تشفير الاستبدال

أبسط أنواع التشفير بالاستبدال هي شيفرة قيصر وشيفرة أتباش . في هذه الشيفرة، يتم استبدال حروف مفردة (يُشار إلى ذلك بالاستبدال البسيط ). ويمكن توضيح ذلك بكتابة الأبجدية مرتين، مرة بالترتيب المعتاد، ومرة ​​أخرى مع إزاحة الحروف بمقدار عدد معين من الخطوات أو عكسها لتمثيل أبجدية النص المشفر (أو أبجدية الاستبدال).

يمكن أيضًا خلط حروف الأبجدية البديلة بطريقة أكثر تعقيدًا، وفي هذه الحالة تُسمى أبجدية مختلطة أو أبجدية غير منتظمة . تقليديًا، تُنشأ الأبجديات المختلطة بكتابة كلمة مفتاحية أولًا، ثم حذف الحروف المكررة فيها، ثم كتابة جميع الحروف المتبقية في الأبجدية بالترتيب المعتاد.

باستخدام هذا النظام، تعطينا الكلمة المفتاحية " الحمار الوحشي " الأحرف الأبجدية التالية:

رسالة

اهربوا فوراً. لقد تم اكتشافنا!

التشفير إلى

سيا ZQ LKBA. VA ZOA RFPBLUAOAR!

والكلمة المفتاحية " الجدة " تعطينا الأحرف الأبجدية التالية:

نفس الرسائل

اهربوا فوراً. لقد تم اكتشافنا!

التشفير إلى

MCDD GS جياد. WD GPD NHQAJVDPDN!

عادةً ما تُكتب الشفرة في كتل ذات طول ثابت، مع حذف علامات الترقيم والمسافات؛ وذلك لإخفاء حدود الكلمات عن النص الأصلي وتجنب أخطاء الإرسال. تُسمى هذه الكتل "مجموعات"، ويُذكر أحيانًا "عدد المجموعات" كتحقق إضافي. غالبًا ما تُستخدم مجموعات من خمسة أحرف، ويعود تاريخها إلى زمن إرسال الرسائل عبر التلغراف .

SIAAZ QLKBA VAZOA RFPBL UAOAR

إذا لم يكن طول الرسالة قابلاً للقسمة على خمسة، فقد تُضاف إليها أحرف فارغة في النهاية . يمكن أن تكون هذه الأحرف أي أحرف تُفك شفرتها إلى أحرف غير مفهومة، بحيث يسهل على المُستقبِل اكتشافها وتجاهلها.

قد تختلف أبجدية النص المشفر أحيانًا عن أبجدية النص الأصلي؛ فعلى سبيل المثال، في شيفرة حظيرة الخنازير ، يتكون النص المشفر من مجموعة من الرموز المستمدة من شبكة. على سبيل المثال:

ومع ذلك، فإن هذه الميزات لا تُحدث فرقًا كبيرًا في أمان النظام؛ على الأقل، يمكن نسخ أي مجموعة من الرموز الغريبة إلى أبجدية AZ والتعامل معها كالمعتاد.

في قوائم وكتالوجات مندوبي المبيعات، يتم أحيانًا استخدام تشفير بسيط للغاية لاستبدال الأرقام بالحروف.

أمثلة: سيتم استخدام MAT لتمثيل 120، وسيتم استخدام PAPR لتمثيل 5256، وسيتم استخدام OFTK لتمثيل 7803.

أحد أنواع التشفير الاستبدالي الشائعة سابقًا هو تشفير التسمية . سُمّي هذا التشفير نسبةً إلى المسؤول الذي كان يُعلن ألقاب الشخصيات الزائرة، ويستخدم ورقة رموز صغيرة تحتوي على جداول استبدال الحروف والمقاطع والكلمات، وأحيانًا تكون متجانسة صوتيًا، والتي كانت تُحوّل الرموز إلى أرقام. في الأصل، كان جزء الرمز يقتصر على أسماء الشخصيات المهمة، ومن هنا جاء اسم التشفير؛ وفي السنوات اللاحقة، شمل العديد من الكلمات الشائعة وأسماء الأماكن أيضًا. لم تكن رموز الكلمات الكاملة ( الكلمات المشفرة في المصطلح الحديث) والحروف ( الرمز في المصطلح الحديث) مُميّزة في النص المُشفّر. ومن الأمثلة على ذلك تشفير روسينيول العظيم الذي استخدمه الملك لويس الرابع عشر ملك فرنسا.

