home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ The Hacker's Encyclopedia 1998 / hackers_encyclopedia.iso / etc / security / simplex.txt < prev    next >
Encoding:
Text File  |  2003-06-11  |  23.6 KB  |  367 lines

  1.  
  2.                 Simplex 5-button combination locks:
  3.                   *Hobbit*'s in-depth evaluation
  4.  
  5. This deals with the Simplex or Unican 5-button all-mechanical combination
  6. locks.  They are usually used in a variety of secure but high-traffic
  7. applications, and come in a number of flavors:  dead bolt, slam latch, lock
  8. switches for alarms, buttons in a circle or a vertical line, etc.  The
  9. internal locking works are the same across all of these.  Herein will be
  10. described the mechanical workings and a method of defeating the lock that
  11. falls out by logical inference and observations from playing with it.
  12.  
  13.         The internals
  14.  
  15. Caveat: If this seems unclear at first, it is because the absolutely best way
  16. to understand the inner mysteries is to take a Simplex lock apart and study
  17. it.  It is highly recommended that the reader obtain and disassemble one of
  18. the units while studying this; otherwise the following may be confusing.  The
  19. locking mechanism box is swaged together at each end, but it is trivial to
  20. open up without destroying it.  To set a lock up for study, remove the back,
  21. leaving the front plate held on by its Jesus clip.  Put a spare thumb turn
  22. down over the shaft so you have something to grab.  Take care not to lose the
  23. button connecting pins; they drop out.
  24.  
  25. In the round configuration, the buttons talk via bent bars in the faceplate to
  26. the same vertical column as the straight ones.  Thus all buttons henceforth
  27. shall be referred to as if they were in a straight vertical row, numbered 1 to
  28. 5 reading downward.  The actual locking mechanism inside is a small metal box,
  29. about 3 inches high and .75 x .75 inch across the base.  It contains five
  30. tumblers, one corresponding to each button, a common shift bar, and a couple
  31. of cams to handle reset and unlocking.  The user dials the combination and
  32. turns the handle to the right to open the lock, or to the left to reset any
  33. dialed digits if he made a typo.  If the proper combination has not been
  34. dialed yet, the shaft will not turn to the right.  Setting a combination shall
  35. be described later.  Some of the linear-style locks are actually made by
  36. Unican, but have the Simplex box inside.  For these, a clockwise twist serves
  37. as both open and reset.  There is a detent plate and a screwy lever system; if
  38. the lock is not open yet, the lever cannot turn to the *box*'s right.  The
  39. detent slips, allows the levers to shift the other way, and the box arm is
  40. then turned to the left.  If the detent does not slip, it's open, and the
  41. plate locks to the latch shaft and pulls it back.
  42.  
  43. Each of the five tumblers has six possible positions.  Each button does
  44. nothing but push its corresponding tumbler from the 0 position to the 1
  45. position.  Therefore, each button can only be used once, since once the
  46. tumbler has moved, the button has no further effect.  The trick comes when
  47. *subsequent* buttons are pushed.  Each button press not only shoves its
  48. tumbler from 0 to 1, it also advances any "enabled" tumblers one more step.
  49. When a tumbler is enabled, its corresponding gear has engaged the common bar
  50. and pushed it around one position, so the next button press will do this
  51. again, thus taking previously enabled tumblers around one more notch.  This
  52. way, the further-in tumbler positions can be reached.  It can be seen that
  53. there are undialable combinations; for instance, only *one* tumbler can reach
  54. position 5 for a valid combination [Positions labeled 0 thru 5, totalling
  55. six].  If one sits down and figures out possible places for the tumblers to
  56. go, many combinations are eliminated right away, so the number of
  57. possibilities is *not* 6^5 as one might expect.  Two-at-once pushes are also
  58. valid, and are *not* the same as pushing the given two in some other order.
