في علم التشفير ، تُعرف الشفرة (أو التشفير ) بأنها خوارزمية لتشفير أو فك تشفير البيانات ، وهي عبارة عن سلسلة من الخطوات المحددة التي يمكن اتباعها كإجراء. ويُستخدم مصطلح "التشفير " كبديل أقل شيوعًا . ويعني التشفير أو الترميز تحويل المعلومات إلى شفرة أو رمز. في اللغة الدارجة، يُستخدم مصطلح "الشفرة" كمرادف لمصطلح " الرمز "، حيث يشير كلاهما إلى مجموعة من الخطوات التي تُستخدم لتشفير رسالة ما؛ إلا أن هذين المفهومين يختلفان في علم التشفير، وخاصة التشفير الكلاسيكي .
تستخدم الشفرات عادةً سلاسل أحرف مختلفة الطول في المخرجات، بينما تستخدم الشفرات نفس عدد الأحرف المدخلة. تربط الشفرة معنىً بآخر. يمكن ترميز الكلمات والعبارات بأحرف أو أرقام. عادةً ما يكون للشفرات معنى مباشر من المدخلات إلى المفتاح. وظيفة الشفرات الأساسية هي توفير الوقت. أما الشفرات فهي خوارزمية، ويجب أن تتبع المدخلات عملية التشفير لحلها. تُستخدم الشفرات عادةً لتشفير المعلومات المكتوبة.
تعتمد الشفرات على استبدال الأحرف أو الأرقام وفقًا لدليل شفرات كبير يربط سلسلة عشوائية من الأحرف أو الأرقام بكلمة أو عبارة. على سبيل المثال، قد تكون "UQJHSE" هي الشفرة التي تعني "اتبع الإحداثيات التالية". عند استخدام الشفرة، تُعرف المعلومات الأصلية بالنص الصريح ، بينما تُعرف المعلومات المشفرة بالنص المشفر . تحتوي رسالة النص المشفر على جميع معلومات رسالة النص الصريح، ولكنها غير قابلة للقراءة من قِبل الإنسان أو الحاسوب دون وجود آلية مناسبة لفك تشفيرها.
تعتمد آلية عمل التشفير عادةً على معلومة مساعدة تُسمى المفتاح (أو، في مصطلحات وكالة الأمن القومي الأمريكية التقليدية، متغير التشفير ). وتختلف عملية التشفير باختلاف المفتاح، مما يُغير تفاصيل عمل الخوارزمية. يجب اختيار المفتاح قبل استخدام أي خوارزمية تشفير لتشفير رسالة، باستثناء بعض الخوارزميات مثل ROT13 و Atbash .
يمكن تصنيف معظم الشفرات الحديثة بعدة طرق:
بحسب ما إذا كانت تعمل على كتل من الرموز عادة ما تكون ذات حجم ثابت ( تشفير الكتل )، أو على تدفق مستمر من الرموز ( تشفير التدفق ).
يعتمد ذلك على ما إذا كان يُستخدم نفس المفتاح للتشفير وفك التشفير ( خوارزميات المفتاح المتناظر )، أو ما إذا كان يُستخدم مفتاح مختلف لكل منهما ( خوارزميات المفتاح غير المتناظر ). في حالة الخوارزمية المتناظرة، يجب أن يكون المفتاح معروفًا للمُرسِل والمُستقبِل فقط. أما في حالة الخوارزمية غير المتناظرة، فإن مفتاح التشفير يختلف عن مفتاح فك التشفير، ولكنه يرتبط به ارتباطًا وثيقًا. إذا تعذّر استنتاج أحد المفتاحين من الآخر، فإن خوارزمية المفتاح غير المتناظر تتمتع بخاصية المفتاح العام/الخاص، ويمكن حينها نشر أحد المفتاحين دون المساس بالسرية.
أصل الكلمة
نشأت كلمة "cipher" من الكلمة السنسكريتية "शून्य" (śuṇya) التي تعني الصفر، ثم انتقلت عبر الكلمة العربية "صفر" (ṣifr). وانتشرت هذه الكلمة في أوروبا كجزء من نظام الأرقام العربية خلال العصور الوسطى. كان نظام الأرقام الرومانية يفتقر إلى مفهوم الصفر ، مما حدّ من التقدم في الرياضيات. وفي هذه المرحلة الانتقالية، دخلت الكلمة إلى اللاتينية في العصور الوسطى بصيغة "cifra"، ثم إلى الفرنسية الوسطى بصيغة "cifre". وأدى ذلك في النهاية إلى الكلمة الإنجليزية " cipher" (وتُكتب أيضًا "cypher "). إحدى النظريات التي تفسر سبب استخدام هذا المصطلح للإشارة إلى التشفير هي أن مفهوم الصفر كان مُربكًا للأوروبيين، ولذلك أصبح المصطلح يُشير إلى رسالة أو اتصال يصعب فهمه. [ 1 ]
تم استخدام مصطلح "الشفرات" لاحقًا للإشارة إلى أي رقم عربي، أو إلى الحساب باستخدامها، لذا فإن ترميز النص في شكل أرقام عربية هو حرفيًا تحويل النص إلى "شفرات".
