تشفير المربعات الأربعة

التشفير الرباعي هو تقنية تشفير متناظرة يدوية . ^{[ 1 ]} وقد اخترعه عالم التشفير الفرنسي فيليكس ديلاستيل .

تُشفّر هذه التقنية أزواجًا من الأحرف ( ثنائيات الأحرف )، وتندرج ضمن فئة من التشفير تُعرف بتشفير الاستبدال متعدد الأحرف . يُضفي هذا قوةً كبيرةً على التشفير مقارنةً بتشفير الاستبدال أحادي الأحرف الذي يعمل على الأحرف المفردة. استخدام ثنائيات الأحرف يجعل تقنية المربعات الأربعة أقل عرضةً لهجمات تحليل التردد ، إذ يجب إجراء التحليل على 676 ثنائية أحرف مُحتملة بدلًا من 26 ثنائية فقط في حالة الاستبدال أحادي الأحرف. تحليل تردد ثنائيات الأحرف ممكن، ولكنه أكثر صعوبةً بكثير، ويتطلب عادةً نصًا مُشفّرًا أكبر بكثير ليكون مُفيدًا.

تستخدم شيفرة المربعات الأربعة أربع مصفوفات 5×5 مرتبة على شكل مربع. تحتوي كل مصفوفة من هذه المصفوفات على حروف الأبجدية (عادةً ما يُحذف حرف "Q" أو يُوضع الحرفان "I" و"J" في نفس الموضع لتقليص عدد الحروف). بشكل عام، تُعتبر المصفوفتان العلوية اليسرى والسفلية اليمنى "مربعات النص الأصلي" وتحتوي كل منهما على أبجدية قياسية . أما المصفوفتان العلوية اليمنى والسفلية اليسرى فتُعتبران "مربعات النص المشفر" وتحتويان على تسلسل أبجدي مختلط.

لإنشاء مربعات النص المشفر، تُملأ الفراغات في المصفوفة أولًا بأحرف كلمة مفتاحية أو عبارة (مع حذف أي أحرف مكررة)، ثم تُملأ الفراغات المتبقية ببقية أحرف الأبجدية بالترتيب (مع حذف حرف "Q" مرة أخرى لتقليص الأبجدية لتناسب الجدول). يمكن كتابة المفتاح في الصفوف العلوية من الجدول، من اليسار إلى اليمين، أو بنمط آخر، مثل حلزون يبدأ من الزاوية العلوية اليسرى وينتهي في المنتصف. تُشكل الكلمة المفتاحية مع قواعد ملء الجدول 5×5 مفتاح التشفير. تسمح خوارزمية المربعات الأربعة بمفتاحين منفصلين، واحد لكل من مصفوفتي النص المشفر.

كمثال، إليك مصفوفات المربعات الأربعة للكلمتين المفتاحيتين "example" و"keyword". مصفوفات النص الأصلي مكتوبة بأحرف صغيرة، ومصفوفات النص المشفر مكتوبة بأحرف كبيرة لجعل هذا المثال أكثر وضوحًا:

مثال abcde fghij LBCDF klmno GHIJK برستو نورث vwxyz UVWYZ   مفتاح abcde RDABC fghij FGHIJ klmno LMNPS prstu TUVXZ vwxyz

لتشفير رسالة، يمكن اتباع الخطوات التالية:

• قسّم رسالة الحمولة إلى ثنائيات حروف. ( تصبح HELLO WORLD هي HE LL OW أو LD )
• ابحث عن الحرف الأول في الرسم البياني المزدوج في مصفوفة النص العادي الموجودة في الزاوية العلوية اليسرى.

مثال abcde fg h ij LBCDF klmno GHIJK برستو نورث vwxyz UVWYZ   مفتاح abcde RDABC fghij FGHIJ klmno LMNPS prstu TUVXZ vwxyz

• ابحث عن الحرف الثاني في الرسم البياني المزدوج في مصفوفة النص الأصلي في أسفل اليمين.

مثال abcde fg h ij LBCDF klmno GHIJK برستو نورث vwxyz UVWYZ   مفتاح abcd e RDABC fghij FGHIJ klmno LMNPS prstu TUVXZ vwxyz

• الحرف الأول من الرسم البياني المشفر يقع في نفس صف الحرف الأول من النص الأصلي وفي نفس عمود الحرف الثاني من النص الأصلي. ولذلك فهو موجود في الجزء العلوي الأيمن من مصفوفة النص المشفر.

مثال abcde fg h ij LBCD F klmno GHIJK برستو نورث vwxyz UVWYZ   مفتاح abcd e RDABC fghij FGHIJ klmno LMNPS prstu TUVXZ vwxyz

• الحرف الثاني من الرسم البياني المشفر يقع في نفس صف الحرف الثاني من النص الأصلي وفي نفس عمود الحرف الأول منه. ولذلك، فهو موجود في مصفوفة النص المشفر في الزاوية السفلية اليسرى.

