Cryptanalyse de la machine Enigma : entre espionnage et mathématiques

Tout le monde connait la machine à chiffrer Enigma, utilisée par les armées allemandes lors de la seconde guerre mondiale et dont le code fut cassé par Alan Turing. Beaucoup moins nombreux sont ceux qui connaissent Marian Rejewski et ses premiers travaux sur Enigma en Pologne dans les années 30.
Comment les secrets d'Enigma ont été percés est une histoire bien plus longue et rocambolesque qu'on le croit. Entre espions, rendez-vous secrets et agents doubles, mais aussi mathématiques, groupes de permutation et probabilités, laissez-moi vous raconter comment la machine Enigma fut cassée plusieurs fois par les alliés et comment elle fit rentrer la cryptographie dans l'ère moderne.

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1. #DevoxxFR
   Cryptanalyse de la machine Enigma :
   entre espionnage et mathématiques
   Jean-Christophe Sirot @jcsirot
   1
   v1.0
   

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2. Jean-Christophe Sirot
   Staff Engineer chez
   2
   ೔ຊޠΛษڧ͍ͯ͠·͢
   Passionné de Cryptographie
   Gamer
   

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3. Préambule
   Au lendemain de
   la Grande Guerre
   3
   

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4. Acte I
   Le douanier
   et le fonctionnaire
   4
   

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5. Gare Centrale de Varsovie, 1929
   

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6. La machine Enigma
   6
   Batterie
   électrique
   Clavier
   Rotors & ré
   fl
   ecteur
   Lampes
   Tableau des
   connexions
   

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7. View Slide

8. Schéma de la machine Enigma
   8
   Q W E R
   

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9. Schéma de la machine Enigma
   9
   Q
   W E R
   

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10. Dénombrement
    10
    3 rotors, 26 positions = 105456
    6 paires de 2 lettres = 100391791500
    10586916764424000 « clés »
    1 combinaison / seconde → > 300 millions d’années
    

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11. Acte II
    L’espion et le mathématicien
    11
    

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12. Pariser Platz, 1931
    Hans-Thilo Schmidt
    Gustave Bertrand
    

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13. Verviers
    Rodolphe Lemoine
    

    alias Rex
    

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14. View Slide

15. Marian Rejewski
    Henryk Zygalski
    Jerzy Różycki
    

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16. Protocole de chiffrement
    16
    1. Sélectionner les 3 rotors à placer dans la machine
    2. Régler les rotors sur leur position du jour
    3. Brancher les
    fi
    ches sur le tableau des connexions
    4. Choisir une clé de « message » composée de 3 lettres
    5. Taper 2 fois la clé de message
    6. Régler les rotors sur la clé de message
    7. Taper le message à transmettre
    

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17. Protocole de chiffrement
    17
    Exemple de chiffrement :

    

    Clé de message « HBR »

    Message à chiffrer : « ICH BIN EIN KARTOFFELSALAT »
    Message en clair HBRHBR ICHBINEINKARTOFFELSALAT
    Message chiffré YQYAVY JRRLAYUOLWTHASTVVPMLOMB
    Rotors I / A II / Q III / L
    Fiches BQ CR DI EJ KW MT OS PX UZ GH
    

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18. Permutations
    18
    

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19. Permutations
    19
    

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20. Permutations
    20
    σ ( )=
    

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21. Permutations
    21
    σ ( )=
    

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22. Cycles d’une permutation
    22
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
    8 0 1 3 2 6 4 9 5 7
    0→8→5→6→4→2→1→0 7→9→7 3→3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
    8 0 1 3 2 6 4 9 5 7
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
    8 0 1 3 2 6 4 9 5 7
    0→8
    0→8→5
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
    8 0 1 3 2 6 4 9 5 7
    0→8→5→6
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
    8 0 1 3 2 6 4 9 5 7
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
    8 0 1 3 2 6 4 9 5 7
    Théorème : toute permutation est la composée de cycles à
    supports disjoints qui forment une partition de l’ensemble
    σ = (0856421)(79)(3)
    

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23. Modèle mathématique
    d’Enigma
    23
    Si le message en clair est M0M1M2 et le message chiffré C0C1C2

    

    C0 = σ0(M0)

    C1 = σ1(M1)

    C2 = σ2(M2)

    Où σi est la permutation caractérisée par la con
    fi
    guration des rotors
    et du tableau de connexions après i lettres tapées
    

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24. Modèle mathématique
    d’Enigma
    24
    Intuition de Rejewski : les lettres répétées de l’indicateur permettent
    de trouver des informations sur la clé journalière
    σi = p o ri o p-1
    ri = permutation des rotors
    p = permutation du tableau des connexions

    par exemple (bt)(ap)(mi)(xe)(kc)
    

