شيفرة قيصر

تُعدّ شيفرة قيصر [ ^{a ] إحدى} أبسط تقنيات التشفير وأكثرها شيوعًا في علم التشفير . وهي نوع من أنواع شيفرة الاستبدال ، حيث يُستبدل كل حرف في النص الأصلي بحرف آخر يبعد عنه عددًا ثابتًا من المواضع على طول الأبجدية . على سبيل المثال، مع إزاحة لليسار بمقدار 3، يُستبدل الحرف D بالحرف A ، والحرف E بالحرف B ، وهكذا. ^{[ 1 ]} سُمّيت هذه الطريقة نسبةً إلى يوليوس قيصر ، الذي استخدمها في مراسلاته الخاصة.

غالبًا ما تُدمج خطوة التشفير التي تُنفذها شيفرة قيصر كجزء من أنظمة تشفير أكثر تعقيدًا، مثل شيفرة فيجنير ، ولا تزال تُستخدم في نظام ROT13 الحديث . وكما هو الحال مع جميع خوارزميات التشفير أحادية الأبجدية، فإن شيفرة قيصر سهلة الاختراق، ولا تُوفر في الممارسة العملية الحديثة أي أمان يُذكر للاتصالات .

يمكن تمثيل عملية التحويل بمحاذاة حرفين أبجديين؛ أما الشفرة فهي الحرف الأصلي مُزاحًا إلى اليسار أو اليمين بعدد معين من المواضع. على سبيل المثال، إليك شفرة قيصر باستخدام إزاحة إلى اليسار بمقدار 3 مواضع، وهو ما يعادل إزاحة إلى اليمين بمقدار 23 (يُستخدم مُعامل الإزاحة كمفتاح ) :

عند التشفير، يقوم الشخص بالبحث عن كل حرف من الرسالة في السطر "العادي" ويكتب الحرف المقابل في السطر "المشفر".

النص الأصلي: الثعلب البني السريع يقفز فوق الكلب الكسول النص المشفر: QEB NRFZH YOLTK CLU GRJMP LSBO QEB IXWV ALD

يتم فك التشفير بشكل عكسي، مع إزاحة لليمين بمقدار 3.

يمكن أيضًا تمثيل التشفير باستخدام الحساب النمطي عن طريق تحويل الأحرف أولاً إلى أرقام، وفقًا للمخطط التالي: A → 0، B → 1، ...، Z → 25. ^{[ 2 ]} يمكن وصف تشفير الحرف x بإزاحة n رياضيًا على النحو التالي: ^{[ 3 ] [ 4 ]}

${\displaystyle E_{n}(x)=(x+n)\mod {26}.}$

يتم فك التشفير بطريقة مماثلة:

${\displaystyle D_{n}(x)=(xn)\mod {26}.}$

(هنا، يشير "mod" إلى عملية باقي القسمة . القيمة x تقع في النطاق من 0 إلى 25، ولكن إذا لم تكن x + n أو x − n في هذا النطاق، فيجب إضافة أو طرح 26.)

يظل الاستبدال كما هو في جميع أنحاء الرسالة، لذلك يتم تصنيف الشفرة على أنها نوع من الاستبدال أحادي الأبجدية ، على عكس الاستبدال متعدد الأبجدية .

سُميت شيفرة قيصر نسبةً إلى يوليوس قيصر ، الذي استخدمها، وفقًا للمؤرخ الروماني سويتونيوس ، بإزاحة مقدارها ثلاثة ( حيث يتحول الحرف A إلى D عند التشفير، والعكس صحيح عند فك التشفير) لحماية الرسائل ذات الأهمية العسكرية. ^{[ 5 ] [ 6 ]} وبينما كان استخدام قيصر لهذه الشيفرة أول استخدام مُسجل لها، فمن المعروف أن هناك شيفرات استبدال أخرى كانت موجودة قبل ذلك. ^{[ 7 ] [ 8 ]} يذكر سويتونيوس أن ابن أخيه، أغسطس ، استخدم الشيفرة بإزاحة مقدارها واحد إلى اليمين، لكنها لم تكن تلتف إلى بداية الأبجدية اللاتينية ، بل استبدلت الحرف Z بالحرفين AA . ^{[ 5 ] [ 9 ]} توجد أدلة على أن قيصر استخدم أيضًا أنظمة أكثر تعقيدًا. ^{[ 5 ]} يشير النحوي أولوس جيليوس إلى رسالة (مفقودة الآن) حول شيفراته.

"بل إن هناك رسالة مكتوبة ببراعة إلى حد ما من قبل النحوي بروبوس تتعلق بالمعنى السري للأحرف في تأليف رسائل قيصر."