مثال abcde fg h ij LBCD F klmno GHIJK برستو نورث vwxyz UVWYZ   KE Y WO abcd e RDABC fghij FGHIJ klmno LMNPS prstu TUVXZ vwxyz

باستخدام مثال المربعات الأربعة المذكور أعلاه، يمكننا تشفير النص العادي التالي:

نص عادي: لقد lp me ob iw an ke no bi النص المشفر: FY GM KY HO BX MF KK KI MD

إليكم المربع الرباعي مكتوبًا مرة أخرى ولكن مع حذف جميع القيم التي لا تُستخدم لتشفير الحرف الثنائي الأول "he" إلى "FY".

- - - - - - - - - - - - h - - - - - - F - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -   - - Y - - - - - - e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

كما هو واضح، تعتمد طريقة التشفير ببساطة على إيجاد الزاويتين الأخريين لمستطيل مُحدد بحرفي النص الأصلي. والحرف المُشفّر هو ببساطة الحرفان الموجودان في الزاويتين الأخريين، مع وضع الحرف العلوي الأيمن أولاً.

تتم عملية فك التشفير بنفس الطريقة، ولكن بشكل عكسي. يُقسّم الرسم البياني المشفر بحيث يوضع الحرف الأول في المصفوفة العلوية اليمنى، والحرف الثاني في المصفوفة السفلية اليسرى. ثم تُحدد الزوايا الأخرى للمستطيل، والتي تمثل الرسم البياني للنص الأصلي، حيث يكون مكون المصفوفة العلوية اليسرى هو الأول.

كغيرها من معظم الشفرات القديمة، يمكن فك شفرة المربعات الأربعة بسهولة إذا توفرت كمية كافية من النص. ويُعدّ الحصول على المفتاح أمرًا يسيرًا نسبيًا إذا عُرف كل من النص الأصلي والنص المشفر. أما إذا عُرف النص المشفر فقط، فإن تحليل الشفرة باستخدام أسلوب التجربة والخطأ يتضمن البحث في فضاء المفاتيح عن تطابقات بين تكرار ظهور الثنائيات (أزواج الأحرف) وتكرار ظهورها المعروف في اللغة المفترضة للرسالة الأصلية.

يتضمن تحليل تشفير المربعات الأربعة عادةً مطابقة الأنماط في النصوص المتكررة. ويقتصر ذلك على معرفة مصفوفتي النص الأصلي. يستخدم تشفير المربعات الأربعة عادةً أبجديات قياسية في هاتين المصفوفتين، ولكن هذا ليس شرطًا. في هذه الحالة، ستُنتج بعض الكلمات دائمًا تكرارات أحادية الحرف في النص المشفر. على سبيل المثال، ستُنتج كلمة MI LI TA RY دائمًا الحرف نفسه في النص المشفر في الموضعين الأول والثالث بغض النظر عن الكلمات المفتاحية المستخدمة. يمكن فهرسة أنماط كهذه ومطابقتها مع التكرارات أحادية الحرف في النص المشفر. بعد ذلك، يمكن إدخال نص أصلي مُرشح في محاولة لكشف مصفوفات النص المشفر.

على عكس شيفرة بلايفير ، لا تُظهر شيفرة المربعات الأربعة الحروف المركبة المعكوسة في النص المشفر عند عكس الحروف المركبة في النص الأصلي (على سبيل المثال، تُشفّر الحروف المركبة AB BA إلى نمط XY YX في بلايفير، ولكن ليس في المربعات الأربعة). وهذا صحيح فقط إذا كانت الكلمتان المفتاحيتان مختلفتين. ومن الفروق الأخرى بين المربعات الأربعة وبلايفير، والتي تجعل المربعات الأربعة تشفيرًا أقوى، هو ظهور الحروف المركبة المزدوجة في النص المشفر للمربعات الأربعة.

بكل المقاييس، يُعد نظام التشفير الرباعي أقوى من نظام بلايفير لتشفير المعلومات. مع ذلك، فهو أكثر تعقيدًا نظرًا لاستخدامه مفتاحين، وقد يستغرق إعداد ورقة التشفير/فك التشفير وقتًا طويلاً. ونظرًا لأن الزيادة في قوة التشفير التي يوفرها نظام التشفير الرباعي مقارنةً بنظام بلايفير طفيفة، ولأن كلا النظامين يُمكن اختراقهما بسهولة إذا توفر نص مشفر كافٍ، فقد أصبح نظام بلايفير أكثر شيوعًا.

يمكن العثور على شرح جيد حول إعادة بناء مفتاح التشفير الرباعي في الفصل 7، "حل أنظمة الاستبدال متعددة الأحرف"، من الدليل الميداني 34-40-2 ، الذي أصدره جيش الولايات المتحدة.

• مواضيع في علم التشفير