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2.1 Die drei Grundkomponenten /
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Der Grundbausatz der Enigmamaschine ist im Grunde nichts weiter als eine Ansammlung elektronisch gesteuerter Chiffrierscheiben. Das Gerät besteht aus drei Grundkomponenten:
. Eine Tastatur (oder Tastenfeld), die als Eingabegerät fungiert. Sie nimmt die zu verschlüsselnden Klartextbuchstaben auf.
. Die Walzen - der Kern der Enigma. Sie sind in erster Linie für die Verschlüsselung zuständig.
. Ein Lichtfeld, das die verschlüsselten Buchstaben (den Geheimtext) ausgibt.
Ich werde später noch auf weitere Komponenten eingehen, die genannten machen jedoch den wichtigsten Bestandteil der Maschine aus.
Durch das Drücken eines Knopfes im Tastenfeld wird ein Stromkreis geschlossen, der das Lichtfeld erreicht, nachdem er die Walzen durchlaufen hat. Durch das Aufleuchten des betreffenden Buchstabens im Lichtfeld wird der verschlüsselte Buchstabe ersichtlich.
Auf den Aufbau der Walzen möchte ich nun im Weiteren eingehen.
2.2 Die Walzen als Nachfolger der Chriffrierscheiben
Im Grunde ist eine einzelne Walze eine elektrische Chiffrierscheibe, da sie für eine monoalphabetische Verschlüsselung zuständig ist.
Wie in Abbildung 1 erkennbar ist, liegen die Kontaktstellen der Tastatur denen des Lichtfeldes gegenüber. Dennoch leuchtet beim Drücken eines Buchstabens ein anderer Geheimtextbuchstabe auf. Dies hängt mit der inneren Verdrahtung der Walzen zusammen.
Wird der Stromkreis durch eine Walze geleitet, verändert diese die ursprüngliche Zuordnung von Tastatur und Lichtfeld. Dies wird ebenfalls in Abbildung 1 sichtbar. Durch das Drücken der Taste b wird der Stromkreis mit dem Lichtfeld A geschlossen. b wird also mit A verschlüsselt.
Die wichtigste Eigenschaft der Walze ist ihre freie Drehbarkeit. Nachdem die Walze einen Buchstaben verschlüsselt hat, dreht sie sich automatisch um eine Position weiter (siehe Abbildung 2). So würde ein zweites b mit C verschlüsselt. Bei unserer Beispielabbildung oben, würde der Klartext bbbbb mit ACEBD chiffriert. Die Anfangsposition der Walze, die für die Verschlüsselung des ersten Buchstabens verantwortlich ist, bestimmt also den Schlüssel.
Nach der sechsten Umdrehung befindet sich die Beispiel-Walze wieder in ihrer Ausgangsstellung, so dass b wieder mit A verschlüsselt würde. Obwohl es sich um eine polyalphabetische Verschlüsselung handelt, bietet der Einsatz einer einzigen Walze keine Sicherheit. Beim Einsatz eines gesamten Alphabets auf einer Walze gäbe es nur 26 verschiedene Walzenstellungen. Deshalb müsste ein Feind, der in den Besitz einer Enigma gekommen ist, nur gerade mal 26 Ausgangspositionen (Schlüssel) ausprobieren.
Um die Anzahl der möglichen Schlüssel zu erhöhen, wurden weitere Walzen mit unterschiedlichen inneren Verdrahtungen hinzugeschaltet. Darüber hinaus waren die Drehungen der Walzen so voneinander abhängig, dass alle möglichen Walzenstellungen zum Einsatz kamen. Jede Walze dreht sich erst, wenn ihre Vorgängerwalze um eine halbe oder ganze Drehung rotiert ist. Auf das Drehverhalten werde ich später noch eingehen. Es lässt sich jedoch mit einem Kilometerzähler vergleichen, bei dem sich die Zehnerziffer immer nur dann erhöht, wenn sich die Endziffer von 9 auf 0 bewegt, also nur alle zehn mal.
Bei zwei Walzen gibt es bereits 676 (262), bei drei 17.576 (263) verschiedene Walzenstellungen. Gegen Ende des Zweiten Weltkrieges besaßen die Enigmas der Marine vier Walzen, was 456.976 (264) verschiedene Stellungen erlaubte. Die Anzahl der möglichen Walzenstellungen lässt sich durch folgende Formel ausdrücken:
Um das Festlegen eines Schlüssels zu vereinfachen, sind Buchstaben auf einem Ring um die Walzen angebracht. Sie liegen direkt neben den Kontaktstellen. Der Schlüssel für die Ausgangsstellung einer Enigma könnte zum Beispiel KFGA heißen. So muss Walze Nummer 1 solange gedreht werden, bis der Buchstabe K auf der Walze genau nach oben zeigt, Walze Nummer 2 solange, bis F nach oben zeigt usw. In der Regel enthielten die Enigma-Maschinen ein Fenster für jede Walze, das ausschließlich den Buchstaben der Walzenstellung zeigte, alle anderen blieben verborgen. Ein Rändelrad garantiert das manuelle Drehen.
