Kryptologia XX wieku — pierwsze próby pokonania szyfru Enigmy

W dzisiejszym artykule znowu wrócimy do fatalnego dla ludzkości i świata okresu drugiej wojny światowej. Jednakże, tym razem spojrzymy na cały konflikt z całkowicie odmiennej strony. Moje poprzednie teksty z tej serii opisywały maszyny kryptograficzne, metody ich działania oraz inżynierów, którzy je opracowali. Zajmowaliśmy się tylko jedną stroną barykady – kryptografami – naukowcami opracowującymi nowe metody szyfrowania wiadomości. Dzisiaj natomiast dowiemy się więcej o drugiej stronie tego odwiecznego starcia - inżynierach dzięki którym w dużej mierze alianci wygrali drugą wojnę światową. Kryptolodzy, kryptoanalitycy i językoznawcy – ci ludzie, pracujący często w ukryciu przed światem, nie mogący podzielić się wrażeniami ze swojej pracy nawet z najbliższą rodziną, bardziej przyczynili się do zwycięstwa sojuszu demokratycznych państw w wojnie niż niejeden wynalazek militarny. Dlaczego? Dowódcy państw sprzymierzonych z wyprzedzeniem wiedzieli, co planuje wróg. Natomiast przeciwnik nie wiedział nic. Dawało to niezwykle dużą przewagę w planowaniu operacji militarnych.

Wprowadzenie maszyn wirnikowych było niemałym przełomem w dziedzinie kryptografii. Taki szyfr, zwany maszynowym, przez wielu był uważany za niemożliwy do złamania. Problemem był głównie brak odpowiednich teorii matematycznych. Metody używane do deszyfrowania wiadomości jeszcze podczas pierwszej wojny światowej nie mogły wygrać walki z nowoczesnym szyfrem polialfabetycznym czy strumieniowym. Zobaczmy, jakich metod kryptoanalitycy używali wcześniej, zanim nadeszła epoka maszyn wirnikowych.

„Stara epoka” kryptoanalizy

Ludzie powszechnie używali szyfrów do zabezpieczenia komunikacji na długo przed drugą wojną światową. Szyfry te, zwane „klasycznymi” lub „historycznymi” opierały się na prostych przekształceniach tekstu jawnego. Nie mogły być skomplikowane, gdyż za operację szyfrowania i deszyfrowania odpowiadał człowiek. Do czasu nadejścia epoki komputerów były całkowicie bezpieczną metodą zabezpieczania komunikacji. Jak myślisz, kogo zatrudniano do łamania tego typu szyfrów? Wydawałoby się, że matematyków. Otóż nie! W kryptoanalizie do czasu wprowadzenia maszyn wirnikowych pracowali językoznawcy. To oni, wykorzystując swoją wiedzę z zakresu charakterystyk danego języka, byli uważani za jedyną kategorię ludzi, która jest zdolna łamać szyfry. Dlaczego? Otóż, każdy język ma swoje cechy charakterystyczne. Np.: w języku polskim najczęściej występującą literą jest a, a średnia długość słowa waha się między pięcioma a sześcioma literami. Oznacza to tyle, że jeśli szyfrujemy jakiś polski tekst za pomocą szyfru podstawieniowego, szachownicy Polibiusza lub innego, podobnego mechanizmu, to z dużym prawdopodobieństwem najczęściej występująca litera w szyfrogramie będzie odpowiadała literze a. Oczywiście, stosowano różne metody mające utrudnić analizę statystyczną, takie jak zamiana kolumn kolejnością. Dodatkowo, odkrycie powiązań kilku liter tekstu jawnego i szyfrogramu nie zawsze oznaczało odszyfrowanie wiadomości. Na metodę analizy statystycznej, mniej lub bardziej, wrażliwe są wszystkie szyfry klasyczne – począwszy od tradycyjnego szyfru Cezara, przez szyfr przestawieniowy i szachownicę Polibiusza, na szyfrze podstawieniowym kończąc.

Metody te nie miały szans sprawdzić się przy łamaniu szyfru Enigmy. Jak dobrze wiemy z pierwszego artykułu tej serii, Enigma stosowała szyfr polialfabetyczny. Przypomnijmy, co to oznacza. Otóż to, że litera A została przekształcona np.: w literę C za pierwszym razem, wcale nie oznacza, że za drugim razem także A zostanie przekształcona w C. Okaże się, że analiza statystyczna będzie musiała przegrać ten śmiertelny pojedynek kryptografów z kryptoanalitykami. Na pole bitwy, w formie posiłków, będą musiały przyjść z pomocą teorie matematyczne.

