Almanların Çözülemez Dediği Enigma Makinesi Nedir? Nasıl Çalışır?

Arthur Scherbius tarafından icat edilen Enigma makinesi, elektromekanik teknolojiye sahip bir çeşit şifreleme ve şifre çözme makinesidir. 1. Dünya Savaşı sonlarında diplomatik ve ticari iletişimin korunması amacıyla yoğun olarak kullanılmaya başlansa da Nazi Almanya’sı için geliştirilen Werchmacht Enigma modeli en çok bilinen model haline gelmiştir. Kelime anlamı ‘anlaması zor bir şey’ demek olan Enigma, 2. Dünya Savaşı sonlarına kadar kullanılmıştır.

2. Dünya Savaşı sırasında telsiz ile gönderilen mesajların tespit edilmesi ihtimali çok yüksekti. Bu sebeple mesajların şifrelenmesi gerekiyordu. Hitler’in talebi doğrultusunda haberleşme konusundaki gizlilik ihtiyacının karşılanması amacıyla Enigma makinesinin güvenilirliği artırılmıştır. Öyle ki; geliştirilen bu model ile üretilen kodların çözülebilme ihtimali %0.00016’ydı.

Almanlar tarafından çözülemez olarak nitelendirilen Enigma makinesi, savaşın ilk yıllarında oldukça başarılıydı. Fakat müttefik devletlerin yoğun çalışmaları sonucunda tüm şifreler çözülmüş ve Almanların harekat planları ele geçirilmiştir. Bletchey Park’a bağlı Birleşik Krallık Hükümeti Kod ve Şifre Okulu yardımıyla Alan Turing ve Thomas Harold Flowers tarafından Enigma çözülmüştür. Bu durumun 2. Dünya Savaşı’nın 2 yıl erken bitmesine, hatta sonucunun değişmesine sebep olduğu birçok uzman tarafından açıklanmıştır. Alan Turing’in bu çalışmaları sayesinde bilgisayar biliminin temeli atılmıştır. Flowers tarafından da dünyanın ilk dijital ve programlanabilir bilgisayarı Colossus icat edilmiştir. Colossus bilgisayarı, Alman Lorenz SZ40/42 şifreleme sisteminin çözülmesinde olasılık hesaplayıcı olarak kullanılmıştır.

Bir tavsiye.. Başrollerinde Benedict Cumberbatch ve Keira Knightley’nin yer aldığı 2014 yapımı The Imitation Game filmi ile Enigma’nın çözülmesindeki en önemli kişilerden biri olan Alan Turing ve o dönemde yaşananlar sinemaya uyarlanmıştır.

Enigma Makinesi Çalışma Prensibi

Daktiloya benzer bir yapıya sahip olan Enigma makinesi en temel haliyle, bir harfe basıldığı zaman o harfi başka bir harfle eşleştirerek şifrelenmiş bir metin ortaya çıkarmaktadır. Enigma makinesini oluşturan en temel parçalar ise klavye (keyboard), harfler için lamba panosu (light board), genel olarak 3 adet rotor ve 1 adet fiş panelidir (plugboard). Her rotor üzerinde 26 adet harf bulunmaktadır. Klavye üzerinde basılan harfler, rotorlar aracılığıyla mekanik olarak şifrelenir. Yani basılan harf, başka bir harf şeklinde kodlanmaktadır. Bu durumu rotorlar aracılığıyla olasılık üretme olarak da tanımlayabiliriz. Örneğin klavye üzerinde M harfine basıldığında rotorların kenarındaki kontaklar sayesinde makineden akım geçer. Enigma makinesi bunu T olarak kodlar ve lamba panosunda T harfinin bağlı olduğu lamba yanar. Aynı harfe tekrar basılırsa yeniden rastgele bir harf ile eşleştirme gerçekleşir. Çünkü her harfe basıldıktan sonra bir veya birden fazla rotor döner ve akımın yönü değişir. Böylelikle şifreleme şekli de değişmiş olur.

