التشفير (علم التشفير)

في علم التشفير ، الشفرة هي طريقة تُستخدم لتشفير رسالة تعمل على مستوى المعنى؛ أي أن الكلمات أو العبارات تُحوّل إلى شيء آخر. على سبيل المثال، قد تُحوّل الشفرة كلمة "change" إلى "CVGDK" أو "cocktail lounge". عرّفت وكالة الأمن القومي الأمريكية الشفرة بأنها "نظام تشفير استبدالي تكون فيه عناصر النص الأصلي في الأساس كلمات أو عبارات أو جمل، بينما تتكون مكافئات الشفرة (وتُسمى "مجموعات الشفرة") عادةً من حروف أو أرقام (أو كليهما) في تركيبات لا معنى لها ذات طول متطابق." ^{[ 1 ] : المجلد الأول، ص 12.} يلزم وجود دليل شفرات لتشفير وفك تشفير العبارات أو الكلمات.

على النقيض من ذلك، تشفر الشفرات الرسائل على مستوى الأحرف المفردة، أو مجموعات صغيرة من الأحرف، أو حتى، في الشفرات الحديثة، على مستوى البتات المفردة . يمكن تحويل الرسائل أولاً بواسطة رمز، ثم بواسطة شفرة. ^{[ 2 ]} يهدف هذا التشفير المتعدد ، أو "التشفير الفائق"، إلى جعل تحليل الشفرات أكثر صعوبة.

ثمة مقارنة أخرى بين الشفرات والرموز، وهي أن الشفرة عادةً ما تُمثل حرفًا أو مجموعة أحرف مباشرةً دون استخدام الرياضيات. ولذلك، تُهيأ الأرقام لتمثيل هذه القيم الثلاث: 1001 = A، 1002 = B، 1003 = C، ... وبالتالي، تكون الرسالة الناتجة 1001 1002 1003 للتعبير عن ABC. أما الشفرات، فتستخدم صيغة رياضية لتمثيل الأحرف أو مجموعات الأحرف. على سبيل المثال، A = 1، B = 2، C = 3، ... وبالتالي، تنتج الرسالة ABC بضرب قيمة كل حرف في 13. وتكون الرسالة ABC حينها 13 26 39.

تتضمن الشفرات مجموعة متنوعة من العيوب، بما في ذلك قابليتها للتحليل التشفيري وصعوبة إدارة دفاتر الشفرات المرهقة ، لذلك أصبحت الشفرات الآن هي التقنية السائدة في علم التشفير الحديث.

على النقيض من ذلك، ولأن الشفرات تمثيلية، فهي لا تخضع للتحليل الرياضي لعناصر دفتر الشفرات الفردية. في المثال، يمكن فك تشفير الرسالة 13 26 39 بقسمة كل رقم على 13 ثم ترتيبها أبجديًا. مع ذلك، يركز تحليل الشفرات على التكرار النسبي لعناصر الشفرة الفردية مقارنةً بتكرار الأحرف في الرسائل النصية باستخدام تحليل التكرار . في المثال السابق، قد تتكرر مجموعة الشفرات 1001، 1002، 1003 أكثر من مرة، وقد يتطابق هذا التكرار مع عدد مرات ظهور الأحرف ABC في الرسائل النصية.

(في الماضي، أو في السياقات غير التقنية، غالبًا ما يتم استخدام مصطلحي "الرمز" و "التشفير" للإشارة إلى أي شكل من أشكال التشفير ).

تُعرَّف الرموز بواسطة "دفاتر الرموز" (المادية أو الافتراضية)، وهي عبارة عن قواميس لمجموعات الرموز مُدرجة مع نصوصها الأصلية المقابلة. في الأصل، كانت مجموعات الرموز مُرتبة حسب ترتيب النص الأصلي لتسهيل تصميم الرمز أو عملية التشفير. على سبيل المثال، في رمز يستخدم مجموعات رموز رقمية، فإن الكلمة الأصلية التي تبدأ بالحرف "a" تُصنَّف ضمن مجموعة ذات قيمة منخفضة، بينما الكلمة التي تبدأ بالحرف "z" تُصنَّف ضمن مجموعة ذات قيمة عالية. يُمكن استخدام دفتر الرموز نفسه لترميز رسالة نصية أصلية إلى رسالة مُرمَّزة أو "نص مُرمَّز"، وفك ترميز النص المُرمَّز مرة أخرى إلى رسالة نصية أصلية.

