS), una máquina de cifrado con 8 rotores, fue ampliamente utilizado por Estados Unidos y sus aliados desde la década de 1950 hasta la de 1980. El último mensaje canadiense cifrado con un KL-7 se envió el 30 de junio de 1983. La Unión Soviética y sus aliados utilizaron una máquina de 10 rotores llamada Fialka hasta bien entrada la década de 1970.
Tatjana van Vark, con sede en Holanda, construyó una máquina de rotor única en 2002 . Este inusual dispositivo está inspirado en Enigma, pero hace uso de rotores de 40 puntos, lo que permite letras, números y algo de puntuación; cada rotor contiene 509 partes.
Se utilizó una implementación de software de una máquina de rotor en el comando crypt que formaba parte de los primeros sistemas operativos UNIX . Fue uno de los primeros programas de software que infringió las regulaciones de exportación de EE. UU. Que clasificaron las implementaciones criptográficas como municiones.
Lista de máquinas de rotor
- BID / 60 (camiseta)
- Máquina de cifrado combinada
- Máquina enigma
- Fialka
- La familia de máquinas de Hagelin, incluida la C-36 , la C-52, la CD-57 y la M-209
- Máquina de rotor Hebern
- HX-63
- KL-7
- Lácida
- Lorenz SZ 40/42
- M-325
- Mercurio
- NEMA
- Criptografía OMI
- Portex
- ROJO
- Siemens y Halske T52
- SIGABA
- SIGCUM
- Typex
Referencias
- Friedrich L. Bauer , "Un error en la historia de los dispositivos de cifrado de rotor", Cryptologia 23 (3), julio de 1999, página 206.
- Cipher A. Deavours, Louis Kruh, "Criptografía de máquina y criptoanálisis moderno", Artech House, 1985. ISBN 0-89006-161-0 .
- Karl de Leeuw, "La invención holandesa de la máquina de rotor, 1915-1923". Cryptologia 27 (1), enero de 2003, págs. 73–94.
enlaces externos
- Sitio con imágenes de máquinas de cifrado, muchas de las máquinas de rotor
- Fotografías de la máquina de rotor
- Cronología de las máquinas de cifrado