آلة دوارة
في علم التشفير ، تُعدّ آلة الدوّار جهاز تشفير كهروميكانيكي يُستخدم لتشفير الرسائل وفك تشفيرها. وقد مثّلت آلات الدوّار أحدث ما توصلت إليه تقنيات التشفير خلال معظم القرن العشرين، حيث شاع استخدامها من عشرينيات القرن العشرين وحتى سبعينياته. ولعلّ أشهر مثال على ذلك هو آلة إنجما الألمانية ، التي فكّ الحلفاء شفرة مخرجاتها خلال الحرب العالمية الثانية، مُنتجين بذلك معلومات استخباراتية تحمل الاسم الرمزي " ألترا" .
وصف
المكون الأساسي لآلة التشفير الدوارة هو مجموعة من الدوارات ، تُسمى أيضًا بالعجلات أو الأسطوانات ، وهي عبارة عن أقراص دوارة مزودة بمجموعة من نقاط التلامس الكهربائية على جانبيها. تُنفذ الأسلاك بين نقاط التلامس عملية استبدال ثابتة للأحرف، حيث يتم استبدالها بطريقة معقدة. في حد ذاتها، لا توفر هذه الطريقة سوى القليل من الأمان؛ إلا أنه قبل أو بعد تشفير كل حرف، تتقدم الدوارات في مواقعها، مما يُغير عملية الاستبدال. بهذه الطريقة، تُنتج آلة التشفير الدوارة شفرة استبدال أبجدية متعددة معقدة ، تتغير مع كل ضغطة زر.
خلفية
في علم التشفير الكلاسيكي ، كانت إحدى أقدم طرق التشفير هي تشفير الاستبدال البسيط ، حيث تُستبدل حروف الرسالة بشكل منهجي باستخدام نظام سري. [ 1 ] : 71 استخدمت تشفيرات الاستبدال أحادية الأبجدية نظام استبدال واحد فقط - يُطلق عليه أحيانًا "أبجدية"؛ وكان من السهل اختراقها، على سبيل المثال، باستخدام تحليل التردد . أما أنظمة التشفير متعددة الأبجديات، والتي تتضمن أبجديات متعددة ، فكانت أكثر أمانًا إلى حد ما . ونظرًا لأن هذه الأنظمة كانت تُنفذ يدويًا، لم يكن بالإمكان استخدام سوى عدد قليل من الأبجديات المختلفة؛ وأي شيء أكثر تعقيدًا كان غير عملي. ومع ذلك، فإن استخدام عدد قليل من الأبجديات جعل هذه التشفيرات عرضة للهجوم. أدى اختراع آلات الدوار إلى ميكنة التشفير متعدد الأبجديات، مما وفر طريقة عملية لاستخدام عدد أكبر بكثير من الأبجديات.
كانت تقنية تحليل التردد من أوائل تقنيات فك الشفرات ، حيث تُستخدم أنماط الحروف الفريدة لكل لغة لاكتشاف معلومات حول أبجدية الاستبدال المستخدمة في شفرة الاستبدال أحادية الأبجدية . [ 1 ] : 99-105 على سبيل المثال، في اللغة الإنجليزية، يسهل عادةً تحديد حروف النص الأصلي E وT وA وO وI وN وS في النص المشفر، نظرًا لتكرارها الكبير، وبالتالي تكرار حروفها المقابلة في النص المشفر. بالإضافة إلى ذلك، فإن تركيبات الثنائيات مثل NG وST وغيرها شائعة جدًا، بينما بعضها الآخر نادر جدًا (مثل Q متبوعًا بأي حرف آخر غير U). يعتمد أبسط تحليل للتردد على استبدال حرف واحد من النص المشفر دائمًا بحرف من النص الأصلي في الشفرة؛ فإذا لم يكن الأمر كذلك، يصبح فك تشفير الرسالة أكثر صعوبة. لسنوات عديدة، حاول خبراء التشفير إخفاء الترددات الدالة باستخدام عدة بدائل مختلفة للأحرف الشائعة، لكن هذه التقنية لم تتمكن من إخفاء الأنماط في بدائل أحرف النص الأصلي بشكل كامل. وبحلول القرن السادس عشر، بدأت هذه الأساليب تُكشف على نطاق واسع.