  59. Pushing two [or three or ...] at once simply enables two tumblers at once and
  60. shoves them to position 1 at the same time.  [This of course leaves less
  61. buttons unused to push them in farther!]  The tumblers themselves are small
  62. round chunks of metal, with gear teeth around the top half and a notch cut
  63. into the bottom edge.  When all these notches line up with the locking bar,
  64. the lock is open.  The tumblers are mounted on a vertical shaft so they can
  65. spin, with the locking bar fingers resting against the bottom of each one.
  66. The locking bar is prevented from rising if any notch is turned away from it.
  67. Juxtaposed to the tumblers is another shaft containing idler gears, which in
  68. turn talk to the common bar in the back.  The intermediate shaft slides up and
  69. down and makes combination changes possible.  Note: The buttons actually talk
  70. to the idler gears and not the tumblers themselves.  This is necessary since
  71. during a combo change, the tumblers cannot move because the locking bar teeth
  72. are sitting in the notches.
  73.  
  74.         Combination change, other random facts
  75.  
  76. Once you know the current combination, you might want to change it.
  77. Instructions for doing this undoubtedly come with the lock; but it's real
  78. easy.  There is a screw in the top with a hex hole; remove this from the lock
  79. body.  Dial the proper combination, but don't move the handle.  Press straight
  80. down through the hole with a small screwdriver, until you feel something go
  81. "thunk" downward.  The lock is now in change mode.   Reset the tumblers
  82. [leftward twist], enter your new combination, twist the handle as though
  83. opening the lock, and your change is now in effect.  Re-insert the screw.
  84. This does the following:  The thing you hit with the screwdriver pushes the
  85. tumblers down onto the locking bar [which is why the proper combination must
  86. be entered], and disengages them from their idler gears.  Button presses turn
  87. the *idler* *gears* around, and then the opening action shoves the tumblers
  88. back up to mesh with these gears in their new positions.  A subsequent reset
  89. mixes the tumblers up again to follow the new combination.  This description
  90. is admittedly somewhat inadequate; the right thing to do is take one of the
  91. locks apart and see for one's self what exactly happens inside.
  92.  
  93. The Unican model has a disk-locked screw on the rear side.  Removing this
  94. reveals a round piece with a flat side.  Twist this clockwise to enable change
  95. mode as in the above.  This lock, of course, would be a little more secure
  96. against random people changing the combination for fun since you ostensibly
  97. need a key to get at it.  Keep in mind that "reset" on these is done by
  98. turning the knob all the way *clockwise* instead.  There is a linkage that
  99. ensures that the shaft inside goes counterclockwise for the time that change
  100. mode is enabled.
  101.  
  102. It is amusing to hear local locksmiths call the Simplex internals a 
  103. "computer".  It would seem that none of them have taken one apart to
  104. see what is really inside; the box is painted black as far as they are
  105. concerned and non-openable.  Obtaining one is the unquestionably best way to
  106. learn what's in there.  Unfortunately they cost on the order of $120, a price
  107. which clearly takes advantage of the public's ignorance.  These locks are
  108. *not* pick-proof after all, and anyone who maintains that they are is
  109. defrauding the customer.  There are a variety of ways to increase the picking
  110. difficulty, to be discussed elsewhere.  Your best bet is to borrow one from
  111. somewhere for an evening and spend the time learning its innards.
  112.  
  113.         Determining an unknown combination
  114.  
  115. Contrary to what the marketing reps would have you believe, the locks can be
  116. opened fairly quickly without knowing the set combination and without damaging
  117. the lock.  Through a blend of a soft touch, a little hard logic, and an
  118. implicit understanding of how the locking mechanism works, they generally
  119. yield within five minutes or so.  [There are *always* exceptions...]
  120.  
  121. This method requires that one does not think in terms of a sequence of button
  122. presses.  One must think in terms of tumbler positions, and simply use the
  123. buttons to place tumblers where desired.  For practical description purposes,
  124. it will be assumed that the buttons connect right to the tumblers, rather than
  125. the idler gears that they really do.  The idler gears are a necessary part
  126. only during combination changes.  Unless you are doing a change, considering
  127. it this way is pretty close to the facts.  Remember that a 0 position means
  128. the button was never pushed, and 5 is enabled and shifted as far as possible.