لا يُعرف مدى فعالية شيفرة قيصر في ذلك الوقت، إذ لا توجد سجلات لتقنيات معاصرة لحل شفرات الاستبدال البسيطة. وتعود أقدم السجلات الباقية إلى أعمال الكندي في القرن التاسع الميلادي في العالم العربي ، مع اكتشاف تحليل التردد . ^{[ 10 ]}

يُعثر أحيانًا على نص مُشفّر بنسخة عبرية من شيفرة قيصر (لا تُخلط مع شيفرة أتباش ) على ظهر لفائف الميزوزا اليهودية . عند استبدال كل حرف بالحرف الذي يسبقه في الأبجدية العبرية ، يُقرأ النص " يهوه ، إلهنا، يهوه"، وهو اقتباس من اللفافة. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

تستخدم شيفرة فيجنير شيفرة قيصر مع إزاحة مختلفة في كل موضع من النص؛ وتُحدد قيمة الإزاحة باستخدام كلمة مفتاحية متكررة. ^{[ 13 ]} تُدخل الكلمات المفتاحية المتكررة (مثل عبارة " انتصار كامل " التي استخدمها الكونفدراليون خلال الحرب الأهلية الأمريكية ) نمطًا دوريًا يمكن اكتشافه باستخدام تحليل الترددات المتقدم إحصائيًا. ^{[ 14 ]} ( انظر على سبيل المثال: عدّ المصادفات ) . إذا كانت الكلمة المفتاحية بنفس طول الرسالة، وتم اختيارها عشوائيًا ، ولم تُعرف لأي شخص آخر، ولم يُعاد استخدامها، فإنها تُسمى شيفرة المفتاح لمرة واحدة ، والتي يستحيل كسرها تشفيريًا. ومع ذلك، فإن المشاكل المتعلقة بتوزيع مثل هذا المفتاح تجعل استخدام شيفرة المفتاح لمرة واحدة صعبًا عمليًا.

في القرن التاسع عشر، كان قسم الإعلانات الشخصية في الصحف يُستخدم أحيانًا لتبادل الرسائل المشفرة باستخدام أنظمة تشفير بسيطة. يصف ديفيد كان (1967) في صحيفة التايمز حالاتٍ لعشاقٍ يتبادلون اتصالاتٍ سرية مشفرة باستخدام شيفرة قيصر . ^{[ 15 ]} وحتى عام 1915، خلال الحرب العالمية الأولى ، استخدم الجيش الروسي شيفرة قيصر كبديلٍ للشفرات الأكثر تعقيدًا التي ثبت صعوبة إتقانها على جنودهم؛ ولم يجد محللو الشفرات الألمان والنمساويون صعوبةً تُذكر في فك تشفير رسائلهم. ^{[ 16 ]}

في أبريل 2006، أُلقي القبض على زعيم المافيا الهارب برناردو بروفنزانو في صقلية، ويعود ذلك جزئيًا إلى فك تشفير بعض رسائله المكتوبة بشكل غير متقن باستخدام نسخة معدلة من شيفرة قيصر. كانت شيفرة بروفنزانو تعتمد على الأرقام، بحيث يُكتب الحرف "أ" على أنه "4"، والحرف "ب" على أنه "5"، وهكذا. ^{[ 17 ]}

في عام 2011، أُدين راجيب كريم، الموظف في الخطوط الجوية البريطانية، بتهم تتعلق بالإرهاب بعد استخدامه شيفرة قيصر للتواصل مع ناشطين جهاديين بنغلاديشيين لمناقشة مخططات لتفجير طائرات الشركة أو تعطيل أنظمتها التقنية. ورغم امتلاك الطرفين تقنيات تشفير أفضل بكثير (إذ استخدم كريم نفسه برنامج PGP لتخزين البيانات)، فقد اختارا استخدام نظامهما الخاص المُنفذ في برنامج مايكروسوفت إكسل ، رافضين برنامجًا أكثر تطورًا يُدعى " أسرار المجاهدين " لأن " الكفار " يعرفونه، وبالتالي فهو أقل أمانًا. ^{[ 18 ]}

تُستخدم شيفرة قيصر اليوم في ألعاب الأطفال، مثل حلقات فك الشفرات السرية . كما تُستخدم إزاحة قيصر بمقدار ثلاثة عشر في شيفرة ROT13 ، وهي طريقة بسيطة لإخفاء النصوص شائعة الاستخدام على يوزنت، وتُستخدم لإخفاء النصوص (مثل نهايات النكات وتفاصيل الأحداث ) ، ولكنها لا تُستخدم بشكل جدي كطريقة تشفير. ^{[ 19 ]}

