Inicio con este post una pequeña introducción al fascinnte mundo de la criptografía, o escritura secreta, intetando explicar el funcionamiento de la máquina de cifrado más famosa de la historia, la ENIGMA, utilizada profusamente por los alemanes en la Segunda Guerra Mundial, y especialmente por la Marina de Guerra en las comunicaciones con los temibles u-boots.

Espero que lo encontreis interesante.

Primero se explica de modo sencillo el fundamento de su funcionamiento, y en posts posteriores se pueden ir comentando los avances conseguidos por los aliados en su descifrado.

La bibliografía es muy extensa: basta teclear "criptografía" o "máquina enigma" en cualquier buscador y teneis muchísima información.

¡ Al tajo !

En 1918 el inventor alemán Arthur Scherbius desarrolló una pieza de maquinaria criptográfica que era esencialmente una versión eléctrica del disco de cifras de Alberti. El invento de Scherbius, denominado Enigma, se convertiría en el más temible sistema de codificación de la Historia.



La máquina Enigma de Scherbius constaba de una serie de ingeniosos componentes, que combinó para formar una formidable y compleja máquina de cifras. Sin embargo, si descomponemos la máquina en sus partes constituyentes y la reconstruimos en fases quedarán claros sus principios fundamentales. La forma básica del invento de Scherbius consiste en tres elementos conectados por cables: un teclado para escribir cada letra de texto llano, una unidad modificadora que codifica cada letra de texto llano en una correspondiente letra de texto cifrado y un tablero expositor consistente de varias lámparas para indicar la letra de texto cifrado. La imagen 1 muestra un esquema estilizado de la máquina, limitado a un alfabeto de seis letras para mayor simplicidad. Para codificar una letra de texto llano, el operador pulsa la letra apropiada de texto llano en el teclado, lo que envía una pulsación eléctrica a través de la unidad modificadora central, y llega al otro lado, donde ilumina la correspondiente letra de texto cifrado en el tablero.



Imagen 1
Una versión simplificada de la máquina Enigma con un alfabeto de sólo seis letras. El elemento más importante de la máquina es el modificador. Al pulsar la b en el teclado, una corriente pasa al modificador, sigue el sendero del cableado interno y finalmente sale iluminando la lámpara A en el tablero. Resumiendo, la b es codificada como A. El recuadro de la derecha indica cómo se codifica cada una de las seis letras.


El modificador, un grueso disco de goma plagado de cables, es la parte más importante de la máquina. Desde el teclado, los cables entran en el modificador por seis puntos y luego hacen una serie de giros y rodeos dentro del modificador antes de salir por seis puntos al otro lado. El cableado interno del modificador determina cómo serán codificadas las letras del texto llano. Por ejemplo, en la imagen el cableado dicta que:

• teclear la a iluminará la letra B, lo que significa que la a es codificada como B
• teclear la b iluminará la letra A, lo que significa que la b es codificada como A
• teclear la e iluminará la letra D, lo que significa que la e es codificada como D
• teclear la d iluminará la letra F, lo que significa que la d es codificada como F
• teclear la e iluminará la letra E, lo que significa que la e es codificada como E
• teclear la f iluminará la letra C, lo que significa que la f es codificada como C


El mensaje “café” sería codificado como DBCE. Con esta disposición básica, el modificador define esencialmente un alfabeto cifrado y la máquina puede ser utilizada para llevar a cabo una cifra de sustitución monoalfabética simple.

