permutációk, melyek megmenteték a...

62
Permutációk, melyek megmenteték a világot Mérainé Kékesi Júlia Mérai László

Upload: others

Post on 05-Sep-2019

12 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Permutációk, melyek megmenteték a világot

Mérainé Kékesi JúliaMérai László

Page 2: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Idojárás elorejelzés

1940 egyik sötét éjszakáján egy német bombázó felszáll, és aLa Manche csatorna felé veszi útját.

Az öt fobol álló legénység az angol hadsereg speciálisankiképzett csapata – német egyenruhában

Feladatuk lezuhanást színlelni, majd a mentésükre érkezonémet tengeralattjárót elfoglalni.

És ami a legfontosabb: az ENIGMÁT megszerezni.

Eközben az égi seregek is gyülekeznek.

James Bondék kénytelenek belátni, hogy ekkora hatalommalnem szállhatnak szembe, így az akciót lefújják.

Page 3: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

A nélkülözo Anglia

Az Atlanti háborúban a német tengeralattjárók kereskedelmikonvojok megtámadásával megfosztották Angliát néhányalapveto termék beszerzésétol.

A német haditengerészet különösen nehezen feltörheto, azEnigmával rejtjelezett üzenetek útján kommunikált.

A német támadások megfékezéséhez elengedhetetlenné vált ahaditengerészeti Enigma és a hozzá tartozó kódkönyvekmegszerzése.

Page 4: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Kezdjük az elejérol...Mi az az Enigma?

I Görög eredetu szó, jelentése REJTÉLYI Arthur Scherbius szabadalma (1918): titkosíró gép, üzleti

célokraI II. világháborúban: ennek a katonai változata

Page 5: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Történeti áttekintésSzervezodés a német oldalon

Az I. világháborút követoen:I Németország nem adja fel hatalmi törekvéseitI 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore

kap, emiatt fontossá válik a kommunikáció biztonságánakmegteremtése

I a németek is tudják: rádiós üzeneteik könnyenlehallgathatóak

I megoldás: REJTJELEZÉSI 1928-tól tesztelni kezdik az Enigma katonai változatát

Page 6: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Történeti áttekintésEközben a másik oldal sem tétlenkedik...

I Franciaország és Nagy-Brittannia: gyozelmi mámorban ég,nem törodnek Németországgal

I Lengyelország ennél gyanakvóbb, ezért folyamatosanlehallgatják és megfejtik a német rádiós üzeneteket

I módszereik:I nyelvészeti módszerekI karakterek gyakoriságának vizsgálata

I 1928: az eddig használt módszerek kudarcba fulladnakI a lengyelek rájönnek, hogy a németek gépi titkosításra

váltottak

Page 7: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Történeti áttekintésLengyelek a pácban...

I a lengyeleknél az újfajta titkosírás megfejtésére irányulólázas munka kezdodik

I nyugati mintára létrehozzák saját titkosírással foglalkozószervezetüket, a Biuro Szyfrów-t

I évek telnek el, eredménytelenül...I a nyelvészek kudarcot vallanak...I minden próbálkozás, még a látnokok bevonása is, csodöt

mond...

Page 8: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Történeti áttekintésAz elso használható ötlet

I Maksymilian Ciezki, a Lengyel Titkosszolgálat századosafejébol kipattan az ötlet:

I ha már a látnokok sem segíthetnek,

MI LENNE, HA BEVONNÁNK A MATEMATIKUSOKAT??

Page 9: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Történeti áttekintésCiezki ötletének megvalósítása

I a poznani egyetemen Kriptoanalízis címmel új kurzustindítanak

I három kiemelkedo diák a kurzuson

Jerzy Rúzycki Marian Rejewski Henryk Zygalski

I mindhárman elfogadják a titkosszolgálat felkérését

Hosszú évek sikertelensége után végre komoly munkakezdodhet az Enigma feltörésében.

Page 10: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Tudni illik...avagy a titkosírásokról általában

Nyílt üzenet:

Titkos üzenet:

Page 11: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Tudni illik...amit már Ceasar is tudott

Julius Ceasar a szenátus tagjainak és a római sereg vezérénekadott utasításait titkosítva kívánta elküldeni. Ezért:

I az üzenet minden betujét az ábécében rá következo 3.betuvel helyettesítette

I algoritmus: az ábécében eltolni x hellyelI kulcs: x = 3I pl.: MENJ −→ PHQK

Ceasar titkosírása kevés próbálgatás árán megfejtheto.

