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M-209

*** Shopping-Tipp: M-209

Image:M-209.jpg right|350px|The M-209 Die '''M-209''' ist eine tragbare mechanische Rotor-Chiffriermaschine. Sie wurde von dem schwedischen Kryptographen Boris Hagelin entworfen, um der Nachfrage nach einer tragbaren Chiffriermaschine nachzukommen. Es handelt sich dabei um eine verbesserte Version der C-36. Die M-209, wurde von der United States Navy US-Marine als '''CSP-1500''' bezeichnet. Die Herstellerbezeichnung lautete C-38. Sie wurde vom US-Militär hauptsächlich im Zweiter Weltkrieg 2. Weltkrieg benutzt, war aber bis zum Koreakrieg im aktiven Einsatz. Die M-209 hat etwa die Größe einer Brotdose, in ihrer endgültigen Form waren ihre Maße etwa 8,25 x 14 x 17,80cm (3.25 x 5.5 x 7 Inch). Sie war ein Meisterstück der Feinmechanik. Das verwendete Rotorschema war dem einer Fernschreiberchiffriermaschine (Lorenz-Chiffre oder Geheimfernschreiber) ähnlich.

Funktionsgrundlagen
Image:M209_key_wheels.jpg 200px|thumbnail|right|Verschlüsselungsrotoren, Buchstabenrad und Anzeigescheibe einer M-209. Obwohl sie auf der selben Achse sind, drehen sich die Schlüsselrotoren unabhängig vom Buchstabenrad und der Anzeigescheibe Die Bedienung der M-209 ist relativ unkompliziert. Sechs einstellbare ''Schlüsselrotoren'' an der Oberseite des Gehäuses, zeigen je einen Buchstaben des Alphabets an. Diese sechs Rotoren stellen den externen Schlüssel (Kryptologie) Schlüssel für die Maschine dar, und erzeugen so eine Ausgangsposition, ähnlich einem Initialisierungsvektor, für den Verschlüsselungsprozess. Um eine Nachricht zu verschlüsseln, stellt der Benutzer die Schlüsselrotoren zunächst auf eine zufällige Buchstabenfolge ein. Der Ver-/Entschlüsselwahlschalter auf der linken Seite der Maschine wird auf ''Verschlüsseln'' eingestellt. Das Einstellrad auf der linken Seite wird auf den ersten Buchstaben der Nachricht eingestellt, welcher dann durch das Drehen der Handkurbel an der rechten Seite verschlüsselt wird. Wenn der Schlüsselzyklus beendet ist, wird der chiffrierte Buchstabe auf ein Papierband gedruckt, die Schlüsselrotoren bewegen sich einen Buchstaben vorwärts, und die Maschine ist bereit für die Eingabe des nächsten Buchstaben. Um Leerzeichen zwischen Wörten in der Nachricht darzustellen wird der Buchstabe "Z" verschlüsselt. Wiederholt man diesen Prozess für die verbleibenden Buchstaben, erhält man den kompletten Chiffretext, welcher dann z.B. im Morsecode übertragen werden kann. Da die Schlüsselrotoren am Anfang zufällig eingestellt werden, ist es notwendig auch diese Einstellung an den Empfänger zu übermitteln. Man kann sie ebenfalls verschlüsseln, z.B. mit einem Tagesschlüssel, oder sie als Klartext übertragen. Der verschlüsselte Text wird von der M-209 automatisch in Fünfergruppen aufgeteilt, um die Lesbarkeit zu erhöhen. Ein ''Buchstabenzähler'' auf der Oberseite zeigt die Anzahl der bisher kodierten Buchstaben, und konnte als Anzeiger verwendet werden, wenn man beim Ver- oder Entschlüsseln einen Fehler gemacht hatte. Die Entschlüsselungsprozedur ist fast die selbe wie beim Verschlüsseln. Der Benutzer setzt den Wahlschalter auf "Entschlüsseln" und stellt die Schlüsselrotoren auf die selbe Sequenz ein, die auch für die Verschlüsselung benutzt wurde. Der Chiffretext wird Buchstabe für Buchstabe eingegeben und durch das Drehen der Handkurbel entschlüsselt. Wenn der Buchstabe "Z" auftaucht, erzeugt ein Nocken ein Leerzeichen auf dem Papier. Tatsächliche "Z"s in der Nachricht können vom Benutzer meist durch den Kontext erkannt werden. Ein erfahrener M-209 Anwender brauchte etwa zwei bis vier Sekunden für einen Buchstaben, die Bearbeitung war also relativ schnell.