لزيادة صعوبة مهمة فك الشفرات، صمم واضعو الشفرات رموزًا لا ترتبط فيها مجموعات الرموز بترتيب النص الأصلي المطابق لها. عمليًا، استلزم ذلك وجود دليلين للشفرات، أحدهما للعثور على مجموعات الرموز للتشفير، والآخر للبحث عن مجموعات الرموز للعثور على النص الأصلي لفك التشفير. تطلبت هذه الشفرات "ذات الجزأين" جهدًا أكبر في التطوير، وضعف الجهد في التوزيع (والتخلص منها بأمان عند استبدالها)، لكنها كانت أصعب في الاختراق. استخدمت برقية زيمرمان في يناير 1917 نظام الشفرة الدبلوماسية الألمانية "0075" ذي الجزأين، والذي احتوى على أكثر من 10000 عبارة وكلمة. ^{[ 3 ]}

الرمز ذو الاستخدام الواحد هو كلمة أو عبارة أو رمز مُتفق عليه مسبقًا، يُستخدم مرة واحدة فقط لنقل رسالة بسيطة، غالبًا ما تكون إشارة لتنفيذ خطة أو إلغائها، أو لتأكيد نجاحها أو فشلها. تُصمم هذه الرموز عادةً لتُدمج في محادثات تبدو بريئة. عند استخدامها بشكل صحيح، يكاد يكون من المستحيل اكتشافها، مع ذلك، قد يتمكن محلل مُدرّب يُراقب اتصالات شخص أثار الشكوك من تمييز تعليق مثل "العمة بيرثا بدأت المخاض" باعتباره يحمل دلالة مشؤومة. من الأمثلة الشهيرة على الرموز ذات الاستخدام الواحد:

• في الكتاب المقدس، يتفق يوناثان مع داود ، الذي كان ينوي الاختباء من والد يوناثان، الملك شاول، على سرٍّ. فإذا قال يوناثان للخادم الذي يجمع السهام أثناء تدريب الرماية: "السهام من هنا"، فسيعود داود إلى البلاط بأمان؛ أما إذا قال: "السهام وراءك"، فعليه الفرار. ^{[ 4 ]}
• "واحد إذا كان براً؛ اثنان إذا كان بحراً" في قصيدة " رحلة بول ريفير " التي اشتهرت بفضل هنري وادزورث لونغفيلو
• "اصعدوا جبل نيتاكا" - الإشارة للطائرات اليابانية لبدء الهجوم على بيرل هاربور
• خلال الحرب العالمية الثانية، دأبت هيئة الإذاعة البريطانية ( BBC) في بثها الخارجي على تضمين " رسائل شخصية " ضمن جدول برامجها الاعتيادي. كانت هذه الرسائل، التي تبدو غير مفهومة للوهلة الأولى، عبارة عن رموز مشفرة تُقرأ لمرة واحدة، موجهة لعملاء إدارة العمليات الخاصة (SOE) العاملين خلف خطوط العدو. ومن الأمثلة على ذلك: "الأميرة ترتدي حذاءً أحمر" أو "قطة ميمي نائمة تحت الطاولة". وكانت كل رسالة مشفرة تُقرأ مرتين. وبهذه الطريقة، أُمرت المقاومة الفرنسية ببدء تخريب خطوط السكك الحديدية ووسائل النقل الأخرى ليلة يوم الإنزال .
• كانت عبارة "السماء صافية في جميع أنحاء إسبانيا" إشارة (تم بثها عبر الراديو) لبدء الثورة العسكرية القومية في إسبانيا في 17 يوليو 1936.

أحيانًا لا تكون الرسائل مُرتبة مسبقًا، بل تعتمد على معرفة مشتركة، يُفترض أنها لا يعرفها إلا المُتلقّون. ومن الأمثلة على ذلك البرقية التي أُرسلت إلى الرئيس الأمريكي هاري ترومان ، الذي كان حينها في مؤتمر بوتسدام للقاء الزعيم السوفيتي جوزيف ستالين ، لإبلاغه بأول تجربة ناجحة لقنبلة ذرية .

أُجريت العملية صباح اليوم. لم يكتمل التشخيص بعد، لكن النتائج تبدو مُرضية وتتجاوز التوقعات. من الضروري إصدار بيان صحفي محلي نظراً لاهتمام واسع النطاق. الدكتور غروفز مسرور. سيعود غداً. سأُطلعكم على آخر المستجدات.

الشفرة الغبية هي شفرة تُنشأ من قِبل الأطراف التي تستخدمها. يشبه هذا النوع من التواصل الإشارات اليدوية التي تستخدمها الجيوش في الميدان.

مثال: أي جملة تُستخدم فيها كلمتا "نهار" و"ليل" تعني "هجوم". الموقع المذكور في الجملة التالية يُحدد الموقع الذي سيتم الهجوم عليه.

