Macchina Enigma, tesina

ITIS Paleocapa - Bergamo A.S. 2013/2014 5ECN

La macchina Enigma

Tesina esame di stato

Gianluigi Pellegrini

“Possiamo vedere solo poco davanti a noi, ma possiamo vedere tante cose che bisogna fare.”

Alan Turing

1. Indice

Introduzione pag. 3

• La macchina Enigma originale: pag. 4
• Origini, struttura e funzionamento, il ruolo degli alleati pag. 4
• L'operazione “Leone marino” e il bombardamento di Coventry pag. 7
• Alan Turing pag. 10
• La macchina Enigma realizzata: pag. 12
• Descrizione funzionamento, parti costitutive e schema elettrico pag. 12
• La tastiera pag. 17
• Gestione e riconoscimento tasto pag. 18
• Convertitore Analogico Digitale SAR pag. 19
• Il microcontrollore pag. 20
• Caratteristiche e schemi pag. 20
• L'impostazione dei rotori e l'algoritmo di criptazione pag. 21
• Il blocco di alimentazione pag. 23
• La batteria e il consumo energetico pag. 23
• L7805 e la dissipazione termica pag. 24
• LCD pag. 26
• Il modulo Usart pag. 27
• Funzioni trasmissione e ricezione pag. 28
• Bibliografia e webgrafia pag. 30

2. Introduzione

Il progetto realizzato consiste nella riproduzione elettronica della macchina cifrante Enigma, utilizzata dai tedeschi durante il nazismo e la seconda guerra mondiale.

Sono state realizzate due schede, ognuna equivalente ad una macchina Enigma.

Da una scheda si inserisce la “chiave” di criptazione e un messaggio, quest'ultimo viene criptato e, se richiesto, trasmesso all'altra scheda.

Le due schede sono in comunicazione tra loro mediante la seriale Usart.

Il messaggio criptato è ricevuto dalla seconda scheda, sulla quale, inserendo la medesima chiave di criptazione, si visualizza il testo originariamente immesso in chiaro.

La scelta di questo argomento, come tematica della tesina per l'esame di stato, nasce dal personale interesse riguardo lo spionaggio, supportato dalla volontà di portare in primo piano uomini spesso sconosciuti e mai ricordati, ma determinanti per le sorti di un conflitto mondiale.

3. Enigma

Enigma fu una macchina cifrante a rotori utilizzata dalle forze armate tedesche durante il periodo nazista e nel corso della seconda guerra mondiale.

Origini

La macchina Enigma corrispose ad una riproduzione elettromeccanica del disco cifrante di Leon Battista Alberti.

Venne sviluppata dall'ingegnere tedesco Arthur Scherbius nel 1918, non a scopi militari, bensì per le esigenze degli industriali, i quali, al termine della prima guerra mondiale, dovettero far fronte allo spionaggio industriale. Nel 1923, Scherbius e l'amico Richard Ritter fondarono la Scherbius&Ritter per produrre Enigma e metterla in commercio.

Inizialmente l'inventore trovò difficoltà nel diffonderla sul mercato, sia per l'elevato costo (corrispondente a circa 25 mila euro odierni), sia perché nessuno sembrava aver capito l'efficienza della macchina.

Quando la Germania scoprì che le sue comunicazioni navali, durante la prima guerra mondiale, erano state decriptate dalla Gran Bretagna, il governo tedesco decise di affidarsi ad un sistema più sicuro, acquisendo circa 30 000 esemplari di Enigma nell'arco dei due decenni successivi.

Struttura e funzionamento

La prima versione misurava solamente 34x28x15 cm con un peso di circa 12 kg. Essa era composta da:

• Una tastiera per immettere le lettere del testo in chiaro.
• Tre dischi cablati, chiamati rotori o scambiatori.
• Un riflessore, un disco non rotante.
• Un visore, con varie lampadine che indicavano il messaggio cifrato.

I tre rotori avevano 26 contatti per lato: il cablaggio interno metteva in comunicazione i due lati scambiando i contatti elettrici.