Pierwsze starcia

Użycie Enigmy zostało zauważone przez naszych zachodnich sojuszników w 1926 r. Wtedy została ona wprowadzona do służby w Kriegsmarine. Niestety, zarówno Anglicy jak i Francuzi w okresie międzywojennym nie traktowali zagrożenia ze strony Niemiec na poważnie. Tym samym nie podejmowali zakrojonych na szeroką skalę prób złamania mechanizmu niemieckiej maszyny szyfrującej. Po stronie brytyjskiej człowiekiem, który przyjął wyzwanie złamania szyfru Enigmy był Dilly Knox. Ten angielski językoznawca, absolwent uniwersytetu Cambridge, niezwykle przysłużył się sprawie Ententy w czasie pierwszej wojny światowej. Wraz z innymi kryptologami pracował nad złamaniem tzw. telegramu Zimmermana. To częściowo dzięki jego pracy udało się odszyfrować tę ważną dla przebiegu wojny wiadomość, której treść zachęciła Stany Zjednoczone do przyłączenia się do konfliktu. Knox miał ułatwione zadanie, ponieważ posiadał cywilną wersję Enigmy. Niestety, jego lingwistyczne metody średnio sprawdzały się w walce z niemiecką myślą techniczną. Odniósł co prawda jakieś marginalne sukcesy, ale były one skuteczne tylko w przypadku deszyfracji depesz zaszyfrowanych przez cywilną Enigmę. Maszyna Wehrmachtu pozostawała niezwyciężona.

Polacy nowe urządzenie dostrzegli dopiero 2 lata później, kiedy Enigma została przyjęta przez Reischwehrę. Polskie stacje nasłuchowe zaczęły odbierać coraz więcej depesz, które były zaszyfrowane w dziwny sposób. Nie były podobne do niczego, co było stosowane wcześniej. Rzuconą przez Niemców rękawicę podniósł były powstaniec wielkopolski, Maksymilian Ciężki – w tym okresie kierownik referatu 4 (BS4) Biura Szyfrów, zajmującej się szyframi niemieckimi. Ten pasjonat mechaniki miał niezwykle ciężkie zadanie. Z Enigmą walczyli zarówno językoznawcy, jak i matematycy zatrudnieni w Oddziale II Sztabu Generalnego. Planowano zakupić cywilną wersję Enigmy – podejrzewano bowiem, że między tą a jej wojskową wersją z pewnością istnieją jakieś podobieństwa, które mogą naprowadzić pracowników Biura Szyfrów na odpowiedni trop. Niestety, nie był to plan prosty w realizacji. Ale w tym momencie Polakom pomógł przypadek.

Pewnego dnia na lotnisku Okęcie w Warszawie polskie służby celne zarekwirowały paczkę zaadresowaną do jednego z niemieckich przedsiębiorstw działających na terenie Warszawy. Niemcy zareagowali niezwykle szybko – prawie natychmiastowo niemiecki ambasador wystosował protest w którym żądał natychmiastowego zwrotu paczki. Polacy oczywiście spełnili żądanie – nie chcieli nowych zatargów z Niemcami. Przedtem jednak paczkę rozpakowali i sfotografowali. Znajdowała się w niej rzecz niezwykła – cywilna wersja Enigmy. Dzięki temu niezwykłemu przypadkowi Polacy wiedzieli, z czym będą mieli do czynienia w najbliższych latach.

Niestety, pierwsze starcie zakończyło się klęską. Podlegli mu ludzie, używając tradycyjnych metod, nie mogli znaleźć żadnej metody, aby rozgryźć ów kod. Szef BS‑4 udał się nawet do znanego wówczas jasnowidza – Ossowieckiego, który pomagał już swoimi „przepowiedniami” nawet naczelnikowi II RP Józefowi Piłsudskiemu. Niestety, dla naszego kapitana wizyta ta nie zakończyła się niczym pozytywnym. Dalej pozostał w punkcie wyjścia. Wobec tego postanowił pójść całkowicie innym torem – zaufać niedocenianym do tej pory matematykom.

Styczeń 1929 r. dla niektórych studentów Instytutu Matematyki Uniwersytetu Poznańskiego miał być przełomowy. Pewnego dnia, bez żadnych powodów, kilkudziesięciu najzdolniejszych studentów matematyki było proszonych do gabinetu profesora Krygowskiego. Przy biurku siedziało dwóch przedstawicieli Biura Szyfrów – ubranych po cywilnemu – kapitan Maksymilian Ciężki i major Franciszek Pokorny. Osobiście przesłuchiwali najlepszych studentów. Uczestnicy kursu kryptologicznego, co jest całkiem zrozumiałe, byli też zobowiązani do zachowania w całkowitej dyskrecji zarówno faktu istnienia kursu, jak i własnego w nim udziału. Wykłady były prowadzone do lipca 1929 roku. Oprócz trzech wymienionych już osób wykładowcą był także inż. Antoni Palluth.

