Enigma (machine)

Les rotors (aussi appelés rouleaux ou tambours — Walzen en allemand) forment le cœur de la machine Enigma. D'un diamètre d'environ 10 cm, chaque rotor est un disque fabriqué à partir de caoutchouc dur ou de bakélite. Sur une face sont disposés en cercle des contacts électriques à aiguilles, donc équipés de ressorts. Sur l'autre face, le même nombre de contacts plats sont disposés. Les contacts plats et à aiguilles représentent l'alphabet — généralement les 26 lettres (on fera cette supposition dans la suite de cette description, même si parfois des chiffres pouvaient être utilisés suivant le même principe).

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  Une face d'un rotor de la machine Enigma, montrant les contacts à aiguille. Le chiffre romain V sous la tête de vis en rouge indique le câblage interne du rotor.
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  L'autre face du rotor, montrant les contacts plats. L'encoche entraînant le mouvement du rotor est visible à la gauche du disque.

Une fois les rotors assemblés, les contacts à aiguilles d'un rotor se positionnent en face des contacts plats du rotor voisin, formant ainsi la connexion électrique. À l'intérieur du rotor, un ensemble de 26 câbles électriques assurent les connexions entre les contacts à aiguilles et les contacts plats suivant un schéma compliqué, qui permet le chiffrement des lettres. Par exemple, sur un rotor particulier, le premier contacteur d'une face peut être relié au quatorzième contacteur de la face opposée, le deuxième contacteur relié au vingt-deuxième de l'autre face, et ainsi de suite. D'un rotor à l'autre, les connexions internes ne sont pas les mêmes. La version d'Enigma utilisée par l'armée allemande et le parti national-socialiste possède un jeu de rotors avec des connexions différentes des versions commerciales.

Le rotor utilisé tout seul ne réalise en fait qu'un chiffrement très simple — le chiffrement par substitution. Par exemple, le contact à aiguille correspondant à la lettre E peut être connecté sur la face opposée au contact plat de la lettre T. La complexité de la machine Enigma provient de l'utilisation de plusieurs rotors en série, généralement trois ou quatre, ainsi que le mouvement régulier de ces rotors (à chaque frappe de touche pour le premier). Lorsque 26 lettres ont été pressées, une came entraîne le rotor de la fente suivante et le fait tourner. L'alphabet de substitution est ainsi modifié à chaque pression de touche. Ces deux mécanismes forment un type de chiffrement beaucoup plus performant.

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  Assemblage de trois rotors tels qu'ils sont placés dans la machine Enigma.
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  Trois rotors de la machine Enigma et l'axe sur lequel ils sont assemblés.
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  Vue éclatée de l'assemblage des rotors de la machine Enigma.
  1. Anneau encoché
  2. Point indiquant le contact « A » pour l'assemblage
  3. Roue de l'alphabet
  4. Contacts plats
  5. Connexions électriques
  6. Contacts à aiguille
  7. Anneau élastique de réglage
  8. Moyeu
  9. Roue dentée de positionnement manuel du rotor
  10. Roue à rochet

Une fois installé dans la machine, un rotor peut donc être placé à l'une de ses 26 positions. Cela peut être réalisé manuellement par l'opérateur, au moyen de la roue dentée, ou automatiquement lors de la pression d'une touche du clavier. Pour que l'opérateur connaisse la position du rotor, chacun d'eux est équipé d'une « roue alphabet », comportant les 26 lettres de l'alphabet (ou 26 numéros) ; en fonctionnement, seule l'une d'entre elles peut être vue par une petite fenêtre et indiquer à l'opérateur la position exacte de chacun des rotors. Dans les premières machines Enigma, la « roue alphabet » était fixe sur le rotor. Une complication a été ajoutée dans les dernières versions, avec la possibilité de déplacer cette roue par rapport au rotor lui-même. La position de la roue se nomme le Ringstellung (« positionnement de l'anneau »).

Chaque rotor comporte enfin une encoche (parfois plusieurs), assurant le contrôle de son mouvement. Dans les versions militaires de la machine Enigma, cette encoche est située directement sur la « roue alphabet ».

Les machines Enigma de l'armée et de l'aviation allemandes étaient équipées de trois rotors, pour les premières versions. Le 15 décembre 1938, ce nombre fut porté à cinq, dont seulement trois étaient choisis pour être installés dans la machine. Chaque rotor était marqué d'un chiffre romain afin de pouvoir les distinguer : I, II, III, IV et V. Tous n'étaient équipés que d'une seule encoche.

