La macchina Enigma: come funzionava e come fu violata

Per sei anni, ogni giorno, migliaia di operatori tedeschi hanno battuto messaggi su una tastiera che sembrava quella di una macchina per scrivere, guardando accendersi delle lampadine. Sui moli dei porti, nelle trincee, nei sottomarini in Atlantico, negli uffici dei comandi. Erano convinti, e con loro chi li comandava, che nessuno al mondo potesse leggere quello che scrivevano.

Si sbagliavano. Ma non perché la macchina fosse debole.

Questa è la storia di Enigma: chi l'ha inventata, come funzionava pezzo per pezzo, perché sembrava inviolabile e come è stata violata. È anche una storia che riguarda il mio mestiere più di quanto sembri, perché Enigma non è stata sconfitta dalla matematica da sola. È stata sconfitta dalle abitudini delle persone che la usavano.

Dalla macchina per le banche all'arma segreta

Enigma non nasce come strumento militare. Nasce come prodotto commerciale.

Il 23 febbraio 1918 l'ingegnere tedesco Arthur Scherbius deposita un brevetto per una macchina cifrante a rotori. L'idea non era solo sua: negli stessi anni inventori in Olanda, Svezia e Stati Uniti stavano lavorando a dispositivi simili. Il principio era nell'aria. Scherbius ebbe il merito di trasformarlo in un prodotto.

Nel 1923 la sua società, la Chiffriermaschinen AG di Berlino, inizia a vendere le macchine con il nome Enigma. Il pubblico immaginato erano banche, aziende e uffici che volevano proteggere telegrammi e corrispondenza commerciale. I primi modelli stampavano il testo; dal 1924 arrivano quelli con le lampadine, più piccoli e semplici, che diventeranno la forma classica.

Le vendite civili non furono un successo. Il cliente che cambiò tutto fu lo Stato tedesco:

Scherbius non vide nulla di tutto questo: morì in un incidente nel 1929. Secondo il Crypto Museum, furono prodotte in totale più di 20'000 macchine Enigma.

Come funzionava Enigma, pezzo per pezzo

Vista da fuori, l'Enigma militare è una cassetta di legno con una tastiera di 26 lettere, un pannello con 26 lampadine disposte allo stesso modo e, davanti, una serie di prese collegate da cavi. Dentro, il cuore della macchina sono tre dischi affiancati: i rotori.

L'operatore preme una lettera. Si accende una lampadina con un'altra lettera. Un secondo operatore la trascrive. Tutto qui, in apparenza. Il punto è che la stessa lettera, premuta due volte di seguito, accende quasi sempre due lampadine diverse.

Il percorso del segnale

Ogni pressione di un tasto chiude un circuito elettrico alimentato da una batteria. La corrente compie questo viaggio:

1. Tastiera. Il tasto premuto invia corrente sul filo di quella lettera.
2. Pannello a spine (Steckerbrett). Se la lettera è collegata con un cavo a un'altra, la scambia. Con A collegata a K, una A diventa K, e una K diventa A.
3. Ruota d'ingresso (Eintrittswalze). Un disco fisso che porta il segnale ai rotori.
4. Tre rotori, da destra a sinistra. Ogni rotore è un disco con 26 contatti su ciascun lato, collegati internamente in modo disordinato. Ogni rotore sostituisce quindi una lettera con un'altra.
5. Riflettore (Umkehrwalze). Un disco fisso che riceve il segnale dall'ultimo rotore e lo rimanda indietro, su un altro contatto.
6. Di nuovo i tre rotori, questa volta da sinistra a destra, lungo un percorso diverso.
7. Ruota d'ingresso e pannello a spine, attraversati di nuovo.
8. Lampadina. Si accende la lettera cifrata.

In un solo colpo la lettera subisce quindi fino a nove sostituzioni: pannello, tre rotori, riflettore, tre rotori, pannello.

Perché la cifratura cambiava a ogni lettera

Il trucco che rendeva Enigma diversa da un semplice codice a sostituzione è il movimento. Prima che la corrente passi, la pressione del tasto fa avanzare il rotore di destra di una posizione. Il cablaggio interno si sposta rispetto ai contatti e la sostituzione cambia completamente.

