Enigma (salauslaite)

Enigma

Enigma oli Saksan toisessa maailmansodassa käyttämä sähkömekaaninen salauslaite, jonka toiminta perustui pyöriviin salauskiekkoihin. Tarkkaan ottaen kyse on kokonaisesta salauslaitteiden perheestä, sillä ajan myötä laitteesta kehitettiin useita eri malleja. Enigman keksijä Arthur Scherbius sai ensimmäisen Enigmaan liittyvän patenttinsa 1918.

Enigma oli kaupallisessa käytössä 1920-luvun alusta alkaen, ja sitä myytiin jopa ulkomaille asti. Saksan sotilasmalli (Wehrmachtin ja erityisesti laivaston Enigma) on näistä malleista kuuluisin. Saksan asevoimat ottivat koneen käyttöön seuraavasti: merivoimat 1926, maavoimat 1929 ja ilmavoimat 1933. Myös monet muut hallinnonalat kuten SS, poliisi ja rautatiet käyttivät Enigmaa.

Helppokäyttöisyys ja salauksen oletettu vahvuus olivat tärkeimmät syyt laajaan käyttöön. Myös saksalaisten tarve lyödä mahdollinen vastustaja nopeasti pienellä 100 000 miehen armeijalla korosti ajan voittamisen tärkeyttä (salauksen automatisointi) ja liikkeen mahdollistavaa sodankäyntiä (radioiden käyttö).

Salaus kuitenkin murrettiin ja tämä lyhensi, ainakin teoriassa, toisen maailmansodan kestoa arvioiden mukaan ainakin vuodella. Tätä lähinnä brittien työtä kutsuttiin nimellä operaatio Ultra. Britit eivät paljastaneet tätä ennen kuin 1960–1970-luvuilla.

Suomessa Enigma-laite on nähtävissä Hämeenlinnassa Museo Militariassa.

Enigman rakenne

Enigma-laitteen salauskiekkoja

Enigma on sähköisten ja mekaanisten osien muodostama kokonaisuus. Mekaaninen osio koostuu näppäimistöstä, pyörivistä salauskiekoista sekä mekanismista, joka pyörittää kiekkoja jokaisen näppäimenpainalluksen yhteydessä. Kiekkojen jatkuva pyöriminen saa aikaan uuden koodauksen jokaista näppäimenpainallusta kohden.

Varsinainen salaus tapahtuu sähköisesti. Mekaaniset osat muodostavat jatkuvasti muuttuvan sähköisen virtapiirin. Kun näppäintä painetaan, virtapiiri sulkeutuu ja lopulta yksi lampuista syttyy, jolloin nähdään mikä kirjain vastaa alkuperäistä tekstiä.

Itse viestittäminen tapahtui kuitenkin perinteisesti sähköttämällä morse-koodilla joko lennättimen tai radion välityksellä. Enigman tuottama salattu teksti merkittiin muistiin kirjain kirjaimelta esimerkiksi paperille ja tämä koodattu sanoma annettiin varsinaiselle sähköttäjälle. Vastaanottopäässä sama tehtiin käänteisesti. Eräissä Enigman versioissa oli tulostinosa.

Enigman murtaminen ja Puola

Enigma-järjestelmän onnistui murtamaan ensimmäisenä Puolan tiedustelupalvelu. He onnistuivat pääsemään tutkimaan Enigman rakennetta viikonlopun ajan Puolan postilaitoksen suojissa saksalaisten huolimattomuuden takia. Juuri ennen hyökkäystä Puolaan saksalaiset kuitenkin muuttivat koneen rakennetta vaikeammaksi. Tätä puolalaiset eivät enää pystyneet avaamaan. Poznańin yliopistolla aloitettiin salakirjoitusmatematiikan kurssi vuonna 1929 ja siitä seurasi yksi suurimmista toisen maailmansodan tiedusteluvoitoista.

Enigman murtaminen perustui uuden matematiikan muun muassa ryhmäteorian, käyttöön salakirjoituksen avaamisessa. Enigman rakenteellinen heikkous oli, että kirjain ei koskaan koodautunut itsenään, mikä rajasi ratkaistavia vaihtoehtoja. Enigman käytössä tehtiin virheitä esimerkiksi käyttämällä kaavamaisia sanomamuotoja, jolloin viestin laatu oli mahdollista arvata koodatun tekstin sijainnin perusteella, vaikka täsmällinen sisältö ei ollut tiedossa. Ratkaisuyritykseltä voitiin näin olettaa saatavan tietynlainen tulos kuten kellonaika. Enigman käyttäjien virheitä olivat esimerkiksi asetusten yksinkertaiset koodiavaimet, jotka osaksi johtuivat taistelun stressistä.

