ADFGVX والتجزئة

بحلول عام 1918، واجه الجيش الألماني مشكلة خطيرة: كان محللو الشفرات لدى الحلفاء يكسرون شفراته الميدانية أسرع من قدرته على استبدالها. وكانت هناك حاجة ملحّة إلى شيفرة جديدة وأقوى لهجوم الربيع عام 1918.

طوّر العقيد Fritz Nebel شيفرة ADFGVX، التي جمعت بين تقنيتين كلاسيكيتين بطريقة لم يسبق استخدامها في التشفير العسكري.

سُمّيت الشيفرة بأحرف النص المشفّر الستة التي تستخدمها: A, D, F, G, V, X. واختيرت هذه الأحرف عمدًا لأن تمثيلاتها في شفرة مورس مختلفة جدًا عن بعضها.

وقد قلّل ذلك أخطاء الإرسال عبر اللاسلكي الميداني. فالخلط بين حرف وآخر قد يفسد رسالة كاملة، ولذلك اختار المصممون أحرفًا يمكن تمييز أنماط مورس الخاصة بها بأكبر قدر ممكن.

الخطوة الأولى هي الاستبدال باستخدام مربع بوليبيوس 6x6. وتحتوي خلاياه الـ36 على الأحرف الـ26 والأرقام من 0 إلى 9، مرتبة وفق مفتاح. وعناوين الصفوف والأعمدة هي الأحرف الستة A, D, F, G, V, X.

يُستبدل كل حرف من النص الصريح بحرفين: عنوان الصف وعنوان العمود للخلية التي يوجد فيها. على سبيل المثال، إذا كان H في الصف A والعمود F، فإنه يصبح "AF".

بعد الاستبدال، يُكتب النص المشفّر المضاعف في شبكة، بحيث يساوي عدد أعمدتها طول المفتاح. وتحدد كلمة مفتاحية ثانية ترتيب الأعمدة.

تُقرأ الأعمدة وفق الترتيب الأبجدي لأحرف المفتاح. ويعيد ذلك ترتيب أزواج الأحرف المستبدلة، فيكسر الأنماط المتبقية وينشئ شيفرة تقاوم تحليل التكرار ومطابقة الأنماط.

التجزئة هي تقنية تقسّم كل حرف من النص الصريح إلى عدة رموز من النص المشفّر قبل إجراء التبديل. ففي ADFGVX، يتحول كل حرف إلى رمزين (الصف والعمود)، ثم يُعاد ترتيب كل منهما بصورة مستقلة.

يعني ذلك أن «نصفي» الحرف الصريح الواحد ينتهيان في موضعين مختلفين في النص المشفّر النهائي، ما يجعل تحليل الاستبدال والتبديل كلًّا على حدة مستحيلًا.

تكون شفرات الاستبدال البحتة (مثل Playfair) عرضة لتحليل التكرار. وتكون شفرات التبديل البحتة (مثل rail fence) عرضة لإعادة ترتيب الأحرف. ويعالج الجمع بينهما نقطتي الضعف كلتيهما.

تجعل ADFGVX تحليل التكرار أصعب من خلال تجزئة الرموز المستبدلة وتبديلها. ويتطلب كسر التبديل معرفة مفتاح الاستبدال، والعكس صحيح.

تمكّن محلل الشفرات الفرنسي Georges Painvin من كسر شيفرة ADFGVX في يونيو 1918، قبل أيام قليلة من الهجوم الألماني الذي كانت تحميه. واعتُبر ذلك أحد ألمع إنجازات تحليل الشفرات في الحرب العالمية الأولى.

استغلت طريقة Painvin الأنماط الموجودة في الرسائل المرسلة في اليوم نفسه باستخدام المفتاح نفسه. ومن خلال مقارنة نصوص مشفّرة متقاربة الطول، تمكّن من تحديد حدود الأعمدة والعمل عكسيًا عبر عملية التبديل.

وفّر إنجاز Painvin للحلفاء معلومات استخباراتية ساعدت على إضعاف هجوم الربيع الألماني. وفشل الهجوم جزئيًا بسبب التفوق الاستخباراتي الذي تحقق من خلال كسر ADFGVX.

أثبتت هذه القصة أن تصميمات الشفرات الذكية يمكن كسرها عندما يكون الأمن التشغيلي ضعيفًا. فقد أعاد الألمان استخدام المفاتيح وأرسلوا عددًا كبيرًا جدًا من الرسائل خلال فترة قصيرة، ما وفّر لـ Painvin المادة التي احتاج إليها.

في تبديل الأعمدة، تكتب النص الصريح في صفوف تحت كلمة مفتاحية، ثم تقرأ الأعمدة وفق الترتيب الأبجدي لأحرف الكلمة المفتاحية. وتنتج الكلمة المفتاحية "KEY" ترتيب الأعمدة 2-1-3 (إذ يأتي E قبل K وقبل Y).

تتشابك أعمدة الناتج مع النص الأصلي بطريقة تدمر الأنماط المحلية. ويتطلب فك التشفير إعادة كتابة النص المشفّر في الأعمدة بالترتيب نفسه، ثم قراءته صفًا صفًا.

تعالج كل طبقة من طبقات الشيفرة الكلاسيكية نقطة ضعف مختلفة. فالاستبدال يحجب هوية الحرف، والتبديل يحجب موضعه. ويؤدي الجمع بينهما إلى شيفرة تتطلب مهاجمة الطبقتين في الوقت نفسه.

صاغ Claude Shannon هذا المبدأ المتمثل في الجمع بين الإرباك (الاستبدال) والانتشار (التبديل) بصورة رسمية لاحقًا، وأصبح الأساس النظري لشفرات الكتل الحديثة مثل AES.

قبل ADFGVX، استخدم الألمان ADFGX، وهو إصدار أبسط يتكون من 5 أحرف ولا يتضمن أرقامًا في مربع بوليبيوس الخاص به. وسّعت ADFGVX المربع إلى 6x6 ليشمل الأرقام العشرة كلها، مما أتاح تشفير البيانات الرقمية.

جاء الانتقال من ADFGX إلى ADFGVX استجابةً للنجاح الجزئي الذي حققه الحلفاء في تحليل ADFGX. أدت إضافة الأرقام إلى زيادة فضاء المفاتيح، وجعلت تحليل تكرار الأزواج الثنائية أكثر صعوبة من خلال توزيع الأنماط على عدد أكبر من أزواج الرموز.

اختبروا فهمكم للتجزئة في ADFGVX.

جمعت ADFGVX بين الاستبدال باستخدام مربع بوليبيوس وتبديل الأعمدة، مستخدمةً التجزئة لدمجهما بصورة متداخلة. واختيرت الأبجدية المكوّنة من ستة أحرف لتقليل أخطاء الإرسال باستخدام شفرة Morse.

وعلى الرغم من تطورها، تمكن Painvin من كسرها باستغلال إعادة استخدام المفتاح. وقد أوضحت هذه الشيفرة قوة الجمع بين التقنيات التقليدية، والأهمية الحاسمة للأمان التشغيلي.