Sin embargo, la idea de Scherbius era que el modificador girase automáticamente un sexto de revolución cada vez que se codificara una letra (o, más bien, un veintiseisavo de revolución para un alfabeto completo de 26 letras). La imagen 2 (a) muestra la misma disposición que la imagen 1: de nuevo, teclear la b iluminará la letra A. Sin embargo, esta vez, inmediatamente después de teclear una letra y de que se ilumine el tablero, el modificador gira un sexto de revolución y alcanza la posición que se muestra en la imagen 2 (b). Teclear de nuevo la letra b iluminará ahora una letra diferente, concretamente la C. Inmediatamente después, el modificador gira una vez más, hasta llegar a la posición mostrada en la imagen 2 (c). Esta vez, teclear la letra b iluminará la E. Teclear la letra b seis veces seguidas generaría el texto cifrado ACEBDC. En otras palabras, el alfabeto cifrado cambia tras cada codificación y la codificación de la letra b está cambiando continuamente. Con esta disposición giratoria, el modificador define esencialmente seis alfabetos cifrados, y la máquina se puede utilizar para llevar a cabo una cifra polialfabética.



Imagen 2
Cada vez que se pulsa una letra en el teclado y se codifica, el modificador gira una posición, cambiando así cómo se codifica potencialmente cada letra. En (a) el modificador codifica la b como A, pero en (b) la nueva orientación del modificador codifica la b como C. En (c), tras girar una posición más, el modificador codifica la b como E. Después de codificar cuatro letras más y girar cuatro posiciones más, el modificador vuelve a su orientación original.


La rotación del modificador es la característica más importante del diseño de Scherbius. Sin embargo, la máquina, tal como se presenta, tiene una debilidad obvia. Teclear la b seis veces hará que el modificador vuelva a su posición original y teclear la b una y otra vez repetirá el mismo patrón de codificación. En general, los criptógrafos se han mostrado deseosos de evitar la repetición, porque conduce a la regularidad y la estructura en el texto cifrado, que son los síntomas de una cifra débil. Este problema se puede mitigar introduciendo un segundo disco modificador.


La imagen 3 es un esquema de una máquina de cifras con dos modificadores. A causa de la dificultad de dibujar un modificador tridimensional con cableados internos tridimensionales, la imagen 3 muestra sólo una representación en dos dimensiones. Cada vez que se codifica una letra, el primer modificador gira un espacio, o desde el punto de vista del diagrama en dos dimensiones, cada cableado desciende una posición. El segundo disco modificador, por el contrario, permanece inmóvil la mayor parte del tiempo. Sólo se mueve después de que el primer modificador ha realizado una revolución completa. El primer modificador cuenta con un diente y sólo cuando este diente llega a un cierto punto hace que el segundo modificador se mueva una posición.



Imagen 3



Imagen 3



Imagen 3

Al añadir un segundo modificador, el patrón de codificación no se repite hasta que se han codificado 36 letras, y ambos modificadores han vuelto a sus posiciones originales. Para simplificar el diagrama, los modificadores están representados en dos dimensiones; en vez de girar una posición, los cableados descienden una posición. Si un cable parece dejar la parte superior o inferior de un modificador, su sendero se puede seguir continuando desde el cable correspondiente de la parte inferior o superior del mismo modificador. En (a), b se codifica como D. Después de la codificación, el primer modificador gira una posición, haciendo que también el segundo modificador se mueva una posición - esto sucede sólo una vez durante cada revolución completa de la primera rueda -. Esta nueva disposición se muestra en (b), en la que b se codifica como F. Después de la codificación, el primer modificador gira una posición, pero esta vez el segundo modificador permanece fijo. Esta nueva disposición se muestra en (c), en la que b se codifica como B.

En la imagen 3 (a) el primer modificador se encuentra en una posición en la que está a punto de hacer que avance el segundo modificador. Teclear y codificar una letra mueve el mecanismo a la configuración mostrada en la imagen 3 (b), en la que el primer modificador se ha movido una posición y el segundo modificador también ha sido movido una posición. Teclear y codificar otra letra mueve de nuevo el primer modificador una posición, como se ve en la imagen 3 (c), pero esta vez el segundo modificador ha permanecido inmóvil. El segundo modificador no volverá a moverse hasta que el primer modificador complete una revolución, lo que le llevará otras cinco codificaciones. Este sistema es similar al cuentakilómetros de un coche: el rotor que representa los kilómetros individuales gira bastante rápido, y cuando completa una revolución llegando a «9» hace que el rotor que representa la decena de kilómetros avance una posición.


