ADFGVX และการแบ่งส่วน

เมื่อถึงปี 1918 กองทัพเยอรมันเผชิญปัญหาร้ายแรง นักวิเคราะห์รหัสลับฝ่ายสัมพันธมิตรสามารถถอดรหัสภาคสนามของเยอรมนีได้เร็วกว่าที่กองทัพจะเปลี่ยนรหัสใหม่ จึงจำเป็นต้องมีรหัสลับที่ใหม่และแข็งแกร่งกว่าเดิมอย่างเร่งด่วนสำหรับการรุกฤดูใบไม้ผลิในปี 1918

พันเอกฟริตซ์ เนเบลพัฒนารหัสลับ ADFGVX ซึ่งผสานเทคนิคดั้งเดิมสองแบบเข้าด้วยกันในลักษณะที่ไม่เคยมีใครทำมาก่อนในวิทยาการเข้ารหัสลับทางทหาร

รหัสลับนี้ตั้งชื่อตามตัวอักษรทั้งหกในข้อความเข้ารหัส ได้แก่ A, D, F, G, V, X ตัวอักษรเหล่านี้ได้รับการเลือกอย่างจงใจ เพราะรูปแบบในรหัสมอร์สของแต่ละตัวแตกต่างกันอย่างมาก

วิธีนี้ช่วยลดข้อผิดพลาดในการส่งข้อมูลผ่านวิทยุภาคสนาม การจำตัวอักษรหนึ่งผิดเป็นอีกตัวอาจทำให้ข้อความทั้งฉบับเสียหาย ดังนั้นผู้ออกแบบจึงเลือกตัวอักษรที่มีรูปแบบรหัสมอร์สแตกต่างกันมากที่สุด

ขั้นแรกคือการแทนที่โดยใช้ตารางโพลีเบียสขนาด 6x6 ช่องทั้ง 36 ช่องประกอบด้วยตัวอักษร 26 ตัวและตัวเลข 0-9 ซึ่งจัดเรียงตามลำดับที่กำหนดด้วยกุญแจ หัวแถวและหัวคอลัมน์คือตัวอักษรทั้งหก A, D, F, G, V, X

อักขระแต่ละตัวในข้อความต้นฉบับจะถูกแทนที่ด้วยตัวอักษรสองตัว ได้แก่ หัวแถวและหัวคอลัมน์ของช่องนั้น ตัวอย่างเช่น หาก H อยู่ที่แถว A คอลัมน์ F ก็จะกลายเป็น "AF"

หลังการแทนที่ ข้อความเข้ารหัสที่มีอักขระเป็นคู่จะถูกเขียนลงในตารางที่มีจำนวนคอลัมน์เท่ากับความยาวของกุญแจ คำสำคัญชุดที่สองจะเป็นตัวกำหนดลำดับของคอลัมน์

คอลัมน์จะถูกอ่านออกมาตามลำดับตัวอักษรของตัวอักษรในคำสำคัญ วิธีนี้จัดเรียงคู่ที่ผ่านการแทนที่ใหม่ ทำลายรูปแบบที่ยังเหลืออยู่ และสร้างรหัสลับที่ต้านทานทั้งการวิเคราะห์ความถี่และการจับคู่รูปแบบ

การแยกส่วนคือเทคนิคที่แบ่งอักขระแต่ละตัวในข้อความต้นฉบับออกเป็นสัญลักษณ์หลายตัวในข้อความเข้ารหัสก่อนสลับตำแหน่ง ใน ADFGVX ตัวอักษรแต่ละตัวจะกลายเป็นสัญลักษณ์สองตัว (แถวและคอลัมน์) ซึ่งจะถูกสับเปลี่ยนแยกจากกัน

นั่นหมายความว่า "ครึ่งทั้งสองส่วน" ของตัวอักษรหนึ่งตัวในข้อความต้นฉบับจะไปอยู่คนละตำแหน่งในข้อความเข้ารหัสสุดท้าย ทำให้ไม่สามารถวิเคราะห์การแทนที่และการสลับตำแหน่งแยกจากกันได้

รหัสลับแทนที่ล้วน ๆ (เช่น เพลย์แฟร์) เสี่ยงต่อการวิเคราะห์ความถี่ ส่วนรหัสลับสลับตำแหน่งล้วน ๆ (เช่น รหัสลับแบบรั้วราง) เสี่ยงต่อการเรียงตัวอักษรใหม่ การผสานทั้งสองวิธีเข้าด้วยกันช่วยแก้จุดอ่อนทั้งสองด้าน

ADFGVX ทำให้การวิเคราะห์ความถี่ทำได้ยากขึ้นด้วยการแยกส่วนและสลับตำแหน่งสัญลักษณ์ที่ผ่านการแทนที่แล้ว การถอดการสลับตำแหน่งจำเป็นต้องรู้กุญแจการแทนที่ และในทางกลับกัน