Ad ogni pressione di un tasto, il primo rotore ruotava di una lettera. Quando il primo rotore compiva un giro completo, il secondo rotore girava di una lettera, e così a sua volta il terzo rotore al termine di un giro del secondo: quindi il percorso della corrente cambiava ad ogni tasto premuto.

Nel riflettore il segnale elettrico veniva rimandato indietro ai rotori, ma seguendo un percorso diverso. Grazie al riflettore la macchina poteva funzionare anche come decodificatrice.

Nelle versioni successive e migliorate, Enigma poteva essere regolata anche con spinotti di un pannello (plugboard) che permettevano lo scambio di 10 coppie di lettere prima di entrare nel primo rotore, aumentando a dismisura il numero delle combinazioni ottenibili.

Da Enigma, furono realizzate la macchina Typex e la macchina di Lorenz.

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Ogni giorno, per motivi di sicurezza, doveva essere modificato l'assetto della macchina (cambiando i collegamenti nel pannello), cambiato l'ordine dei rotori e la loro posizione di partenza (la “chiave”). Le informazioni erano contenute in un foglio contenente i cifrari per un mese, distribuito ad ogni unità dotata di una macchina Enigma. Tali fogli erano stampati con inchiostro solubile e custoditi con estrema attenzione: l'ordine era di buttarli immediatamente in acqua in caso si rischiasse che cadessero in mani nemiche.

L'operatore, dopo aver impostato la macchina Enigma come previsto dal cifrario, premeva sulla tastiera il messaggio in chiaro: il messaggio in codice era ricavato dalla sequenza delle lettere che si illuminavano sul visore. Il messaggio criptato veniva dunque consegnato al marconista che lo trasmetteva (in genere in codice morse). In ricezione, impostando in ugual modo la macchina, si batteva il testo criptato, ricavando dal visore il messaggio in chiaro.

Esempio di regolazione:

III V IV GAH CX AZ DV KT HU LW GP EY MR FQ

I numeri romani rappresentano i rotori utilizzati in quel giorno e in quel dato ordine. GAH è la chiave, cioè la posizione iniziale in cui erano posti i rotori. Le seguenti dieci coppie di lettere sono i collegamenti sulla plugboard.

Il ruolo degli alleati

La macchina Enigma era considerata inviolabile e indecifrabile dai tedeschi, dato l'elevatissimo numero di combinazioni possibili, nelle quali poteva essere impostata la macchina.

Considerando:

• 60 combinazioni date da 5 rotori posti in 3 alloggiamenti (5*4*3)
• ^3
• 17576 chiavi: posizioni iniziali dei rotori (26)
• ^2
• 676 impostazioni del disco: quando viene fatto ruotare il rotore successivo (26)
• 150 738 274 937 250 combinazioni dai 10 accoppiamenti tra le 26 lettere sul pannello dei collegamenti (permutazione (26,2))
• ^23
• = 107 458 687 327 250 619 360 000 combinazioni = 1,07 * 10 => 107 miliardi di miliardi

Dal 1929, Enigma venne adottata da ogni organizzazione militare tedesca e venne largamente utilizzata, per la presunta indecifrabilità e per la facilità di utilizzo, sia dalla gerarchia nazista, sia durante la guerra civile spagnola e la seconda guerra mondiale.

Nel 1931, Hans Thilo Schmit (nome in codice “Asche”), funzionario tedesco amante della bella vita, fornì ai francesi due manuali di istruzioni su come usarla e ricostruirla. Schmit non era mosso da motivazioni politiche (nel '31 la Germania era ancora una repubblica democratica), ma da motivazioni economiche. Egli continuò a passare informazioni fino al 1943 quando, scoperto dalla polizia nazista, si suicidò in carcere per evitare la tortura.

I francesi non riuscirono però a venire a capo di nulla e considerarono il meccanismo troppo complicato, pertanto passarono i documenti ai polacchi.

Nel 1932, l'intelligence polacca, guidata dal matematico Marian Rejewski, riuscì a ricostruire una copia della macchina. Furono realizzati dispositivi meccanici che simulavano velocemente le combinazioni: in particolare, Rejewski progettò la “bomba crittologica”, un calcolatore composto da moduli (ciascuno muoveva 108 rotori), con la quale si riuscì a decriptare una gran mole di messaggi tedeschi.