La ventaja de añadir un segundo modificador es que el patrón de codificación no se repite hasta que el segundo modificador vuelve a estar como al principio, lo que requiere seis revoluciones completas del primer modificador, o la codificación de 6 x 6, es decir, de 36 letras en total. En otras palabras, hay 36 disposiciones de los modificadores distintas, lo que equivale a cambiar entre 36 alfabetos cifrados. Con un alfabeto completo de 26 letras, la máquina de cifras cambiaría entre 26 x 26, es decir, 676 alfabetos cifrados. De modo que combinando los modificadores (a veces llamados rotores), es posible construir una máquina de codificación que cambia continuamente entre diferentes alfabetos cifrados. El operador teclea una letra particular y, dependiendo de la disposición del modificador, puede ser codificada según cualquiera de los cientos de alfabetos cifrados. Luego, la disposición del modificador cambia, de modo que cuando se teclea la siguiente letra es codificada según un alfabeto cifrado diferente. Además, todo esto se lleva a cabo con gran eficiencia y exactitud, gracias al movimiento automático de los modificadores y a la velocidad de la electricidad.


Antes de explicar con detalle cómo quería Scherbius que se utilizara su máquina de codificación, es necesario describir otros dos elementos de la Enigma, que se muestran en la imagen 4. Primero, la máquina de codificación de Scherbius estándar usaba un tercer modificador para obtener aún más complejidad: para un alfabeto completo, estos tres modificadores proveerían 26 x 26 x 26, es decir, 17.576 disposiciones diferentes de los modificadores. Segundo, Scherbius añadió un reflector. El reflector se parece un poco a un modificador, en cuanto es un disco de goma con cableados internos, pero es diferente porque no gira, y los cables entran por un lado y vuelven a salir por el mismo lado. Con el reflector colocado, el operador teclea una letra, lo que envía una señal eléctrica a través de los tres modificadores. Cuando el reflector recibe la señal entrante la devuelve a través de los tres mismos modificadores, pero por una ruta diferente. Por ejemplo, con la disposición de la imagen 4, teclear la letra b enviaría una señal a través de los tres modificadores y en el reflector, tras lo cual la señal volvería a través de los cableados para llegar a la letra D. La señal no surge realmente a través del teclado, como podría parecer en la imagen 4, sino que es desviada al tablero. A primera vista, el reflector parece ser un añadido inútil en la máquina, porque al ser estático no aumenta el número de alfabetos cifrados. Sin embargo, su beneficio resulta obvio cuando se ve cómo la máquina codificaba y descodificaba realmente un mensaje.



Imagen 4

El diseño de la Enigma de Scherbius incluía un tercer modificador y un reflector que devuelve la corriente a través de los modificadores. En esta posición particular, teclear la b iluminará la D en el tablero, que aquí se muestra contiguo al teclado.


Un operador desea enviar un mensaje secreto. Antes de comenzar la codificación, el operador debe hacer girar los modificadores para situados en una posición particular. Hay 17.576 disposiciones posibles, y, por tanto, 17.576 posiciones de partida posibles. La disposición inicial de los modificadores determinará cómo se codifica el mensaje. Podemos considerar la máquina Enigma desde el punto de vista de un sistema general de cifras, y las posiciones iniciales son lo que determina los detalles exactos de la codificación. En otras palabras, las posiciones iniciales proporcionan la clave. Generalmente, las posiciones iniciales vienen dictadas por un libro de códigos, que enumera la clave para cada día y que está disponible para todos los que forman parte de la red de comunicaciones. Distribuir el libro de códigos requiere tiempo y esfuerzo, pero como sólo se necesita una clave para cada día, se podría acordar enviar un libro de códigos que contenga 28 claves una vez cada cuatro semanas. En cambio, si un ejército decidiera usar una cifra de cuaderno de uso único requeriría una cifra nueva para cada mensaje y la distribución de la clave constituiría una tarea mucho más ardua. Una vez que los modificadores se han colocado de acuerdo a lo estipulado en el libro de códigos para ese día, el emisor puede comenzar a codificar. Teclea la primera letra del mensaje, ve qué letra se ilumina en el tablero y la anota como primera letra del texto cifrado. Luego, como el primer modificador ha avanzado una posición automáticamente, el emisor teclea la segunda letra del mensaje, y así sucesivamente. Una vez que ha generado el texto cifrado completo se lo pasa a un operador de radio que lo transmite al receptor a quien va dirigido.