  129.  
  130. Turning the thumb handle to the right [clockwise] raises the locking bar
  131. against the tumblers.  Since the lock is never machined perfectly, one or more
  132. tumblers will have more pressure on it than other ones, and this shows up as
  133. friction against it when it is turned via the button.  This friction is felt
  134. in the short distance between fully-extended and the detent on the button [the
  135. first 2 or 3 mm of travel].  Some will travel easily to the detent, and others
  136. will resist efforts to push them in.  Suppose you are twisting the handle, and
  137. tumbler 1 has lots of pressure on it [you can feel this when you try to push
  138. button 1 in].  When you back off the tension on the handle a little bit, the
  139. button can be pushed in against the resistance.  The fact that the button has
  140. resistance at position 0 tells you that tumbler 1's proper position is *not*
  141. 0, or there would be no pressure if the notch was there!  Upon pushing button
  142. 1 in, you find that no pressure has appeared at any other button.  This
  143. eliminates position 1 for tumbler 1, also.  Now, how do you get tumbler 1 to
  144. different positions so you can test for pressure against other ones?  Push
  145. subsequent buttons.  Push any other button, and tumbler 1 advances to position
  146. 2.  Ignore what the other tumblers are doing for the moment.  Now, perhaps
  147. another button has some resistance now.  This means that tumbler 1 is either
  148. at the right position, or getting close.  Basically you are using other
  149. tumblers to find out things about the one in question.  [Keep in mind that the
  150. first one with friction won't *always* be tumbler 1!  Any tumbler[s] could
  151. have the first pressure on them.]  Continuing, push another "don't care"
  152. button.  A "don't care" button is one that is not the one you're trying to
  153. evaluate, and not the one that recently showed some friction.  What you want
  154. to do is advance tumbler 1 again without disturbing anything else.  Did the
  155. pressure against your test tumbler get stronger, or disappear?  If it got
  156. stronger, that points to an even higher probability that tumbler 1 is supposed
  157. to be at 3, rather than 2.  If the pressure vanished or became less, 1 has
  158. gone too far, and you were safer with it at position 2.  Let's assume that the
  159. pressure against your test tumbler increased slightly when tumbler 1 was at 2,
  160. increased even more when tumbler 1 was at 3 and vanished when you pushed it
  161. onward to 4.  Reset the lock.  You now know the proper position of tumbler 1
  162. [that is, whatever tumbler first had pressure on it].  You've already
  163. drastically reduced the number of possible combinations, but you aren't
  164. finished yet.
  165.  
  166. You can now eliminate positions for the next one or two tumblers the same way
  167.  -- but to set things up so you can feel the pressure against these, you must
  168. ensure that your newly-known tumbler [1 in this case] is in its proper
  169. position.  It is useful to make a little chart of the tumbler positions, and
  170. indicate the probabilities of correct positions.
  171.  
  172.                    Positions
  173.                 0  1  2  3  4  5
  174.                 ----------------
  175.            1 :  L  L  +  T  L  |        <-- Indicates that tumbler 1 is not
  176.                                             0, not 1, maybe 2, more likely 3.
  177. Tumbler    2 :  |  |  |  |  |  |
  178. number
  179.            3 :  |  |  |  |  |  |
  180.  
  181.            4 :  L  |  |  |  |  |        <-- Indicates that tumbler 4 is not 0.
  182.  
  183.            5 :  |  |  |  |  |  |
  184.  