Page 12: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Tudni illik...a monoalfabetikus titkosírásokról

A monoalfabetikus titkosírás nem más, mint Ceasarmódszerének általánosítása:

Táblázatot készítünk a karakterek más karakterekkel valóhelyettesítéséhez.

x a b c . . . e . . . j . . . m n . . . x y zϕ(x) f h d . . . s . . . u . . . l y . . . q v t

MENJ 7−→ ϕ(M)ϕ(E)ϕ(N)ϕ(J) = LSYU

Általános monoalfabetikus titkosírásokat a karakterekgyakoriságának vizsgálatán alapuló módszerekkel lehetvisszafejteni.

Page 13: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Tudni illik...vannak biztonsági követelmények

A titkosírás alapelvei:

1. Ne használd ugyanazt a kulcsot különbözo szövegekkódolásához.

2. Ne kódold ugyanazt a szöveget két különbözo kulccsal.

3. Feltételezd, hogy az ellenség tudja a bekódolásialgoritmust.

4. Ne becsüld alá az ellenséget.

Page 14: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az elso lengyel sejtések

Változatos statisztikai tesztek alkalmazásásval a lengyelekrájöttek, hogy

I az Enigma esetében az elso 6 karakter az indikátor (az aszövegrészlet, mely információt tartalmaz a kulcsról)

I az Enigma által generált titkosírás valószínulegpolialfabetikus, azaz

I minden karaktert egyszeru megfeleltetéssel egy másikracserélnek, ám szemben Ceasar módszerével a rejtjelezettbetu az eredeti betu szövegben elfoglalt helyétol is függ

Page 15: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Egy porszem a német gépezetben

Az élet Németországban sem mindenkinek fenékig tejfel...

I a pénzügyi gondokkal küzdo Hans-Thilo Schmidt azEnigma áruba bocsátásával remélt kilábalni a válságból

I 1931, Belgium: kapcsolatba lép egy Rex fedonevu franciahírszerzovel

I 7 éven át szolgál információkkal

Franciaország nem tartja lényegesnek a kapott információkat.Egy korábbi együttmuködési szerzodés alapján átadja ezeket aLengyel Hírszerzésnek.

Page 16: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigmafelépítése

A szerkezet részei:

1. billentyuzet

2. kijelzo

3. kapcsolótábla

4. keverotárcsák

5. visszafordító

Page 17: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigmafelépítése

A keverotárcsák:I lánckerékI ábécés gyuruI tengelyI reteszI kábeltartóI érintkezo párI továbbító horony

Page 18: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigmamuködési elve

Az áram útja egy billentyulenyomása után:

I kapcsolótábla (melyenbizonyos betukfelcserélhetok, pl.:telefonközpont)

I keverotárcsák (a 3keverotárcsa egymásután, egymástólfüggetlenül permutálja akaraktereket)

I visszafordító (másikútvonalon küldi visszaaz elektromos jelet)

Page 19: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigmakeverotárcsák muködése

I az elso helyen lévo keverotárcsa minden karakter leütésétkövetoen egy betu helynyit fordul

I a második helyen lévo keverotárcsa az elso tárcsa általmegtett minden kör után fordul egy karakternyit

I a harmadik helyen lévo keverotárcsa a második általmegtett körönként fordul egy helynyit

Page 20: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma használataa napi kód

A napi kód meghatározza, hogy adott napon milyen feltételekszerint kell az Enigmát beállítani.Megadja

1. a keverotárcsák sorrendjét, pl.: II. III. I.

2. az ábécés gyuruk állását, pl.: K, U, B

3. a kapcsolótábla érintkezéseit, pl.: AU, CR, DK, JZ, LN, PS

A napi kódokat negyedévre elore megkapta minden operátor.Az ábécés gyuruk állását és a kapcsolótábla érintkezéseitnaponta, ám a keverotárcsák sorrendjét csak negyedéventeváltoztatták.