Para descifrar el mensaje, el receptor necesita tener otra máquina Enigma y una copia del libro de códigos que contenga la posición inicial de los modificadores para ese día. Dispone la máquina de acuerdo al libro, teclea el texto cifrado letra a letra y el tablero muestra el texto llano. En otras palabras, el emisor tecleó el texto llano para generar el texto cifrado y ahora el receptor teclea el texto cifrado para generar el texto llano, la codificación y la descodificación son procesos que se reflejan mutuamente. La facilidad de la descodificación es una consecuencia del reflector. Con la imagen 4 podemos ver que si tecleamos b y seguimos la trayectoria eléctrica volvemos a D. De manera similar, si tecleamos d y seguimos la trayectoria volvemos a B. La máquina codifica una letra de texto llano en una letra de texto cifrado, y, mientras la máquina esté en la misma posición, descodificará la misma letra de texto cifrado en la misma letra original de texto llano.


Es obvio que nunca se debe permitir que la clave y el libro de códigos que la contiene caigan en manos del enemigo. Es bastante posible que el enemigo pueda hacerse con una máquina Enigma, pero sin conocer las posiciones iniciales utilizadas para la codificación no puede descifrar fácilmente un mensaje interceptado. Sin el libro de códigos, el criptoanalista enemigo debe recurrir a probar todas las claves posibles, lo que significa que tiene que probar las 17.576 posiciones iniciales posibles de los modificadores. El desesperado criptoanalista colocaría los modificadores de la máquina Enigma capturada en una disposición particular, teclearía un breve fragmento del texto cifrado y vería si las letras resultantes tenían algún sentido. Si no, cambiaría a una disposición diferente de los modificadores y lo intentaría de nuevo. Si pudiera probar una disposición de los modificadores por minuto y trabajar día y noche, le llevaría casi dos semanas examinar todas las disposiciones posibles. Esto es un nivel de seguridad moderado, pero si el enemigo pone una docena de personas a realizar la tarea, entonces se podrían probar todas las disposiciones en un día. Debido a ello, Scherbius decidió mejorar la seguridad de su invento aumentando el número de disposiciones iniciales y, de esta manera, el número de claves posibles.

Podría haber aumentado la seguridad añadiendo más modificadores (cada nuevo modificador aumenta el número de claves con un factor de 26), pero esto agrandaría el tamaño de la máquina Enigma. En vez de ello, añadió dos nuevos rasgos. Primero, simplemente hizo que los modificadores se pudieran sacar y fueran intercambiables. Así, por ejemplo, el disco del primer modificador podía ser movido a la tercera posición y el disco del tercer modificador a la primera. La disposición de los modificadores afecta a la codificación, de modo que la disposición exacta es crucial para la codificación y la descodificación. Hay seis maneras diferentes de disponer los tres modificadores, de manera que este rasgo aumenta el número de claves, o el número de posiciones iniciales posibles, con un factor de seis.