يمكن فك تشفير قيصر بسهولة حتى في حالة استخدام النص المشفر فقط . نظرًا لوجود عدد محدود من التحويلات الممكنة (25 في اللغة الإنجليزية)، يستطيع المهاجم شن هجوم بالقوة الغاشمة عن طريق فك تشفير الرسالة، أو جزء منها، باستخدام كل تحويل ممكن. سيكون فك التشفير الصحيح هو الذي يتوافق مع لغة النص الأصلي. ^{[ 20 ]} يظهر مثال على اليمين للنص المشفر " exxegoexsrgi "؛ النص الأصلي المرشح للتحويل الرابع، " attackatonce "، هو الوحيد الذي يتوافق مع اللغة الإنجليزية. نوع آخر من هجمات القوة الغاشمة هو كتابة الأبجدية أسفل كل حرف من حروف النص المشفر، بدءًا من ذلك الحرف. مرة أخرى، فك التشفير الصحيح هو الذي يتوافق مع اللغة الإنجليزية. تُعرف هذه التقنية أحيانًا باسم "إكمال المكون الأصلي". ^{[ 21 ] [ 22 ]}

ثمة نهج آخر يتمثل في مطابقة التوزيع التكراري للأحرف. فمن خلال رسم ترددات الأحرف في النص المشفر، ومعرفة التوزيع المتوقع لتلك الأحرف في اللغة الأصلية للنص الصريح، يستطيع الإنسان بسهولة تحديد قيمة الإزاحة من خلال النظر إلى تغيرات خصائص معينة في الرسم البياني. يُعرف هذا بتحليل التردد . على سبيل المثال، في اللغة الإنجليزية، تتميز ترددات الأحرف E و T (الأكثر تكرارًا عادةً) و Q و Z (الأقل تكرارًا عادةً) في النص الصريح بشكل خاص. ^{[ 23 ]} يمكن للحواسيب أتمتة هذه العملية من خلال تقييم التشابه بين التوزيع التكراري الملاحظ والتوزيع المتوقع. ويمكن تحقيق ذلك، على سبيل المثال، باستخدام إحصائية مربع كاي ^{[ 24 ]} أو عن طريق تقليل مجموع مربعات الأخطاء بين التوزيعات اللغوية الملاحظة والمعروفة. ^{[ 25 ]}

تبلغ مسافة التفرد لشفرة قيصر حوالي 2، مما يعني أنه في المتوسط، يلزم حرفان على الأقل من النص المشفر لتحديد المفتاح. ^{[ 26 ]} في حالات نادرة، قد يلزم نص أكثر. على سبيل المثال، يمكن تحويل كلمتي " نهر " و" ساحة " إلى بعضهما البعض باستخدام إزاحة قيصر، مما يعني أنه يمكنهما إنتاج نفس النص المشفر بإزاحات مختلفة. ومع ذلك، عمليًا، يمكن العثور على المفتاح بشكل شبه مؤكد باستخدام 6 أحرف على الأقل من النص المشفر. ^{[ 27 ]}

باستخدام شيفرة قيصر، لا يوفر تشفير النص عدة مرات أي أمان إضافي. ذلك لأن عمليتي تشفير، على سبيل المثال، باستخدام الإزاحة A والإزاحة B، ستكونان مكافئتين لعملية تشفير واحدة باستخدام الإزاحة A + B. رياضياً، تشكل مجموعة عمليات التشفير تحت كل مفتاح ممكن زمرةً تحت التركيب . ^{[ 28 ]}

• Scytale – أداة تشفير تُستخدم لتنفيذ تشفير التبديل 

• كان، ديفيد (1996). كاسرو الشفرات: قصة الكتابة السرية (  طبعة منقحة). نيويورك. ISBN 0-684-83130-9. OCLC 35159231 . {{cite book}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
• كريس سافاريس وبريان هارت، شيفرة قيصر ، كلية ترينيتي ، 1999

• باور، فريدريش لودفيج (2000). الأسرار المفككة: مناهج وقواعد علم التشفير (الطبعة الثانية والموسعة  ). برلين: سبرينغر. ISBN 3-540-66871-3. OCLC 43063275 . 

برنامج تشفير وفك تشفير شفرة قيصر – أداة تفاعلية مجانية

• وايسشتاين، إريك دبليو. "طريقة قيصر" . عالم الرياضيات .
• مُشفِّر شيفرة قيصر على كريبتي