Page 21: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma használataa napi kód

Egy eredeti kódkönyv:

Page 22: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma használataaz üzenetkód

Az üzenetkód egy ideiglenes kulcs, mely üzenetenként változik.Használata:

I az operátor véletlenszeruen kiválaszt három karaktert

pl.: HTS

I beállítja az Enigmát a napi kód szerintI a választott karaktereket kétszer egymás után leírja

(számolva a rádiós adás zavarásával), majd ezt a hatkaraktert elkódolja

pl.: HTSHTS −→ NEWGWY

Page 23: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma használataaz üzenetkód

I úgy állítja be az Enigmát, hogy az ábécés gyuruk állásamegegyezzen az általa választott karakterekkel(példánkban HTS )

I elkódolja az üzenetet

pl.: HELLO −→ NEWGWY BPTQS

Page 24: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma használataaz üzenet dekódolása

I Az operátor beállítja az enigmát a napi kód szerint.I Betáplálja a gépbe az üzenetkódót. Ha nem sérült az

üzenet, akkor az eredeti 3 véletlen karaktert kapja visszakétszer egymás után.

pl.: NEWGWY −→ HTSHTS

I Ezután úgy állítja be az Enigmát, hogy az ábécés gyurukállása megegyezzen az általa kapott karakterekkel(példánkban HTS )

I végül dekódolja az üzenetet

pl.: NEWGWY BPTQS −→ HELLO

Page 25: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Két apró hiba

A németek két ponton rendszeresen megszegik a titkosírásalapelveit:

1. adott napon minden üzenetet azonos kulccsal (napikóddal) kódolnak

2. minden üzenetkódot kétszer kódolnak, különbözo kulccsal

Page 26: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

A feltörés kezdeteiMit tudnak a lengyelek?

1932 decemberében a következo információkkal rendelkeznek:

I birtokukban van a kereskedelmi Enigma (kapcsolótáblanélkül, és a katonai Enigmáétól különbözokeverotárcsákkal és visszafordítóval)

I ismerik a használati utasítástI tudják az 1932 szeptemberére és októberére vonatkozó

napi kódokat (két különbözo negyedév, tehát más akeverotárcsák sorrendje)

I számos elkapott üzenetük van, nem csak szeptember ésoktóber hónapból

Page 27: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltörésea keveroberendezés matematikai modellje

Az Enigma feltörése a gyakorlatban nem más, mint a háromkeverotárcsa (N, M, L) és a visszafordító (R) permutációjánakmegfejtése.

I R diszjunkt cserék szorzataként áll eloI tekintve, hogy a tárcsák forognak, legyen

P := (a, b, c, . . . , x , y , z) 26 hosszú ciklusI jejöljük S-sel a kapcsolótábla által leírt permutációt (ezt a

napi kód határozza meg, mely a kémtevékenységnekköszönhetoen általában ismert volt)

Page 28: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltörésea keveroberendezés matematikai modellje

A keveroberendezés modelljét a fentiek permutációjával kapjuk:

S−1P−1N−1PM−1L−1RLMP−1NPS

Page 29: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltöréseaz elso hat karakterre felírható permutációk

Jelöljük az elso karakteren ható permutációt A-val, amásodikonhatót B-vel, és így tovább C-vel, D-vel, E-vel és F -fel akövetkezo karaktereken hatókat.

Ezekre a következo permutációs egyenleteket kapjuk:

A = S−1P−1N−1PM−1L−1RLMP−1NPS

B = S−1P−2N−1P2M−1L−1RLMP−2NP2S

C = S−1P−3N−1P3M−1L−1RLMP−3NP3S

D = S−1P−4N−1P4M−1L−1RLMP−4NP4S

E = S−1P−5N−1P5M−1L−1RLMP−5NP5S

F = S−1P−6N−1P6M−1L−1RLMP−6NP6S

Rejewskiék elott csak a P permutáció volt ismert.

Page 30: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltöréseaz egyenletek megoldása

I az R permutáció diszjunkt cserék szorzata, ezért

R2 = I

I A, B, C, D, E és F mind konjugáltak R-rel, így

A2 = B2 = C2 = D2 = E2 = F 2 = I

Ezek a permutációk azonban továbbra is ismeretlenek alengyeleknek.

Page 31: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltörésenapi karakterisztikák

Az indikátorból a következo módon megkaphatjuk a Rejewskiáltal "napi karakterisztikák"-nak nevezett DA, EB és FCszorzatokat:

I legyen az üzenetkód az xyz betuhármasI Ha ezt kétszer beütjük: az rstuvw betuhatos adódik. Ez az

xyzxyz kódolt változataI ekkor Ax = r és Dx = uI Mivel D is cserék (transzpozíciók) szorzata, ezért Du = x ,

így DAr = uI amennyiben adott napon elegendo elkapott üzenettel

rendelkezünk, ismertté válnak a DA, EB, FC permutációk

Page 32: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltörésenapi karakterisztikák

Az elso indikátorból megkaphatjuk például, hogy

DAa = a, EBu = m, FCq = n

A második indikátorból:

DAb = c, EBn = h, FCh = i

Ha adott napon elég elkapott üzenetünk van, megkaphatjuk akarakterisztikákat.