رموز المواجهة
في السياقات غير الرسمية، يمكن استخدام مصطلحي "الرمز" و"الشفرات" بشكل متبادل؛ إلا أن الاستخدامات التقنية لهذين المصطلحين تشير إلى مفاهيم مختلفة. فالرموز تحمل معنى؛ حيث تُربط الكلمات والعبارات بأرقام أو رموز، مما يُنتج رسالة أقصر.
ومن الأمثلة على ذلك رمز التلغراف التجاري الذي كان يستخدم لتقصير رسائل التلغراف الطويلة الناتجة عن إبرام العقود التجارية باستخدام تبادل البرقيات .
مثال آخر هو التشفير بالكلمات الكاملة، الذي يسمح للمستخدم باستبدال كلمة كاملة برمز أو حرف، تمامًا كما تستخدم اللغة اليابانية المكتوبة أحرف الكانجي (التي تعني الأحرف الصينية باليابانية) لتكملة الأحرف اليابانية الأصلية التي تمثل المقاطع. مثال على ذلك في اللغة الإنجليزية باستخدام الكانجي هو استبدال عبارة "The quick brown fox jumps over the lazy dog" بعبارة "The quick brown 狐 jumps 上 the lazy 犬". يستخدم الكتّاب المختزلون أحيانًا رموزًا محددة لاختصار الكلمات.
أما الشفرات، فتعمل على مستوى أدنى: مستوى الأحرف المفردة، أو مجموعات الأحرف الصغيرة، أو في الأنظمة الحديثة، مستوى البتات المفردة وكتل البتات. وقد استخدمت بعض الأنظمة كلاً من الرموز والشفرات في نظام واحد، مستخدمةً التشفير الفائق لزيادة الأمان. وفي بعض الحالات، يُستخدم مصطلحا الرموز والشفرات بشكل مترادف مع مصطلحي الاستبدال والتبديل ، على التوالي.
تاريخياً، تم تقسيم علم التشفير إلى ثنائية من الرموز والشفرات، بينما كان للترميز مصطلحاته الخاصة المشابهة لمصطلحات الشفرات: " الترميز ، النص المشفر ، فك الترميز " وما إلى ذلك.
مع ذلك، تنطوي الشفرات على العديد من العيوب، بما في ذلك سهولة تحليلها وصعوبة إدارة دفتر شفرات ضخم . ولهذا السبب، تراجع استخدام الشفرات في علم التشفير الحديث، وأصبحت الشفرات الرقمية هي التقنية السائدة.
الأنواع
توجد أنواع مختلفة ومتنوعة من التشفير. تختلف الخوارزميات المستخدمة في وقت سابق من تاريخ التشفير اختلافًا كبيرًا عن الأساليب الحديثة، ويمكن تصنيف الشفرات الحديثة وفقًا لكيفية عملها وما إذا كانت تستخدم مفتاحًا واحدًا أو مفتاحين.
تاريخي
تمثيل مرئي لكيفية عمل شيفرة قيصر.
تُعد شيفرة قيصر واحدة من أقدم أنظمة التشفير المعروفة. استخدم يوليوس قيصر شيفرة تقوم على إزاحة حروف الأبجدية بمقدار ثلاثة أحرف وتغليف الأحرف المتبقية في المقدمة للكتابة إلى ماركوس توليوس شيشرون في حوالي عام 50 قبل الميلاد. [ 2 ]
تُعرف الشفرات التاريخية المكتوبة بالقلم والورقة، والتي استُخدمت في الماضي، أحيانًا بالشفرات الكلاسيكية . وتشمل هذه الشفرات شفرات الاستبدال البسيطة (مثل ROT13 ) وشفرات التبديل (مثل شفرة سياج السكة الحديدية ). على سبيل المثال، يمكن تشفير عبارة "GOOD DOG" إلى "PLLX XLP" حيث يُستبدل الحرف "L" بالحرف "O"، والحرف "P" بالحرف "G"، والحرف "X" بالحرف "D" في الرسالة. ويمكن أن ينتج عن تبديل أحرف "GOOD DOG" عبارة "DGOGDOO". يسهل فك هذه الشفرات البسيطة وأمثلتها، حتى بدون أزواج النص الأصلي والنص المشفر. [ 3 ] [ 4 ]
في أربعينيات القرن السابع عشر، طوّر القائد البرلماني، إدوارد مونتاغو، إيرل مانشستر الثاني ، شفراتٍ لإرسال رسائل مشفرة إلى حلفائه خلال الحرب الأهلية الإنجليزية . [ 5 ] نشر اللاهوتي الإنجليزي جون ويلكنز كتابًا عام 1641 بعنوان "ميركوري، أو الرسول السري والسريع"، وصف فيه شفرة موسيقية استُبدلت فيها حروف الأبجدية بالنوتات الموسيقية. [ 6 ] [ 7 ] وقد وصف المؤلف أبراهام ريس هذا النوع من الشفرات اللحنية بتفصيل أكبر في كتابه "الموسوعة" (1778). [ 8 ]
استُبدلت الشفرات البسيطة بشفرات الاستبدال متعددة الأبجديات (مثل شفرة فيجنير ) التي تُغيّر أبجدية الاستبدال لكل حرف. على سبيل المثال، يمكن تشفير عبارة "GOOD DOG" إلى "PLSX TWF" حيث تُستبدل الأحرف "L" و"S" و"W" بحرف "O". حتى مع كمية صغيرة من النص الأصلي المعروف أو المُقدّر، يسهل اختراق شفرات الاستبدال متعددة الأبجديات البسيطة وشفرات تبديل الأحرف المصممة للتشفير اليدوي. [ 9 ] من الممكن إنشاء شفرة يدوية آمنة تعتمد على لوحة مفاتيح لمرة واحدة ، ولكن لهذه الشفرات عيوب أخرى.
