Las máquinas de cifrado de Lorenz

[Kurt_Steiner]

Fuente https://en.wikipedia.org/wiki/Lorenz_cipher

Las Lorenz SZ40, SZ42a y SZ42b eran máquinas de cifrado de flujo de rotor utilizadas por el ejército alemán durante la Segunda Guerra Mundial. Fueron desarrollados por C. Lorenz AG de Berlín. El nombre del modelo SZ se derivó de Schlüssel-Zusatz, que significa adjunto cifrado. Los instrumentos implementaron un cifrado de flujo Vernam.

Los criptoanalistas británicos, que se refirieron al tráfico de teleimpresores alemán encriptado como Fish, llamaron a la máquina y su tráfico Tunny (que significa atún) y dedujeron su estructura lógica tres años antes de que vieran la máquina.

Las SZ eran accesorios en línea para teleimpresoras estándar. En junio de 1941 se inició un enlace experimental con máquinas SZ40. Las máquinas SZ42 mejoradas se empezaron a utilizar de forma sustancial desde mediados de 1942 en adelante para comunicaciones de alto nivel entre el Alto Mando alemán en Wünsdorf, cerca de Berlín, y los Mandos del Ejército en toda la Europa ocupada. La SZ42A más avanzada entró en servicio en febrero de 1943 y la SZ42B en junio de 1944.

Para este tráfico se utilizó radioteletipo (RTTY) en lugar de circuitos de línea terrestre. Estos mensajes que no están en Morse (NoMo) fueron recogidos por las estaciones Y de Gran Bretaña en Knockholt en Kent y en Denmark Hill en el sur de Londres, y enviados a Bletchley Park. Algunos fueron descifrados usando métodos manuales antes de que el proceso fuera parcialmente automatizado, primero con máquinas Robinson y luego con las computadoras Colossus. Los mensajes descifrados de Lorenz hicieron una de las contribuciones más significativas a la inteligencia ultramilitar británica y a la victoria aliada en Europa, debido a la naturaleza estratégica de alto nivel de la información que se obtuvo de los descifrados de Lorenz.


La máquina Lorenz SZ42 sin su cubierta. Museo de Bletchley Park.
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Después de la Segunda Guerra Mundial, un grupo de criptoanalistas británicos y estadounidenses entró en Alemania con las tropas para capturar los documentos, la tecnología y el personal de las diversas organizaciones de inteligencia alemanas antes de que estos secretos pudieran ser destruidos, saqueados o capturados por los soviéticos. Fueron llamados el Comité de Inteligencia de Target: TICOM.

De los criptógrafos alemanes capturados, los doctores Huttenhain y Fricke, se enteraron del desarrollo de la SZ40 y la SZ42 a/b. El diseño era para una máquina que pudiera acoplarse a cualquier teleimpresora. La primera máquina se denominó SZ40 (tipo antiguo) que tenía diez rotores con levas fijas. Se reconoció que la seguridad de esta máquina no era muy buena. El SZ40 definitivo tenía doce rotores con levas móviles. Los cinco rotores más a la derecha se llamaron Spaltencäsar, pero Bill Tutte los llamó ruedas Chi. Los cinco más a la izquierda se llamaron Springcäsar, ruedas Psi para Tutte. Los dos rotores Vorgeleger del medio fueron llamados Mu o ruedas de motor por Tutte.

Los cinco bits de datos de cada carácter telegráfico codificado en ITA2 fueron procesados primero por las cinco ruedas chi y luego por las cinco ruedas psi. Las levas de las ruedas invertían el valor de un poco si estaban en la posición elevada, pero lo dejaban sin cambios si estaban en la posición baja.

Cifrado de Vernam
Gilbert Vernam era un ingeniero de investigación de AT&T Bell Labs que, en 1917, inventó un sistema de cifrado que utilizaba la función booleana "exclusiva o" (XOR), simbolizada por ⊕. Esto está representado por la siguiente "tabla de verdad", donde 1 representa "verdadero" y 0 representa "falso".

tabla de verdad XOR
Entrada
A - B - A ⊕ B
0 - 0 - 0
0 -1 - 1
1 -0 - 1
1 - 1 - 0

El cifrado de Vernam es un algoritmo de clave simétrica, es decir, la misma clave se usa tanto para cifrar texto sin formato para producir el texto cifrado como para descifrar texto cifrado para producir el texto sin formato original.

Esto produce la reciprocidad esencial que permite utilizar la misma máquina con la misma configuración tanto para el cifrado como para el descifrado.

La idea de Vernam era utilizar la práctica de la telegrafía convencional con una cinta de papel del texto sin formato combinada con una cinta de papel de la clave. Cada cinta clave habría sido única (una cinta de una sola vez), pero generar y distribuir tales cintas presentaba considerables dificultades prácticas. En la década de 1920, cuatro hombres en diferentes países inventaron máquinas de cifrado de rotor para producir un flujo de claves para actuar en lugar de una cinta. El Lorenz SZ40/42 de 1940 fue uno de ellos.