La version de la machine Enigma de la Kriegsmarine (marine de guerre allemande) a toujours été fournie avec plus de rotors que les autres versions. Au départ, six rotors équipaient les machines, puis sept et finalement huit. Les rotors supplémentaires étaient numérotés VI, VII et VIII, et avaient des connexions électriques différentes des autres rotors. Ils étaient en outre équipés de deux encoches, ce qui entraînait donc une fréquence de rotation supérieure. Cette version, « M4 », comptait quatre rotors dans la machine à la place des trois des autres versions. Cette variante fut construite sans modifier grandement la machine, en remplaçant simplement le réflecteur d'origine par un autre beaucoup plus fin et en ajoutant un rotor spécial en quatrième position. Ce quatrième rotor pouvait être de deux types : Beta ou Gamma. Il ne tournait cependant jamais automatiquement, mais pouvait être placé manuellement sur l'une de ses 26 positions par l'opérateur.

Grâce à l'interconnexion pseudo-aléatoire de chaque rotor, la séquence exacte de ces substitutions dépendait du choix des rotors (câblage interne), de l'ordre d'installation de ceux-ci, et enfin de leur position initiale. Ces réglages forment la configuration initiale de la machine.

Les versions les plus courantes d'Enigma sont dites symétriques dans le sens où le chiffrement et le déchiffrement de l'information fonctionnent de la même manière. En effet, si l'on tape le texte chiffré dans Enigma, la séquence des lampes allumées correspondra au texte en clair. Mais cela ne fonctionne que dans le cas où la machine possède la même configuration initiale que celle qui a chiffré le message.

Afin d'éviter de réaliser un simple chiffrement par substitution monoalphabétique, chaque touche pressée sur le clavier provoque l'entraînement d'au moins un rotor, changeant ainsi la substitution alphabétique utilisée. Cela assure que la substitution est différente pour chaque nouvelle frappe sur le clavier, créant un chiffrement par substitution polyalphabétique.

C'est un mécanisme à base de roue à rochets qui était le plus fréquemment utilisé. À cette roue à 26 dents était associé un fin anneau métallique à encoches, solidaire du rotor. Chaque frappe de touche, via les cliquets, poussait sur la roue de chaque rotor pour la faire avancer d'un cran. Ce sont les anneaux métalliques qui permettaient ou non l'avancée des rotors. Pour qu'un rotor avance, il fallait que l'anneau du rotor à sa gauche présente une encoche alignée avec son cliquet. Le premier rotor n'étant pas bloqué par un anneau, il avançait d'un cran à chaque frappe. L'avancée des autres rotors dépendait du nombre d'encoches : une seule pour les rotors de type I à V, deux pour les rotors de type VI à VIII.

Si les machines Enigma se bornaient à ce mécanisme simple, le rotor I avancerait de 26 crans pour provoquer une avancée du rotor II, qui lui-même avancerait de 26 crans pour provoquer une avancée du rotor III. Toutefois, le mécanisme incluait également « une double avancée ». L'alignement du cliquet avec une encoche lui permettait de pousser sur la roue à rochet de son rotor, mais lui permettait aussi de pousser sur l'encoche de l'anneau solidaire du précédent rotor. Ce sont donc à la fois le rotor du cliquet et le rotor de l'anneau qui avançaient d'un cran. Pour une machine à trois rotors, seul le second était affecté par cette double avancée, le premier rotor avançant à chaque frappe de toute façon. C'est ce dispositif qui fait dériver l'entraînement des rotors de l'Enigma de celui d'un odomètre.

Avec trois rotors et une seule encoche pour les rotors I et II, une Enigma a une période de 26 × 25 × 26 = 16 900 (et non pas 26 × 26 × 26 à cause de la double avancée). Historiquement, les messages étaient limités à quelques centaines de lettres évitant toute chance de répétition de combinaisons des rotors, empêchant par là même les cryptanalystes d'accéder à des indices importants.

La frappe d'une touche provoquait d'abord une avancée sur les rotors et ensuite seulement une connexion électrique.

Le disque d'entrée (Eintrittswalze en allemand) relie le pupitre de connexions (ou le clavier des modèles sans pupitre de connexions) à l'ensemble des rotors. Bien que le câblage du disque d'entrée soit d'une très faible importance pour la sécurité, il posa des difficultés au cryptanalyste polonais Marian Rejewski lors du calcul du câblage des rotors. Alors que la version commerciale d'Enigma reliait les touches dans leur ordre sur le clavier (QWERTZ[5]), les versions militaires les reliaient dans l'ordre alphabétique (ABCDEF). Rejewski dut construire quelques hypothèses avant de comprendre la modification et de résoudre les équations.