Un grande problema era la velocità: i polacchi riuscivano a capire a fatica messaggi risalenti a settimane o mesi prima, tempi lunghissimi in caso di guerra. Quando i tedeschi migliorarono ulteriormente Enigma, la “bomba” polacca fu inutilizzabile.

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Nel luglio del 1939, sentendo il fiato tedesco sul collo, la Polonia decise di mettere a disposizione le proprie scoperte con gli inglesi.

Gli inglesi stabilirono la sede del loro servizio di decriptazione a Bletchley Park, località a metà strada tra Oxford e Cambridge, qui prese luogo Ultra: l'insieme dei sistemi di decodifica delle comunicazioni radio tedesche crittate da Enigma. A Bletchley vennero assoldati migliaia di persone comprendenti ingegneri, matematici, enigmisti e traduttori.

Tra questi vi era anche il matematico inglese Alan Turing: egli, con l'aiuto di Gordon Welchman, ideò nuove e più efficienti “bombe crittologiche”, cosicché Enigma venne nuovamente e continuamente forzata.

Nel 1944 Turing diede origine al Colossus, una macchina calcolatrice programmabile, utilizzata per forzare la macchina di Lorenz, cioè l'ultimo miglioramento della macchina Enigma.

Oltre che dal genio di Turing, la decriptazione di Enigma fu possibile anche grazie a difetti della macchina e da errori compiuti dagli operatori tedeschi. Ad esempio:

• I messaggi ripetitivi erano delle “guide” per gli analisti inglesi (ad esempio “nulla da segnalare” e “Heil Hitler” in chiusura dei messaggi).
• Nessuna lettera era mai criptata in se stessa.
• Enigma era una macchina simmetrica, utilizzabile sia per criptare, sia per decriptare: questa reversibilità creava nel testo degli accoppiamenti ripetuti tra le lettere criptate e in chiaro.

Questi accoppiamenti, insieme alle “guide”, erano fondamentali per la creazione dei “menù”, cioè dei grafici rappresentanti come dovevano essere programmate le “bombe”.

• I “baci”, cioè la coincidenza di due diversi crittogrammi, ognuno trasmesso in un codice diverso, ma contenente lo stesso messaggio in chiaro originale; la soluzione dell'uno conduce alla soluzione dell'altro. In genere scaturivano dalla pigrizia degli operatori che dimenticavano di resettare Enigma prima di riusarla.

Grazie al lavoro svolto da Turing e dagli uomini di Bletchley Park, gli storici sostengono che la durata del conflitto sia stata ridotta di almeno due anni.

6. L'operazione “Leone marino” e il bombardamento di Coventry

La battaglia d'Inghilterra

L'operazione “Leone marino” era il nome in codice tedesco per l'invasione dell'Inghilterra durante la seconda guerra mondiale, da parte della Germania nazista.

L'Alto Comando dell'esercito tedesco era convinto che, dopo la resa della Francia, la Gran Bretagna avrebbe richiesto la pace; Hitler sarebbe stato disposto a trattare, a patto di vedersi riconosciute le sue conquiste, ma ogni ipotesi di tregua trovò un ostacolo insuperabile nella volontà della classe dirigente e del popolo britannico di continuare la lotta: interprete ed ispiratore di questa volontà fu il primo ministro conservatore Winston Churchill, da sempre fautore di una linea intransigente contro le pretese di Hitler, conducendo una politica di opposizione al nazismo, sia con le armi, sia con la diplomazia. Hitler ordinò dunque di pianificare un'invasione via mare.

La Wehrmacht (unione delle forze armate tedesche) decise che lo sbarco sarebbe dovuto essere assicurato dalla Luftwaffe (aeronautica militare tedesca), piuttosto che dalla marina tedesca, la quale disponeva di poche unità, alcune delle quali perse nella campagna di Norvegia.

Dopo la vittoria sulla Francia, Hitler tentò nuovamente di arrivare ad accordi di pace con la Gran Bretagna, ma, constatato che da Londra non giungevano risposte positive, il 2 luglio 1940 emise le prime direttive per l'invasione dell'isola, dando inizio all'operazione “Leone marino”.