Enigman murtaminen oli jatkuvaa kilpajuoksua saksalaisten järjestelmään tekemien muutosten ja puolalaisten murtoyritysten kanssa.

Vuoden 1939 alussa oli tultu tilanteeseen, jossa puolalaisten resurssit oli käytetty loppuun. Saksalaisten viimeisimmän muutoksen kompensoimiseksi olisi tarvittu kymmenkertaiset resurssit aiempaan nähden. 25. ja 26. kesäkuuta 1939 Puolassa järjestettiin tapaaminen, jossa puolalaiset kertoivat Ranskan ja Ison-Britannian edustajille kaiken, mitä tiesivät Enigman avaamisesta. Enigman avaamisen salaisuus siirtyi liittoutuneille.

Enigman murtaminen toisen maailmansodan aikana

Enigma käytössä

Tiettävästi puolalainen matemaatikko Marian Rejewski mursi ensimmäisenä Enigman salauksen. Saksalaiset matemaatikot olivat hyvin tietoisia menetelmän yhdestä, ”pienestä” heikkoudesta: järjestelmä ei koskaan koodatessa antanut samaa merkkiä mikä sille syötettiin. Eli kirjoitettaessa syötteenä ”A”, se ei koskaan koodautunut ”A”-kirjaimeksi. Laskettiin kuitenkin, että seikan hyödyntäminen salauksen purkamisessa vaatisi matemaattisia laskelmia, joiden eri mahdollisuuksien läpikäyminen veisi enemmän kuin seitsemänkymmentä (70) vuotta, joten tällä heikkoudella ei olisi mitään käytännön merkitystä laskutikkujen ja mekaanisten käsilaskimien aikakaudella; se oli turvallisuuden kannalta hyväksyttävää.

Koska Enigma ei koskaan koodannut mitään kirjainta samaksi kirjaimeksi, oli mahdollista sovittaa rinnakkain salateksti ja oletettu selkoteksti, ja etsiä niiden välisiä kohdistuksia joissa ei ole "osumia" (engl. crash). Tässä englanninkielisestä Wikipediasta lainattu ja suomennettu taulukko, jossa verrataan arveltua selkotekstiä (engl. crib) salatekstiin. Lause Keine besonderen Ereignisse tarkoittaa kutakuinkin "ei mitään raportoitavaa" ja oli vakiomuotoisten tervehdysten ohella melko yleinen osa leipätekstiä. Vertaamalla arveltua selkotekstiä salatekstiin oli mahdollista selvittää katkelma Enigman generoimaa avainvirtaa (tai ehdokkaita sellaiseksi). Ehdokkaiden avulla voitiin eri tekniikoita käyttäen yrittää ratkaista mm. todennäköisiä roottorien alkuasentoja ja järjestyksiä ja siten selvittää avainvirran alku ja loppu sekä purkaa toisia saman avainvirran osilla koodattuja viestejä.

Selkotekstin Keine besonderen Ereignisse mahdollisten kohdistusten poissulkua

Salateksti	O	H	J	Y	P	D	O	M	Q	N	J	C	O	S	G	A	W	H	L	E	I	H	Y	S	O	P	J	S	M	N	U
Kohdistus 1			K	E	I	N	E	B	E	S	O	N	D	E	R	E	N	E	R	E	I	G	N	I	S	S	E
Kohdistus 2				K	E	I	N	E	B	E	S	O	N	D	E	R	E	N	E	R	E	I	G	N	I	S	S	E
Kohdistus 3					K	E	I	N	E	B	E	S	O	N	D	E	R	E	N	E	R	E	I	G	N	I	S	S	E
	Kohdistukset 1 ja 3 mahdolliselle selkotekstille eivät ole mahdollisia, koska niissä on salatekstin kanssa yhteisiä kirjaimia. Punaiset solut kuvaavat näitä "osumia". Kohdistus 2 on mahdollinen.