خلال أوائل القرن العشرين، تم اختراع آلات كهروميكانيكية للتشفير وفك التشفير باستخدام التبديل، والاستبدال متعدد الأبجديات، ونوع من الاستبدال "الإضافي". في آلات الدوار ، وفرت عدة أقراص دوارة استبدالًا متعدد الأبجديات، بينما وفرت لوحات التوصيل استبدالًا آخر. وكان من السهل تغيير المفاتيح عن طريق تغيير الأقراص الدوارة وأسلاك لوحة التوصيل. على الرغم من أن طرق التشفير هذه كانت أكثر تعقيدًا من الطرق السابقة وتطلبت آلات للتشفير وفك التشفير، فقد تم اختراع آلات أخرى مثل آلة بومب البريطانية لفك تشفير هذه الطرق.
حديث
يمكن تقسيم أساليب التشفير الحديثة وفقًا لمعيارين: حسب نوع المفتاح المستخدم، وحسب نوع بيانات الإدخال.
في خوارزمية المفتاح المتناظر (مثل DES وAES)، يجب أن يمتلك المرسل والمستقبل مفتاحًا مشتركًا مُعدًا مسبقًا وسريًا عن جميع الأطراف الأخرى؛ يستخدم المرسل هذا المفتاح للتشفير، ويستخدمه المستقبل لفك التشفير. كان تصميم AES (نظام التشفير المتقدم) مفيدًا لأنه سعى إلى التغلب على عيوب تصميم DES (معيار تشفير البيانات). ويزعم مصممو AES أن الوسائل الشائعة للهجمات التحليلية الحديثة غير فعالة ضد AES نظرًا لبنيته التصميمية.
يمكن تصنيف الشفرات إلى نوعين حسب نوع بيانات الإدخال:
تشفير الكتل ، الذي يقوم بتشفير كتل من البيانات ذات حجم ثابت، و
في الهجوم الرياضي البحت (أي في حالة عدم وجود أي معلومات أخرى تساعد على كسر الشفرة)، هناك عاملان بالدرجة الأولى لهما الأهمية:
القدرة الحاسوبية المتاحة، أي القدرة الحاسوبية التي يمكن تسخيرها لحل المشكلة. لا يُعد متوسط أداء/سعة جهاز حاسوب واحد العامل الوحيد الذي يجب مراعاته. يمكن للمهاجم استخدام عدة أجهزة حاسوب في آنٍ واحد، على سبيل المثال، لزيادة سرعة البحث الشامل عن مفتاح (أي هجوم "القوة الغاشمة") بشكل كبير.
حجم المفتاح ، أي حجم المفتاح المستخدم لتشفير الرسالة. كلما زاد حجم المفتاح، زادت صعوبة البحث الشامل لدرجة يصبح معها فك التشفير المباشر غير عملي.
بما أن التأثير المطلوب هو الصعوبة الحسابية، فمن الناحية النظرية، سيختار المرء خوارزمية ومستوى الصعوبة المطلوب، وبالتالي يحدد طول المفتاح وفقًا لذلك.
أثبت كلود شانون ، باستخدام اعتبارات نظرية المعلومات، أن أي تشفير غير قابل للكسر نظريًا يجب أن يحتوي على مفاتيح لا تقل عن طول النص الأصلي، ويتم استخدامها مرة واحدة فقط: مفتاح التشفير لمرة واحدة . [ 10 ]
كالدول، ويليام كيسي (2022). " هنري الخامس لشكسبير وشفرات التاريخ". مجلة الدراسات في الأدب الإنجليزي 1500-1900 . 61 (2): 241-268 . doi : 10.1353/sel.2022.0003 . ISSN 1522-9270 .
هو، يان لي؛ سامسودين، أزمان؛ بيلاتون، بهاري (2005). التحليل التشفيري الاستدلالي للشفرات الكلاسيكية والحديثة . المؤتمر الدولي الثالث عشر لشبكات IEEE لعام 2005، بالاشتراك مع المؤتمر الدولي السابع للاتصالات في ماليزيا لعام 2005. المجلد 2. كوالالمبور: IEEE . الصفحات 710-715 . doi : 10.1109/ICON.2005.1635595 .