DA = (a), (s), (bc), (rw), (dvpfkxgzyo), (eijmunqlht)

EB = (axt), (blfqveoum), (cgy), (d), (hjpswizm), (k)

FC = (abviktjgfcqny), (duzrehlxwpsmo)

Page 33: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltörésenapi karakterisztikák

A karakterisztikákra következo permutációk írhatók fel:Ha

A = S−1P−1N−1PM−1L−1RLMP−1NPS

ésD = S−1P−4N−1P4M−1L−1RLMP−4NP4S

adódik, hogy

DA = S−1P−4N−1P4M−1L−1RLMP−4NP3N−1PM−1L−1RLMP−1NPS

EB = S−1P−5N−1P5M−1L−1RLMP−5NP3N−1P2M−1L−1RLMP−2NP2S

FC = S−1P−6N−1P6M−1L−1RLMP−6NP3N−1P3M−1L−1RLMP−3NP3S

Page 34: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltörésenapi karakterisztikák

A Q := M−1L−1RLM jelölést bevezetve az alabbiegyenletekhez jutunk:

DA = S−1P−4N−1P4QP−4NP3N−1PQP−1NPS

EB = S−1P−5N−1P5QP−5NP3N−1P2QP−2NP2S

FC = S−1P−6N−1P6QP−6NP3N−1P3QP−3NP3S

Mivel N és Q ismeretlen, a fenti egyenletek továbbra semoldhatók meg.

Page 35: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltöréseRejewski egy tétele

TételEgy K permutáció pontosan akkor fejezheto ki két, aciklusfelbontásukban csak cseréket tartalmazó X , Yszorzataként, ha K ciklusfelbontásában minden hosszúságúciklusból páros sok van.

Page 36: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

BizonyításTegyük fel, hogy K = YX. Tekintsük az X (a1, a2) cseréjét.

A szorzatban az a1, a2 elemeket az (a1, a3, . . . , a2k−1) és az(a2, a2k , a2k−4, . . . , a4) ciklus tartalmazza, melyek hosszamegegyezik.Így adódik, hogy adott hosszúságú ciklusból páros sok van aszorzatban.

Page 37: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltöréseRejewski egy tétele

BizonyításLegyen K két k hosszú ciklus szorzata

K = (a1, a3, . . . , a2k−1)(a2, a2k , a2k−4, . . . , a4)

Tegyük fel, hogy X tartalmazza az (a1, a2) cserét.

Szeretnénk, hogy K = YX teljesüljön

⇒ Y tartalmazza az (a2, a3) cserét.

Hasonlóan X-nek tartalmaznia kell az (a3, a4)-et.

Ezt ismételve megkaphatjuk az X és Y permutációkat.

Itt X és Y kizárólag a1 és a2 választásától függ, így összesenk-féle felbontás létezik.

Page 38: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltöréseRejewski tételének alkalmazása

Ezt a tételt alkalmazhatjuk az elobbi példára:

DA = (a), (s), (bc), (rw), (dvpfkxgzyo), (eijmunqlht)

EB = (axt), (blfqveoum), (cgy), (d), (hjpswizrn), (k)

FC = (abviktjgfcqnz), (duzrehlxwpsmo)

Ebben az esetben 13 lehetséges C és F , 3× 9 B és E , és2× 10 A és D permutáció létezik. Összegezve: 7020 alehetoségek száma.

Page 39: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltörésepszihikai tényezok

Rejewski ezt a számot tovább akarta csökkenteni, s ekkormeglátta az embert a gép mögött:

I észrevette, hogy az elkapott üzenetek indikátorai közül sokmegegyezik

I felismerte, hogy az operátorok monoton, unalmas munkájafigyelmetlenségre adhat okot

I feltételezte, hogy az operátorok nem teljesenvéletlenszeruen választják meg az üzenetkódot

I tudta, hogy a németek szeretik a rendetI az a sejtése támadt, hogy az egyszeruség kedvéért 3

azonos, vagy 3 a billentyuzeten egymás melletti karaktertválasztanak

Page 40: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltörésepszichikai tényezok