นักวิเคราะห์รหัสลับชาวฝรั่งเศส จอร์จ แป็งแว็ง ถอดรหัส ADFGVX ได้ในเดือนมิถุนายน 1918 เพียงไม่กี่วันก่อนการรุกของเยอรมนีที่รหัสนี้ใช้ปกป้อง เหตุการณ์นี้ได้รับการยกย่องว่าเป็นหนึ่งในความสำเร็จด้านการวิเคราะห์รหัสลับที่ยอดเยี่ยมที่สุดของ WWI

วิธีการของแป็งแว็งอาศัยการค้นหารูปแบบในข้อความที่ส่งในวันเดียวกันด้วยกุญแจเดียวกัน เมื่อเปรียบเทียบข้อความเข้ารหัสที่มีความยาวใกล้เคียงกัน เขาสามารถระบุขอบเขตคอลัมน์และย้อนแกะขั้นตอนการสลับตำแหน่งได้

ความก้าวหน้าของแป็งแว็งมอบข่าวกรองให้ฝ่ายสัมพันธมิตร ซึ่งช่วยสกัดการรุกฤดูใบไม้ผลิของเยอรมนี การรุกครั้งนั้นล้มเหลวส่วนหนึ่งเนื่องจากความได้เปรียบด้านข่าวกรองที่เกิดจากการถอดรหัส ADFGVX

เรื่องนี้แสดงให้เห็นว่าแม้การออกแบบรหัสลับจะชาญฉลาดเพียงใด ก็ยังถูกถอดได้เมื่อความปลอดภัยในการปฏิบัติการบกพร่อง เยอรมนีนำกุญแจกลับมาใช้ซ้ำและส่งข้อความมากเกินไปในช่วงเวลาสั้น ๆ ทำให้แป็งแว็งมีข้อมูลที่จำเป็น

ในการสลับตำแหน่งตามคอลัมน์ ให้เขียนข้อความต้นฉบับเป็นแถวใต้คำสำคัญ จากนั้นอ่านคอลัมน์ตามลำดับตัวอักษรของตัวอักษรในคำสำคัญ คำสำคัญ "KEY" จะให้ลำดับคอลัมน์ 2-1-3 (E มาก่อน K และ K มาก่อน Y)

คอลัมน์ผลลัพธ์จะแทรกสลับข้อความเดิมในลักษณะที่ทำลายรูปแบบเฉพาะที่ การถอดรหัสต้องเขียนข้อความเข้ารหัสกลับลงในคอลัมน์ตามลำดับเดิม แล้วอ่านทีละแถว

รหัสลับดั้งเดิมแต่ละชั้นจัดการกับจุดอ่อนคนละด้าน การแทนที่บดบังเอกลักษณ์ของตัวอักษร ส่วนการสลับตำแหน่งบดบังตำแหน่งของตัวอักษร เมื่อนำมารวมกันจะเกิดเป็นรหัสลับที่ต้องโจมตีทั้งสองชั้นพร้อมกัน

หลักการผสานความสับสน (การแทนที่) และการแพร่กระจาย (การสลับตำแหน่ง) นี้ได้รับการวางกรอบอย่างเป็นทางการในภายหลังโดยโคลด แชนนอน และกลายเป็นรากฐานทางทฤษฎีของรหัสลับแบบบล็อกสมัยใหม่ เช่น เออีเอส

ก่อนหน้า ADFGVX ชาวเยอรมันใช้ ADFGX ซึ่งเป็นรูปแบบ 5 ตัวอักษรที่ง่ายกว่าและไม่มีตัวเลขในตารางโพลีเบียส ต่อมา ADFGVX ขยายตารางเป็น 6x6 เพื่อรวมตัวเลขทั้ง 10 หลัก ทำให้สามารถเข้ารหัสข้อมูลตัวเลขได้

การขยายจาก ADFGX เป็น ADFGVX เป็นการตอบสนองต่อความสำเร็จบางส่วนของฝ่ายสัมพันธมิตรในการวิเคราะห์ ADFGX การเพิ่มตัวเลขทำให้จำนวนกุญแจที่เป็นไปได้เพิ่มขึ้น และทำให้การวิเคราะห์ความถี่ของคู่ตัวอักษรทำได้ยากขึ้น เพราะรูปแบบต่าง ๆ ถูกกระจายไปอยู่ในคู่สัญลักษณ์จำนวนมากขึ้น

โปรดทดสอบความเข้าใจเกี่ยวกับการแยกส่วนใน ADFGVX

ADFGVX ผสานการแทนที่ด้วยตารางโพลีเบียสเข้ากับการสับเปลี่ยนตำแหน่งตามคอลัมน์ โดยใช้การแยกส่วนเพื่อสอดประสานเทคนิคทั้งสองเข้าด้วยกัน ชุดอักษรหกตัวถูกเลือกเพื่อช่วยลดข้อผิดพลาดในการส่งด้วยรหัสมอร์ส

แม้จะมีความซับซ้อนสูง แป็งแวงก็สามารถทำลายรหัสนี้ได้ด้วยการใช้ประโยชน์จากการใช้กุญแจซ้ำ รหัสลับนี้แสดงให้เห็นทั้งพลังของการผสานเทคนิคแบบดั้งเดิม และความสำคัญอย่างยิ่งของความปลอดภัยในการปฏิบัติงาน