Quando il rotore di destra completa il punto di scatto, una tacca sull'anello fa avanzare anche quello centrale, come in un contachilometri. Il rotore centrale, a sua volta, fa avanzare quello di sinistra. Ogni rotore aveva la sua tacca in una posizione diversa: il rotore I faceva scattare il vicino passando da Q a R, il II da E a F, il III da V a W, il IV da J a K, il V da Z ad A.

C'era anche un'anomalia meccanica, il cosiddetto doppio passo: per com'era costruito il meccanismo, il rotore centrale in certe posizioni avanzava due volte in due pressioni consecutive. Il risultato è che la sequenza di posizioni si ripete dopo 16'900 lettere (26 × 25 × 26), non dopo 17'576 come ci si aspetterebbe.

L'anello e la posizione di partenza

Ogni rotore aveva un anello esterno con le lettere dell'alfabeto, visibili da una finestrella. L'anello poteva essere ruotato rispetto al cablaggio interno: era la regolazione dell'anello (Ringstellung). Spostava il punto in cui il rotore faceva scattare il vicino e scollegava la lettera visibile nella finestrella dal cablaggio reale.

Per cifrare, l'operatore doveva quindi impostare quattro cose: quali rotori usare e in che ordine, la regolazione degli anelli, i collegamenti del pannello a spine, la posizione di partenza dei rotori.

Il riflettore: forza e difetto

Il riflettore era un'idea elegante. Poiché il segnale torna indietro per la stessa macchina, Enigma è reciproca: se con una certa impostazione A diventa G, con la stessa impostazione G diventa A. Cifrare e decifrare erano la stessa operazione. Bastava impostare la macchina come il mittente e battere il testo cifrato: le lampadine restituivano il messaggio in chiaro.

Il prezzo da pagare era una regola ferrea: nessuna lettera poteva mai essere cifrata in se stessa. Una A non diventava mai A. Sembrava un dettaglio. Si rivelò una crepa decisiva.

Quanto era "sicura" Enigma, in numeri

Per l'Enigma militare standard dell'esercito, con tre rotori scelti fra cinque e dieci cavi nel pannello a spine, il conto delle impostazioni possibili è questo:

Sono circa 1,6 × 10^20 combinazioni. Provarle tutte, a mano o con le macchine dell'epoca, era impensabile. Ed è qui che sta il primo insegnamento di Enigma: il numero di combinazioni non misura la sicurezza. Gli attacchi che funzionarono non provavano tutte le chiavi. Usavano la struttura della macchina e gli errori di chi la usava per scartarne quasi tutte.

Va notato anche che il pannello a spine, da solo, contribuisce con la parte più grande del numero. Ma è anche la parte che non cambia durante il messaggio: i codebreaker impararono a "separarla" dal problema dei rotori.

Come si usava: chiavi giornaliere e chiavi di messaggio

Le impostazioni non le sceglieva l'operatore. Venivano distribuite in fogli di chiavi mensili, con una riga per giorno: ordine dei rotori, regolazione degli anelli, collegamenti del pannello. Erano stampati in modo da poter essere distrutti rapidamente, perché caderne in mano al nemico significava compromettere un mese di comunicazioni.

Se tutti i messaggi di un giorno fossero stati cifrati con la stessa identica impostazione, un avversario avrebbe avuto a disposizione centinaia di testi cifrati allo stesso modo. Per evitarlo, ogni operatore sceglieva per ogni messaggio una propria posizione di partenza dei rotori, la chiave di messaggio, e la trasmetteva cifrata all'inizio del messaggio.

Per anni, nelle procedure dell'esercito, la chiave di messaggio veniva cifrata due volte di seguito, per proteggersi dagli errori di trasmissione. Era una precauzione sensata dal punto di vista dell'operatore radio. Dal punto di vista della sicurezza fu un regalo: ogni messaggio iniziava con sei lettere in cui la prima e la quarta, la seconda e la quinta, la terza e la sesta nascondevano la stessa lettera. È esattamente da qui che partirono i polacchi. La ripetizione fu abbandonata nella primavera del 1940, ma ormai il danno era fatto.