À l'exception des machines Enigma modèles A et B, le dernier rotor était suivi d'un réflecteur (Umkehrwalze en allemand, signifiant rotor d'inversion). Le réflecteur connecte les sorties du dernier rotor par paire, redirigeant le courant dans les rotors selon un chemin différent. C'est ce réflecteur qui garantit le caractère involutif de l'Enigma : chiffrer est identique à déchiffrer, comme pour le chiffrement par masque jetable. Cependant, le réflecteur empêche également l'Enigma de substituer une lettre à elle-même dans le texte chiffré. C'est une faille majeure qui a été utilisée par les cryptanalystes.

Dans la version commerciale qu'est le modèle C, le réflecteur pouvait être inséré dans deux positions. Dans le modèle D, il pouvait l'être dans 26 positions, mais restait fixe. Dans la version utilisée par l'Abwehr, il était entraîné par un mécanisme semblable à celui des rotors.

Dans les versions pour l'Armée de terre et Armée de l'air, le réflecteur était fixe. Le réflecteur existait en quatre versions. La version d'origine, dite « A », fut remplacée par l'Umkehrwalze B le 1^er novembre 1937. Une troisième version, l’Umkehrwalze C, fut brièvement utilisée en 1940, peut-être par erreur, et fut cassée par la Hutte 6 de Bletchley Park. La quatrième version, détectée pour la première fois le 2 janvier 1944, avait un réflecteur reconfigurable dénommé l’Umkehrwalze D permettant à un opérateur de modifier les connexions pour la mise à la clef.

Les machines des armées, et non les machines commerciales, avaient un tableau de connexion (Steckerbrett) à l'avant de la machine, composé de l'alphabet. Avec des simili-prise jack, des câbles se connectent face à un alphabet pour permuter les deux lettres interconnectés. Quand une touche est pressée, le courant électrique passe d'abord par le câble de la lettre échangé, avant de traverser les rotors, qui fonctionnent normalement. Dix paires de lettres sont ainsi permutées chaque jour. C'est la partie de la machine qui possédait les possibilités de connexions les plus élevés, bien plus que les rotors.

Le chiffrement de chaque lettre par Enigma peut être considéré mathématiquement comme un produit de permutations. Considérons en effet une machine Enigma de l'Armée de l'air/ Marine allemande. Soit ${\displaystyle P}$ la transformation réalisée par le clavier, ${\displaystyle U}$ le réflecteur, et ${\displaystyle G,M}$ et ${\displaystyle D}$ les actions des rotors de gauche, du milieu et de droite respectivement. Le codage ${\displaystyle C}$ s'écrit alors :

${\displaystyle C=PDMGUG^{-1}M^{-1}D^{-1}P^{-1}~}$

Après chaque action sur une lettre du clavier, le rotor tourne, changeant ainsi la transformation cryptographique. Par exemple, si le rotor de droite ${\displaystyle D}$ tourne de ${\displaystyle i}$ positions, le chiffrement devient ${\displaystyle \rho ^{i}D\rho ^{-i}}$, avec ${\displaystyle \rho }$ désignant la permutation circulaire permettant de passer de ${\displaystyle A}$ à ${\displaystyle B}$, de ${\displaystyle B}$ à ${\displaystyle C}$ et ainsi de suite. De même, le rotor du milieu et celui de gauche peuvent être décrits par ${\displaystyle j}$ et ${\displaystyle k}$ rotations de ${\displaystyle M}$ et ${\displaystyle G}$. Le chiffrement peut alors s'écrire de la façon suivante :

${\displaystyle C=P(\rho ^{i}D\rho ^{-i})(\rho ^{j}M\rho ^{-j})(\rho ^{k}G\rho ^{-k})U(\rho ^{k}G^{-1}\rho ^{-k})(\rho ^{j}M^{-1}\rho ^{-j})(\rho ^{i}D^{-1}\rho ^{-i})P^{-1}~}$

Exemple de livre tenu par les Allemands avec les combinaisons pour chaque jour.