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25. Modèle mathématique
    d’Enigma
    25
    Tous les messages commencent par un indicateur de 3 lettres
    tapées 2 fois par l’opérateur : ⍺βɣ
    Tableau des
    connexions
    Rotors &
    Réfecteurs
    Tableau des
    connexions
    ⍺βɣ⍺βɣ YQYAVY
    

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26. Cryptanalyse polonaise
    26
    Idée de Rejewski : brancher 2 machines Enigma en série

    en positions 0 et 3
    Tableau des
    connexions
    Rotors &
    Réfecteurs
    Pos. 0
    Tableau des
    connexions
    Tableau des
    connexions
    Rotors &
    Réfecteurs
    Pos. 3
    Tableau des
    connexions
    Y ⍺ A
    p r0 p-1 p r3 p-1
    Σ0 = p r0 p-1 p r3 p-1
    

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27. Cryptanalyse polonaise
    27
    Idée de Rejewski : brancher 2 machines Enigma en série

    en positions 0 et 3
    Tableau des
    connexions
    Rotors &
    Réfecteurs
    Pos. 0
    Tableau des
    connexions
    Tableau des
    connexions
    Rotors &
    Réfecteurs
    Pos. 3
    Tableau des
    connexions
    Y ⍺ A
    p r0 p-1 p r3 p-1
    Σ0 = p (r0 r3) p-1
    Σ0(Y) = A
    

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28. Cryptanalyse polonaise
    28
    YQYAVY… MOULKI…

    XLJNHG… NNVKAB…

    TZWMQS… AZDCQZ…

    JDWGZS… HWLDCV…

    IEOZIP… WTVUBB…

    UKDHUZ… DXZFDL…

    FWZECL… HTJDBG…

    CUITJF… PAWJYS…
    ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

    __________________________
    

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29. Cryptanalyse polonaise
    29
    YQYAVY… MOULKI…

    XLJNHG… NNVKAB…

    TZWMQS… AZDCQZ…

    JDWGZS… HWLDCV…

    IEOZIP… WTVUBB…

    UKDHUZ… DXZFDL…

    FWZECL… HTJDBG…

    CUITJF… PAWJYS…
    ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

    ________________________A_
    

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30. Cryptanalyse polonaise
    30
    YQYAVY… MOULKI…

    XLJNHG… NNVKAB…

    TZWMQS… AZDCQZ…

    JDWGZS… HWLDCV…

    IEOZIP… WTVUBB…

    UKDHUZ… DXZFDL…

    FWZECL… HTJDBG…

    CUITJF… PAWJYS…
    ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

    _______________________NA_
    

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31. Cryptanalyse polonaise
    31
    YQYAVY… MOULKI…

    XLJNHG… NNVKAB…

    TZWMQS… AZDCQZ…

    JDWGZS… HWLDCV…

    IEOZIP… WTVUBB…

    UKDHUZ… DXZFDL…

    FWZECL… HTJDBG…

    CUITJF… PAWJYS…
    ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

    C_TF_E_DZG__LK_J___M__UNA_
    

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32. Cryptanalyse polonaise
    32
    YQYAVY… MOULKI…

    XLJNHG… NNVKAB…

    TZWMQS… AZDCQZ…

    JDWGZS… HWLDCV…

    IEOZIP… WTVUBB…

    UKDHUZ… DXZFDL…

    FWZECL… HTJDBG…

    CUITJF… PAWJYS…
    ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

    CPTFREQDZGIXLKSJWBOMHYUNAV
    (ACTMLXNKIZVY)(BPJGQWUHDFER)(OS)
    

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33. Cryptanalyse polonaise
    33
    On réalise la même opération pour les 2 autres lettres de l’indicateur pour déterminer
    les 3 permutations
    Σ0 = p (r0 r3) p-1 (ACTMLXNKIZVY)(BPJGQWUHDFER)(OS)
    Σ1 = p (r1 r4) p-1 (AYRMSTBFN)(DZQVPGEIX)(CLHW)(JOKU)
    Σ2 = p (r2 r5) p-1 (ADZLVBOPX)(FJGHQWSUI)(EK)(MT)(C)(N)(R)(Y)
    

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34. Cryptanalyse polonaise
    34
    Théorème : les permutations conjuguées de σ (c.a.d de la forme
    ⍴σ⍴-1) ont la même structure de décomposition en produits de cycles à
    supports disjoints : le même nombre de cycles de chaque longueur
    

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35. Cryptanalyse polonaise
    35
    Théorème : les permutations conjuguées de σ (c.a.d de la forme
    ⍴σ⍴-1) ont la même structure de décomposition en produits de cycles à
    supports disjoints : le même nombre de cycles de chaque longueur
    Exemple : σ = (ACD)(EF)(B), ⍴ = (AF)(BD)(CE)
    