كانت أنظمة التشفير هي السائدة في المراسلات الدبلوماسية والتجسس والمؤامرات السياسية المتقدمة من أوائل القرن الخامس عشر إلى أواخر القرن الثامن عشر؛ وكان معظم المتآمرين، ولا يزالون، أقل تطوراً في مجال التشفير. ورغم أن محللي الشفرات في أجهزة الاستخبارات الحكومية كانوا يفككون أنظمة التشفير بشكل منهجي بحلول منتصف القرن السادس عشر، وتوفرت أنظمة أكثر تطوراً منذ عام ١٤٦٧، إلا أن الرد المعتاد على تحليل الشفرات كان ببساطة تكبير الجداول. وبحلول أواخر القرن الثامن عشر، عندما بدأ هذا النظام بالانحسار، احتوت بعض أنظمة التشفير على ٥٠ ألف رمز.

ومع ذلك، لم يتم كسر جميع المصطلحات؛ فاليوم، لا يزال تحليل الشفرات للنصوص المشفرة المؤرشفة مجالًا مثمرًا للبحث التاريخي.

تمثلت إحدى المحاولات المبكرة لزيادة صعوبة هجمات تحليل التردد على تشفيرات الاستبدال في إخفاء ترددات حروف النص الأصلي باستخدام التماثل الصوتي . في هذه التشفيرات، تُقابل حروف النص الأصلي أكثر من رمز واحد في النص المشفر. عادةً، تُعطى رموز النص الأصلي ذات التردد الأعلى عددًا أكبر من المكافئات مقارنةً بالحروف ذات التردد الأقل. بهذه الطريقة، يصبح توزيع التردد أكثر تجانسًا، مما يزيد من صعوبة التحليل.

بما أن الأبجدية المشفرة تتطلب أكثر من 26 حرفًا، تُستخدم حلولٌ متنوعة لابتكار أبجديات أكبر. ولعل أبسطها استخدام "أبجدية" استبدال رقمية. وتتمثل طريقة أخرى في إجراء تعديلات بسيطة على الأبجدية الموجودة؛ كالأحرف الكبيرة والصغيرة والمقلوبة، وما إلى ذلك. ومن الناحية الفنية، وإن لم تكن بالضرورة أكثر أمانًا، استخدمت بعض الشفرات المتجانسة أبجديات مُبتكرة بالكامل من رموز خيالية.

شفرة الكتاب هي نوع من أنواع الشفرات المتجانسة، ومن أمثلتها شفرات بيل . وتدور هذه الشفرة حول قصة كنز مدفون وُصفت بين عامي 1819 و1821 باستخدام نص مشفر مرتبط بإعلان الاستقلال. في هذه الشفرة، يُمثَّل كل حرف من النص المشفر برقم. ويُحدد هذا الرقم بأخذ الحرف الأصلي من النص الأصلي والبحث عن كلمة في إعلان الاستقلال تبدأ بهذا الحرف، ثم استخدام موقع تلك الكلمة في إعلان الاستقلال كشكل مشفر لذلك الحرف. وبما أن العديد من الكلمات في إعلان الاستقلال تبدأ بالحرف نفسه، فإن تشفير ذلك الحرف يمكن أن يكون أيًا من الأرقام المرتبطة بالكلمات التي تبدأ بهذا الحرف في إعلان الاستقلال. وبالتالي، فإن فك تشفير الحرف X (وهو رقم) بسيط للغاية، إذ يكفي البحث عن الكلمة رقم X في إعلان الاستقلال واستخدام الحرف الأول من تلك الكلمة كحرف مشفر.