Rejewski megvizsgálta, hogy például az SYX SCW indikátorszármazhat-e az AAA üzenetkódból, vagyis

I lehet-e Aa = s, Ba = x és Ca = yI FC két 13 hosszúságú ciklus szorzataI ez egyértelmuen meghatározza C-t és F -et

I másik két hasonló sejtés segítségével Rejewski meg tudtahatározni az A, B, C, D, E , F permutációkat

Page 41: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltörésepszichikai tényezok

Az alábbi táblázat egy adott nap indikátorai alapján visszafejtettüzenetkódokat tartalmazza:

AUQ AMN: sss IKG JKF: ddd QGA LYB: xxx VQZ PVR: ertBNH CHL: rfv IND JHU: dfg RJL WPX: bbb WTM RAO: cccBCT CGJ: rtz JWF MIC: ooo RFC WQQ: bnm WKI RKK: cdeCIK BZT: wer KHB XJV: lll SYX SCW: aaa XRS GNM: qqqBBD VDV: ikl LDR HDE: kkk SJN SPO: abc XOI GUK: qweEJP IPS: vbn MAW UXP: yyy SUG SMF: asd XYW GCP: qayFBR KLE: hjk NXD QTU: ggg TMN EBY: ppp YPC OSQ: mmmGBP ZSV: nml NLU QFZ: ghj TAA EXB: pyx ZZY YRA: uvwHNO THD: fff OBU DLZ: jjj USE NWH: zui ZEF YOC: uioHXV TTI: fgh PVJ FEG: tzu VII PZK: eee ZSJ YWG: uuu

Két üzenetkód (abc és uvw) kivételével mindegyik megfelel aRejewski által feltételezett szabálynak, de a kivételek semnevezhetok véletlenszerunek.

Page 42: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltöréseaz egyenletrendszer tovább egyszerusödött...

Hála Rejewski ötletének, a baloldalon szereplo kifejezések márismertek:

A = S−1P−1N−1PQP−1NPHS

B = S−1P−2N−1P2QP−2NP2HS

C = S−1P−3N−1P3QP−3NP3HS

D = S−1P−4N−1P4QP−4NP4HS

E = S−1P−5N−1P5QP−5NP5HS

F = S−1P−6N−1P6QP−6NP6HS

Page 43: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltöréseés még tovább egyszerusödött...

Tekintve, hogy a vizsgált nap 1932 szeptemberére esett,Rejewski ismerte a napi kódot (S)

SAS−1 = P−1N−1PQP−1NP

SBS−1 = P−2N−1P2QP−2NP2

SCS−1 = P−3N−1P3QP−3NP3

SDS−1 = P−4N−1P4QP−4NP4

SES−1 = P−5N−1P5QP−5NP5

SFS−1 = P−6N−1P6QP−6NP6

Page 44: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltöréseés még tovább egyszerusödött...

Rejewski a következo hat egyenlethez jutott, ahol N és Qismeretlen:

T = PSAS−1P−1 = N−1PQP−1N

U = P2SBS−1P−2 = N−1P2QP−2N

W = P3SCS−1P−3 = N−1P3QP−3N

X = P4SDS−1P−4 = N−1P4QP−4N

Y = P5SES−1P−5 = N−1P5QP−5N

Z = P6SFS−1P−6 = N−1P6QP−6N

Page 45: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltöréseés még tovább egyszerusödött...

Az egymás alatt elhelyezkedo egyenletek összeszorzásávalRejewski öt egyenletbol álló egyenletrendszert kapott:

UT = N−1P(PQP−1Q)P−1N

WU = N−1P2(PQP−1Q)P−2N

XW = N−1P3(PQP−1Q)P−3N

YX = N−1P4(PQP−1Q)P−4N

ZY = N−1P5(PQP−1Q)P−5N

Page 46: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltöréseés még tovább egyszerusödött...

Az egyenletrendszerbol kiküszöbölte a PQP−1Q kifejezést. Azalábbi egyenletrendszerben már csak N ismeretlen:

WU = N−1PN(UT )N−1P−1NXV = N−1PN(WU)N−1P−1NYX = N−1PN(XW )N−1P−1NZY = N−1PN(YX )N−1P−1N

= V−1(UT )V= V−1(WU)V= V−1(XV )V= V−1(YX )V

A jobb áttekinthetoség érdekében bevezette a V = N−1P−1Njelölést.

