Souboj s nacistickou Enigmou nastartoval éru počítačů

Ondřej Vrba  |  Historie
Foto: Bletchley Park

Muzeum v britském Bletchley Parku dokumentuje, jak spojenci během druhé světové války rozluštili a dokázali číst zprávy šifrované strojem Enigma.

Městečko Bletchley v hrabství Buckinghamshire, asi 70 kilometrů severozápadně od Londýna, je na první pohled nenápadné. Přesto se tu psaly dějiny. V legendárním a dlouho utajovaném Bletchley Parku se velkým mozkům doby (od matematiků a šachistů až po luštitele křížovek a lingvisty) podařilo prolomit tajemství nacisty využívaného šifrovacího stroje Enigma. To podle některých odborníků zkrátilo druhou světovou válku až o tři roky. Výzva porazit Enigmu urychlila také cestu k počítačové éře.

To, že se britským bořičům kódů v Bletchley Parku podařil opravdu husarský kousek, dokládá to, že Němci i několik let po válce odmítali uvěřit tomu, že spojenci uměli číst Enigmou šifrované zprávy. Úspěch práce stovek brilantních myslitelů v čele s legendárním matematikem Alanem Turingem jakoby popírá všechny zákonitosti pravděpodobnosti, možných kombinací nastavení šifrovacího stroje Enigma je totiž nepředstavitelné množství – přes 100 miliard.

Šifrovací stroj Enigma. Foto: Bletchley Park
Šifrovací stroj Enigma. Foto: Bletchley Park

Bez některých chyb, kterých se nacisté při zasílání šifrovaných zpráv dopustili, a bez brzkého začátku zkoumání stojů Enigma ještě před válkou, by zřejmě opravdu prolomení německých kódů nebylo možné. Díky souhře okolností a mocné síle lidského důvtipu se to ale podařilo. Ve válečných studiích to dosud není doceněno, ale Spojenci například v bitvě o Atlantik, v tažení proti německému maršálovi Erwinu Rommelovi nebo přípravách invaze v Normandii měli klíčovou výhodu – informace přímo z týlu nepřítele.

Vchod do hlavní budovy zdobí socha britského premiéra Winstona Churchilla. Foto: Bletchley Park
Vchod do hlavní budovy zdobí socha britského premiéra Winstona Churchilla. U ní je jeho citát: „Žádná z operací 2. světové války nebyla tak závislá na Bletchley, jako vylodění v Normandii. Bez tady odvedené práce by operace jen těžko uspěla.“ Foto: Bletchley Park

Výsledky práce Bletchley Parku také dokládají to, že extrémní situace často lidstvo posunou k mimořádným inovacím. Kdo ví, jak daleko by dnes byla informační a výpočetní technika, kdyby pro vědce neexistovala výzva v podobě Enigmy. Pouze akutní válečné ohrožení zřejmě také umožnilo, že se ve čtyřicátých letech minulého století podařilo na jednom místě shromáždit tolik výjimečných mozků. Vysoká koncentrace nápadů a analytických schopností vedla až sestavení tzv. Turingovy bomby – vzdáleného předchůdce dnešního počítače, který měl za úkol mechanicky analyzovat kombinace kódů v takovém rozsahu, který by člověk sám nebyl schopen zpracovat. Pojďme se ale podívat na celý příběh Enigmy a jejího prolomení pěkně od začátku.

Bletchley Park. Foto: Bletchley Park
Bletchley Park. Foto: Bletchley Park

Příběh Enigmy

Elektromechanický šifrovací stroj Enigma vznikl už ve dvacátých letech 20. století, stojí za ním německý inženýr Arthur Scherbius. Původně sloužil čistě komerčním účelům, k šifrování zpráv ho používaly pošty nebo banky. Firma Scherbius & Ritter nabízela svůj stroj i německému námořnictvu a ministerstvu zahraničí, ty ale o šifrovací stroj zpočátku nejevily zájem. Stroj postupně prošel několika inovacemi a nakonec si cestu do německé armády našel.