  185. This chart is simply a bunch of little vertical lines that you have drawn in a
  186. 5x6 matrix; the topmost row corresponds to button 1 and the lowest to 5.  Mark
  187. the probabilities as little hash marks at the appropriate height.  The leftmost
  188. bar indicates position 0, rightmost 5; a high mark on the left side indicates
  189. that that tumbler is 0, or is never used.  The relative heights of your tick
  190. marks indicate the likelihood of the notch on the respective tumbler being
  191. there.  If you don't know about a position, don't mark it yet.  This chart
  192. serves as a useful mnemonic while learning this trick; as you gain experience
  193. you probably won't need it anymore if you can remember tumbler positions.
  194.  
  195. A tumbler at the 0 position is already lined up before any buttons are pressed.
  196. This will feel like a lot of loose play with a little bit of pressure at the
  197. end of the travel, just before the enable detent.  Be aware of this; often
  198. enough the first button with pressure can be a 0, and if you aren't watching
  199. for 0 positions you can easily assume it's a don't care, push it, and screw
  200. your chances of feeling others.  Make sure your "don't care" test buttons
  201. aren't supposed to be at 0 either.  It's a good idea to run through and try
  202. to find all the zeros first thing.
  203.  
  204. Let us continue from the above.  You have found that tumbler 1 is most likely
  205. to bet at position 3, with a slim chance of position 2.  This is marked in the
  206. above chart.  The reason this can happen is that the tops of the locking bar
  207. teeth are slightly rounded.  When the tumbler is one away from its opening
  208. position, the locking bar can actually rise higher, since the notch is halfway
  209. over it already.  So don't assume that the first increase in pressure on other
  210. buttons is the right position for the one you're finding out about.  Let's
  211. assume that the next pressure showed up on button 4.  You can feel this when
  212. tumbler 1 is at position 3; to get tumbler 1 out there, let's say you used the
  213. sequence 1,2,3.  2 and 3 were your "don't care" buttons used only to push 1
  214. around.  Therefore now, tumbler 1 is at position 3, 2 is at 2, and 3 is at 1.
  215. 5 and 4 are at 0, and can therefore be felt for pressure.
  216.  
  217. The next step is to find the proper position for the next button with pressure
  218. against its tumbler.  Many times you'll get more than one that exhibit
  219. pressure at the same time.  Figure out which button has more pressure on it
  220. now with your first tumbler in the right position.  In this example, only 4
  221. applies.   You now want to advance tumbler 4 to different places, *while*
  222. keeping 1 at its proper place.  1 must always advance to 3 to free the locking
  223. bar enough to press on other tumblers.  To place tumbler 1 at position 3 and 4
  224. at position 1, you would do something like 1,2,4 and check 3 and 5.  To place
  225. tumbler 1 at position 3 and 4 at 2, you would do something like 1,4,2.  To
  226. place 1 at 3 and 4 at 3, you have to press 1 and 4 at the same time, and then
  227. advance that mess by two positions.  If you use 2 and 3 for this, the notation
  228. is (14),2,3, which means 1-with-4, then 2, then 3.  You can also do 4,1,2,5 to
  229. put 4 at 4  and check 3.  If all these tests fail, that is, no pressure
  230. appears at any other button, you can start assuming that 4 is supposed to be
  231. way out there at position 5.  For the example, let's say you did 1,4,2 and
  232. pressure showed up on button 3.  To double-check this, you did (14),2,5, and
  233. the pressure on 3 went away.  So tumbler 4 must have gone too far that time.
  234. Place a fairly high tick mark on the chart at tumbler 4, position 2 to
  235. indicate the probability.
  236.  
  237. Note: A better way to do that last test, to avoid ambiguity, is to do 1,(42),5
  238. and check 3, then do (14),2,5 and check 3.  This ensures that the only change
  239. you have made is to move tumbler 4 from 2 to 3 an avoids the possibility of
  240. movement of tumbler 2 giving bogus results.  Through the entire process, you
  241. want to try to change one thing at a time at every point.  Sometimes one of
  242. this sort of possible test setup won't tell you anything and you have to try
  243. another one [in this case, perhaps 1,(45),2 and then (14),5,2 while checking 3.