وصف ستال في عام 1973 ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} شيفرةً صوتيةً متجانسةً أخرى ، وكانت من أوائل المحاولات لتوفير أمن أنظمة البيانات الحاسوبية من خلال التشفير. صمّم ستال الشيفرة بحيث يتناسب عدد الكلمات المتجانسة لحرفٍ معين مع تردد ذلك الحرف، مما يجعل تحليل التردد أكثر صعوبة.

استخدم فرانشيسكو الأول غونزاغا ، دوق مانتوا ، أقدم مثال معروف لتشفير الاستبدال المتجانس في عام 1401 للمراسلات مع شخص يدعى سيمون دا كريما. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

استخدمت ماري ملكة اسكتلندا ، أثناء سجنها من قبل إليزابيث الأولى، خلال السنوات من 1578 إلى 1584، شفرات متجانسة مع تشفير إضافي باستخدام مُسمّي للبادئات واللواحق المتكررة والأسماء العلمية أثناء تواصلها مع حلفائها بمن فيهم ميشيل دي كاستيلنو . ^{[ 7 ]}

استند عمل القلقشندي (1355-1418)، إلى عمل ابن الدريهم (1312-1359) السابق ، وتضمن أول نقاش منشور حول استبدال ونقل الشفرات، بالإضافة إلى أول وصف لشفرة متعددة الأبجديات، حيث يُخصص لكل حرف من النص الأصلي أكثر من بديل واحد. ^{[ 8 ]} وصف ليون باتيستا ألبيرتي شفرات الاستبدال متعددة الأبجديات لاحقًا في عام 1467 على شكل أقراص. وقدّم يوهانس تريثيميوس ، في كتابه Steganographia ( الكلمة اليونانية القديمة التي تعني "الكتابة الخفية")، الشكل الأكثر شيوعًا الآن وهو الجدول ( انظر أدناه؛ حوالي عام 1500، ولكن لم يُنشر إلا بعد ذلك بكثير). ووصف جيوفاني باتيستا ديلا بورتا نسخة أكثر تطورًا باستخدام أبجديات مختلطة في عام 1563 في كتابه De Furtivis Literarum Notis ( الكلمة اللاتينية التي تعني "حول الأحرف المخفية في الكتابة").

في التشفير متعدد الأبجديات، تُستخدم عدة أبجديات تشفير. ولتسهيل التشفير، تُكتب جميع الأبجديات عادةً في جدول كبير ، يُسمى تقليديًا " جدول التشفير" . يتكون الجدول عادةً من 26×26، مما يوفر 26 أبجدية تشفير كاملة. وتُحدد طريقة ملء الجدول، واختيار الأبجدية المستخدمة لاحقًا، نوع التشفير متعدد الأبجديات. جميع هذه الأنواع من التشفير أسهل في الاختراق مما كان يُعتقد سابقًا، حيث تُكرر أبجديات الاستبدال للنصوص الأصلية الكبيرة بما يكفي.

كانت إحدى أكثرها شعبية هي شفرة بليز دي فيجينير . نُشرت لأول مرة عام 1585، واعتُبرت غير قابلة للكسر حتى عام 1863، وكانت تُعرف بالفعل باسم le chiffre indéchiffrable ( الفرنسية تعني "الشفرة غير القابلة للفك").

في شيفرة فيجنير ، يُملأ الصف الأول من جدول التشفير بنسخة من أبجدية النص الأصلي، وتُزاح الصفوف اللاحقة خانة واحدة إلى اليسار. (يُسمى هذا الجدول البسيط " جدول التشفير" ، وهو يُعادل رياضيًا جمع حروف النص الأصلي وحروف المفتاح، بتردد 26). ثم تُستخدم كلمة مفتاحية لاختيار أبجدية النص المشفر. يُستخدم كل حرف من حروف الكلمة المفتاحية بدوره، ثم تُكرر من البداية. فإذا كانت الكلمة المفتاحية "CAT"، يُشفر الحرف الأول من النص الأصلي باستخدام الحرف "C"، والثاني باستخدام الحرف "A"، والثالث باستخدام الحرف "T"، والرابع باستخدام الحرف "C" مرة أخرى، وهكذا. أو إذا كانت الكلمة المفتاحية "RISE"، يُشفر الحرف الأول من النص الأصلي باستخدام الحرف "R"، والثاني باستخدام الحرف "I"، والثالث باستخدام الحرف "S"، والرابع باستخدام الحرف "E"، وهكذا. في الواقع العملي، كانت مفاتيح فيجنير غالباً عبارة عن عبارات تتكون من عدة كلمات.