Vegyük észre, hogy minden egyenlet azonos, J = V−1KValakú, ahol J és K ismert.

Page 47: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltöréseegy definíció és egy tétel

DefinícióG és H permutáció akkor konjugált, ha létezik olyan V , hogy

G = V−1HV

TételKét permutáció pontosan akkor konjugált, ha ciklusszerkezetükmegegyezik.

Page 48: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltörésea tétel alkalmazása

A tétel segítségével az alábbi módon kereshetünkmegoldásokat:

I Válasszunk két megegyezo hosszúságú ciklust G és Hciklikus felbontásából.

I Válasszunk ki egy x elemet a G és egy y elemet a Hkiválasztott ciklusaiból.

I Legyen Vx := y . Ekkor VG = HV miatt

VGix = H iVx = H iy , ahol i = 1, . . . , 26

Vegyük észre, hogy ha V kielégíti az egyenletet, és HZ = ZH,akkor VZ is megoldás. Másrészrol könnyen belátható, hogy amegoldás csak ilyen alakú lehet.

Page 49: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltörésea tétel alkalmazása

WU = N−1PN(UT )N−1P−1NXV = N−1PN(WU)N−1P−1NYX = N−1PN(XW )N−1P−1NZY = N−1PN(YX )N−1P−1N

= V−1(UT )V= V−1(WU)V= V−1(XV )V= V−1(YX )V

I Rejewski négy egyenletének mindegyikéhez találhatunkmegoldás az elobb ismertetett módon.

I Közülük az lesz valódi V , mely az összes egyenletetkielégíti.

I Ez a megoldás egy ciklikus permutáció, mivel P−1

konjugáltja.I Rejewski számára ily módon ismertté vált az N

Page 50: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma feltörésea keverotárcsákat leíró permutációk megfejtése

I A fenti módszerrel Rejewskinek sikerült leírnia a jobboldalikeverotárcsa permutációját.

I Ekkortájt a németek a tárcsák sorrendjét negyedéventeváltoztatták.

I Rejewskiéknek szeptemberi és októberi napi kódjaik isvoltak (az év két különbözo nagyedévébol), így a fentismertetett módszerrel egy másik keverotárcsapermutációja is ismertté vált.

I Ezek után könnyedén meghatározták a harmadikkeverotárcsa és a visszafordító permutációit.

I 1934-re a lengyelek megépítették az Enigma katonaiváltozatát, és az üzenetek többségét el tudták olvasni.

Page 51: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma további sorsaa Ciklométer

I A lengyelek olyan módszert keresnek, amivel az üzeneteka napi kód ismerete nélkül is megfejthetok.

I Rejewski kifejleszti a Ciklométer nevu gépet (az Enigmaegy módosított változata).

I A Ciklométer a napi karakterisztikákat vizsgálja, és alehetoségek jó részét képes kizárni.

I A többi esetet a kriptográfusok ellenorzik, míg megtaláljáka megfelelo kezdobeállítást.

Page 52: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma további sorsaújabb nehézségek és kiküszöbölésük

I 1938 szeptember 15: a németek módosítják az Enigmahasználatát, eztán a tárcsák sorrendjét az operátoroküzenetenként változtatják.

I Probléma: kevés kódolt szöveg tartozik egy adottbeállításhoz.

I Megoldás: A Bomba elnevezésu szerkezetet és Zygalskilyukkártyáit használják.

I a fenti módszerek a permutációk fix pontjainak vizsgálatánalapulnak.

Page 53: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma további sorsatovábbi szigorítás a német oldalon

I A németek három helyett öt tárcsát kezdenek használni (anapi kód határozza meg, hogy aznap melyik hármat).

I Három tárcsát hat féle képpen, ötöt már hatvan féleképpen lehet az Enigmában tenni.

I A lehetoségek megtízszerezodésével a Bombák számáthatról hatvanra kellene növelni.

I Lengyelország anyagi források híján erre képtelen.

Page 54: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma további sorsaaz Enigma angol kézre jut

I 1939 július 25-26: Varsóban találkozóI A lengyelek további kutatásra átadják a katonai enigma

másolatát és a Bombák terveit a franciáknak és azangoloknak.

I Az elso Enigma másolat a Bletchley Parkba kerül.

Page 55: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma további sorsaangol eredmények

I Turing a Bomba alapján kidolgozza a Bombe terveit

I Welchman újra kitalálja Zygalski lyukkártyáitI Harold "Doc" Keen megépíti a Bombe-t, azt az egytonnás

kb. 2 méter magas, 2 méter széles elektromechanikusszerkezetet, melyet a mai számítógépek egyik elodjénektekintenek.