  244. This has simply swapped the positions of 2 and 5 during your testing].
  245.  
  246. You now know two tumbler positions, with a high degree of confidence, and have
  247. further reduced the possible combinations.  From here, you could mix tumblers
  248. 2,3 and 5 into the sequence with various permutations, as long as you place 1
  249. and 4 correctly every time.  This would still take some time and brain work
  250. ... let's try to find out something about some other buttons.  Place 1 and 4
  251. where they're supposed to go ... the sequence 1,4,2 will do it, and see what's
  252. up with the other buttons.  1,4,3 will leave 2 and 5 available.  You find
  253. eventually that 2 and 3 have the next bit of pressure distributed between them
  254. [and are nonzero], and 5 feels like a 0, as described above.  To confirm this,
  255. advance 5 along with some other button and check 3.  Bingo: There is no
  256. pressure on 2 when 5 is enabled [and you have not changed anything else
  257. besides 5's position], so you can firmly decide that 5 is 0 after all.  So
  258. leave it there.  [You did this by advancing 1 to 3 and 4 to 2, as usual, so
  259. you can feel 2's pressure in the first place.]
  260.  
  261. By now you should know the proper positions of three of the tumblers, and have
  262. eliminated any other zeros by feeling their initial pressure.  Now, since 2
  263. and 3 have the next pressure on them, try and find out more about them.  You
  264. know they aren't zero; suppose we try 1?  To do this you must get one of them
  265. to 1, 1 to 3 as usual, 4 to 2, and leave 5 alone.  How?  Use hitherto unknown
  266. buttons as dummies to position the tumblers right.  For instance, the sequence
  267. 1,4,3 will do what you want here; you then check pressure on 2.  Or 1,4,2 and
  268. check 3.  Here you may notice that the pressure on the leftover is a *little*
  269. stronger than before, but not enough to make any sure judgement.  Well, now
  270. you want to advance an unknown to position 2 - but you suddenly notice that if
  271. you do [by doing something like 1,(42),3] there are no free buttons left to
  272. test for pressure!  'Tis time to try possibilities.  Your only unknowns are 2
  273. and 3 now.  You must now advance 1 and 4 to their proper positions, leaving 5
  274. alone, while sprinkling the unknowns around in the sequence in different
  275. permutations.  Use your chart to remember where the known tumblers must go.
  276. Sometimes you get two possibilities for a tumbler; you must work this into the
  277. permutations also.  In this particular example, you know that either  2 or 3
  278. [or both!] must be the last button[s] pressed, since *something* has to get
  279. pressed after 4 to advance 4 to position 2.  An obvious thing to try is
  280. putting both the unknowns at position 1 by doing 1,4,(23).  Try the handle to
  281. see if it's open.  No?  Okay, now leave one of the unknowns down at 1 and mix
  282. the other one around.  For instance, for 2 at 1 and 3 at 2, you do 1,(34),2
  283. -- nope.  Advance 3 one more; (13),4,2 *click* -- huh?? Oh, hey, it's *open*!!
  284.  
  285. Well, when you are quite through dancing around the room, you should know
  286. that your further possibilities here ran as follows:
  287.  
  288.         3,1,4,2         ; to end the permutations with 2 at 1
  289.         1,(24),3        ; and permutations involving 3 at 1.
  290.         (12),4,3
  291.         2,1,4,3
  292.  
  293. One may see how things like 2,1,(34),x  are eliminated by the fact that  1
  294. must get to 3, and 5 must stay still.  Since only 4 buttons could be used, no
  295. tumbler can get to position 5 in this particular combination.  Note also that
  296. the farther *in* a tumbler has to go, the earlier its button was pressed.
  297.  