Enigma je kombinací elektrického a mechanického systému. Mechanický systém je složen z klávesnice podobné té u psacího stroje a sady rotujících disků (rotorů), které jsou řazeny za sebou na jedné ose. U rotorů je podstatný krokový mechanismus, který postupně otáčí jedním nebo několika rotory s každým stiskem klávesy. To znamená, že když dvakrát za sebou stisknete stejnou klávesu, stroj má pokaždé jiné nastavení.

Do armádní verze byla navíc přidána rozvodná deska s dvojitými zástrčkami, která umožňovala prohození písmen na klávesnici, což kryptografickou sílu stroje ještě výrazně zesílilo.

Rotors – rotory, Lampboard – žárovky, Keyboard – klávesnice, Plugboard - rozvodná deska. Foto: Bletchley Park
Rotors – rotory, Lampboard – žárovky, Keyboard – klávesnice, Plugboard – rozvodná deska. Foto: Bletchley Park

Jak vypadalo šifrování v praxi?

Při posílání a přijímání zpráv šifrovaných Enigmou byla podstatná koordinace výchozího nastavení přístroje mezi vysilatelem zprávy a jejím příjemcem. Bylo nutné znát, jak jsou za sebou v horní části stroje poskládány rotory. Každý z rotorů měl na ozubeném kolečku jiný sled kontaktů. Enigmy užívané německým námořnictvem měly dokonce pět vyměnitelných rotorů, z nichž u tří bylo možné měnit pořadí.

Rotor. Foto: Bletchley Park
Rotor. Foto: Bletchley Park
Rotory. Foto: Bletchley Park

Dále bylo nutné znát umístění dvojitých zástrček na rozvodné desce, které prohazovaly písmena na klávesnici.

Rozvodná deska. Foto: Bletchley Park
Rozvodná deska. Foto: Bletchley Park

Jenže znát základní nastavení přístroje pro dešifrování zpráv samo o sobě nestačilo. Pravidelně, někdy i víckrát denně, měnily jednotlivé složky německé armády operativní klíč. Ten spočíval v úvodním nastavení otáčejících se rotorů. Technik otáčel ozubenými kolečky rotorů tak dlouho, až se v okýnkách objevila zvolená kombinace písmen.

Otáčením rotorů bylo nutné nastavit počáteční kombinaci písmen. Foto: Bletchley Park
Otáčením rotorů bylo nutné nastavit počáteční kombinaci písmen. Foto: Bletchley Park

Ve chvíli, kdy byl stroj správně nastaven, mohlo začít vlastní šifrování zprávy. Po stisku požadovaného písmena na klávesnici se v přístroji uzavřel elektrický obvod, který rozsvítil jednu z žárovek, která indikovala výsledné zašifrované písmeno.

Například při šifrování zprávy BERLIN operátor nejdříve stiskne B, rozsvítí se třeba Z, potom Z bude prvním písmenem zašifrovaného textu. Poté operátor stiskne E, rozsvítí se třeba G, zapíše a stejným způsobem pokračuje. Při každém stisku klávesnice se přitom krokovým mechanismem posunuje ozubené kolečko rotoru, což znamená opět jinou kombinaci zapojení elektrického obvodu.

Šifrování pomocí Enigmy. Foto: Bletchley Park
Šifrování pomocí Enigmy: proud je veden do sestavy rotorů, přes reflektor a zpět znovu skrz rotory. Písmeno A se zakóduje jinak s každým následným stisknutím, poprvé na G, dále na C atd. Je to proto, že pravý rotor se po stisku klávesy pootočí a signál je veden pokaždé jiným obvodem. Foto: Bletchley Park

Zašifrované sdělení se zapsalo do pětipísmenných bloků, depeše se předala k odeslání morseovkou pomocí rádiových vln. Druhá strana měla stejně nastavenou Enigmu jako odesilatel, včetně denního klíče a reverzním způsobem zprávu dešifrovala.

Enigmou zašifrovaný text. Foto: Bletchley Park
Enigmou zašifrovaný text. Foto: Bletchley Park

Na internetu je k dispozici několik simulátorů Enigmy: můžete si ji například vyzkoušet online, nebo třeba stáhnout v samostatné aplikaci.