Interne Elemente


Übersicht
Innerhalb des Gehäuses bietet sich ein weitaus komplizierteres Bild. Die sechs Schlüsselrotoren haben für jeden Buchstaben einen kleinen beweglichen Stift auf dem Rotor. Diese Stifte können nach links oder rechts verschoben werden; die Positionierung beeinflusst den Chiffrierprozess. Die linke Stellung ist ''inaktiv'' die rechte ''aktiv''.
Image:M209_Internal_components.jpg 300px|thumbnail|none|Die Zwischenzahnräder an jedem Schlüsselrotor. Unten zu erkennen ist das Papierband, und die Eingabescheibe
Image:M209_Key_wheels_removed.jpg 300px|thumbnail|none|Mit entfernten Rotoren und Zwischenrädern, sind die Führungsarme zu sehen. Auf der rechten Seite ist ein Federmechanismus der die Zwischenräder um einen Zahn vorwärts bewegt.
Image:M209_guide_arm_springs.png 300px|thumbnail|none|Ein inaktiver Stift (rot) auf der Unterseite des linken Rotors (blau) zieht den Führungsarm (grün) zurück. Der rechte Arm wird nicht blockt, so das eine Feder ihn vorwärts bewegen kann.
Image:M209_guide_arm_touching_lug.png 300px|thumbnail|none|Der linke Führungsarm kann die Schieber nicht erreichen, der rechte ist vorgeschoben, und schiebt alle Stangen die einen Schieber auf seiner Position haben nach links.
Jeder Schlüsselrotor hat eine unterschiedliche Anzahl an Buchstaben, und dementsprechend auch unterschiedlich viele Stifte. Von links nach rechts haben die Rotoren folgende Buchstaben: * 26 Buchstaben, von A bis Z * 25 Buchstaben, von A bis Z ohne W * 23 Buchstaben, von A bis X ohne W * 21 Buchstaben, von A bis U * 19 Buchstaben, von A bis S * 17 Buchstaben, von A bis Q Diese Abweichung ist so ausgewählt, das die Größen der Rotoren Teilerfremdheit teilerfremd sind; was letztendlich bedeutet, das die Rotoren nur nach 26×25×23×21×19×17 = 101.405.850 verschlüsselten Buchstaben (dies nennt man auch ''Periode'') wieder dieselbe Stellung aufweisen. Jedem Schlüsselrotor ist ein abgeschrägter ''Führungsarm'' aus Metall zugeordnet, der durch Stifte in der ''aktiven'' Position betätigt wird. Die jeweilige Position der Stifte auf den Rotorscheiben stellt somit den ersten Teil des internen Schlüsselsystems der M-209 dar. Hinter der Reihe der Schlüsselrotoren befindet sich eine zylindrische Trommel bestehend aus 27 horizontalen Stangen. Auf jeder Stange befinden sich zwei bewegliche Schieber, die über den Schlüsselrotoren, oder in einer von zwei neutralen Nullstellen positioniert werden können. Ein aktiver Stift bringt seinen Führungsarm dazu vorwärts zu springen, und die Trommel zu berühren. Die Position der Schieber ist der zweite Teil des internen Schlüsselsystems. Da es ziemlich kompliziert war dieses interne System zu verstellen, wurde es seltener gewechselt, in den meisten Fällen etwa einmal am Tag. Wenn der Benutzer die Handkurbel dreht, vollführt die Trommel eine komplette Umdrehung, über alle 27 Stangen. Wenn ein Schieber auf einer der Standen in Kontakt mit dem Führungsarm eines aktiven Schlüsselrotors kommt,wird diese Stange nach links verschoben; Schieber in neutralen Position, oder solche die keinen Führungsarm berühren, beeinflussen die Stange nicht. Alle Stangen, die nach links geschoben wurden, bilden ein variabel-gezahntes Zahnrad, welches den Buchstaben der verschlüsselt werden soll verschiebt. Diese Verschiebung ist identisch mit der Zahl der nach links verschobenen Stangen. Der Schlüsseltext der sich ergibt, wird auf das Papierband gedruckt. Nachdem die Umdrehung vollständig ist, werden die Stangen wieder zurück geschoben. Ein Satz von ''Zwischenzahnrädern'' setzt die Schlüsselrotoren um eine Position vorwärts, und ein Sperrarm klinkt sich in die Trommel ein, um einen zweiten Durchgang zu verhindern, bis die Einstellscheibe auf den nächsten Buchstaben gesetzt wurde. Dieses System erlaubte die Änderung der Verschiebung für jeden verschlüsselten Buchstaben; ohne wäre die Verschlüsselung nichts anderes gewesen als ein sehr unsicherer Caesarchiffre.