Chaque mois de l'année, dans chaque réseau, de nouvelles instructions de mise en œuvre spécifient des modifications (quotidiennes ou plus fréquentes) de plusieurs réglages. Les réglages internes sont les trois premiers pas de la procédure :

1. Ordre des rotors (Walzenlage) : choix et positionnement des trois rotors prescrits par les instructions (ex. : I-V-III) ;
2. Disposition de la bague (Ringstellung) des rotors gauche, milieu et droit (ex. : 06-20-24 affichés FTX) prescrite par les instructions ;
3. Permutations des fils du tableau de connexions (Steckerverbindungen) (ex. : UA PF) prescrites par les instructions. Un des chiffreurs dispose la machine en conséquence. La procédure continue avec les réglages externes ;
4. Le premier chiffreur dispose les trois rotors sur la position initiale (Grundstellung) définie par les instructions quotidiennes, ex. : JCM (c'est la source du « Herivel Tip » qui réduit les spéculations des cryptanalystes à quelques dizaines de combinaisons) ;
5. Le premier chiffreur choisit au hasard un réglage initial de rotors et le frappe deux fois, ex. : BGZBGZ. C'est la clef brute du message (et la source des fameuses « cillies ») ;
6. Le second chiffreur note le résultat affiché par les voyants ; c'est l'indicateur ou clef chiffrée (ex. : TNUFDQ) ;
7. Le premier chiffreur dispose ses rotors sur BGZ puis entre au clavier le texte du message en clair, lettre par lettre ; le second chiffreur note les lettres signalées par l'allumage des voyants.

Le message est formaté de la façon suivante, avant émission :

1. Préambule, en clair, avant le message proprement dit : indicatif radio, groupe date-heure et nombre de lettres du message, plus le Grundstellung (ex. : JCM) ;
2. Groupe de cinq lettres comprenant deux lettres-tampons (Füllbuchstaben) suivies du discriminant (Kenngruppe), ex. : JEU, qui distingue les différents réseaux de trafic Enigma et identifie le dossier d'instructions utilisé pour la mise en position initiale (Grundstellung) journalière. Les Britanniques désignent ces réseaux par des mots-codes : exemples Red (trafic général de la Luftwaffe), Yellow (liaisons Heer/Luftwaffe mais en Norvège seulement) ;
3. Les six lettres de l'indicateur ou clef chiffrée (ex. : TNUFDQ) ;
4. Le message chiffré, en groupes de cinq lettres. Au maximum, 50 groupes de 5 lettres. Les messages plus longs sont découpés en plusieurs messages transmis séparément. Il existe des manuels expliquant comment préparer des messages les plus courts possibles.

Les états-majors allemands multiplient les astuces, certains mots ou expressions sont codés, les alphabets et les nombres sont manipulés, les coordonnées topographiques sont transposées. Il arrive que les textes une fois correctement déchiffrés par les services alliés ne soient qu'une suite de lettres sans aucun sens pour qui ne dispose pas des documents de référence… La Wehrmacht emploie un jargon de métier et des abréviations mal connus des spécialistes alliés (les fameux cribs tiennent de la devinette). La situation est aggravée par les erreurs de manipulation et de lecture du morse, la mauvaise qualité de réception des transmissions, l'état de fatigue des personnes impliquées, etc.

Le message chiffré et formaté est alors émis en morse au moyen d'un poste radio.

À l'autre bout du réseau, le destinataire capte le message au moyen d'un autre poste radio. Le message est noté noir sur blanc. Il est remis à un chiffreur dont la machine Enigma est déjà réglée en fonction des mêmes instructions quotidiennes (1-2-3) que l'autorité émettrice. Le chiffreur dispose ses rotors sur JCM (4), frappe TNUFDQ (6) et note le résultat, BGZBGZ (5). Ensuite, le chiffreur dispose ses rotors sur BGZ. Le texte est déchiffré lettre par lettre, le second chiffreur note à mesure.

Cette procédure ne s'applique qu'à l'Enigma standard de la Heer (armée de terre) et de la Luftwaffe. La Kriegsmarine emploie des variantes plus complexes, avec la version M4 de la machine Enigma mise en service le 1^er février 1942. Pendant onze mois, les Alliés ne réussirent pas à décrypter ces messages[7]. Les chemins de fer, la police et la poste utilisent des modèles plus anciens. L'Abwehr met en œuvre des machines plus évoluées, mais sans tableau de connexions.