I primi a violarla: i matematici polacchi

La Polonia aveva più di ogni altro Paese motivi per leggere le comunicazioni tedesche. Alla fine degli anni Venti l'Ufficio cifra polacco (Biuro Szyfrów) prese una decisione allora insolita: invece di affidarsi solo a linguisti ed esperti di enigmistica, reclutò giovani matematici dall'Università di Poznań.

Tra loro c'erano Marian Rejewski, Jerzy Różycki e Henryk Zygalski.

Dicembre 1932: Rejewski ricostruisce la macchina

Alla fine del 1932 Rejewski affrontò l'Enigma militare senza averne mai vista una. Partì dalle sei lettere iniziali dei messaggi e dalle relazioni fra la prima e la quarta, la seconda e la quinta, la terza e la sesta. Usando la teoria delle permutazioni, una branca dell'algebra, riuscì a scrivere un sistema di equazioni che descriveva il cablaggio dei rotori.

Non ce l'avrebbe fatta con la sola matematica. Ebbe un aiuto decisivo dall'intelligence francese: un impiegato dell'ufficio cifra tedesco, Hans-Thilo Schmidt, vendeva documenti ai francesi. Il capitano Gustave Bertrand girò ai polacchi manuali d'uso e alcuni fogli di chiavi mensili. Con quelle chiavi in mano, Rejewski poté isolare le incognite e, nel dicembre 1932, ricostruire il cablaggio dei rotori. I polacchi costruirono poi delle copie funzionanti della macchina.

Le macchine per trovare le chiavi

Ricostruire la macchina non bastava: ogni giorno bisognava trovare la chiave del giorno. I polacchi inventarono strumenti sempre più potenti:

• il ciclometro (1934–1935 circa), con cui Rejewski compilò un catalogo delle "impronte" lasciate da ogni posizione dei rotori;
• la bomba crittologica (bomba kryptologiczna, autunno 1938), una macchina elettromeccanica che cercava automaticamente le posizioni compatibili con i messaggi; ne furono costruite sei;
• i fogli di Zygalski, fogli perforati che, sovrapposti su un tavolo luminoso, facevano emergere la chiave giusta dove la luce passava attraverso tutti i fori.

Il 15 dicembre 1938 i tedeschi aggiunsero due rotori, portando la scelta da tre a cinque. Le combinazioni di ordine dei rotori passarono da 6 a 60, e le risorse polacche non bastavano più.

Luglio 1939: il passaggio di consegne

Con la guerra ormai vicina, a fine luglio 1939, in una località vicino a Varsavia, i polacchi mostrarono a una delegazione britannica e a una francese tutto quello che avevano ottenuto: metodi, strumenti e le copie della macchina. Gli alleati, che fino a quel momento non erano riusciti a leggere l'Enigma militare, ricevettero in pochi giorni anni di lavoro.

Poche settimane dopo la Germania invase la Polonia. I crittoanalisti polacchi fuggirono e continuarono a lavorare in Francia.

Bletchley Park e le Bombe

In Inghilterra il lavoro si concentrò a Bletchley Park, una tenuta di campagna a nord di Londra, dove si era trasferita la Government Code and Cypher School. Lì arrivarono, tra gli altri, il matematico Alan Turing, Gordon Welchman e l'esperto di cifrari Dilly Knox.

L'idea di Turing: partire da una parola probabile

L'approccio polacco si basava sulla chiave di messaggio ripetuta, che prima o poi i tedeschi avrebbero eliminato. Turing cercò un metodo che funzionasse comunque. Lo trovò nei crib: parole che con buona probabilità comparivano in un messaggio.

I messaggi militari erano pieni di formule ricorrenti: bollettini meteorologici con la stessa struttura ogni giorno, intestazioni standard, frasi come "nulla da segnalare". Se si ipotizzava che un certo tratto di testo cifrato corrispondesse a una certa parola, si otteneva una serie di vincoli sulla posizione dei rotori.

Qui entrava in gioco il difetto del riflettore. Poiché nessuna lettera poteva diventare se stessa, si poteva far scorrere la parola sotto il testo cifrato e scartare subito tutte le posizioni in cui una lettera coincideva con se stessa.

La Bomba

Per verificare i vincoli Turing progettò una macchina elettromeccanica, la Bomba, ispirata nel nome a quella polacca ma basata su un principio diverso. La Bomba simulava molte Enigma collegate fra loro e faceva girare i rotori ad alta velocità, fermandosi solo sulle posizioni coerenti con il crib. Le posizioni sopravvissute venivano poi verificate a mano.