El segundo rasgo nuevo fue la inserción de un clavijero entre el teclado y el primer modificador. El clavijero permite que el emisor inserte cables que tienen el efecto de intercambiar algunas de las letras antes de que entren en el modificador. Por ejemplo, se podría usar un cable para conectar las tomas del clavijero, es decir, las conexiones, de la a y de la b, de modo que cuando el criptógrafo quiere codificar la letra b, la señal eléctrica sigue en realidad la trayectoria a través de los modificadores que previamente era la trayectoria para la letra a, y viceversa. El operador de la Enigma tenía seis cables, lo que significaba que se podían intercambiar seis pares de letras, dejando catorce letras sin conectar y sin modificar. Las letras intercambiadas por el clavijero forman parte de la disposición de la máquina, de modo que se deben especificar en el libro de códigos. La imagen 5 muestra el esquema de la máquina con el clavijero colocado. Como este diagrama sólo muestra un alfabeto de seis letras, sólo se ha intercambiado un par de letras, la a y la b.



Imagen 5

El clavijero está colocado entre el teclado y el primer modificador. Insertando cables, es posible intercambiar pares de letras, de modo que en este caso la b se cambia con la a. Ahora, la b es codificada siguiendo la trayectoria que previamente se asociaba con la codificación de la a. En la Enigma real de 26 letras, el usuario tendría seis cables para intercambiar seis pares de letras.


Ahora que conocemos todos los elementos principales de la máquina Enigma de Scherbius podemos calcular el número de claves, combinando el número de las posiciones posibles de los cables del clavijero con el número de disposiciones y orientaciones posibles de los modificadores. La lista siguiente muestra cada variable de la máquina y el número correspondiente de posibilidades para cada una:

 Orientaciones de los modificadores. Cada uno de los tres modificadores se puede situar en 26 orientaciones diferentes. Por tanto, hay 26 x 26 x 26 disposiciones = 17.576
 Disposiciones de los modificadores. Los tres modificadores (1, 2 y 3) se pueden colocar en cualquier de las disposiciones siguientes: 1-2-3, 1-3-2, 2-1-3, 2-3-1,3-1-2,3-2-1. Total = 6
 Clavijero. El número de maneras de conectar, y con ello intercambiar, seis pares de letras entre 26 es enorme = 100.391.791.500
 Total. El número total de claves es el múltiplo de estos tres números: 17.576 x 6 x 100.391.791.500 =10.000.000.000.000.000

Mientras el emisor y el receptor estén de acuerdo sobre la posición de los cables del clavijero, el orden de los modificadores y sus respectivas orientaciones, todo lo cual lo especifica la clave, podrán codificar y descodificar mensajes muy fácilmente. Sin embargo, un interceptador enemigo que no conozca la clave tendrá que probar cada una de las 10.000.000.000.000.000 claves posibles para descifrar el texto cifrado. Poniendo esto en contexto, un criptoanalista persistente que fuera capaz de probar una disposición por minuto necesitaría más tiempo que la edad del universo para probar todas las disposiciones.

Como la mayor contribución al número de claves proviene con gran diferencia del clavijero podría usted preguntarse por qué Scherbius se molestó en poner modificadores. Por sí mismo, el clavijero proporcionaría una cifra insignificante, porque no haría otra cosa que actuar como una cifra de sustitución monoalfabética, cambiando entre sólo 12 letras. El problema con el clavijero es que los cambios no se producen una vez que comienza la codificación, de modo que por sí mismo generaría un texto cifrado que no sería difícil de descifrar mediante el análisis de frecuencia. Los modificadores aportan un número menor de claves, pero su disposición está continuamente cambiando, lo que significa que el texto cifrado resultante no puede ser descifrado con el análisis de frecuencia. Combinando los modificadores con el clavijero, Scherbius protegió su máquina contra el análisis de frecuencia y al mismo tiempo la dotó de un número enorme de claves posibles.


La imagen 6 muestra una máquina Enigma con la cubierta externa abierta, lista para ser usada. Es posible ver el teclado en que se escriben las letras de texto llano y en su parte superior el tablero que muestra la letra de texto cifrado resultante. La imagen 7 muestra una Enigma con la cubierta interna abierta para mostrar más rasgos, en particular los tres modificadores.