Rotorlar

Enigma makinesinin en önemli elemanı yaklaşık 10 cm çapındaki rotorlardır. Enigma makinesi tasarımında ilk olarak en sağdaki rotor döner ve göstergede bulunan harf bir sonraki harfe geçer. Diğer rotorlar buna bağlı olarak bir veya birden fazla adım atabilmektedir. Eğer gösterge 26’yı aşarsa ortadaki rotorda görülen harf, bir sonraki harfe geçer. Bu sayede şifreleme daha da zorlaşır. Rotorlar arasındaki bağlantı kablolar ile sağlanır. Örneğin sağ rotor 1 ve 26 arasında olduğunda M harfi T olarak kodlanıyorsa, sağ rotor 1 tur döndükten sonra orta rotor değişir ve M harfi K olarak kodlanabilir. Rotora ait dişli mekanizması, şifre çözümünü daha da zorlaştırmak amacıyla mesaj gönderilmeden önce sökülür ve farklı konumlara getirilerek tekrar takılır.

İlginizi Çekecek İçerik : ‘Dişli Çeşitleri ve Kullanım Alanları’

Fiş Paneli

Enigma üzerinde bulunan fiş panelinde, 2 ucu harf yuvalarına takılan 10 adet kablo kullanılmaktadır. Bu sayede 2 harf birbiriyle değiştirilmiş olur. Örneğin kablonun uçları “M” ve “K” harflerine bağlıysa, “M” harfi “K” harfine ve “K” harfi “M” harfine dönüşür. Yani, şifrelenen kelime “makine” ise, bu kelime “kamine” olarak gönderilmektedir. Şifrelemeyi daha da zorlaştırmak adına her mesaj sonunda operatör tarafından kablolar farklı yerlere takılır. Bir seferde en fazla 13 çift kablo kullanılabilirdi. Ancak genelde 10 adet kullanılmaktaydı.

Klavye ve Lamba Panosu

Klavye, A harfinden Z harfine kadar toplam 26 tuştan oluşur. 26 tuşun tamamı stator adı verilen giriş diskine bağlıdır. Statordan ayrılan akım, kontaklar aracılığıyla en sağdaki rotora girer. Bu rotordaki akım, iç tarafta yer alan kablolar ile orta rotordaki kontaklardan birine; ardından en soldaki rotora aktarılmaktadır. Tüm rotorların en solunda bulunan yansıtıcı ise, aldığı akımı rotorlar aracılığıyla bu defa farklı yoldan statora geri gönderir. Statora gelen akım, hangi harfin lambası yanacaksa o harfe yönlenmektedir. Örneğin klavyeden E harfine basıldığında akım sırasıyla stator, rotorlar ve reflektörden geçer. Sonrasında tekrar statora Z harfi olarak döner. Fiş panelinde bu harf tekrar değişir ve S harfinin lambası yanar.

Almanlara Göre Enigma Makinesi Neden Çözülemezdi?

Enigma makinesi, çok sayıda konfigürasyonun kombinasyonuna sahip olabileceğinden oldukça güvenilir bir yapı olarak görülmekteydi. Bu konfigürasyonlardan ilki rotor sayısıyla alakalıdır. 5 adet rotor kullanılabilen sistemde 3 adet rotor seçilebilecektir. Bu sayede 5x4x3=60 farklı kombinasyon elde edilmektedir.

Rotorların üzerinde 26 harf bulunmaktadır. Bu sebeple sağ rotor 1 tam tur döndükten sonra yanındaki rotor 1/26 devir dönmekteydi. Yani olasılık hesaplayacak olursak tam 26x26x26= 17.576 farklı şifreleme işleme gerçekleştirilebilmektedir.