Les stations d'écoute alliées enregistrent les messages, tout en relevant la fréquence et l'angle d'arrivée de l'émission, l'heure de réception est notée ainsi que tous les paramètres associés. Les fréquences les plus importantes sont doublement surveillées, afin d'éviter de manquer des émissions et d'avoir confirmation éventuelle de textes douteux. Certains opérateurs alliés reconnaissent les opérateurs radio allemands à leur toucher, ce qui aide à identifier à nouveau les unités ennemies qui ont changé d'indicatif radio ou de fréquence. L'ensemble de ces informations est transmis à Bletchley Park, où la procédure de mise en œuvre est connue par cœur. Les fautes des chiffreurs allemands sont mises à profit par des cryptanalystes comme John Herivel ou Leslie Yoxall.

Dans la Heer (armée de terre) et la Luftwaffe, les chiffreurs ne sont exemptés ni de corvée, ni de garde, ni de sport, ni de revues ; ils subissent des punitions et des brimades. En campagne, ils sont exposés à la faim, à la soif, à la peur, à l'épuisement et au manque de sommeil. Or la minutieuse procédure de mise en œuvre est longue et fastidieuse…

• [Bertrand 1973] Gustave Bertrand, Enigma ou la plus grande énigme de la guerre 1939–1945, Plon, 1973.
• [Brown 1982] Anthony Cave Brown, La Guerre secrète, Famot, 1982.
• [Deniau 1998] Jean-François Deniau, Le Bureau des secrets perdus, Éditions Odile Jacob, 1998, « Enigma et Fortitude, savoir ou faire croire », p. 154.
• [Destremeau 2009] Christian Destremeau, Ce que savaient les Alliés, Perrin - Tempus, 2009 (ISBN 978-2-262-03042-1 et 2-262-03042-1).
• [Harris 1996] Robert Harris (trad. de l'anglais par Natalie Zimmermann), Enigma (roman historique), Paris, Plon, 1996, 319 p. (ISBN 978-2-259-18281-2, OCLC 319875526).
• [Hinsley et Stripp 1993] (en) F.H. Hinsley et Alan Stripp, Codebreakers, the inside story of Bletchley Park, Oxford University Press, 1993 (lire en ligne).
• [McKay 2010] (en) Sinclair McKay, The secret life of Bletchley Park, Aurum Press, 2010.
• [McKay 2013] Sinclair McKay, Les Casseurs de codes de la Seconde Guerre mondiale : Bletchley Park 1939-1945, la vie secrète de ces héros ordinaires, Ixelles, 2013 (ISBN 978-2-875-15178-0).
• [Paillole 1985] Paul Paillole, Notre espion chez Hitler, Robert Laffont, 1985.
• [Sebag-Montefiore 2011] (en) Hugh Sebag-Montefiore, Enigma, the battle for the code, Phoenix, 2011.
• [Singh 1999] Simon Singh, Histoire des codes secrets, J.-C. Lattès, 1999.
• [Smiith 2011] (en) Michael Smith, The secrets of station X, Biteback, 2011.
• [Stephenson 2000] Neal Stephenson, Cryptonomicon, Payot, 2000.
• [Turing 2018] (en) Dermot Turing (en), X, Y & Z : The Real Story of How Enigma Was Broken, The History Press, 2018 (lire en ligne).
  (Traduction en français Enigma ou comment les alliés ont réussi à casser le code nazi, Nouveau Monde éditions, 2019)
• [Welchman 1982] (en) Gordon Welchman, The Hut Six Story – Breaking the Enigma Codes, Allen Lane, 1982.
• [Winterbotham 1976] F.W. Winterbotham, Ultra, Robert Laffont, 1976.

• Nicolas Martin, « Enigma, les secrets du code nazi », émission de 59 min [], sur France Culture, La Méthode scientifique, 10 octobre 2019 (consulté le 28 février 2021)
• Fabrice Drouelle, « Enigma ou la guerre invisible », émission de 53 min [], sur France Inter, Affaires sensibles, 18 janvier 2021 (consulté le 28 février 2021)

• Ars Cryptographia, Enigma
• Un TPE sur la machine Enigma, et comment la virtualiser
• Principe de fonctionnement de la Machine Enigma
• Simulateur Enigma pour Windows
• (en) The world's first electronic Enigma machine (sur YouTube [vidéo])
• (en) Enigma Vintage Photographs, sur ilord.com (consulté le 30 décembre 2013)
• (en) Dirk Rijmenants, Discover the fascinating world of the Enigma Machine
• (en) Simulateur Enigma, Application JavaScript

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