ADFGVX und Fraktionierung

Bis 1918 stand das deutsche Militär vor einem kritischen Problem: Alliierte Kryptoanalytiker brachen seine Feldcodes schneller, als sie ersetzt werden konnten. Für die Frühjahrsoffensive von 1918 wurde dringend eine neue, stärkere Chiffre benötigt.

Oberst Fritz Nebel entwickelte die ADFGVX-Chiffre, die zwei klassische Verfahren auf eine in der Militärkryptografie bisher unbekannte Weise miteinander kombinierte.

Die Chiffre ist nach ihren sechs Chiffratbuchstaben benannt: A, D, F, G, V, X. Diese Buchstaben wurden bewusst ausgewählt, weil sich ihre Darstellungen im Morsecode stark voneinander unterscheiden.

Dadurch wurden Übertragungsfehler über Funk im Felde minimiert. Die Verwechslung eines Buchstabens mit einem anderen konnte eine gesamte Nachricht beschädigen, daher wählten die Entwickler Buchstaben mit möglichst klar unterscheidbaren Morse-Mustern.

Der erste Schritt ist eine Substitution mithilfe eines 6x6-Polybius-Quadrats. Die 36 Zellen enthalten die 26 Buchstaben und die Ziffern 0–9 in einer schlüsselbestimmten Reihenfolge. Die Zeilen- und Spaltenüberschriften sind die sechs Buchstaben A, D, F, G, V, X.

Jedes Klartextzeichen wird durch zwei Buchstaben ersetzt: die Zeilenüberschrift und die Spaltenüberschrift seiner Zelle. Wenn sich H beispielsweise in Zeile A, Spalte F befindet, wird es zu "AF".

Nach der Substitution wird das verdoppelte Chiffrat in ein Raster mit so vielen Spalten geschrieben, wie das Schlüsselwort Buchstaben hat. Ein zweites Schlüsselwort bestimmt die Reihenfolge der Spalten.

Die Spalten werden in alphabetischer Reihenfolge der Buchstaben des Schlüsselworts ausgelesen. Dadurch werden die substituierten Paare neu angeordnet, verbleibende Muster aufgebrochen und eine Chiffre erzeugt, die sowohl der Frequenzanalyse als auch dem Abgleich von Mustern widersteht.

Fraktionierung ist ein Verfahren, bei dem jedes Klartextzeichen vor der Transposition in mehrere Chiffratsymbole aufgeteilt wird. Bei ADFGVX wird jeder Buchstabe zu zwei Symbolen (Zeile und Spalte), die anschließend unabhängig voneinander umgeordnet werden.

Das bedeutet, dass die beiden „Hälften“ eines Klartextbuchstabens an unterschiedlichen Positionen im endgültigen Chiffrat landen. Dadurch ist es unmöglich, Substitution und Transposition getrennt voneinander zu analysieren.

Reine Substitutionschiffren wie Playfair sind anfällig für Frequenzanalysen. Reine Transpositionschiffren wie Rail Fence sind anfällig für das Bilden von Anagrammen. Durch ihre Kombination werden beide Schwachstellen berücksichtigt.

ADFGVX erschwert die Frequenzanalyse, indem die substituierten Symbole fraktioniert und transponiert werden. Um die Transposition zu brechen, muss man den Substitutionsschlüssel kennen – und umgekehrt.

Der französische Kryptoanalytiker Georges Painvin brach die ADFGVX-Chiffre im Juni 1918, nur wenige Tage vor der deutschen Offensive, die sie schützen sollte. Dies galt als eine der brillantesten kryptoanalytischen Leistungen des Ersten Weltkriegs.

Painvins Methode nutzte Muster in Nachrichten aus, die am selben Tag mit demselben Schlüssel gesendet worden waren. Durch den Vergleich von Chiffraten ähnlicher Länge konnte er Spaltengrenzen erkennen und sich in der Transposition rückwärts vorarbeiten.

Painvins Durchbruch verschaffte den Alliierten Aufklärungserkenntnisse, die dazu beitrugen, die deutsche Frühjahrsoffensive abzuschwächen. Die Offensive scheiterte teilweise aufgrund des durch den Bruch von ADFGVX gewonnenen Informationsvorsprungs.

Diese Geschichte zeigte, dass selbst raffinierte Chiffren gebrochen werden können, wenn die operative Sicherheit mangelhaft ist. Die Deutschen verwendeten Schlüssel wieder und sendeten in kurzer Zeit zu viele Nachrichten, wodurch Painvin das benötigte Material erhielt.

Bei der Spaltentransposition schreiben Sie den Klartext unter einem Schlüsselwort zeilenweise auf und lesen die Spalten anschließend in alphabetischer Reihenfolge der Buchstaben des Schlüsselworts aus. Das Schlüsselwort "KEY" ergibt die Spaltenreihenfolge 2-1-3, da E vor K und K vor Y kommt.

Die ausgegebenen Spalten verschachteln den ursprünglichen Text so, dass lokale Muster zerstört werden. Für die Entschlüsselung muss das Chiffrat in derselben Reihenfolge wieder in die Spalten geschrieben und anschließend zeilenweise gelesen werden.

Jede Schicht einer klassischen Chiffre begegnet einer anderen Schwachstelle. Substitution verschleiert die Identität eines Buchstabens, Transposition verschleiert seine Position. Zusammen ergeben sie eine Chiffre, bei der beide Schichten gleichzeitig angegriffen werden müssen.

Dieses Prinzip der Kombination von Konfusion (Substitution) und Diffusion (Transposition) wurde später von Claude Shannon formalisiert und bildete die theoretische Grundlage moderner Blockchiffren wie AES.

Vor ADFGVX verwendeten die Deutschen ADFGX, eine einfachere Variante mit fünf Buchstaben, die keine Ziffern in ihrem Polybius-Quadrat enthielt. ADFGVX erweiterte das Quadrat auf 6x6, um alle 10 Ziffern aufzunehmen, sodass sich numerische Daten verschlüsseln ließen.

Die Erweiterung von ADFGX zu ADFGVX war eine Reaktion auf den Teilerfolg der Alliierten gegen ADFGX. Das Hinzufügen von Ziffern vergrößerte den Schlüsselraum und erschwerte die Frequenzanalyse von Digraphen, da sich Muster auf mehr Symbolpaare verteilten.

Testen Sie Ihr Verständnis der Fraktionierung bei ADFGVX.

ADFGVX kombinierte eine Substitution mit einem Polybius-Quadrat und eine spaltenweise Transposition und verknüpfte beide mithilfe der Fraktionierung. Das Alphabet aus sechs Buchstaben wurde gewählt, um Übertragungsfehler im Morsecode zu minimieren.

Trotz seiner ausgefeilten Konstruktion konnte Painvin das Verfahren durch die Ausnutzung der Wiederverwendung von Schlüsseln brechen. Die Chiffre veranschaulichte sowohl die Stärke der Kombination klassischer Verfahren als auch die entscheidende Bedeutung der operativen Sicherheit.