في منتصف القرن الخامس عشر، ابتكر ألبرتي تقنية جديدة تُعرف اليوم باسم التشفير متعدد الأبجديات ، والتي تُبرز أهمية استخدام أكثر من أبجدية استبدال واحدة. كما ابتكر تقنية بسيطة لإنشاء أنماط استبدال متعددة لاستخدامها في الرسالة. [ 1 ] : 125-130. يتبادل طرفان كمية صغيرة من المعلومات (تُسمى المفتاح ) ويستخدمانها لإنشاء العديد من أبجديات الاستبدال، وبالتالي العديد من الاستبدالات المختلفة لكل حرف من حروف النص الأصلي. الفكرة بسيطة وفعالة، ولكن تبين أنها أصعب استخدامًا مما كان متوقعًا. كانت العديد من الشفرات تطبيقات جزئية فقط لتقنية ألبرتي، ولذلك كان من الأسهل اختراقها مما كان يُعتقد (مثل شفرة فيجنير ).
لم تكن هناك تقنية معروفة لفك أي من الشفرات متعددة الأبجديات بشكل موثوق حتى أربعينيات القرن التاسع عشر (باباج). اعتمدت تقنيته أيضًا على البحث عن أنماط متكررة في النص المشفر ، والتي توفر أدلة حول طول المفتاح. وبمجرد معرفة ذلك، تصبح الرسالة سلسلة من الرسائل، كل منها بطول المفتاح، والتي يمكن تطبيق تحليل التردد المعتاد عليها. يُعد تشارلز باباج ، وفريدريك كاسيسكي ، وويليام فريدمان من أبرز من ساهموا في تطوير هذه التقنيات.
حاول مصممو الشفرات حث المستخدمين على استخدام بديل مختلف لكل حرف، لكن هذا كان يعني عادةً مفتاحًا طويلًا جدًا، مما شكل مشكلة من عدة جوانب. فالمفتاح الطويل يستغرق وقتًا أطول لنقله (بأمان) إلى الأطراف المعنية، وبالتالي تزداد احتمالية حدوث أخطاء في توزيع المفاتيح. كما أن العديد من المستخدمين لا يملكون الصبر الكافي لإجراء عمليات تشفير مطولة ودقيقة حرفًا حرفًا، وبالتأكيد ليس تحت ضغط الوقت أو ضغوط ساحة المعركة. تتمثل الشفرة "المثالية" من هذا النوع في تلك التي يمكن فيها توليد مثل هذا المفتاح "الطويل" من نمط بسيط (ويُفضل أن يكون ذلك تلقائيًا)، مما ينتج عنه شفرة تحتوي على عدد هائل من أبجديات الاستبدال ، بحيث يصبح حساب الترددات والهجمات الإحصائية أمرًا شبه مستحيل. كانت شفرة إنجما، وآلات الدوار عمومًا، هي الحل الأمثل، نظرًا لقدرتها على استخدام أبجديات متعددة، حيث تستخدم أبجدية استبدال مختلفة لكل حرف من النص الأصلي، ولأنها آلية، ولا تتطلب أي قدرات استثنائية من مستخدميها. وكانت رسائلها، بشكل عام، أصعب بكثير في فكها من أي شفرات سابقة.
الميكنة
من السهل تصميم آلة لإجراء استبدال بسيط. في نظام كهربائي مزود بـ ٢٦ مفتاحًا موصولة بـ ٢٦ مصباحًا، سيؤدي أي مفتاح إلى إضاءة أحد المصابيح. إذا تم تشغيل كل مفتاح بواسطة زر على آلة كاتبة ، وكانت المصابيح مُرقمة بأحرف، فيمكن استخدام هذا النظام للتشفير عن طريق اختيار التوصيلات الكهربائية بين المفاتيح والمصباح: على سبيل المثال، كتابة الحرف " أ" ستؤدي إلى إضاءة المصباح المُرقم "ق" . مع ذلك، فإن التوصيلات الكهربائية ثابتة، مما يقلل من مستوى الأمان.
تُغيّر آلات الدوّار الأسلاك المتصلة مع كل ضغطة مفتاح. توضع الأسلاك داخل دوّار، ثم تُدار بواسطة ترس في كل مرة يُضغط فيها حرف. لذا، فبينما قد يُولّد الضغط على حرف A للمرة الأولى حرف Q ، قد يُولّد في المرة التالية حرف J. كل حرف يُضغط على لوحة المفاتيح يزيد من موضع الدوّار ويُجري استبدالًا جديدًا، مُطبّقًا بذلك تشفير الاستبدال متعدد الأبجديات.