في عام 1863، نشر فريدريك كاسيسكي طريقة (يُرجح أن تشارلز باباج اكتشفها سرًا وبشكل مستقل قبل حرب القرم ) تُمكّن من حساب طول الكلمة المفتاحية في رسالة مُشفّرة باستخدام طريقة فيجنير . وبمجرد إتمام ذلك، أصبح بالإمكان تحديد حروف النص المُشفّر التي تم تشفيرها باستخدام نفس الأبجدية، ومهاجمتها بشكل منفصل كعدد من عمليات الاستبدال البسيطة شبه المستقلة. وقد تعقدت هذه العملية بسبب فصل الحروف داخل الأبجدية الواحدة وعدم تشكيلها كلمات كاملة، ولكنها تبسطت بسبب استخدام جدول مُحدد (tableula recta) في الغالب.

وبناءً على ذلك، حتى اليوم، من الناحية النظرية، يُفترض أن يكون فك تشفير فيجنير صعبًا إذا استُخدمت أبجديات مختلطة في جدول التشفير، وإذا كانت الكلمة المفتاحية عشوائية، وإذا كان الطول الإجمالي للنص المشفر أقل من 27.67 ضعف طول الكلمة المفتاحية. ^{[ 9 ]} نادرًا ما تُفهم هذه المتطلبات عمليًا، ولذلك فإن أمان الرسائل المشفرة بتقنية فيجنير عادةً ما يكون أقل مما كان يُمكن أن يكون عليه.

ومن بين الشخصيات البارزة الأخرى متعددة الحروف الأبجدية:

• شفرة غرونسفيلد. وهي مطابقة لشفرة فيجنير باستثناء أنها تستخدم 10 أبجديات فقط، وبالتالي فإن "الكلمة المفتاحية" رقمية.
• شيفرة بوفورت . وهي عمليًا مطابقة لشيفرة فيجنير، باستثناء استبدال الجدول الأساسي بجدول معكوس، وهو ما يعادل رياضيًا النص المشفر = المفتاح - النص الأصلي. هذه العملية معكوسة ذاتيًا ، حيث يُستخدم الجدول نفسه للتشفير وفك التشفير.
• التشفير التلقائي ، الذي يمزج النص العادي مع مفتاح لتجنب الدورية .
• التشفير ذو المفتاح المتحرك ، حيث يتم جعل المفتاح طويلاً جداً باستخدام مقطع من كتاب أو نص مشابه.

يمكن أيضًا اعتبار التشفيرات الحديثة المتدفقة، من منظور مجرد بما فيه الكفاية، شكلاً من أشكال التشفير متعدد الأبجديات حيث تم بذل كل الجهد لجعل سلسلة المفاتيح طويلة وغير قابلة للتنبؤ قدر الإمكان.

في التشفير الاستبدالي متعدد الأحرف، تُستبدل أحرف النص الأصلي في مجموعات أكبر، بدلاً من استبدالها بشكل فردي. تتمثل الميزة الأولى في أن توزيع التردد يكون أكثر استواءً بكثير من توزيع تردد الأحرف الفردية (مع أنه ليس مستوياً تماماً في اللغات الحقيقية؛ على سبيل المثال، يُعدّ الرمز 'OS' أكثر شيوعاً من الرمز 'RÑ' في الإسبانية). ثانياً، يتطلب العدد الأكبر من الرموز كمية أكبر من النص المشفر لتحليل ترددات الأحرف بشكل فعّال.