Tematyka zajęć obejmowała zakres dość wąski zakres matematyki, który został uznany za szczególnie przydatny przy łamaniu szyfrów. Przerabiano m.in. analizę matematyczną, prawdopodobieństwo i permutacje. Ponadto zajmowano się szyframi historycznymi. O nowych szyfrach niemieckich Oficerowie Biura Szyfrów wyrażali się w następujący sposób:

Była to najznamienitsza prawda, którą później wykorzystywali wszyscy.

Prowadzony przez Biuro Szyfrów kurs kryptologiczny zakończył się po kilku miesiącach. Ośmiu najbardziej utalentowanym studentom postanowiono dać okazję do wykazania się. W podziemiach poznańskiej Komendy Miejskiej przygotowano specjalne pomieszczenie. Utworzono w nim filię Biura Szyfrów. Duże pomieszczenie zostało wyposażone dość skromnie, ale zawierało wszystkie niezbędne elementy wyposażenia wymagane do pracy kryptologa. Wśród pracowników znajdowali trzej najważniejsi dla późniejszego rozwoju wydarzeń kryptolodzy – Henryk Zygalski, Jerzy Różycki i Marian Rejewski. Nie pracowali tylko nad Enigmą – w niemieckiej armii – Reischwerze – dalej przeważały inne metody szyfrowania, takie jak książki kodowe. Studenci musieli przepracować w „czarnym gabinecie” 12 godzin – dowolnie dysponowali czasem. Komenda Miejska bezpośrednio sąsiadowała z Uniwersytetem, toteż do pracy można było wykorzystać nawet przerwę podczas wykładów na uczelni. Ze względu na bliskie położenie tych dwóch budynków, można było przejść między nimi niepostrzeżenie. Kryptolodzy w poznańskiej filii wbrew pozorom nie zajmowali się odczytywaniem całych depesz. Ich głównym zadaniem było poznawanie nowych metod szyfrowania armii niemieckiej i metod ich pokonania. Depesze w całości najczęściej były dekodowane w głównej siedzibie Biura Szyfrów w Warszawie. I tak przez 4 lata nasi kryptolodzy zajmowali się deszyfracją niemieckich depesz, dostarczanych przez stacje nasłuchowe m.in. w Starogardzie, Poznaniu i Krzesławicach pod Krakowem.

Przeprowadzka do Warszawy

W 1932 uznano, że poznańska filia Biura Szyfrów spełniła już swoją rolę. Najwybitniejszych kryptologów postanowiono przenieść do Warszawy i dać im pracę w głównej siedzibie Biura Szyfrów. Kryptolodzy otrzymali pracę w referacie BS‑4, zajmującym się szyframi niemieckimi. Na początku zajmowali się oni kodem morskim używanym przez Kriegsmarine. Niemniej, kryptolodzy zdołali poradzić sobie z tą sprawą dość szybko, oczywiście przez błędy niemieckich operatorów. Tymczasem stacje radarowe przechwytywały już wystarczająco dużo maszynowo szyfrowanych depesz o dostatecznej długości, aby zacząć prace nad Enigmą. Zresztą, w połowie 1932 roku większość komunikatów nadawanych przez sztaby armii używała już maszyn wirnikowych.

Nowy szyfr odróżniał się od starych już na pierwszy rzut oka. Przede wszystkim, częstotliwość występowania każdej litery była praktycznie taka sama. Nie istniały żadne charakterystyczne powtórzenia, mogące sugerować metodę szyfrowania. „Czyżby to był szyfr idealny?” – takie myśli przebłyskiwały w głowie naszym bohaterom. Problemem był brak punktu zaczepienia. Wobec tego porównywano ze sobą różne depesze, których przez lata nazbierało się w referacie BS‑4. Zauważone zależności próbowano potem zapisać matematycznymi wzorami. W tym czasie udało się, za pomocą podstawionej firmy kupić handlową wersję Enigmy. Została ona natychmiastowo przekazana kryptologom. Niestety, nie posunęła ona pracy zbyt szybko do przodu. Nasi bohaterowie nie dowiedzieli się praktycznie nic nowego poza tym, co już wiedzieli. Wobec tego Enigma bardzo szybko powędrowała w róg pokoju, gdzie w tumanach kurzu spędzała czas aż do przełomowych wydarzeń lat następnych.