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36. Cryptanalyse polonaise
    36
    Théorème : les permutations conjuguées de σ (c.a.d de la forme
    ⍴σ⍴-1) ont la même structure de décomposition en produits de cycles à
    supports disjoints : le même nombre de cycles de chaque longueur
    Exemple : σ = (ACD)(EF)(B), ⍴ = (AF)(BD)(CE)
    ⍴ σ ⍴-1

    ABCDEF → FDEBCA → EAFBDC → CFADBE
    ⍴σ⍴-1 = (EF)(ACD)(B)

    σ = (AC)(BFE)(D)
    

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37. Cryptanalyse polonaise
    37
    Théorème : les permutations conjuguées de σ (c.a.d de la forme
    ⍴σ⍴-1) ont la même structure de décomposition en produits de cycles à
    supports disjoints : le même nombre de cycles de chaque longueur
    Donc…
    p (r0 r3) p-1 et (r0 r3) ont la même structure de cycles qui ne dépend
    pas des branchements du tableau des connexions
    Idée de Rejewski : lister dans un catalogue les structures des cycles
    caractérisées par toutes les positions possibles des rotors (ri ri+3)

    

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38. Cryptanalyse polonaise
    38
    p (r0 r3) p-1

    reconstitué à partir des
    messages interceptés
    ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

    CPTFREQDZGIXLKSJWBOMHYUNAV
    r0 r3

    calculé dans le catalogue de
    Rejewski
    ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

    RKQUHJIBFCZPTWSNXMOLVYDEAG
    (ACTMLXNKIZVY)(BPJGQWUHDFER)(OS)

    (MTLPNWDUVYAR)(QXEHBKZGIFJC)(SO)
    

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39. Cryptanalyse polonaise
    39
    p (r0 r3) p-1

    reconstitué à partir des
    messages interceptés
    ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

    CPTFREQDZGIXLKSJWBOMHYUNAV
    r0 r3

    calculé dans le catalogue de
    Rejewski
    ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

    RKQUHJIBFCZPTWSNXMOLVYDEAG
    (ACTMLXNKIZVY)(BPJGQWUHDFER)(OS)

    (RMTLPNWDUVYA)(QXEHBKZGIFJC)(SO)
    

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40. Cryptanalyse polonaise
    40
    p (r0 r3) p-1

    reconstitué à partir des
    messages interceptés
    ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

    CPTFREQDZGIXLKSJWBOMHYUNAV
    r0 r3

    calculé dans le catalogue de
    Rejewski
    ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

    RKQUHJIBFCZPTWSNXMOLVYDEAG
    (ACTMLXNKIZVY)(BPJGQWUHDFER)(OS)

    (ARMTLPNWDUVY)(QXEHBKZGIFJC)(SO)
    

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41. Cryptanalyse polonaise
    41
    p (r0 r3) p-1

    reconstitué à partir des
    messages interceptés
    ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

    CPTFREQDZGIXLKSJWBOMHYUNAV
    r0 r3

    calculé dans le catalogue de
    Rejewski
    ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

    RKQUHJIBFCZPTWSNXMOLVYDEAG
    (ACTMLXNKIZVY)(BPJGQWUHDFER)(OS)

    (ARMTLPNWDUVY)(QXEHBKZGIFJC)(SO)
    

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42. Cryptanalyse polonaise
    42
    (ACTMLXNKIZVY)(BPJGQWUHDFER)(OS)

    (ARMTLPNWDUVY)(QXEHBKZGIFJC)(SO)
    (AYRMSTBFN)(DZQVPGEIX)(CLHW)(JOKU)

    (AYCTOMQFN)(BVXHJDPIU)(RLGK)(ESWZ)
    (ADZLVBOPX)(FJGHQWSUI)(EK)(MT)(C)(N)(R)(Y)

    (AIULVQSXP)(BKOZDFEHG)(JW)(MT)(C)(N)(R)(Y)
    C-R M-T P-X K-W D-I U-Z B-Q E-J G-H O-S
    

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43. Acte III
    L’équipe de Bletchley Park
    43
    

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44. Conférence de Munich, 1938
    

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45. Alastair Denniston
    Alfred Dillwyn Dilly Knox
    Alan Turing
    

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46. Bletchley Park
    
    
    siège du GC&CS
    

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47. Cryptanalyse britannique
    47
    Idée de Turing : attaque à texte clair connu
    Principe : rechercher dans un texte chiffré un endroit probable où
    peut se placer un morceau de texte en clair connu « crib »
    Exemple :
    QFZWRWIVTYRESXBFOGKUHQBAISEZ

    