Beispielkonfiguration
Bevor eine Verschlüsselung mit der M-209 stattfindet, ist es notwendig das der Benutzer die Maschine nach eine vorgebenen Schablone einstellt. Dies schließt die Positionierung der Stiften, auf jeder der Rotorscheiben, sowie die Einstellungen der Schieberauf den Trommelstangen mit ein. Meist wurde dies durch einen geheimen Schlüsselsatz zwischen Sender und Empfänger ausgetauscht. Die externe Position der Schlüsselrotoren konnte dann vom Sender beliebig (zufällig) ausgewählt werden, und über einen sicheren Kanal an den Empfänger übergeben werden. Zu jedem Buchstaben auf jedem Rotor gehört ein Stift der nach links oder rechts geschoben werden kann. Eine Tabelle, die diese Einstellungen vorgibt könnte z.B. so aussehen: {| border="1" cellspacing="0" cellpadding="4" ! Rotor !! Stiftposition |- | 1 || AB-D---HI-K-MN----ST-VW--- |- | 2 || A--DE-G--JKL--O--RS-U-X-- |- | 3 || AB----GH-J-LMN---RSTU-X |- | 4 || --C-EF-HI---MN-P--STU |- | 5 || -B-DEF-HI---MN-P--S |- | 6 || AB-D---H--K--NO-Q |} Buchstaben die in der Tabelle auftauchen haben ihren Stift in der rechten, ''aktiven'' Position, nicht vorhandene Buchstaben (mit einem Strich gekennzeichnet) in der linken, ''inaktiven''. Die Trommel hat 27 Stangen, mit je zwei ''Schiebern''. Diese Schieber können auf Positionen von 1 bis 6 eingestellt werden, und sind dann über einem Schlüsselrotor ausgerichtet, oder sie werden auf eine von zwei "0" Positionen gestellt, wo sie ''inaktiv'' sind. Eine Tabelle die diese Einstellungen enthält könnte so aussehen: {| border="1" cellspacing="0" cellpadding="4" |- ! Stange !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 6 !! 7 !! 8 !! 9 |- ! Schieber | 3-6 || 0-6 || 1-6 || 1-5 || 4-5 || 0-4 || 0-4 || 0-4 || 0-4 |- ! Stange !! 10 !! 11 !! 12 !! 13 !! 14 !! 15 !! 16 !! 17 !! 18 |- ! Schieber | 2-0 || 2-0 || 2-0 || 2-0 || 2-0 || 2-0 || 2-0 || 2-0 || 2-0 |- ! Stange !! 19 !! 20 !! 21 !! 22 !! 23 !! 24 !! 25 !! 26 !! 27 |- ! Schieber | 2-0 || 2-5 || 2-5 || 0-5 || 0-5 || 0-5 || 0-5 || 0-5 || 0-5 |} Stange 1 hätte also ihre Schieber auf den Positionen "3" und "6", Stange 2 auf "0" und "6", usw. Jeder Schieber auf Position "3" z.B., wird von einem Führungsarm zur Seite geschoben, wenn der momentan aktive Stift auf der Rotorscheibe "3" in der ''aktiven'' Stellung ist. Zu guter Letzt wird der externe Schlüssel eingestellt, indem man die Schlüsselrotoren auf eine bestimmte oder zufällige Buchstabensequenz einstellt. Zum Testen des internen Schlüssels stellt der Benutzer die Rotoren auf "AAAAAA", und verschlüsselt dann eine Nachricht die ebenfalls nur aus dem Buchstaben "A" besteht. Der entstehende Schlüsseltext wird dann mit einer vorgegebenen Zeichenkette verglichen. Die Testnachricht für obige Einstellung ist: T N J U W A U Q T K C Z K N U T O T B C W A R M I O Die Stifte auf den Schlüsselrotoren kommen erst dann ins Spiel, wenn sie bei der Rotation den unteren Teil erreichen; an dieser Stelle können sie den Führungsarm betätigen, der dann die Stangen mittels der Schieber nach links versetzt. Der aktive Stift ist immer um eine bestimmte Zahl verschoben von dem Buchstaben der angezeigt wird. Sind die angezeigten Buchstaben z.B. "AAAAAA", dann sind die aktiven Stifte/Buchstaben "PONMLK".