Mekaanisena laitteena Enigma on deterministinen eikä se voi tuottaa kuin rajallisen määrän eri avainvirtoja eri lähtöpisteistä alkaen. Todennäköisesti yksikään viesti ei kuitenkaan olisi yhtä pitkä kuin Enigman teoreettinen pisin kertaukseton avainvirta (noin 16 500 merkkiä) joten todennäköisyys että saman viestin tai edes saman päivän tai koko viikon aikana avainvirta alkaisi alusta oli erittäin vähäinen. Avain saatettiin kuitenkin alustaa samana päivänä useamman kerran esimerkiksi toisen viestin purkamista varten. Kiireessä tapahtui myös vahinkoja, esimerkiksi sama viesti saatettiin lähettää uudestaan samalla avainvirralla koodattuna, mutta hieman eri sisällöllä. Tällaisia "päällekkäisyyksiä" (engl. depth) havaittiin välillä, syynä tavallisesti se, että vastaanottaja ei saanut purettua viestiä ja pyysi lähettämään sen uudestaan. Jos kahden lähekkäisen viestin salateksti alkoi samalla merkkisarjalla mutta muuttui sitten, voitiin arvella että viestit on koodattu samalla avaimella (roottorien alkuasennot samat viestin alkaessa) ja käsittelevät todennäköisesti samaa aihetta. Tästä eteenpäin voitiin viestien loppuosiin jälleen soveltaa oletettuja selkotekstejä. Päällekkäisyyksien analysointiin perustuva menetelmä oli tärkeämmässä asemassa Lorenz-salauksen purussa.

Enigman ratkaisukone ”Bombe”

Puolalaiset olivat kehittäneet mekaanisesta laskimesta sähköautomatisoidun version, joka laski monikymmenkertaisesti nopeammin kuin käsin lukuja syöttämällä. Tämä Bombe-laite (”pommi”) lyhensi kyllä laskuaikaa, muttei enää riittävästi, kun saksalaiset 1930-luvulla kehittivät Enigman järjestelmää yhä monimutkaisemmaksi. Laskentatehoa olisi pitänyt pystyä lisäämään monikymmenkertaiseksi, ja Bombe-laitteita ei ollut riittävästi. Saksan hyökättyä Puolaan ja miehitettyä maan kryptoanalyytikot pakenivat maasta ja kääntyivät englantilaisten puoleen.

Bletchley Parkin koodinmurtokeskus - Ultra

Englannissa kerättiin Bletchley Parkin kartanoon parhaat matemaatikot sekä koodinmurtajat, ja heille annettiin riittävät henkiset ja materiaaliset resurssit. Bombe-koneita konstruoitiin lukuisasti ja niille syötettiin jatkuvasti lisää raakamateriaalia. Todennäköisyysmatematiikkaan perustuen alkoi Enigman toimintatavan logiikka paljastua. Haastetta lisäsi se, että Saksan sotavoimien eri osilla oli omat koodistonsa. Lisäksi Pohjois-Afrikan voimilla oli oma koodiavaimistonsa. Sodan muuttuessa liikkuvaksi murron merkitys korostui. Keväällä 1940 Saksan ilmavoimien Enigma saatiin murrettua ensimmäisenä.

Englannin huippusalaista työryhmää kutsuttiin nimellä Ultra. Ultra oli onnistunut saamaan haltuunsa Puolasta saksalaisten salakielilaitteeen eli Enigman, josta rakennettiin Turingin johdolla kopio. Kopion avulla Ultra pystyi avaamaan Saksan korkeimman sodanjohdon lähettämät salakielisanomat jopa niin, että Liittoutuneiden johto tunsi Hitlerin tuoreimmat määräykset usein jopa ennen natsikenraaleita. Ultran johtoryhmään kuului myös Winston Churchill.

Turingin konetta, joka pystyy simuloimaan mitä tahansa muuta Turingin konetta siihen ladattavien ohjeiden mukaan, kutustaan nimellä universaali Turingin kone tai universaali Turingin tietokone. Tämä universaali malli tietokoneen prosessoimasta laskennasta loi perustan myös vuoden 1985 mallille universaalista kvanttitietokoneesta.