Page 56: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma további sorsahaditengerészeti Enigma

I A flottánál szigorúbbak az Enigma használatánakszabályai:

I valóban véletlenszeru üzenetkódok választásaI sablonos szövegek írásának kerüléseI öt helyett nyolc tárcsa, és többféle visszafordítóI a kapitányoknak fenyegetettség esetén meg kell

semmisíteni az Enigmát és a kódkönyveket

Page 57: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

A nagy Ihletavagy hogyan született a 007-es ügynök?

Itt jön a képbe Ian Fleming:

Késobb a James Bond történetek szerzojeként elhíresültFleming egyik elso 007-es színezetu sztoriját a valóság ihlette.

Page 58: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az igazi James BondA Könyörtelen Hadmuvelet

Egyenesen a címzettnek!Címzett: a Heditengerészeti Hírszerzés vezetojeFeladó: Ian FlemingKönyörtelen hadmuveletA hadizsákmány megszerzésére a következo eszközöketjavaslom:

1. A Légügyi Minisztérium segítségével végy egy repülésreképes német bombázót.

2. Végy egy öt fobol álló kemény legénységet, legyen köztükegy németbol perfekt pilóta, és egy rádiós. Az alkalomhozilloen addj hozzájuk némi vért és kötszert.

Page 59: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az igazi James BondA Könyörtelen Hadmuvelet

3 Adj le SOS jelzést a mentoegységeknek, majd ejtsd agépet a La Manche csatornába.

4 A hajóra való átszállást követoen lodd le és hajítsd ki afedélzetrol a német legénységet, majd hozd a hajót azangol partokhoz.

Annak érdekében, hogy minél nagyobb esély legyen egyRaumboot (kis méretu aknaszedo hajó) vagy egyMinensuchboot (nagy méretu aknaszedo hajó) elfogására,annak nagyobb hadizsákmányával együtt, a zuhanást érdemesa csatorna közepén megrendezni. A németek nagyobbvalószínuséggel használják a hosszabb és kockázatosabb útraezeket a típusokat.

Page 60: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az igazi James BondA Könyörtelen Hadmuvelet

Megjegyzés: Mivel a támadók ellenséges egyenruhát viselnekmajd, elfogásuk esetén partizánoknak hihetik oket. Ez azincidens termékeny táptalaja lehet a hírverésnek. Emiatt atámadók története a következo legyen: Az eset nem más, mintegy csapat forrófeju fiatal tréfája, akik úgy gondolták, a háborútúlságosan erélytelen, ezért próbára akarták tenni a németeket.Ellopták a repülot és a felszrelést, és számítottak arra, hogyamennyiben visszatérnek, bajba kerülnek miatta. Ez a történetelejébe megy annak a gyanúnak, hogy a csapat egymentohajónál értékesebb hadizsákmányra vadászott volna.

Page 61: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma további sorsahaditengerészeti Enigma

I Az angolok nem tétlenkednek:I Ian Fleming Könyörtelen Hadmuveletét ugyan nem sikerül

megvalósítaniuk, ámI 1941 májusában elsüllyesztenek egy U110-es német

tengeralattjárót.I Fritz Julius Lemp kapitány gondatlanságának

köszönhetoen angol kézre jut a tengerészeti Enigma, ésszámos kódkönyv.

Page 62: Permutációk, melyek megmenteték a világotweb.cs.elte.hu/~agoston/bboard/ma08tav/enigmarov.pdf · I 1920-as évek: A német hadsereg (a Wehrmacht) új erore ... Julius Ceasar a

Az Enigma további sorsaa történet vége(?)

I Az amerikaiak is bekapcsolódnak a háborúba, és perszeaz Enigma vizsgálatába.

I Az Enigmával kódolt üzenetek megfejtése nyilvánvalókihatással van a II. világháború folyamára.

I A háború után az amerikaiak azonnal titkosítják az összesEnigmával kapcsolatos információt, attól félve, hogy amaffia kezére kerül. Csak 1987-ben hozzáknyilvánosságra az adatokat.

I Rejewski cikkei a témában csak 1980-ban jelenhettek meg.I Rejewski, Zygalski és Rúzycki 2000-ben poszthumusz

kitüntetést kapott a Lengyel államtól.