يتطلب استبدال أزواج من الأحرف استخدام أبجدية استبدال مكونة من 676 رمزًا (${\displaystyle 26^{2}}$في كتاب "De Furtivis Literarum Notis" المذكور أعلاه، اقترح ديلا بورتا نظامًا كهذا، بلوحة 20 × 20 (لأحرف الأبجدية الإيطالية/اللاتينية العشرين التي كان يستخدمها) مليئة بـ 400 رمز فريد . ومع ذلك، كان النظام غير عملي، وربما لم يُستخدم قط.

كانت أول شيفرة ثنائية الحروف عملية (استبدال ثنائي) هي ما يُعرف بشيفرة بلايفير ، التي اخترعها السير تشارلز ويتستون عام ١٨٥٤. في هذه الشيفرة، تُملأ شبكة ٥ × ٥ بأحرف من أبجدية مختلطة (حرفان، عادةً I وJ، يُدمجان). ثم يُحاكى استبدال ثنائي الحروف بأخذ أزواج من الأحرف كزاويتين من مستطيل، واستخدام الزاويتين الأخريين كنص مشفر (انظر المقال الرئيسي لشيفرة بلايفير للاطلاع على رسم توضيحي). توجد قواعد خاصة للتعامل مع الأحرف المكررة والأزواج التي تقع في نفس الصف أو العمود. استُخدمت شيفرة بلايفير عسكريًا من حرب البوير حتى الحرب العالمية الثانية .

تم تقديم العديد من الشفرات العملية الأخرى في عام 1901 بواسطة فيليكس ديلاستيل ، بما في ذلك الشفرات الثنائية والشفرات المربعة الرباعية (كلاهما ثنائي الحروف) والشفرة الثلاثية (ربما أول شفرة ثلاثية عملية).

شيفرة هيل ، التي ابتكرها ليستر إس. هيل عام 1929 ، هي استبدال متعدد الأحرف، قادرة على دمج مجموعات كبيرة من الأحرف في آنٍ واحد باستخدام الجبر الخطي . يُعامل كل حرف كرقم في النظام العددي ذي الأساس 26 : A = 0، B = 1، وهكذا. (في أحد التعديلات، تُضاف 3 رموز إضافية لجعل الأساس أوليًا ) . تُعتبر مجموعة من n حرفًا متجهًا ذا n بُعدًا ، وتُضرب بمصفوفة من الرتبة n×n ، بتردد 26. عناصر المصفوفة هي المفتاح، ويجب أن تكون عشوائية بشرط أن تكون المصفوفة قابلة للعكس.${\displaystyle \mathbb {Z} _{26}^{n}}$(لضمان إمكانية فك التشفير). تم تسجيل براءة اختراع لنسخة ميكانيكية من شيفرة هيل ذات البعد 6 في عام 1929. ^{[ 10 ]}

تُعدّ شيفرة هيل عرضةً لهجوم النص الصريح المعروف لأنها خطية تمامًا ، لذا يجب دمجها مع خطوة غير خطية للتغلب على هذا الهجوم. يؤدي الجمع بين خطوات انتشارية خطية ضعيفة ومتزايدة الاتساع، مثل شيفرة هيل، مع خطوات استبدال غير خطية، في النهاية إلى شبكة استبدال-تبديل (مثل شيفرة فيستل )، لذا من الممكن - من هذا المنظور المتطرف - اعتبار شيفرات الكتل الحديثة نوعًا من الاستبدال متعدد الأحرف.

بين الحرب العالمية الأولى تقريبًا وانتشار استخدام الحواسيب (بالنسبة لبعض الحكومات، كان ذلك في خمسينيات أو ستينيات القرن العشرين؛ وبالنسبة لمنظمات أخرى، كان ذلك بعد عقد أو أكثر؛ أما بالنسبة للأفراد، فلم يكن ذلك قبل عام ١٩٧٥)، شاع استخدام التطبيقات الميكانيكية لشفرات الاستبدال متعددة الأبجديات. وقد راودت العديد من المخترعين أفكارًا مماثلة في نفس الفترة تقريبًا، وحصلت آلات التشفير الدوارة على براءات اختراع أربع مرات في عام ١٩١٩. وكانت آلة إنجما أهم الآلات الناتجة ، لا سيما النسخ التي استخدمها الجيش الألماني منذ عام ١٩٣٠ تقريبًا . كما طوّر الحلفاء آلات دوارة واستخدموها (مثل سيجابا وتايبكس ).