بحسب حجم الدوّار، قد يكون هذا النظام أكثر أمانًا من التشفير اليدوي، أو قد لا يكون كذلك. إذا كان الدوّار يحتوي على 26 موضعًا فقط، موضع لكل حرف، فستحتوي جميع الرسائل على مفتاح (متكرر) بطول 26 حرفًا. مع أن المفتاح نفسه (المخفي غالبًا في أسلاك الدوّار) قد يكون مجهولًا، إلا أن طرق اختراق هذا النوع من التشفير لا تتطلب هذه المعلومة. لذا، فرغم سهولة استخدام آلة الدوّار الواحد ، إلا أنها ليست أكثر أمانًا من أي نظام تشفير أبجدي جزئي آخر.
لكن من السهل تصحيح هذا. ببساطة، ضع المزيد من الدوارات بجانب بعضها البعض، وقم بتوصيلها معًا. بعد أن يدور الدوار الأول دورة كاملة، اجعل الدوار المجاور له يدور دورة واحدة. الآن، سيتعين عليك كتابة 26 × 26 = 676 حرفًا (للأبجدية اللاتينية ) قبل أن يتكرر المفتاح، ومع ذلك، لا يزال الأمر يتطلب منك فقط إدخال مفتاح مكون من حرفين/رقمين لإعداد الأمور. إذا لم يكن مفتاح بطول 676 كافيًا، فيمكن إضافة دوار آخر، مما ينتج عنه دورة بطول 17576 حرفًا.
لكي يكون فك التشفير سهلاً مثل التشفير، فإن بعض آلات الدوار، وأبرزها آلة إنجما ، تجسد خوارزمية المفتاح المتماثل ، أي أن التشفير مرتين بنفس الإعدادات يستعيد الرسالة الأصلية (انظر الانعكاس ).
تاريخ
اختراع
خطرت فكرة آلة الدوار لعدد من المخترعين بشكل مستقل في وقت متقارب.
في عام 2003، تبين أن المخترعين الأولين كانا ضابطين بحريين هولنديين ، هما ثيو أ. فان هينجل (1875-1939) و آر بي سي سبينجلر (1875-1955) في عام 1915. [ 2 ] سابقًا، نُسب الاختراع إلى أربعة مخترعين عملوا بشكل مستقل وفي نفس الوقت تقريبًا: إدوارد هيبرن ، وأرفيد دام ، وهوجو كوخ، وآرثر شيربيوس . [ 3 ]
في الولايات المتحدة، قام إدوارد هيو هيبرن ببناء آلة دوارة باستخدام دوار واحد عام 1917. وقد اقتنع بأنه سيجني ثروة طائلة من بيع هذا النظام للجيش، والذي أطلق عليه اسم " آلة هيبرن الدوارة" ، فأنتج سلسلة من الآلات المختلفة بدوار واحد إلى خمسة دوارات. إلا أن نجاحه كان محدودًا، وأُعلن إفلاسه في عشرينيات القرن الماضي. وباع عددًا قليلًا من الآلات للبحرية الأمريكية عام 1931.
في آلات هيبرن، كان بالإمكان فتح الدوارات وتغيير الأسلاك في غضون دقائق، ما سمح ببيع نظام واحد مُنتَج بكميات كبيرة لعدد من المستخدمين الذين يقومون بدورهم بتصنيع مفاتيح الدوارات الخاصة بهم. وكانت عملية فك التشفير تتم بإخراج الدوار (أو الدوارات) وقلبه لعكس اتجاه الدائرة الكهربائية. لكن دون علم هيبرن، سرعان ما كشف ويليام ف. فريدمان من جهاز الاستخبارات السرية التابع للجيش الأمريكي عن ثغرة في النظام سمحت بفك تشفير الشفرات الصادرة عنه، وعن أي آلة ذات تصميم مشابه، ببذل جهد كافٍ.
كان الهولندي هوغو كوخ من أوائل مخترعي آلة الدوار ، حيث سجل براءة اختراع لها عام 1919. وفي نفس الفترة تقريبًا في السويد ، اخترع أرفيد جيرهارد دام تصميمًا آخر لآلة الدوار وحصل على براءة اختراع له. إلا أن آلة الدوار اشتهرت في نهاية المطاف بفضل آرثر شيربيوس ، الذي سجل براءة اختراع لها عام 1918. ثم قام شيربيوس لاحقًا بتصميم وتسويق آلة إنجما .