Fiş panelinde ise n=26 farklı harften m=10 harf çifti (10 adet kablo kullanıldığından) nasıl seçilir sorusu ile elde edilen cevap kombinasyon sayısını verecektir. Bu nedenle (26! / ((26-2*10)! 10! 2^10) = 150738274937250 farklı kombinasyon sağlanır. Elde edilen tüm değerler olasılık hesabı için çarpıldığında 60 x 17576 x 150738274937250 = 158.962.555.217.826.360.000 kombinasyon elde edilmektedir.

n=26 harf ve 1 kablo çifti, bilgilerin kodlamadan önce m=13 defaya kadar değiştirilebildiğini göstermektedir. n! / ((n-2m)! m! 2m) formülünde 11 kablo ile en fazla kombinasyonun elde edildiği görülmektedir. Peki m neden 10 olarak seçilmiştir? Maksimum değerin 11 kabloyla elde edilmesine rağmen 10 adet kablo kullanılması bu sistemin bir açığıydı.

Enigma Makinesi Nasıl Deşifre Edilmiştir?

Enigma makinesinin deşifre edilmesine yönelik çalışmalar ilk olarak Polonyalı matematikçi Marian Rejewski önderliğindeki bir grup tarafından 1930’lu yılların başında gerçekleştirilmiştir. Permütasyon kullanılarak mesajların çözümünde başarılı olunsa da şifreleme yöntemi bilinmediğinden girilen ilk harflere ulaşılamamış ve asıl mesajlar bulunamamıştır. Bu girişim sonucunda Polonyalılar, Fransızların da desteğiyle kendi Enigmalarını yapabilecek bilgi seviyesine ulaştılar. Almanların şifreli mesajlarını okuyabilmek için Kriptolojik Bomba adı verilen bir cihaz geliştirdiler ve rotor ayarlarını çözmeye çalıştılar.

1938 yılında Almanlar Enigma’ya 2 rotor daha ekledi. Artık Polonyalıların işi daha da zordu. Bunun üzerine Polonyalılar sahip oldukları tüm bilgileri Fransız ve İngilizlerle paylaştı. 2. Dünya Savaşı sırasında, Polonyalılar tarafından geliştirilen kriptanaliz üzerine eklemeler yapan Alan Turing ve arkadaşları, Bletchey Park’ta Enigma’yı hızlı bir şekilde deşifre edebilecek bir makine tasarladı. Polonyalıların çalışmalarına ithafen bu makineye Bombe adı verilmiştir. Savaşın sonunda toplam 200 adet Bombe üretildiği bilinmektedir.

Bombe sayesinde Nazilerin harekat planlarını önceden öğrenebilmeye başlayan İngilizler, bu durumun Almanlar tarafından anlaşılmaması için Enigma makinesinin kullanımının devam etmesi amacıyla bazı saldırılara göz yumdular.

Enigma makinesini çözebilmek, sistemin çalışma prensibini anlamak ve mesajları okuyabilmek anlamına gelmiyordu. Almanlar her gün sistemin ayarlarını değiştiriyordu. Bu nedenle Alan Turing’in en önemli başarısı, Enigma makinesine ait güncel ayarları aramayı otomatik hale getirmenin bir yolunu bulmaktı.

Polonyalı matematikçiler, Turing’in geliştirdiği Bombe makinesi, Enigma makinelerinin ele geçirilerek incelenmesi, İngiliz casuslarının başarıları, Enigma makinesinin tespit edilen zayıf yönleri sayesinde Enigma şifreleri deşifre edilmiştir.

Bilgisayar Biliminin Öncüsü : Alan Turing

Bilgisayar bilimi ve modern anlamdaki yapay zekanın öncüsü olarak kabul edilen Alan Turing çok iyi bir matematikçiydi. Bir web sitesini ziyaret ettiğimizde, makine ya da insan olup olmadığımızı sorgulayan güvenlik önlemi ‘captcha’, Alan Turing tarafından geliştirilen bir yöntemdir. Bu testlerin biraz sinir bozucu olduğu konusunda hemfikiriz..

Turing’e göre, şifreleme işlemini gerçekleştiren bir makine ise bunu çözecek olan da yine bir makinedir. Çünkü şifreleme sistemi sürekli değiştiriliyor ve olasılıklar artıyordu. Bu durum insani becerilerle hızlı bir şekilde çözülemezdi. Bombe makinesi bu düşünceyle icat edilmiştir.