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El funcionamiento lógico del sistema Tunny se descubrió mucho antes de que los criptoanalistas de Bletchley Park vieran una de las máquinas, lo que sucedió en 1945, cuando Alemania se rendía a los Aliados.


Las máquinas Lorenz SZ tenían 12 ruedas, cada una con un número diferente de levas (o "pasadores").
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La máquina SZ sirvió como un accesorio en línea para una teleimpresora Lorenz estándar. Tenía una base de metal de 48 cm x 39 cm y 43 cm de alto. Los caracteres de la teleimpresora consistían en cinco bits de datos (o "impulsos"), codificados en el Alfabeto Telegráfico Internacional No. 2 (ITA2). La máquina generaba un flujo de caracteres pseudoaleatorios. Estos formaron la clave que se combinó con los caracteres de entrada de texto sin formato para formar los caracteres de salida de texto cifrado. La combinación fue por medio del proceso XOR (o suma módulo 2).

El flujo de claves constaba de dos componentes que se sometieron a XOR juntos. Estos fueron generados por dos conjuntos de cinco ruedas que giraban juntas. El criptoanalista de Bletchley Park, Bill Tutte, las llamó ruedas χ ("chi") y ruedas ψ ("psi"). Cada rueda tenía una serie de levas (o "pasadores") alrededor de su circunferencia. Estas levas se pueden configurar en una posición elevada (activa) o bajada (inactiva). En la posición elevada generaban un '1' que invertía el valor de un bit, en la posición baja generaban un '0' que dejaba el bit sin cambios. El número de levas en cada rueda era igual al número de impulsos necesarios para hacer que completaran una rotación completa. Estos números son todos coprimos entre sí, dando el mayor tiempo posible antes de que se repita el patrón. Este es el producto del número de posiciones de las ruedas. Para el conjunto de ruedas χ fue 41 × 31 × 29 × 26 × 23 = 22 041 682 y para las ruedas ψ fue 43 × 47 × 51 × 53 × 59 = 322 303 017. El número de formas diferentes en que se podían configurar las doce ruedas era 1.603 × 1019, es decir, 16 billones de billones.

El conjunto de cinco ruedas χ se movió en una posición después de cifrar cada carácter. Las cinco ruedas ψ, sin embargo, avanzaron intermitentemente. Su movimiento estaba controlado por dos ruedas μ ("mu") o "motor" en serie. La rueda de motor SZ40 μ61 intervino cada vez, pero la rueda de motor μ37 intervino solo si la primera rueda de motor era un '1'. Luego, las ruedas ψ se movieron solo si la segunda rueda del motor era un '1'. Los modelos SZ42A y SZ42B agregaron complejidad adicional a este mecanismo, conocido en Bletchley Park como Limitaciones. Dos de las cuatro limitaciones diferentes involucraban características del texto sin formato y también lo eran los autoclaves.

El flujo de claves generado por las máquinas SZ tenía un componente χ y un componente ψ. Simbólicamente, la clave que se combinó con el texto claro para cifrar y con el texto cifrado para descifrar, se puede representar de la siguiente manera.

clave = clave χ ⊕ clave ψ

Sin embargo, para indicar que el componente ψ a menudo no cambiaba de un carácter a otro, se utilizó el término psi extendido, simbolizado como: Ψ'. Entonces, el cifrado se puede mostrar simbólicamente como:

texto sin formato ⊕ clave χ ⊕ clave ψ = texto cifrado

y descifrando como:

texto cifrado ⊕ clave χ ⊕ clave ψ = texto sin formato.

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Cada enlace "Tunny" tenía cuatro máquinas SZ con una teleimpresora de transmisión y recepción en cada extremo. Para que el cifrado y el descifrado funcionaran, las máquinas de transmisión y recepción tenían que configurarse de manera idéntica. Había dos componentes¡; establecer los patrones de levas en las ruedas y girar las ruedas para comenzar a cifrar un mensaje. La configuración de las levas se cambió con menos frecuencia antes del verano de 1944. Las levas de las ruedas ψ inicialmente solo se cambiaron trimestralmente, pero luego mensualmente, las ruedas χ se cambiaron mensualmente pero los patrones de las ruedas del motor se cambiaron diariamente. Desde el 1 de agosto de 1944, todos los patrones de las ruedas se cambiaron a diario.

Inicialmente, la configuración de la rueda para un mensaje se enviaba al extremo receptor por medio de un indicador de 12 letras enviado sin cifrar, las letras estaban asociadas con las posiciones de la rueda en un libro. En octubre de 1942 esto se cambió por el uso de un libro de configuraciones de un solo uso en lo que se conoció como el libro QEP. Los últimos dos dígitos de la entrada del libro QEP se enviaron para que el operador receptor buscara en su copia del libro QEP y ajustara las ruedas de su máquina. Cada libro contenía cien o más combinaciones. Una vez que se habían utilizado todas las combinaciones en un libro QEP, se reemplazaba por uno nuevo. La configuración del mensaje nunca debería haberse reutilizado, pero en ocasiones lo fue, proporcionando una "profundidad", que podría ser utilizada por un criptoanalista.