Imagen 6



Imagen 7

Scherbius creía que la Enigma era inexpugnable y que su fortaleza criptográfica crearía una gran demanda de ella. Intentó promocionar la máquina de cifras tanto para el ejército como para el mundo de los negocios ofreciendo diferentes versiones para cada mercado. El precio de una unidad individual se elevaba al equivalente de más de cinco millones de pesetas en precios de ahora.


Por desgracia, el elevado coste de la máquina desalentó a los compradores potenciales. El ejército alemán mostró la misma ausencia de entusiasmo, porque no era consciente del daño causado por sus cifras poco seguras durante la primera guerra mundial.


Afortunadamente para Scherbius, sin embargo, el ejército alemán llegó a asustarse lo suficiente como para apreciar el valor de la máquina Enigma, gracias a dos documentos británicos. El primero fue The World Crisis («La crisis mundial») de Winston Churchill, publicado en 1923, que incluía un dramático relato de cómo los británicos habían obtenido valioso material criptográfico alemán:


A comienzos de septiembre de 1914, el crucero ligero alemán Magdeburg naufragó en el Báltico. El cuerpo de un oficial alemán ahogado fue recogido por los rusos algunas horas después y, apretado contra su pecho por los brazos rígidos por la muerte, tenía los libros de claves y señales de la marina alemana, así como mapas minuciosamente milimetrados del mar del Norte y de la ensenada de la isla de Heligoland. El 6 de septiembre, el agregado naval ruso vino a verme. Había recibido un mensaje de Petrogrado diciéndole lo que había sucedido y que el Ministerio de Marina ruso, con la ayuda de los libros de claves y señales, había podido descodificar al menos fragmentos de mensajes navales alemanes. Los rusos pensaron que, siendo el poder naval más importante, el Ministerio de Marina británico debería tener estos libros y mapas. Si enviábamos un navío a Alexandrov, los oficiales rusos a cargo de los libros los enviarían a Inglaterra.


Este material había ayudado a los criptoanalistas británicos a descifrar mensajes codificados alemanes regularmente. Finalmente, casi una década después, los alemanes tomaron conciencia de este fracaso en la seguridad de sus comunicaciones. También en 1923 la Marina Real británica publicó su historia oficial de la primera guerra mundial, que reiteraba el hecho de que la interceptación y el criptoanálisis de las comunicaciones alemanas habían dado una clara ventaja a los aliados. Estos espléndidos logros de la Inteligencia británica suponían una marcada condena de los responsables de la seguridad alemana, que tuvieron que admitir entonces en su propio informe que, «el mando de la flota alemana, cuyos mensajes de radio eran interceptados y descifrados por los ingleses, jugó, como quien dice, con las cartas boca arriba contra el mando británico».


El ejército alemán inició una investigación sobre cómo evitar los fiascos criptográficos de la primera guerra mundial y concluyó que la máquina Enigma ofrecía la mejor solución. En 1925 Scherbius comenzó la fabricación en serie de Enigmas, que entraron al servicio del ejército al año siguiente, y que posteriormente fueron utilizadas por organizaciones gubernamentales y estatales como, por ejemplo, los ferrocarriles. Estas Enigmas eran distintas de las pocas máquinas que Scherbius había vendido anteriormente al mundo de los negocios, porque los modificadores tenían cableados internos diferentes. Los dueños de una máquina Enigma comercial, por tanto, no sabían exactamente cómo eran las versiones gubernamentales y militares.


Durante las dos décadas siguientes, el ejército alemán compraría más de 30.000 máquinas Enigma. El invento de Scherbius proporcionó al ejército alemán el sistema de criptografía más seguro del mundo y al estallar la segunda guerra mundial sus comunicaciones estaban protegidas por un nivel de codificación sin precedentes. A veces, pareció que la máquina Enigma tendría un papel vital para asegurar la victoria nazi, pero, en vez de ello, al final formó parte de la perdición de Hitler.