• النص الأصلي: الهجوم X.
• النص البرمجي: سرنا ليلاً ونهاراً في الشوارع لكننا لم نجده! غداً سنتوجه إلى X.

يبدو أن الاستخدام المبكر لهذا المصطلح كان من قبل جورج بيرو، وهي شخصية في كتاب الخيال العلمي " الجمعة " ^{[ 5 ]} لروبرت أ. هاينلاين :

أبسط أنواع [الشفرات]، وبالتالي يستحيل فكها. أخبر الإعلان الأول الشخص أو الأشخاص المعنيين بتنفيذ الرقم سبعة، أو توقع الرقم سبعة، أو ذكر شيئًا ما يتعلق بشيء يُرمز له بالرقم سبعة. وهذا الإعلان يقول الشيء نفسه بخصوص العنصر العاشر من الشفرة. لكن لا يمكن استنتاج معنى الأرقام من خلال التحليل الإحصائي، لأن الشفرة قابلة للتغيير قبل الوصول إلى مجموعة إحصائية مفيدة. إنها شفرة غبية... والشفرة الغبية لا يمكن فكها أبدًا إذا كان المستخدم حكيمًا بما يكفي لعدم الإفراط في استخدامها.

قال خبير مكافحة الإرهاب ماغنوس رانستورب إن الرجال الذين نفذوا هجمات 11 سبتمبر على الولايات المتحدة استخدموا البريد الإلكتروني الأساسي وما يسميه "شفرة الغباء" لمناقشة خططهم. ^{[ 6 ]}

على الرغم من سهولة حلّ شيفرة الاستبدال أحادية الأبجدية ، إلا أن حلّ حتى أبسط أنواع الشيفرة يُعدّ صعباً. يُشبه فكّ تشفير رسالة مُشفّرة محاولة ترجمة وثيقة مكتوبة بلغة أجنبية، حيث تتلخص المهمة أساساً في بناء "قاموس" لمجموعات الشيفرة والكلمات الأصلية التي تُمثّلها.

إحدى نقاط الضعف في فك شفرة بسيطة هي شيوع بعض الكلمات أكثر من غيرها، مثل "the" أو "a" في اللغة الإنجليزية. في الرسائل التلغرافية، عادةً ما تكون مجموعة رموز "STOP" (أي نهاية الجملة أو الفقرة) شائعة جدًا. يساعد هذا في تحديد بنية الرسالة من حيث الجمل، إن لم يكن معناها، وهو أمر مفيد في تحليل الشفرات.

يمكن إحراز مزيد من التقدم في مواجهة رمز معين من خلال جمع العديد من النصوص المشفرة بنفس الرمز، ثم استخدام المعلومات من مصادر أخرى.

• جواسيس
• الصحف
• أحاديث حفلات الكوكتيل الدبلوماسية
• الموقع الذي أُرسلت منه الرسالة
• إلى أين يتم إرسالها (أي تحليل حركة المرور )
• وقت إرسال الرسالة،
• الأحداث التي وقعت قبل وبعد إرسال الرسالة
• العادات الطبيعية للأشخاص الذين يرسلون الرسائل المشفرة
• إلخ.

على سبيل المثال، قد تشير مجموعة رموز معينة، موجودة حصرياً تقريباً في رسائل جيش معين دون غيره، إلى قائد ذلك الجيش. كما أن مجموعة رموز تظهر في رسائل تسبق هجوماً على موقع معين قد تدل على ذلك الموقع نفسه.

يمكن أن تكشف الرموز المختصرة عن تعريفات مجموعات الرموز بشكل مباشر. ومع تحديد مجموعات الرموز، تتراكم تدريجيًا لتشكل كتلة حرجة، حيث يتم الكشف عن المزيد والمزيد من مجموعات الرموز من خلال السياق والتخمين المدروس. وتكون الرموز البسيطة المكونة من جزء واحد أكثر عرضة لهذا التخمين المدروس من الرموز المكونة من جزأين، لأنه إذا تم تحديد أن الرقم الرمزي "26839" لرمز مكون من جزء واحد يرمز إلى "جرافة"، فمن المرجح أن يرمز الرقم الرمزي الأدنى "17598" إلى كلمة نصية تبدأ بالحرف "أ" أو "ب".

يمكن استخدام حيل متنوعة لزرع أو "زرع" معلومات في رسالة مشفرة، على سبيل المثال، بتنفيذ غارة في وقت ومكان محددين ضد عدو، ثم فحص الرسائل المشفرة المرسلة بعد الغارة. تُعد أخطاء البرمجة مدخلاً مفيداً للغاية لفك الشفرات؛ فالبشر يرتكبون أخطاءً بشكل متكرر، وأحياناً تكون كارثية. كما أن زرع البيانات واستغلال الأخطاء يُجدي نفعاً ضد الشفرات أيضاً.