Alan Turing, eşcinsel olduğu iddiasıyla tutuklanmıştır. Fakat bilimsel çalışmalardan uzak kalmak istememesi sebebiyle hormon tedavisine mahkum edilmiştir. O dönemlerde İngiltere’de eşcinsellik suç olarak kabul ediliyordu. Bu sırada tüm kuruluşlarla bağı koparılmış ve toplumdan dışlanmıştır. Bu sebeple baskılara dayanamayıp 1954 yılında siyanürlü elma yiyerek intihar ettiği açıklanmıştır.  Yapılan otopside zehirlenmiş olduğu anlaşılsa da, elmaya siyanür testi yapılmamıştır.. Bu ölüm, bir dünya devine ilham kaynağı olmuştur. Evet.. Günümüzün en popüler ısırılmış elması.. Apple şirketinin logosu..

İlginizi Çekecek İçerik : ‘El-Cezeri : Doğu Medeniyetinin Leonardo Da Vinci’si’

Enigma Makinesinin Deşifre Olmasına Sebep Olan Zayıf Yönleri

Enigma makinesinin en zayıf noktalarından biri yansıtıcı sebebiyle bir harfin kendi içine kodlanamamasıdır. Yani klavye üzerinde M harfine basıldığında, lamba panelinde M harfi hariç her lamba yanabilmektedir. Sesli harflerin sık kullanıldığı düşünüldüğünde bu durum olasılığı azaltan bir kavramdır.

Enigma makinesinde, ortadaki rotorun 1 adım ilerlemesi için sağ rotorun 1 tam turunu tamamlaması gerekir. Yani ortadaki rotor her 26 harften sonra 1 kez çalışır ve sol rotor neredeyse hiç çalışmaz. Bu sebeple olasılık oldukça azalır.

Oluşturulan şifreli mesaj içerisinde en sık kullanılan harflere bakarak asıl mesaj hakkında fikir elde etmek mümkündür. Bunun için şifrelenmiş metindeki harflerin frekansları, şifrelenmemiş dildeki harflerin frekanslarıyla eşleştirilir.

Fiş paneli, alfabenin her harfi için 1 adet olmak üzere 26 sokete sahiptir. Harf çiftlerini değiştirmek için teorik olarak 13 adet kablo kullanılması mümkündür. Fakat 11 adet kablo kullanılması en iyi sonucu vermektedir. Buna rağmen Almanlar tarafından olasılık sayısını önemli ölçüde azaltan 10 adet kablo kullanılmıştır. Makinenin bu tür zayıf yanlarıyla birlikte prosedürde bulunan açıklar, ele geçirilen kodlandırma dokümanları ve operatör hataları Enigma makinesinin deşifre edilmesine sebep olmuştur.

Enigma makinesi, tersine çalışabilme özelliğine sahiptir. Mesajı gönderen ve alan arasında o mesaja ait ayar kodları da paylaşılmaktaydı. Alıcı taraftaki Enigma, gönderici tarafındaki makineyle aynı ayarlara getirilerek mesaj doğru bir şekilde deşifre ediliyordu. Savaş sırasında ayar kodlarının 8 saatte bir değiştirildiği bilinmektedir. Örneğin; göndericinin ‘SELAM’ şeklinde bir mesaj hazırladığını ve bu mesajın karşı tarafa ‘CKUYT’ şeklinde ulaştığını düşünelim. Alıcı taraf çözümleme moduna giriş yaparak rotor kodlarını ayarlar ve makineye ‘CKUYT’ girişini yaparsa cevap olarak ‘SELAM’ yazısını alır.

Günümüzde hala çalışan bir Enigma makinesine ulaşmak çok zor. Eğer ulaşma şansınız olursa aklınızda olsun; çalışan bir Enigma makinesi açık artırmayla 463.500 dolara satılmış durumda..

İlginizi Çekecek İçerik : ‘Dünyanın İlk Ticari Bilgisayarı : IBM 305 RAMAC’

• [1] The Enigma Machine, The National Museum of Computing
• [2] Enigma Plugboard
• [3] US Navy version of Turing-bombe was used against the German cipher machine Enigma-M4