Beispielverschlüsselung
Nachdem die M-209 nach den oben genannten Einstellungen konfiguriert wurde, ist die Maschine bereit zum Verschlüsseln. Wir nehmen wieder das Beispiel der Testnachricht, der erste Buchstabe ist also "A". Der Benutzer stellt das Buchstabenrad auf "A" und dreht die Handkurbel. Da der Schlüssel "AAAAAA" ist, sind die aktiven Buchstaben "PONMLK"; nach den Einstellungen ist "P" auf dem ersten Rotor ''inaktiv'', "O" ist ''aktiv'' auf dem zweiten, "N" ist ''aktiv'' auf dem dritten, "M" ist ''aktiv'' auf dem vierten, "L" ist ''inaktiv auf dem fünften und "K" ist ''aktiv'' auf dem sechsten. Die Führungsarme welche den aktiven Stiften zugeordnet sind werden bewegt, in diesem Fall die Arme 2,3,4, und 6. Jede Stange auf der Trommel, deren Schieber in einer dieser Positionen ist, wird also zur linken Seite verschoben und wird Teil des variablen Zahnrads, das die Ausgabe der Maschine steuert. In diesem Fall werden also die Stangen 1, 2, 3 und 5 - 21 nach links geschoben, was insgesamt 20 Stangen ausmacht, bzw. 20 "Zähne" auf dem Zahnrad. Der Buchstabe wird also um 20 Buchstaben verschoben. Die M-209 verwendet einen reziproken Substitution Substitutionscipher, auch ''Beaufort''-Schema genannt; das Alphabet, das in der Klartextnachricht verwendet wurde, wird umgedreht: {| |''Klartextalphabet:'' || ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ |- |''Schlüsseltextalphabet:'' || ZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA |} Lässt man die Verschiebung zunächst weg, wird also "A" zu "Z", "B" zu "Y", usw. Die Verschiebung wird nach links durchgeführt, z.B. wird ein Klartext-"P" dem Schlüsseltext "K" zugeordnet. Verschiebt man diesen nun um drei Stellen nach links, ergibt sich ein "N". Gelangt man bei der Verschiebung über die Enden des Alphabets, beginnt man einfach wieder von rechts. Dieser Ansatz ist selbst-umkehrend, d.h. das die Entschlüsselung dieselbe Tabelle in der selben Weise benutzt: ein Schlüsseltext-"N" wird wie Klartext eingegeben; dies entspricht einem "M" im umgekehrten Alphabet. Verschiebt man dies um drei Stellen nach links, ergibt sich wieder der ursprüngliche Klartext: "P". Im Beispiel von oben, war der erste Buchstabe ein "A", was einem "Z" im umgedrehten Alphabet entspricht. Die Verschiebung, durch das variable Zahnrad war 20; verschieben wir nun also das "Z" um 20 Stellen nach links, ergibt sich ein "T", was auch dem ersten Zeichen in der Testnachricht entspricht. Am Ende des Schlüsselzyklus werden alle sechs Schlüsselrotoren um je eine Stelle vorgerückt, die dann angezeigte Buchstabenfolge ist "BBBBBB" und die aktiven Buchstaben sind "QPONML". Dadurch werden andere Führungsarme angesprochen, die mit der Trommel interagieren, und somit eine andere Verschiebung für die nächste Verschlüsselung bilden.