Prolomení Enigmy

Jak se tedy při tak astronomickém počtu kombinací nastavení Enigmy podařilo lidem z Bletchley Parku pravidelně dešifrovat stovky nacistických depeší denně? Zásadní byl mimo jiné i sled několika okolností před začátkem války.

Jeden z německých zaměstnanců šifrovacího oddělení říšského vojska se totiž v roce 1931 přihlásil francouzské tajné službě a odevzdal jí plány Enigmy, kterou využívala armáda, a také podklady pro užívané šifrovací postupy. Německý občan sice údajně nebyl žádný zarytý odpůrce nástupu nacismu, ale spíše vychytralec, který toužil po tučné finanční odměně, ale to už je jiný příběh.

Budoucí spojenci každopádně měli dlouho před válkou možnost vlastnosti Enigmy zkoumat. Rozhodující úspěch zaznamenali polští matematici. Polským kryptografům výrazně pomohlo, že dostali od francouzské tajné služby získané šifrovací návody a tabulky s denními klíči na dva měsíce a depeše zašifrované Enigmou a k nim nešifrovaný text.

Enigma v akci. Foto: Bletchley Park
Enigma v akci. Foto: Bletchley Park

Němečtí šifranti zároveň dělali některé chyby. Marian Rejewski, jeden z polských matematiků, odhalil, že Němci často pro nastavení šifrovacího klíče používali prostě tři stejná písmena AAA. (Podobná chyba – zvolení slabého hesla – pomáhá i dnes počítačovým hackerům…) Pomocí matematických rovnic pak byl Rejewski schopen odhalit vnitřní propojení disků u šifrovacích strojů německé armády.

Němci postupně šifrování na Enigmě zlepšovali, přibyla rozvodná deska s kontakty, přidali i rotory navíc. Polským luštitelům k odhalení systému denního klíče ale pomohla chyba Němců, že v depeších uváděli šifrovací klíč dvakrát za sebou.

V Polsku pak vznikl elektromechanický přístroj, tzv. Bomba, která byla sestavena z šesti kopií Enigmy a jejíž elektricky poháněný diskový systém dokázal během 2 hodin přezkoumat přes 17 tisíc možných kombinací tří použitých disků Enigmy.

Keine besondere Ereignisse (Žádná důležitá událost). Foto: Bletchley Park
Při dešifrování Enigmy pracovali kryptografové i s předpokladem opakování některých zpráv. Běžně Němci třeba vysílali jen krátké upozornění: Keine besondere Ereignisse (Žádná důležitá událost) . Šifrantům pak pomáhalo i to, že Enigma nikdy nezašifrovala písmeno stejným znakem, ale vždy jiným písmenem. Foto: Bletchley Park

Turingova bomba

Poté, co Německo napadlo Polsko, museli tamní kryptoanalytici zničit své podklady a přerušit práci. Centrum dekódování se přesunulo do zmíněného anglického Bletchley Parku. Tady postupně vznikl dokonale fungující systém na dešifrování nacistických zpráv, do kterého bylo zapojeno až 10 tisíc osob. Ani takové množství lidí by si ale neporadilo bez pomoci výpočetního stroje.

Geniální matematik Alan Turing s využitím poznatků polských luštitelů na začátku roku 1940 navrhl aparát, který posléze dostal název Turingova bomba. Ta na základě matematických metod simulovala činnost 30 strojů Enigma najednou. Na základě dat ze zachycených zpráv uměla mechanicky prověřit a odhalit polohy disků na nepřátelské Enigmě i použitý denní klíč. Když šlo všechno dobře, zvládla Turingova bomba najít klíč Enigmy i za hodinu. V roce 1941 pak Turing dokázal prolomit i kód německého námořnictva, jež používalo nejdokonalejší verzi Enigmy.

Replika Turingovy bomby v muzeu v Bletchley Parku. Foto: Bletchley Park
Replika Turingovy bomby v muzeu v Bletchley Parku. Foto: Bletchley Park
Replika Turingovy bomby v muzeu v Bletchley Parku. Foto: Bletchley Park

Turingova bomba je považována za jednoho z prvních předchůdců počítačů. V roce 1943 v Bletchley Parku anglický inženýr Tommy Flowers ještě strojový systém luštění cifer zdokonalil a vytvořil prototyp počítače, který dostal jméno Colossus.