Enigman käytön heikkouksia

Saksalaiset luottivat niin paljon Enigman pitävyyteen, että heillä oli tiettyjä ”yleisavaimia” eri aselajeille annettavia yleisohjeita varten. Tämä yksinkertaisti koodaustyötä saman avainkombinaation toimiessa lukuisille eri yksiköille. Se yksinkertaisti myös koodinmurtamista sillä mitä enemmän on samalla avainkombinaatiolla annettua materiaalia, sitä todennäköisemmin laskenta saa yhdellä avaimella koodattua materiaalia ja koodi murtuu ja teksti saadaan desiferoiduksi selväkieliseksi. Saksalaiset tekivät Enigman käytössä virheitä ja näin taistelulaiva Bismarckin sijainti saatiin toukokuussa 1941 selville sen takia, että sen tiedustelulentäjä lähetti Luftwaffen Enigmalla viestin sen sijaan, että hän olisi käyttänyt suojatumpaa laivaston (Kriegsmarinen) Enigmaa. Brittihävittäjä HMS Bulldog valtasi 9. toukokuuta 1941 saksalaisen U-110-sukellusveneen, josta valtaajat saivat haltuunsa koodikirjoja ja käyttökuntoisen Enigman. Britit kykenivät lukemaan Luftwaffen Enigmaa lähes reaaliajassa.

Saksalaisilla oli kautta sodan useita kymmeniä koodiavaimia. Liittoutuneet saivat ne murrettua vuoden 1942 kuluessa. Niitä hyödynnettiin muun muassa sukellusveneiden tehdessä paikka- ja tilanneilmoituksia päivittäin: tällöin tiedettiin, missä olivat sukellusveneiden muodostamat saattueiden etsintäketjut. Näitä tietoja hyödyntämällä pystyttiin sukellusveneet kiertämään mahdollisimman kaukaa. Kun Yhdysvallat liittyi mukaan toiseen maailmansotaan 7. joulukuuta 1941, saatiin heidän materiaalikapasiteettinsa suoraan käyttöön, ja pystyttiin perustamaan saattuetukialusten ympärille Hunter-Killer-ryhmiä tuhoamaan sukellusveneitä näiden tietojen pohjalta.

Enigma ja Saksan sukellusveneet

Koska saksalaiset luottivat salausjärjestelmään, oletettiin voitavan ”kauko-ohjata” sukellusveneitä mahdollisimman tehokkaasti susilaumataktiikan (Rudeltaktik) tehostamiseksi. Se perustui siihen, että rajallinen määrä saattoaluksia paimensi laivasaattuetta. Jos yksi–kaksi venettä hyökkäsi saattueen kimppuun, saattoalukset voitiin keskittää niiden tuhoamiseen tai ainakin poishäätämiseen. Mutta amiraali Dönitz arvioi, että jos samana yönä saattueen kimppuun hyökkäisi 5–10 venettä, ei saattuesuoja riittäisi yhtäaikaisesti kaikkien torjumiseksi. Saattueen löytänyt sukellusvene ei hyökännytkään heti saattueen kimppuun vaan lähetti paikka-, suunta-, ja nopeusilmoituksen päämajaan. Sen mukaan, ja varjostavan sukellusveneen kutsumajakan mukaan, kaikki läheiset veneet kiirehtivät paikalle ja aloittivat iltayöstä yhteishyökkäyksen saattueen kauppalaivoja vastaan. Toukokuuhun 1942 taktiikka toimikin. Tuolloin Ferranti ja Raytheon olivat kehittäneet tutkan riittävän tarkaksi havaitsemaan pintakulussa kulkevat sukellusveneet pinta-aluksista käsin. Radiota käyttävät veneet puolestaan voitiin peilata ilmasta käsin ja lähettää niiden kimppuun syvyyspommein aseistettuja kaukopommituskoneita.

On kuitenkin huomattava, että saksalaisilla oli myös koodiavaimia, joita ei koskaan sodan aikana saatu murretuksi. Ne olivat yksittäiskoodeja, joita käytettiin sen verran harvoin, ettei raakakoodimateriaalia kertynyt tarpeeksi todennäköisyyslaskennan perusteeksi.

Tutkimus- ja purkutoimintaa siirrettiin myös Yhdysvaltoihin, ilmeisesti vastoin englantilaisten toiveita säilyttää koodinmurtamisen salat ominaan. Yhdysvalloissa rakennettiin sata pitkälle kehitettyä Bombe-laitteen versiota yötä päivää käsittelemään siepattua koodimateriaalia. Se nopeutti koodien purkamista.