Szczególnie przydatna przy łamaniu szyfru Enigmy była teoria permutacji. Równania permutacyjne zapisane przez Rejewskiego zawierały co prawda zbyt dużą ilość zmiennych, aby można było te równania rozwiązać, ale dawały ogólny pogląd, z czym należy się zmierzyć. A niewiadomych było bardzo wiele – nieznajomość okablowania wewnętrznego wirników i ich liczby, połączenia klawiatury z wirnikami, ustawień łącznicy kablowej, ustawień wirników maszyny i wiele więcej. W tym momencie na zachodzie rozgrywały się wydarzenia, które miały znacznie przyspieszyć pokonanie Enigmy.

Działalność wywiadu

Francuzi, podobnie jak Anglicy i Polacy, podejmowali działania mające na celu pokonanie niemieckiej maszyny szyfrującej. Podobnie jak Anglicy, francuscy kryptolodzy ponosili klęskę za klęską. Wobec tego, postanowiono podjąć zupełnie Inny kierunek działania – za pomocą wywiadu zdobyć dokumenty, które mogłyby być przydatne przy pokonaniu niemieckiej maszyny szyfrującej. Odpowiednia okazja pojawiła się dopiero w 1931 r.

Hans-Thilo Schmidt urodził w 1888 r. w Berlinie. Kariera Schmidta w niemieckiej armii była błyskawiczna. Mimo zasłużenia się na frontach pierwszej wojny światowej, w związku z ograniczeniem wielkości armii niemieckiej narzuconym przez traktat wersalski, został zwolniony ze służby. Próbował swoich sił w biznesie. Założył fabrykę mydła. Niestety, jego biznes nie przetrwał kryzysu ekonomicznego i okresu hiperinflacji. Przy pomocy brata, Hansowi udało się zdobyć pracę w Biurze Szyfrów kwatery głównej niemieckich sił zbrojnych. Mimo najszczerszych chęci, zarobki tam oferowane nie pozwalały mu na utrzymanie swojej rodziny. Jedynym sposobem na poprawienie swojej sytuacji majątkowej była sprzedaż niemieckich sekretów. Realizując swój zamiar, Hans zgłosił się do jednego z francuskich oficerów. Na początku Francuzi mieli podejrzenia czy nie jest to prowokacja Abwehry. Postanowiono wykorzystać okazję. Pierwsze próbki zostały przekazane agentowi o pseudonimie „Rex” 8 listopada 1931 r. w Hotelu Grand w Verviers w Belgii. W zamian za 10000 tysięcy marek umożliwił sfotografowanie dwóch dokumentów. Ich tytuły to „Gebrauchsanweisung fur die Chiffriermaschine Enigma” i „Schlusselanleitung fur die Chiffriermaschine Enigma”. Jak same nazwy wskazują, były to: instrukcja obsługi maszyny oraz dzienne klucze szyfrujące. Francuski wywiad rozważał tylko jedną kwestię – albo te dokumenty są autentyczne – albo doskonale sfabrykowane przez Abwehrę. Mimo tych wątpliwości, postanowiono kontynuować współpracę. Do 1934 r. Francuzi pozyskali materiały dotyczące trybu pracy niemieckiego oddziału szyfrów oraz różne rodzaje kodów. Niestety, mimo zdobycia tych dokumentów, francuskim kryptologom, nawet przy pomocy Anglików, nie udało się odkryć tajemnicy niemieckiej maszyny szyfrującej. Postanowiono złapać się ostatniej deski ratunku – przekazać uzyskane dokumenty stronie polskiej z nadzieją, że oni coś z tego uzyskają.

Odkrywanie tajemnic

Powoli wszystko zaczęło się klarować. Niewiadome w równaniach zaczęły zapełniać się konkretnymi cyframi. Rejewski, po otrzymaniu dokumentów dot. kluczy jednorazowych i instrukcji obsługi Enigmy, był zachwycony. Na podstawie analizy kluczy i przechwyconych w tamtym okresie depesz, udało się odkryć jedną z najpilniej strzeżonych tajemnic niemieckiej maszyny szyfrującej – wewnętrzne połączenia wirników. Mimo to, dalej coś się nie zgadzało. Obliczenia w dalszym ciągu dawały niełączące się w logiczną całość ciągi znaków. Problem, który stał przed Rejewskim, był niezwykle skomplikowany i prosty zarazem, ale bez jego rozwiązania odszyfrowywanie depesz Enigmy było niemożliwe. Ale o tym wszystkim dowiemy się dopiero z lektury następnej części cyklu.