• إنّ أبسط الطرق وأكثرها وضوحًا، من حيث المبدأ على الأقل، لفكّ الشفرة هي سرقة دليل الشفرات عن طريق الرشوة أو السرقة أو مداهمة المنازل - وهي إجراءات تُوصف أحيانًا بعبارة "التشفير العملي" - وهذا يُعدّ نقطة ضعف لكلٍّ من الشفرات والرموز المشفرة، مع العلم أنّ أدلة الشفرات عادةً ما تكون أكبر حجمًا وتُستخدم لفترة أطول من مفاتيح التشفير . وبينما قد يكون من الصعب كسر شفرة جيدة مقارنةً بفكّ تشفير، فإنّ الحاجة إلى كتابة أدلة الشفرات وتوزيعها تُشكّل عبئًا كبيرًا.

إنّ بناء شفرة جديدة أشبه ببناء لغة جديدة وكتابة قاموس لها؛ وقد كان هذا العمل بالغ الصعوبة قبل ظهور الحواسيب. فإذا ما تم اختراق الشفرة، يجب إعادة العمل من البداية، وهذا يعني جهداً كبيراً لكل من خبراء التشفير ومستخدمي الشفرة. عملياً، عندما كانت الشفرات شائعة الاستخدام، كان يتم تغييرها دورياً لإحباط محاولات فك الشفرات، وللحد من العمر الافتراضي لدفاتر الشفرات المسروقة أو المنسوخة.

بمجرد إنشاء الشفرات، يصبح توزيع دليل الشفرات عملية معقدة لوجستيًا، مما يزيد من احتمالية اختراقها. هناك مقولة تقول: "يستطيع ثلاثة أشخاص حفظ سرٍّ إذا مات اثنان منهم" ( بنجامين فرانكلين - ويكي كوت )، ورغم أن هذه المقولة قد تكون مبالغة بعض الشيء، إلا أن حفظ السر يصبح أصعب إذا تم تداوله بين عدة أشخاص. يمكن اعتبار الشفرات آمنة نسبيًا إذا استخدمها عدد قليل من الأشخاص الحذرين، ولكن إذا استخدمت جيوش بأكملها دليل الشفرات نفسه، يصبح الحفاظ على أمنها أكثر صعوبة.

في المقابل، يعتمد أمان التشفير عمومًا على حماية مفاتيح التشفير. صحيح أن مفاتيح التشفير قابلة للسرقة ويمكن خداع الناس، إلا أنها أسهل بكثير في التغيير والتوزيع.

كان من الشائع تشفير الرسالة بعد تشفيرها أولاً، لزيادة صعوبة تحليلها. في حالة الشفرة الرقمية، كان يتم ذلك عادةً باستخدام "مُضاف" - وهو ببساطة رقم مفتاح طويل يُضاف رقمًا رقمًا إلى مجموعات الشفرة، بتردد 10. على عكس دفاتر الشفرات، كانت المضافات تُغيّر باستمرار. شفرة البحرية اليابانية الشهيرة، JN-25 ، كانت من هذا النوع.

• كان، ديفيد (1996). كاسرو الشفرات  : التاريخ الشامل للاتصالات السرية من العصور القديمة إلى الإنترنت . سكريبنر.
• بيكوفر، كليف (2000). كريبتورونز: الشفرات والكتابة السرية . بومغرانيت كوميونيكيشنز. ISBN 978-0-7649-1251-1.
• بوك، ديفيد ج. (يوليو 1973) [1966]. "الرموز" (ملف PDF) . تاريخ أمن الاتصالات الأمريكية؛ محاضرات ديفيد ج. بوك، المجلد الأول (طبعة مراجعة رفع السرية لعام 2015  ). فورت جورج ج. ميد، ماريلاند: وكالة الأمن القومي الأمريكية. الصفحات 21-32 . تاريخ الاسترجاع : 23 أبريل 2017 . 
• رموز الجيش الأمريكي الميدانية في القوات الاستكشافية الأمريكية خلال الحرب العالمية الأولى ، بقلم ويليام فريدمان، وزارة الحرب الأمريكية، يونيو 1942. يعرض العديد من الأمثلة في ملحقه، بما في ذلك "رمز البيسبول" (ص  254).

• شفرة
• الشفرة ، ومعناها الأكثر عمومية في مجال الاتصالات
• رمز الخندق
• JN-25
• برقية زيمرمان
• متحدثو الشفرة

• تتضمن هذه المقالة، أو نسخة سابقة منها، مواد من كتاب جريج جوبل " الرموز والشفرات وفك الشفرات" .