La prima Bomba, chiamata Victory, fu consegnata a Bletchley Park il 18 marzo 1940. Fu costruita dalla British Tabulating Machine Company sotto la guida dell'ingegnere Harold Keen. Gordon Welchman propose poi un miglioramento, il pannello diagonale, che sfruttava la reciprocità del pannello a spine e rese la macchina molto più efficace: la prima Bomba con questa modifica arrivò l'8 agosto 1940.

Il fattore umano, ancora

Le Bombe da sole non bastavano: servivano crib affidabili. E i crib li fornivano, senza saperlo, gli operatori tedeschi. Chiavi di messaggio pigre, come tre lettere uguali o lettere vicine sulla tastiera. Messaggi di routine ripetuti ogni giorno alla stessa ora. Lo stesso testo inviato su due reti diverse, una delle quali già violata.

A Bletchley Park impararono a riconoscere le abitudini dei singoli operatori, quasi come una calligrafia. È il tipo di analisi che oggi chiamiamo profilazione comportamentale, ed è lo stesso principio per cui ancora oggi le persone sono l'anello debole di qualsiasi sistema di sicurezza.

La guerra in Atlantico: Enigma navale e lo "Shark"

La marina tedesca era la più prudente nell'uso di Enigma. Le sue macchine potevano scegliere fra otto rotori invece di cinque, con 336 ordini possibili per tre rotori, e le procedure erano più rigorose. Leggere la sua cifratura era vitale per gli Alleati: i sottomarini tedeschi stavano affondando i convogli che rifornivano la Gran Bretagna.

Una parte importante del lavoro venne dalle catture di materiale cifrante. Il 9 maggio 1941 la marina britannica catturò il sommergibile U-110 prima che affondasse, recuperando una macchina e documenti. In quel periodo furono catturati anche materiali da navi meteorologiche tedesche.

Il 1° febbraio 1942 i sottomarini passarono all'Enigma M4, con un quarto rotore sottile (chiamato Beta o Gamma) che non avanzava durante la cifratura ma moltiplicava per 26 le posizioni possibili. La rete degli U-Boot, che gli Alleati chiamavano Shark, divenne illeggibile per quasi un anno, proprio nel periodo più duro della battaglia dell'Atlantico.

La svolta arrivò il 30 ottobre 1942. Durante l'abbandono del sommergibile U-559, nel Mediterraneo orientale, il tenente Anthony Fasson e il marinaio Colin Grazier si gettarono nello scafo che stava affondando e passarono all'esterno documenti cifranti, recuperati con l'aiuto del giovanissimo assistente di bordo Tommy Brown. Fasson e Grazier morirono annegati e ricevettero la George Cross. I documenti, tra cui i codici per i messaggi meteorologici abbreviati, fornirono i crib che permisero di tornare a leggere Shark nel dicembre 1942.

Dal 1943 entrarono in servizio anche le Bombe della US Navy, costruite dalla National Cash Register Company a Dayton, in Ohio, più veloci e adatte alle chiavi a quattro rotori.

L'Italia e la battaglia di Capo Matapan

Anche la Regia Marina italiana usava Enigma, nella versione commerciale senza pannello a spine. Era molto più vulnerabile, e la squadra di Dilly Knox a Bletchley Park lavorava su questi messaggi.

Nella seconda metà di marzo 1941 la giovane crittoanalista Mavis Lever (poi Batey) riuscì a decifrare messaggi che annunciavano un'operazione della flotta italiana contro i convogli britannici diretti in Grecia. L'ammiraglio Cunningham poté intercettare la flotta. Nella battaglia di Capo Matapan, dal 27 al 29 marzo 1941, la marina italiana perse tre incrociatori pesanti, lo Zara, il Fiume e il Pola, e due cacciatorpediniere. Morirono circa 2'300 marinai italiani.

Per proteggere la fonte, i britannici fecero in modo che la flotta italiana fosse "avvistata" da un aereo da ricognizione. Era la regola di Ultra, il nome dato all'intelligence ricavata dalle decrittazioni: ogni informazione doveva avere una spiegazione alternativa credibile, perché il nemico non sospettasse che Enigma fosse violata.