آلة إنجما
إن أكثر أجهزة التشفير الدوارة شهرة هو جهاز إنجما الألماني الذي استخدم خلال الحرب العالمية الثانية، والذي كان له عدد من المتغيرات.
استخدم نموذج إنجما القياسي، إنجما 1، ثلاثة دوارات. في نهاية مجموعة الدوارات كان هناك قرص إضافي غير دوار، وهو "العاكس"، موصول بحيث يتم توصيل المدخل كهربائياً مرة أخرى إلى نقطة اتصال أخرى على نفس الجانب، وبالتالي يتم "انعكاسه" مرة أخرى عبر مجموعة الدوارات الثلاثة لإنتاج النص المشفر .
عند إدخال التيار الكهربائي إلى معظم آلات التشفير الدوارة الأخرى، كان يمر عبر الدوارات ويخرج من الجانب الآخر إلى المصابيح. أما في آلة إنجما، فكان التيار "ينعكس" عائدًا عبر الأقراص قبل وصوله إلى المصابيح. وتكمن ميزة هذا التصميم في عدم الحاجة إلى أي تعديلات على الجهاز لفك تشفير الرسالة؛ فالآلة "متناظرة".
كان عاكس جهاز إنجما يضمن عدم إمكانية فك تشفير أي حرف على أنه نفسه، لذا لم يكن من الممكن أبدًا أن يتحول حرف A إلى حرف A آخر. وقد ساعد هذا في الجهود البولندية، ولاحقًا البريطانية، لفك شفرة الجهاز. ( انظر: تحليل شفرة إنجما ).
تعاون شيربيوس مع مهندس ميكانيكي يُدعى ريتر وأسسا شركة شيفريرماشين إيه جي في برلين، قبل أن يعرضا آلة إنجما للجمهور في برن عام 1923، ثم في المؤتمر البريدي العالمي في ستوكهولم عام 1924. وفي عام 1927، اشترى شيربيوس براءات اختراع كوخ، وفي عام 1928 أضافا لوحة توصيل ، وهي عبارة عن دوار رابع غير دوار قابل لإعادة التوصيل يدويًا، في مقدمة الآلة. بعد وفاة شيربيوس عام 1929، تولى ويلي كورن مسؤولية التطوير التقني لآلة إنجما.
كما هو الحال مع محاولات أخرى مبكرة لآلات دوارة، لم يحقق شيربيوس نجاحًا تجاريًا كبيرًا. مع ذلك، استجابت القوات المسلحة الألمانية، جزئيًا، للكشف عن فك شفراتها خلال الحرب العالمية الأولى، فاعتمدت آلة إنجما لتأمين اتصالاتها. اعتمدت البحرية الألمانية (الرايخسمارين) آلة إنجما عام ١٩٢٦، وبدأ الجيش الألماني باستخدام نسخة مختلفة منها حوالي عام ١٩٢٨.
كانت آلة إنجما (بمختلف أنواعها) هي الآلة الدوارة التي زودت بها شركة شيربيوس وخليفتها، هايمسوث ورينكه، الجيش الألماني ووكالات مثل منظمة الأمن التابعة للحزب النازي، SD .
بدأ البولنديون بفك شفرة جهاز إنجما التابع للجيش الألماني في ديسمبر 1932، بعد فترة وجيزة من دخوله الخدمة. وفي 25 يوليو 1939، أي قبل خمسة أسابيع فقط من غزو هتلر لبولندا، شارك مكتب الشفرات التابع لهيئة الأركان العامة البولندية أساليب ومعدات فك شفرة إنجما مع الفرنسيين والبريطانيين، كمساهمة من البولنديين في الدفاع المشترك ضد ألمانيا النازية. وكان ديلي نوكس قد فكّ بالفعل رسائل القوميين الإسبان على جهاز إنجما تجاري عام 1937 خلال الحرب الأهلية الإسبانية .
