تشفير Playfair

تشفّر شفرات الاستبدال البسيط مثل Caesar حرفًا واحدًا في كل مرة، ما يجعلها عرضة لتحليل التكرار. ولأحرف اللغة الإنجليزية تكرارات متوقعة؛ فالحرف E هو الأكثر شيوعًا، يليه T ثم A ثم O، وهكذا.

تشفّر شيفرة Playfair أزواجًا من الأحرف (ثنائيات الحروف) بدلًا من الأحرف المفردة. ويزيد ذلك بدرجة كبيرة عدد أزواج الأحرف الممكنة، ويجعل أنماط التكرار أقل وضوحًا.

تستخدم شيفرة Playfair شبكة 5x5 من الأحرف تُسمى مربع المفتاح. وتحتوي على الأحرف الـ26 للأبجدية، مع دمج I وJ في خلية واحدة (لأن الشبكة لا تحتوي إلا على 25 خلية).

لإنشاء مربع المفتاح، اكتب الكلمة المفتاحية أولًا (بعد حذف التكرارات)، ثم املأ الخلايا بأحرف الأبجدية المتبقية بالترتيب. وتحدد الكلمة المفتاحية الترتيب الكامل للخلايا.

بالنسبة إلى الكلمة المفتاحية "MONARCHY"، احذف التكرارات: M-O-N-A-R-C-H-Y. املأ الشبكة 5x5 صفًا صفًا: MONAR / CHYBE / DFGIK / LPQST / UVWXZ.

تُدرج الأحرف المتبقية B, D, E, F, G, I, K, L, P, Q, S, T, U, V, W, X, Z بالترتيب بعد أحرف الكلمة المفتاحية، مع اشتراك I وJ في خلية واحدة.

قبل التشفير، يُقسَّم النص الصريح إلى ثنائيات حروف (أزواج من الأحرف). إذا احتوى زوج على الحرف نفسه، فأدرج حرف X بينهما. على سبيل المثال، تصبح "BALLOON" على النحو التالي: "BA LX LO ON".

إذا احتوت الرسالة على عدد فردي من الأحرف، فأضف حرف X في نهايتها. تضمن هذه المعالجة المسبقة إمكانية تطبيق قواعد Playfair دائمًا بسلاسة.

إذا كان الحرفان في زوج واحد يقعان في الصف نفسه من مربع المفتاح، فاستبدل كلًّا منهما بالحرف الواقع مباشرة إلى يمينه (مع الانتقال من نهاية الصف إلى بدايته عند الوصول إلى النهاية).

على سبيل المثال، في مصفوفة MONARCHY، إذا شُفِّرت "AR"، فسيكون الحرفان في الصف 1. يتحول A إلى R، ويتحول R إلى C. ويصبح زوج النص المشفّر "RC".

إذا كان الحرفان في زوج واحد يقعان في العمود نفسه، فاستبدل كلًّا منهما بالحرف الواقع تحته مباشرة (مع الانتقال من أسفل العمود إلى أعلاه).

تعمل هذه القاعدة بصورة متماثلة؛ فإذا كان "MB" في العمود نفسه، فسيُستبدل M بالحرف الواقع تحته في ذلك العمود. وتنتقل الأعمدة من أسفلها إلى أعلاها، تمامًا كما تنتقل الصفوف من نهايتها إلى بدايتها.

إذا شكّل الحرفان مستطيلًا في مربع المفتاح، فاستبدل كل حرف بالحرف الواقع في الصف نفسه عند الزاوية الأخرى للمستطيل.

هذه هي الحالة الأكثر شيوعًا. عند تشفير "MU"، حدّد موضع M وU في الشبكة. يقع M في الصف 1 والعمود 1، ويقع U في الصف 5 والعمود 1. وهما يشكلان مستطيلًا. يُستبدل M بالحرف الموجود في الصف 1 في عمود U، ويُستبدل U بالحرف الموجود في الصف 5 في عمود M.

لتشفير "HIDE THE GOLD"، أزل المسافات وجهّز ثنائيات الحروف: HI DE TH EG OL DX. طبّق القاعدة المناسبة (الصف نفسه أو العمود نفسه أو المستطيل) على كل زوج باستخدام مربع المفتاح.

يُشفَّر كل زوج بصورة مستقلة. وتكون النتيجة سلسلة من أزواج الأحرف المشفّرة التي يجب فك تشفيرها باستخدام مربع المفتاح نفسه لاستعادة النص الصريح.

على الرغم من أن Playfair أقوى من الاستبدال البسيط، فإنها تظل عرضة لتحليل الشفرات. إذ يمكن إجراء تحليل لتكرار ثنائيات الحروف؛ ففي اللغة الإنجليزية تُعد "TH" و"HE" و"IN" و"ER" أكثر أزواج الأحرف شيوعًا.

يمكن لمهاجم يملك قدرًا كافيًا من النص المشفّر إنشاء جدول لتكرار ثنائيات الأحرف المشفّرة، ثم مقارنته بتكرارات أزواج الأحرف المتوقعة في اللغة الإنجليزية لاستنتاج مربع المفتاح.

ابتكر Charles Wheatstone شيفرة Playfair عام 1854، لكن Baron Playfair هو من روّج لها، ولذلك حملت اسمه. واستخدمها الجيش البريطاني على نطاق واسع في الحرب العالمية الأولى للاتصالات الميدانية.

وفُضّلت لأنها كانت سهلة بما يكفي لاستخدامها من دون معدات ميكانيكية، وقوية بما يكفي لحماية الاتصالات التكتيكية. كما استخدمتها القوات الأسترالية في الحرب العالمية الثانية، حيث تمكّن محللو الشفرات اليابانيون من كسرها.

يستخدم فك التشفير في Playfair مربع المفتاح نفسه والقواعد الثلاث نفسها، لكن بصورة معكوسة. ففي أزواج الصف نفسه، حرّك الأحرف إلى اليسار بدلًا من اليمين. وفي أزواج العمود نفسه، حرّك الأحرف إلى الأعلى بدلًا من الأسفل. أما أزواج المستطيل، فتبقى قاعدتها مطابقة لقاعدة التشفير.

بعد فك التشفير، يجب إزالة أحرف X المستخدمة للحشو: تُدمج الأحرف المزدوجة التي يفصل بينها X، ويُحذف حرف X الموجود في النهاية. وتلزم خطوة إعادة البناء هذه لاستعادة الرسالة الأصلية.

تشفّر Playfair ثنائيات الحروف باستخدام مربع مفتاح 5x5 مشتق من كلمة مفتاحية. وتعالج قواعدها الثلاث حالات الصف نفسه والعمود نفسه والمستطيل. وهي أقوى بدرجة كبيرة من الاستبدال البسيط، لأن استغلال تكرارات ثنائيات الحروف أصعب بكثير.

وعلى الرغم من ذكائها، تمكّن محللو الشفرات في حقبة الحرب العالمية الأولى من كسر Playfair. وتظل خطوة مهمة في التطور من الاستبدال البسيط إلى التشفير متعدد الأبجديات، وصولًا إلى التشفير الحديث.