Saksan maavoimat Operaatio Ultran kohteena

Enigma Heinz Guderianin komentoajoneuvossa Ranskassa 1940

Kriegsmarinen ja Luftwaffen ohella myös maavoimat lähetti liikkuvassa sodankäynnissään valtavat määrät tietoa esimerkiksi joukkojen liikkeistä, ammus- ja muonatarpeistaan, haavoittuneiden ja kaatuneiden määristä joukko-osastoittain ym. Näistä saatiin tilastomatematiikkaa käyttämällä hämmästyttävän tarkka käsitys siitä, mitä liittoutuneilla oli odotettavissa vastaansa missäkin paikassa ja minäkin aikana. Bletchley Parkin Ultra-järjestelmän – kuten koodinmurtamisen koodinimi liittoutuneiden puolella oli – avulla saatiin tietoa jopa niin paljon ja niin tarkkaa, että sen hyödyntämisessä oli ongelmia. Esimerkiksi eräässä vaiheessa saatiin Erwin Rommelin hätähuuto polttoainetilanteesta. Rommelia lohdutettiin, että jokin tietty laiva on juuri lähtenyt satamasta ja sen odotettiin olevan Tobrukissa tiettynä päivänä. Liittoutuneiden puolelta olisi ollut uskaliasta lähettää vaikkapa sukellusvene odottamaan suoraan laivan reitille, sillä nuo ”ohjausviestit” toistuivat sen verran usein, että suora toiminta olisi saattanut saada saksalaisissa epäilyksen koodin murtamisesta että lukeeko joku nyt pelikortteja olkapäämme takaa? Siksi käskettiin ensin tiedustelulentäjä ”etsimään” vihollislaivoja oikeaan aikaan oikealta laivareitiltä ja laiva löytyi ennen pitkää. Saksalaiset lähettivät tunnollisesti avunpyyntöviestin kertoen lentokoneen havainneen heidät. Saksalaisten resurssit olivat vähäisempiä kuin liittoutuneiden, joten liittoutuneet käyttivät ylivoimaansa upottaen Rommelin tarvitseman bensiinin Välimeren syvyyksiin. Myös saksalaisten suunnitelmat Kurskin hyökkäyksessä paljastettiin ja ”vuodettiin” venäläisille.

Normandian maihinnousu ja operaatio Ultra

Ultra-tietojen perusteella voidaan sanoa melkoisen varmasti, että Normandian maihinnousu oli suoraan siitä riippuvainen. Kun saattueet saatiin turvallisesti Atlantin yli syksystä 1942 alkaen, voitiin ryhtyä keräämään tulevan maihinnousun varalle varastoja Britanniaan. Niitä kerättiin riittävästi samanaikaisesti kun miehistöä koulutettiin ja laivattiin Britanniaan. Keväällä 1944 saarivaltio oli kuin ”uppoamaton lentotukialus”, jolla oli suuret sotavoimat. Salassapito oli hyvin tiukkaa ja se onnistui paremmin juuri saariolosuhteissa kuten Britanniassa. Suuren maihinnousun (operaatio Overlord) salausprojekti oli nimeltään operaatio Fortitude. Salauksen avulla saatiin aikaan riittävä paikallinen ylivoima, jota hyökkäyssota ja erityisesti maihinnousuoperaatiot tarvitsevat.

Ultra-tietolähde pidettiin salassa melkein 1960-luvun loppuun asti. Britannia jakoi Enigma–laitteita entisiin siirtomaihinsa ja näin maa keräsi tietoa niiden salaiseksi uskomasta diplomaatti- ja kaupallisesta viestityksestä. Britannia ei hyödyntänyt Enigman murtamisessa saamaansa tietotaitoa, vaan purkulaitteet ja niiden matematiikasta johdettu tietokone Colossus purettiin.

Suurelle yleisölle operaatio Ultra paljastettiin F.W. Winterbothamin kirjassa The Ultra Secret vuonna 1974.

Katso myös

• Alan Turing

Lähteet

• Singh, Simon: Koodikirja: salakirjoituksen historia muinaisesta Egyptistä kvanttikryptografiaan. Tammi, 1999. ISBN 951-31-1544-5
• Ahvenainen, Sakari: Enigma, osa 1 a. Viestimies-lehti 1/1991 s. 24–30
• Ahvenainen, Sakari: Enigma, osa 1 b. Viestimies-lehti 2/1991 s. 12–17
• Winterbotham, F. W.: Operaatio Ultra. WSOY, 1976. ISBN 951-0-07304-0

Aiheesta muualla

• Paperista rakennettu Enigma
• Enigma-simulaattori. (Yhteensopiva oikean enigman kanssa, mukaan kuuluu: 3-rotor Wehrmacht and Luftwaffe Enigma, 3-rotor Kriegsmarine M3, 4-rotor Kriegmarine M4 Enigma) (Arkistoitu – Internet Archive)
• Enigma-simulaattori (Java)
• The world's first electronic Enigma machine (Arkistoitu – Internet Archive) (YouTube-video)