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48. Cryptanalyse britannique
    48
    Idée de Turing : attaque à texte clair connu
    Principe : rechercher dans un texte chiffré un endroit probable où
    peut se placer un morceau de texte en clair connu « crib »
    Exemple :
    QFZWRWIVTYRESXBFOGKUHQBAISEZ

    WETTERVORHERSAGEBISKAYA
    

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49. Cryptanalyse britannique
    49
    Idée de Turing : attaque à texte clair connu
    Principe : rechercher dans un texte chiffré un endroit probable où
    peut se placer un morceau de texte en clair connu « crib »
    Exemple :
    QFZWRWIVTYRESXBFOGKUHQBAISEZ

    WETTERVORHERSAGEBISKAYA
    

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50. Cryptanalyse britannique
    50
    Idée de Turing : attaque à texte clair connu
    Principe : rechercher dans un texte chiffré un endroit probable où
    peut se placer un morceau de texte en clair connu « crib »
    Exemple :
    QFZWRWIVTYRESXBFOGKUHQBAISEZ

    WETTERVORHERSAGEBISKAYA
    

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51. Cryptanalyse britannique
    51
    Idée de Turing : attaque à texte clair connu
    Principe : rechercher dans un texte chiffré un endroit probable où
    peut se placer un morceau de texte en clair connu « crib »
    Exemple :
    QFZWRWIVTYRESXBFOGKUHQBAISEZ

    WETTERVORHERSAGEBISKAYA
    

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52. Cryptanalyse britannique
    52
    Idée de Turing : attaque à texte clair connu
    Principe : rechercher dans un texte chiffré un endroit probable où
    peut se placer un morceau de texte en clair connu « crib »
    Exemple :
    QFZWRWIVTYRESXBFOGKUHQBAISEZ

    WETTERVORHERSAGEBISKAYA
    

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53. Cryptanalyse britannique
    53
    Idée de Turing : attaque à texte clair connu
    Principe : rechercher dans un texte chiffré un endroit probable où
    peut se placer un morceau de texte en clair connu « crib »
    Exemple :
    QFZWRWIVTYRESXBFOGKUHQBAISEP

    WETTERVORHERSAGEBISKAYA
    

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54. Cryptanalyse britannique
    54
    Choisir une con
    fi
    guration des rotors et construire un « menu »
    RWIVTYRESXBFOGKUHQBAISE

    WETTERVORHERSAGEBISKAYA
    

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55. Cryptanalyse britannique
    55
    Choisir une con
    fi
    guration des rotors et construire un « menu »
    RWIVTYRESXBFOGKUHQBAISE

    WETTERVORHERSAGEBISKAYA
    

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56. Cryptanalyse britannique
    56
    Choisir une con
    fi
    guration des rotors et construire un « menu »
    RWIVTYRESXBFOGKUHQBAISE

    WETTERVORHERSAGEBISKAYA
    

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57. Cryptanalyse britannique
    57
    Choisir une con
    fi
    guration des rotors et construire un « menu »
    RWIVTYRESXBFOGKUHQBAISE

    WETTERVORHERSAGEBISKAYA
    

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58. Cryptanalyse britannique
    58
    

    View Slide

59. Cryptanalyse britannique
    59
    K
    K
    

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60. Cryptanalyse britannique
    60
    K
    K
    ⍺
    ⍺
    

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61. Cryptanalyse britannique
    61
    K
    K
    ⍺
    ⍺
    β
    β Ɣ
    Ɣ
    

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62. Cryptanalyse britannique
    62
    K
    K
    ⍺
    ⍺
    β
    β Ɣ
    Ɣ
    K = Ɣ ?
    

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63. La bombe de Turing
    63
    

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64. La bombe de Turing
    64
    

    View Slide

65. La bombe de Turing
    65
    Registre
    de test

    

    1 ligne activée = 👍
    

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66. La bombe de Turing
    66
    Registre
    de test

    

    2+ lignes activées = ☠
    

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67. La bombe de Turing
    

    View Slide

68. Conclusion
    68
    

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69. La cryptographie c’est des maths
    La cryptographie c’est compliqué
    69
    

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70. Ressources
    70
    Enigma, Dermott Turing
    Notre espion chez Hitler, Paul Paillole
    Histoire des codes secrets, Simon Singh
    Seizing the Enigma, David Kahn
    

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71. Ressources
    71
    How Polish Mathematicians Deciphered the Enigma, Marian Rejewski

    https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.692.9386&rep=rep1&type=pdf
    The Enigma and the Bombe

    http://www.ellsbury.com/enigmabombe.htm
    Polish Mathematicians Finding Patterns in Enigma Messages, Chris
    Christensen

    https://www.maa.org/programs/maa-awards/writing-awards/polish-mathematicians-
    fi
    nding-
    patterns-in-enigma-messages
    

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72. View Slide