Pozoruhodný je i životní osud Alana Turinga, vydal by však na samostatný článek. Zmíním tedy alespoň to, že neortodoxní vědec nakonec místo toho, aby sklízel ocenění za hrdinství během války, byl v Británii v roce 1952 odsouzen kvůli své homosexualitě za „nemravnost“, vyhozen z práce a musel podstoupit chemickou kastraci. O dva roky později, asi dva týdny před svými 42. narozeninami za záhadných okolností zemřel.

Hospodyně ho našla mrtvého v posteli, vedle které leželo několikrát nakousnuté jablko namočené v kyanidu. Jedním z důvodů, proč má údajně technologický gigant Apple ve znaku nakousnuté jablko, je právě připomínka Turingovy sebevraždy.

Socha Alana Turinga v muzeu v Bletchley Parku. Foto: Bletchley Park
Socha Alana Turinga v muzeu v Bletchley Parku. Foto: Bletchley Park

Němci nesměli vědět, že spojenci čtou Enigmu

Klíčové pro spojence v průběhu války bylo kromě samotného prolomení Enigmy i to, aby se o tomto jejich úspěchu nedozvěděli Němci. Nacisté by pak totiž mohli systém tajné komunikace vylepšit. Spojenci proto vždy před útokem na nepřátelské vojenské cíle, jež lokalizovali díky rozluštění šifrované zprávy, udělali manévr, který měl navodit zdání, že se o umístění lodě, ponorky či vojska dozvěděli běžným, konvenčním způsobem.

Pro příklad: rozluštěná šifrovaná zpráva uváděla, kde se pohybuje nacistická ponorka. Spojenci na ni nezaútočili hned, k místu nejdřív vyslali pozorovací plavidlo či letadlo, které „na oko“ vyslalo rádiové hlášení o pohybu nepřátelské ponorky. Němci ho zachytili a mysleli si proto, že jejich ponorka byla spatřena obvyklým způsobem. Častá frekvence zpozorování pohybu jejich ponorek vedla nacisty k domnění, že spojenci mají až čtyři stovky ponorek a obrovskou flotilu pozorovacích letounů. Spojenci přitom měli jen 25 ponorek a jen minimum pátracích letounů.

Někteří němečtí důstojníci přes maskovací opatření spojenců pojali podezření, že Enigma nemusí být tak bezpečná, jak se myslelo. Požadovaná analýza prolomení šifrovacího stroje vyloučila. Admirál Karl Dönitz přesto prosadil zpřísnění pravidel pro komunikaci námořnictva a Bletchley Park pak několik měsíců ztratil schopnost zprávy dešifrovat. Po usilovné několikaměsíční práci se ale podařilo i zlepšený systém prolomit.

Němci šifrující zprávu Enigmou. Foto: Bletchley Park
Němci šifrující zprávu Enigmou. Foto: Bletchley Park

HP pomáhá Bletchley Parku s digitální archivací

Bletchley Park ukrývá stohy archivního historického bohatství. V bednách jsou miliony dokumentů – zachycené šifrované zprávy, kartičky s rozluštěným textem, různé mapy nebo fotografie. Aby byly tyto materiály zachovány pro studium i budoucím generacím, rozhodl se Bletchley Park pro jejich digitální archivaci.

Pomoct s tímto bohulibým záměrem se rozhodla firma Hewlett-Packard. V Bletchley Parku běží na plné obrátky scannery, zvlášť uzpůsobené pro práci s křehkými archiváliemi. Do projektu se zapojil i Hyland Software, který pomáhá s kontextovým tříděním digitalizovaných dat.

Scannery HP pomáhají digitalizovat bohatý archiv Bletchley parku. Foto: Bletchley Park
Scannery HP pomáhají digitalizovat bohatý archiv Bletchley parku. Foto: Bletchley Park

Na konci projektu by měla být komplexní databáze digitalizovaných archivů, která budou přístupná akademikům, historikům i široké veřejnosti.

Nejčtenější