E la Svizzera?

Anche la Svizzera, neutrale, cifrava con Enigma. Secondo il Crypto Museum, tra il 1938 e il 1940 l'esercito svizzero acquistò macchine commerciali Enigma K, senza pannello a spine, e ne fece ricablare i rotori per distinguerle da quelle in vendita. Nel luglio 1942 ne erano in uso 265: 102 all'esercito e 163 all'aviazione. Il Dipartimento degli affari esteri usava macchine prestate dall'esercito.

Non bastò. Il crittoanalista britannico John Tiltman leggeva il traffico diplomatico svizzero dal settembre 1939, e anche i servizi tedeschi decifravano le comunicazioni diplomatiche svizzere. Dopo che nel 1941 i francesi violarono parte del traffico, l'esercito modificò il movimento dei rotori.

Alla fine la Svizzera scelse di costruirsi una macchina propria: la NEMA (Neue Maschine), entrata in servizio nel 1946, che sostituì le Enigma K.

Il segreto più lungo

Alla fine della guerra Bletchley Park contava quasi 10'000 persone, e il 75% erano donne: operatrici delle Bombe, traduttrici, analiste, crittoanaliste come Mavis Lever (Bletchley Park). Tutte avevano firmato un impegno al segreto, e quasi tutte lo mantennero per decenni. Molte non raccontarono mai a familiari e amici che cosa avevano fatto in guerra.

Il mondo cominciò a sapere solo negli anni Settanta: nel 1973 Gustave Bertrand pubblicò in Francia le sue memorie, e nel 1974 il libro The Ultra Secret di Frederick Winterbotham rese la vicenda nota al grande pubblico. Il ruolo dei polacchi fu riconosciuto pienamente ancora più tardi.

Alan Turing non vide questo riconoscimento. Processato nel 1952 per la sua omosessualità, allora reato nel Regno Unito, morì nel 1954. Ha ricevuto la grazia reale postuma nel 2013.

Quanto pesò Enigma sull'esito della guerra? È una domanda ancora discussa. Lo storico ufficiale dell'intelligence britannica, Harry Hinsley, stimò che le decrittazioni abbiano accorciato la guerra di almeno due anni. Altri storici invitano alla prudenza: un'informazione vale solo se qualcuno è in grado di usarla. È certo, però, che senza Ultra la battaglia dell'Atlantico sarebbe stata molto più lunga e costosa.

Tre miti da sfatare

"Enigma l'ha violata Alan Turing, da solo." No. Il primo passo decisivo fu dei polacchi, e a Bletchley lavoravano migliaia di persone. Turing fu una figura centrale, non l'unica.

"Enigma fu decifrata dal primo computer, Colossus." No. Colossus fu costruito per la cifratura Lorenz, una macchina diversa usata dall'alto comando tedesco. Contro Enigma si usavano le Bombe, che non erano computer programmabili.

"Enigma era una macchina debole." No. Usata in modo impeccabile, sarebbe stata molto difficile da violare con i mezzi dell'epoca. Fu violata per l'unione di tre fattori: un difetto di progettazione (nessuna lettera cifrata in se stessa), errori di procedura (la chiave ripetuta, i messaggi standard) e materiale catturato o fornito da spie.

Che cosa insegna Enigma oggi

Leggo la storia di Enigma con gli occhi del mio mestiere, e la lezione mi sembra chiarissima: un sistema di sicurezza vale quanto le abitudini di chi lo usa.

I tedeschi avevano una macchina con 10^20 combinazioni, e la tradirono ripetendo la chiave, mandando ogni mattina lo stesso bollettino meteo, scegliendo come chiave tre lettere uguali. Oggi le aziende hanno crittografia, firewall e autenticazione a due fattori, e vengono violate perché un dipendente clicca su un link, riusa una password o risponde a una telefonata convincente.

È lo stesso principio su cui si basa la formazione sulla sicurezza informatica che svolgo per le aziende: la tecnologia protegge solo se le persone sanno come viene attaccata. Per chi vuole approfondire il lato storico, l'archivio contiene anche un articolo sulle tecniche di spionaggio della Guerra Fredda, e le ricerche storiche sono uno dei servizi che offro a privati, enti e studiosi.