Como era la práctica normal de la telegrafía, los mensajes de cualquier longitud se ingresaban en un teleimpresor con un perforador de cinta de papel. La secuencia típica de operaciones sería que el operador emisor perforaría el mensaje, se pondría en contacto con el operador receptor, usaría el interruptor EIN/AUS en la máquina SZ para conectarlo al circuito y luego pasaría la cinta por el lector. En el extremo receptor, el operador conectaría de manera similar su máquina SZ al circuito y la salida se imprimiría en una cinta adhesiva continua. Debido a que esta era la práctica, el texto sin formato no contenía los caracteres de "retorno de carro", "avance de línea" o el carácter nulo (cinta en blanco, 00000).


Levas en las ruedas 9 y 10 que muestran sus posiciones elevadas (activas) y bajas (inactivas). Una leva activa invirtió el valor de un bit (0→1 y 1→0).
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Los criptógrafos británicos de Bletchley Park habían deducido el funcionamiento de la máquina en enero de 1942 sin haber visto nunca una máquina Lorenz, una hazaña que fue posible gracias a un error cometido por un operador alemán.

El tráfico de Tunny era conocido por los operadores de la estación Y acostumbrados a escuchar la transmisión del código Morse como "música nueva". Su intercepción se concentró originalmente en la estación Y del Ministerio de Exteriores operada por la Policía Metropolitana en Dinamarca Hill en Camberwell, Londres. Pero debido a la falta de recursos en este momento (alrededor de 1941), se le dio poca prioridad. Más tarde se construyó una nueva estación Y, Knockholt en Kent, específicamente para interceptar el tráfico de Tunny para que los mensajes pudieran grabarse y enviarse de manera eficiente a Bletchley Park. El jefe de la estación Y, Harold Kenworthy, se movió para encabezar Knockholt. Más tarde fue ascendido a director del Establecimiento de Investigación y Desarrollo del Ministerio de Relaciones Exteriores (F.O.R.D.E).

El 30 de agosto de 1941 se transmitió un mensaje de unos 4.000 caracteres desde Atenas a Viena. Sin embargo, el mensaje no se recibió correctamente en el otro extremo. Luego, el operador receptor envió una solicitud no codificada al remitente solicitando que se retransmitiera el mensaje. Esto permitió que los decodificadores supieran lo que estaba sucediendo.

Luego, el remitente retransmitió el mensaje pero, lo que es más importante, no cambió la configuración clave del "HQIBPEXEZMUG" original. Esta era una práctica prohibida; el uso de una clave diferente para cada mensaje diferente es fundamental para la seguridad de cualquier cifrado de flujo. Esto no habría importado si los dos mensajes hubieran sido idénticos, sin embargo, la segunda vez el operador hizo una serie de pequeñas modificaciones en el mensaje, como el uso de abreviaturas, lo que hizo que el segundo mensaje fuera un poco más corto.

A partir de estos dos textos cifrados relacionados, conocidos por los criptoanalistas como una profundidad, el veterano criptoanalista Brigadier John Tiltman en la Sección de Investigación extrajo los dos textos sin formato y, por lo tanto, el flujo de claves. Pero incluso casi 4000 caracteres de clave no fueron suficientes para que el equipo descubriera cómo se generaba la transmisión; era demasiado complejo y aparentemente aleatorio.

Después de tres meses, la Sección de Investigación entregó la tarea al matemático Bill Tutte. Aplicó una técnica que le habían enseñado en su formación criptográfica, de escribir la clave a mano y buscar repeticiones. Tutte hizo esto con los códigos Baudot de 5 bits de la teleimpresora original, lo que lo llevó a su avance inicial al reconocer una repetición de 41 bits. Durante los siguientes dos meses hasta enero de 1942, Tutte y sus colegas elaboraron la estructura lógica completa de la máquina de cifrado. Esta notable pieza de ingeniería inversa se describió más tarde como "una de las mayores hazañas intelectuales de la Segunda Guerra Mundial".

Después de descifrar Tunny, se creó un equipo especial de descifradores de códigos bajo la dirección de Ralph Tester, la mayoría transferidos inicialmente desde el Hut 8 de Alan Turing. El equipo se hizo conocido como Testery. Realizó la mayor parte del trabajo posterior para descifrar los mensajes de Tunny, pero fue ayudado por máquinas en la sección complementaria bajo Max Newman conocida como Newmanry.


Una Tunny británica reconstruida en el Museo Nacional de Informática, Bletchley Park. Emuló las funciones del Lorenz SZ40/42, produciendo texto claro impreso a partir de la entrada de texto cifrado.
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