  298. If all this seems confusing at first, go over it carefully and try to
  299. visualize what is happening inside the box and how you can feel that through
  300. the buttons.  It is not very likely that you can set up your lock exactly as
  301. the  example, since they are all slightly different.  Substitute your first-
  302. pressure button for the 1 in this example.  You may even have one that
  303. exhibits pressure against two or more tumblers initially.  Just apply the
  304. differential-pressure idea the same way to find their most likely positions.
  305. The example is just that, to demonstrate how the method works.  To really
  306. understand it, you'll have to set your lock up with some kind of combination,
  307. and apply the method to opening it while watching the works.  Do this a few
  308. times until you understand what's going on in there, and then you'll be able
  309. to do it with the lock assembled, and then in your sleep, and then by just
  310. waving your hands and mumbling....
  311.  
  312. A 5-press combination makes life a little tougher, in that you lose
  313. versatility in your freedom of test positions, especially if your first-
  314. pressure tumbler is at position 5.  Here you can use the "almost" feature to
  315. your advantage, and advance the errant tumbler to one before its proper spot,
  316. and hope to see increased pressure on other tumblers.  When a tumbler is one
  317. away from right, the locking bar tab is hanging a large section of itself into
  318. the tumbler notch, and the tab's top is slightly rounded.  So it can rise a
  319. little higher than before.  If you twist the handle fairly hard, you can
  320. distort the locking bar slightly and make it rise higher [but don't twist it
  321. hard enough to break away the safety clutch in the shaft!] The chances of
  322. someone setting this sort of combination without prior knowledge about the
  323. *specific* lock are almost nonexistent.
  324.  
  325. As if that wasn't enough, the next thing to deal with is the so-called
  326. "high-security" combinations involving half-pushes of buttons.  The long
  327. initial travel of the tumbler permits this.  If you look at your open
  328. mechanism and slowly push in a button, you'll see that the tumbler actually
  329. travels *two* positions before landing in the detent, and further motion is
  330. over one position per press.  There is no inherently higher security in this
  331. kind of combination; it's just a trick used against the average person who
  332. wouldn't think of holding a button down while twisting the latch release.
  333. It's quite possible to defeat these also.  When you are testing for pressure
  334. against a tumbler set at "one-half", you'll feel a kind of "drop-off" in which
  335. there is pressure initially, and then it disappears just before the detent.
  336. Before testing further buttons, you'll have to "half-enable" the appropriate
  337. "one-half" tumblers so the locking bar can rise past them.  Set your lock up
  338. with a couple of combinations of this type and see how it works.  Note that
  339. you must hold down the "half" buttons just before the detent click while
  340. setting or opening.  This makes an effective 7 positions for each tumbler, but
  341. in a standard [no "halfs"] setup, it's effectively 6.  This is Simplex's
  342. "high-security" trick that they normally only tell their high-dollar military
  343. customers about.  After working the lock over for a while, it's intuitively
  344. obvious.
  345.  
  346. The Unican type has no direct pressure direction of twist; if you turn too
  347. far to the right you only reset the tumblers.  What you must do is hold the
  348. knob against the detent release just tight enough to press the locking bar
  349. against the tumblers inside the box but not hard enough to slip the detent.
  350. There is a fairly large torque margin to work with, so this is not difficult
  351. to do.  Unicans do not twist to the left at all, so ignore that direction and
  352. work clockwise only.
  353.  
  354.         Possible fixes
  355.  
  356. The obvious things improvements to make are to cut notches of some kind into
  357. the locking bar teeth and the tumblers, so that the pressure can't be as
  358. easily felt.  Another way might be to have a slip joint on the locking bar
  359. that would release before a certain amount of pressure was developed against
  360. it, and thus never let the tumblers have enough pressure against them to feel.
  361. The future may see an improved design from Simplex, but the likelihood does
  362. not seem high.  They did not seem interested in addressing the "problem".
  363.  
  364. [Method independently discovered 8410, revised and cleaned up 861020
  365. by *Hobbit*, for informational purposes only.  This information was also
  366. forwarded to the engineering staff at Simplex Security Systems.]
  367.