2.3 Austauschbarkeit der Walzen
Die Walzen hatten noch einen weiteren Vorteil, der die Anzahl der Schlüssel stark erhöhte. Sie konnten ausgetauscht werden. Im Zweiten Weltkrieg gab es acht verschiedene Walzen mit unterschiedlicher innerer Verdrahtung, von denen bis zu vier, je nach Walzenkapazität der jeweiligen Enigma, ausgewählt wurden. Aus acht Walzen lassen sich vier auf 70 Arten auswählen (ohne Berücksichtigung der Reihenfolge).
Durch die Austauschbarkeit ist die Chiffrierung nicht nur von der Wahl der Walzen, sondern auch von der Reihenfolge ihrer Implementierung abhängig. Vier verschiedene Walzen lassen sich auf 24 Arten ( 4! ) anordnen.
Daraus resultieren 1.680 ( 70 * 24 ) mögliche Walzenkonfigurationen, zieht man deren Ausgangsstellungen nicht in Betracht.
2.4 Der Reflektor
Die Enigmamaschine hat noch eine weitere Besonderheit, den Reflektor, der auch als "die Umkehrwalze" bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um eine zusätzliche statische (also nicht drehbare) Walze. Sie hat keine andere Funktion, als die ankommenden Impulse durch einen anderen Kontakt erneut durch alle Walzen zurückzuleiten (= zu "reflektieren"). Erst dann erreichen sie das Lichtfeld (siehe Abbildung unten).
Dies hat zwei wesentliche Vorteile:
. Beim Drücken eines Klartextbuchstabens erscheint immer ein anderer Geheimtextbuchstabe, da der Reflektor den Impuls immer durch einen anderen Kontakt zurückleitet.
. Außerdem sind Verschlüsselung und Entschlüsselung genau umkehrbar. Drückt man den Geheimtextbuchstaben mit gleicher Walzenstellung in das Tastenfeld, erscheint der ursprüngliche Klartextbuchstabe. Wird der Text CRYPT beispielsweise mit AGHJK chiffriert, erscheint somit beim Drücken von AGHJK bei gleicher Ausgangsstellung wieder der Klartext CRYPT.
Dies hängt mit der Eigenschaft als "Spiegel" zusammen. Ein Beispiel (siehe Abbildung): Wird der Klartextbuchstabe C eingetippt, erreicht er durch die Walzenverdrahtungen den A-Kontakt des Reflektors. Nun wird er über den C-Kontakt erneut wieder durch die Walzen geleitet und schließt den Stromkreis mit dem B-Lichtfeld (C wird mit B chiffriert). Drückt der Benutzer bei gleicher Walzenstellung auf das B, gelangt das B zu dem C-Kontakt des Reflektors, der den Impuls durch den A-Kontakt wieder zurück durch die Walzen leitet, so dass der Stromkreis mit dem Lichtfeld C geschlossen wird (B wird wieder mit C dechiffriert).
Damit ist der Einsatz einer Entschlüsselungs-Enigma nicht erforderlich.
2.5 Das Steckerbrett
Das Steckerbrett ist eine zusätzliche Komponente, auf die der Benutzer der Enigma direkten Einfluss hat. Über Steckerverbindungen können bestimmte Buchstaben untereinander vertauscht werden. Dazu liegen für jeden Buchstaben zwei Kontakte frei, durch die die Vertauschung mit anderen Buchstaben ermöglicht wird.
In der im Krieg verwendeten Enigma hatte der Kryptograph sechs Kabel zur Verfügung. Das Steckerbrett erhöhte die Anzahl der möglichen Schlüssel für die Enigma etwa um den Faktor 100 Milliarden, da die sechs Kabel auf 100.391.791.500 Arten gesteckt werden können ( 26! : (26-12)! : 6! : 26 ).
Auch wenn die Erhöhung der möglichen Schlüssel nicht unwesentlich ist, bietet das Steckerbrett keine besonders hohe Sicherheit. Beispielsweise lässt das Wort "Dnutachlsed" eine Vertauschung der Buchstaben E und N bzw. A und S vermuten.
2.6 Die Zusatzfunktion der Ringe
Wie ich bereits erwähnt habe, sind die Walzen von Ringen umgeben, auf denen sich die Buchstaben zur Bestimmung der Walzenlage befinden. Diese Ringe haben jedoch noch eine weitere wichtige Funktion: Sie sind für die Drehübersetzung der weiteren Walzen zuständig. In jedem dieser Ringe gibt es dafür zwei Einkerbungen. Ist die Walzenstellung erreicht, die den daneben liegenden Buchstaben im Sichtfenster erscheinen lässt, sorgt ein weiterer Tastendruck für die Drehung der nächsten Walze.
Die Erwähnung dieser Ringe ist deshalb so bedeutsam, weil sich die Außenringe unabhängig vom Innenteil der Walzen drehen lassen. So bestimmt die Ringstellung einen weiteren Bestandteil des Schlüssels, da sie zu Beginn einer Ent- oder Verschlüsselung festgelegt werden muss.
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