Sicherheit
Für ihre Zeit war die M-209 gut, aber noch lange nicht perfekt. Genau wie bei der Lorenz-Electric-Fernschreiberchiffriermaschine (Kodename: lorenz cipher Tunny bei den Alliierten), war es problematisch, wenn ein Codeknacker zwei überlappende Sequenzen in die Finger bekam. Dies gab ihm einen Einstieg in die Funktionsweise der M-209, welche ein paar Eigenheiten hatte die sich ausnutzen ließen. Da die M-209 nur das Verschlüsseln von alphabetischen Zeichen vorsah, mussten Zahlen immer in Wörtern ausgedrückt werden – auch hier lag ein Ansatzpunkt der deutschen Kryptoanalysten. Zu Beginn des Jahres 1943 waren deutsche Kryptoanalysten dazu in der Lage, M-209 Nachrichten mitzulesen (siehe auch [http://www.heise.de/tp/r4/html/result.xhtml?url=/tp/r4/artikel/18/18371/1.html&words=M%20209 diesen Artikel] für Details). Das Entziffern der Funksprüche dauerte zunächst bis zu einer Woche, konnte jedoch durch eine von den Deutschen gebaute Entzifferungsmaschine, die im September 1944 fertig gestellt wurde, auf sieben Stunden beschleunigt werden. Diese Entzifferungsmaschine bestand aus vier Walzen mit je 26 Schlitzen sowie gestanzten Blechplatten und zahlreichen verlöteten Kabelverbindungen. Die Maschine bestand aus zwei Teilen: einem Kasten in der Größe eines Schreibtisches, der die Relais und die vier Drehwalzen enthielt, sowie einem weiteren Kasten mit 80 x 80 x 40 cm Kantenlänge. Letzterer enthielt 26 mal 16 Birnenfassungen, mit denen sich durch Birnen die Buchstaben der relativen Einstellung nachbilden ließen. Die entzifferten M-209 Nachrichten enthielten teilweise brisante Informationen und Hinweise auf bevorstehende Bombardierungen deutscher Städte, die meist etwa sechs bis acht Wochen vor der Durchführung in Funksprüchen angekündigt wurden. Ob und wie diese entzifferten Nachrichten von höheren deutschen Stellen genutzt wurden, ist nicht bekannt. Trotzdem wurde die M-209 als ausgezeichnet geeignet für taktische Nutzung angesehen, und war bis zum Koreakrieg in Benutzung bei den amerikanischen Streitkräften.

Produktion und Verwendung
Hagelin ließ ungefähr 140.000 M-209s bauen, und kam dadurch zu einem gewissen Reichtum. Außerdem baute Fritz Menzer, ein deutscher Kryptograph im zweiten Weltkrieg, Chiffriermaschinen die auf Hagelins Design basierten, aber es besteht kein Zweifel, dass Hagelin hierfür nichts erhielt. Menzers SG-41 war ein rein mechanisches Gerät, mit einem internen Aufbau ähnlich dem der M-209, dafür aber größer und mit einer Tastatur. Es wurde auch nur in kleinerem Maßstab produziert, insgesamt etwa ein paar Tausend, für die Benutzung durch die Abwehr (Nachrichtendienst) deutsche Abwehr, welche sie ab 1944 benutzte. Eigentlich sollte die SG-41 die Standard-Chiffriermaschine für den taktischen Einsatz werden, allerdings mangelte es in Deutschland an den Ressourcen von leichten Metallen wie Magnesium und Aluminium. Außerdem arbeitete Menzer an zwei anderen Chiffriermaschinen, einem Nachfolger der Enigma (Maschine) Enigma, dem "SG-39" und einer simplen, aber relativ starken transportablen Maschine, dem "Schluesselkasten". Jedoch kam keine dieser Maschinen in die Produktion. Wären sie in Benutzung gekommen, hätte dies sicher einige Probleme für die alliierten Kryptoanalysten bedeutet, obwohl ihre Codes nicht schwieriger zu brechen waren als die der M-209. Nach dem Krieg entwickelte Hagelin noch ein verbessertes Modell der M-209, die "C-52". Die C-52 verfügte über eine Periode von 2.756.205.443 Buchstaben, austauschbare Rotoren, und ein Typenrad mit gemischtem Alphabet. Allerdings war die C-52 eine Maschine der letzten Generation von klassischen Chiffriermaschinen, da zu dieser Zeit die neue digitale Technologie die Entwicklung von weitaus stärkeren Verschlüsselungen ermöglichte.

Weblinks

- Dirk Rijmenants' M-209 Simulator für Windows
- Das 1944 M-209 Handbuch
- Jerry Proc's Seite zur M-209 {{Navigationsleiste Verschlüsselungsmaschinen}} {{Lesenswert}} Category:Verschlüsselungsverfahren en:M-209 nl:M-209

*** Shopping-Tipp: M-209




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