بعد بضعة أشهر، وباستخدام التقنيات البولندية، بدأ البريطانيون بفك شفرات إنجما بالتعاون مع خبراء التشفير البولنديين من مكتب التشفير البولندي الذين فروا من بولندا التي اجتاحها الألمان ووصلوا إلى باريس . وواصل البولنديون فك شفرات إنجما التابعة للجيش الألماني - بالإضافة إلى شفرات إنجما التابعة لسلاح الجو الألماني - حتى توقف العمل في محطة بي سي برونو في فرنسا بسبب الغزو الألماني في مايو/يونيو 1940.
واصل البريطانيون فك شفرة إنجما، وبمساعدة الولايات المتحدة في نهاية المطاف، وسعوا نطاق العمل ليشمل حركة إنجما البحرية الألمانية (التي كان البولنديون يفككونها قبل الحرب)، وخاصة من وإلى غواصات يو خلال معركة الأطلسي .
آلات متنوعة
خلال الحرب العالمية الثانية ، طوّر كلٌّ من الألمان والحلفاء آلات دوارة إضافية. استخدم الألمان آلات لورنز SZ 40/42 وسيمنز وهالسكه T52 لتشفير رسائل التلغراف التي استخدمت شفرة بودو ؛ عُرفت هذه الرسائل لدى الحلفاء باسم " فيش" . طوّر الحلفاء آلة تايبكس (بريطانية) وآلة سيجابا (أمريكية). خلال الحرب، بدأ السويسريون تطوير نسخة محسّنة من آلة إنجما، والتي أصبحت فيما بعد آلة نيما التي دخلت الخدمة بعد الحرب العالمية الثانية. حتى أن هناك نسخة يابانية من إنجما طُوّرت بدوارات أفقية، لكنها لم تدخل الخدمة على ما يبدو. لم تكن آلة بيربل اليابانية آلة دوارة، إذ بُنيت حول مفاتيح كهربائية متدرجة ، لكنها كانت مشابهة لها من حيث المبدأ.
استمر استخدام آلات التشفير الدوارة حتى في عصر الحوسبة. فقد استخدمت الولايات المتحدة وحلفاؤها على نطاق واسع آلة التشفير KL-7 (أدونيس)، ذات الثمانية دوارات، من خمسينيات القرن العشرين وحتى ثمانينياته. وكانت آخر رسالة كندية مشفرة باستخدام KL-7 قد أُرسلت في 30 يونيو 1983. واستخدم الاتحاد السوفيتي وحلفاؤه آلة تشفير ذات عشرة دوارات تُسمى فيالكا حتى سبعينيات القرن العشرين.
ابتكرت تاتيانا فان فارك، المقيمة في هولندا ، آلة دوارة فريدة من نوعها تُسمى "كريبتوغراف" عام 2002. هذا الجهاز غير المألوف مستوحى من آلة إنجما، ولكنه يستخدم دوارات ذات 40 نقطة، مما يسمح بقراءة الحروف والأرقام وبعض علامات الترقيم؛ ويحتوي كل دوار على 509 أجزاء.
استُخدم تطبيق برمجي لآلة دوارة في أمر التشفير الذي كان جزءًا من أنظمة تشغيل يونكس المبكرة . وكان من بين أوائل البرامج التي خالفت لوائح التصدير الأمريكية التي صنّفت تطبيقات التشفير على أنها ذخائر.
قائمة آلات الدوار
مراجع
- 1 2 3 كان، ديفيد (1996). كاسرو الشفرات ( الطبعة الثانية). سكريبنر . ISBN 0-684-83130-9.
- ↑ دي ليو، كارل (2003-01-01). "الاختراع الهولندي لآلة الدوار، 1915-1923" . كريبتولوجيا . 27 (1): 73-94 . doi : 10.1080/0161-110391891775 .
- ↑ باور، فريدريش (1999-07-01). "خطأ في تاريخ أجهزة التشفير الدوارة" . كريبتولوجيا . 23 (3): 206-210 . doi : 10.1080/0161-119991887847 .
- سايفر أ. ديفورز، لويس كروه، "التشفير الآلي والتحليل الحديث للشفرات"، دار أرتيك هاوس، 1985. ISBN 0-89006-161-0.
روابط خارجية
- موقع يحتوي على صور لآلات التشفير، والعديد منها آلات ذات دوارات
- صور آلة الدوار
- الجدول الزمني لآلات التشفير ( مؤرشف بتاريخ 6 أكتوبر 2021 في أرشيف الإنترنت)
- آلات الدوار