كانت جميع هذه الآلات متشابهة في اختيار الحرف البديل كهربائيًا من بين عدد هائل من التوليفات الممكنة الناتجة عن دوران عدة أقراص حروف. ونظرًا لأن واحدًا أو أكثر من الأقراص كان يدور ميكانيكيًا مع كل حرف من النص الأصلي الذي يتم تشفيره، فقد كان عدد الأبجديات المستخدمة هائلًا. ومع ذلك، كانت الإصدارات الأولى من هذه الآلات قابلة للاختراق. فقد اكتشف ويليام ف. فريدمان، من جهاز الاستخبارات السرية التابع للجيش الأمريكي، ثغرات في آلة هيبرن الدوارة ، كما تمكن ديلوين نوكس، من مدرسة الحكومة للشفرات والرموز، من حل نسخ من آلة إنجما (تلك التي لا تحتوي على "لوحة التوصيل") قبل اندلاع الحرب العالمية الثانية بفترة طويلة . وقد تمكن محللو الشفرات التابعون للحلفاء، ولا سيما أولئك الموجودون في بليتشلي بارك ، من فك تشفير جميع أجهزة إنجما العسكرية الألمانية تقريبًا، بدءًا من نسخة الجيش الألماني المستخدمة في أوائل الثلاثينيات. وقد تم فك تشفير هذه النسخة بفضل براعة ماريان ريجيفسكي الرياضية في بولندا .

بحسب ما هو معروف للعامة، لم يتم اختراق أي رسائل محمية بواسطة أجهزة SIGABA و Typex أثناء أو بالقرب من الوقت الذي كانت فيه هذه الأنظمة قيد الخدمة.

يُعدّ نوع التشفير الاستبدالي، المعروف باسم " المفتاح لمرة واحدة" ، فريدًا من نوعه. وقد اخترعه جيلبرت فيرنام وجوزيف موبورن في الولايات المتحدة الأمريكية قرب نهاية الحرب العالمية الأولى. وأثبت كلود شانون رياضيًا عدم إمكانية اختراقه ، على الأرجح خلال الحرب العالمية الثانية ؛ ونُشرت أعماله لأول مرة في أواخر أربعينيات القرن العشرين. وفي تطبيقه الأكثر شيوعًا، لا يُمكن اعتبار "المفتاح لمرة واحدة" تشفيرًا استبداليًا إلا من منظور غير مألوف؛ إذ عادةً ما يتم دمج حرف النص الأصلي (وليس استبداله) بطريقة ما (مثل عملية XOR ) مع حرف المفتاح في ذلك الموضع.

في معظم الحالات، تُعدّ تقنية التشفير لمرة واحدة غير عملية، إذ تتطلب أن يكون طول المفتاح مساويًا لطول النص الأصلي، وأن يكون عشوائيًا تمامًا ، وأن يُستخدم مرة واحدة فقط ، وأن يبقى سرًا تامًا عن الجميع باستثناء المرسل والمستلم المقصود. عند انتهاك هذه الشروط، ولو بشكل طفيف، تفقد تقنية التشفير لمرة واحدة حصونتها. استخدمت الرسائل السوفيتية التي أُرسلت من الولايات المتحدة بتقنية التشفير لمرة واحدة لفترة وجيزة خلال الحرب العالمية الثانية مفاتيح غير عشوائية . تمكن محللو الشفرات الأمريكيون، بدءًا من أواخر الأربعينيات، من فك تشفير بضعة آلاف من الرسائل، كليًا أو جزئيًا، من بين مئات الآلاف. (انظر مشروع فينونا )

في تطبيق ميكانيكي، يشبه إلى حد كبير معدات روكيكس ، تم استخدام لوحة المفاتيح لمرة واحدة للرسائل المرسلة على الخط الساخن بين موسكو وواشنطن الذي تم إنشاؤه بعد أزمة الصواريخ الكوبية .