خوارزمية التشفير بالإستبدال بالأبجدية الموحدة | Substitution Monoalphbetic Cipher

تأتي خوارزمية التشفير بالإستبدال بالأبجدية الموحدة كإحدى خوارزميات التشفير التقليدية التي هي في مرمى نيراننا الآن، و لكن تنقلنا هذه الخوارزمية نقلة نوعية من باب طريقة التشفير المستخدمة، فهي ليست كسابقاتها، بل تبدأ في رفع عيار السرية و الأمان قليلاً.

أهمية خوارزميات التشفير تتجلى في كثير من المواقف الدفاعية وللحماية، ستفهم أكثر عندما تطلع على تدوينة بكل وقاحة، هكر أخلاقي يخترق فيسبوك بالقوة العمياء.

‌

مراجعة سريعة

هذه التدوينة هي إحدى التدوينات المرتبطة بخوارزميات التشفير التلقيدية و التي لا زالت تحت طرقات أصابعنا و أفكارنا لنتشاركها سوياً، لمعرفة أين وصلنا في تدويناتنا عن خوارزميات التشفير التقليدية راجع هذا الفهرس، كما يمكنك التعرف علي الفرق بين التشفير والتعمية من هنا.

حتى الآن تطرقنا لمفاهيم رياضية مهمة في علم التشفير، ستواجهك هذه المفاهيم كثيراً لذا لا بد من معرفتها و إستصحابها معك في رحلاتك لتعلم التشفير و الإطلاع على علومه، من هذه المفاهيم مجموعات المضاعفة و معكوس العدد تحدثنا عنهما  في تدوينة خوارزمية التشفير بالمضاعفة و مفهوم رياضي جديد و مفهوم باقي القسمة بإمكانك القراءة عنه في تدوينة خوارزمية التشفير بالإضافة.

‌

جوهر التغيير في ما يسمى بمجال مفتاح التشفير

لنختصر الإسم الطويل لخوارزمية التشفير بالإستبدال بإستخدام الأبجدية الموحدة بإطلاق إسم خوارزمية التشفير بالإستبدال فقط و تجاهل الباقي، رغماً عن أن الجزء الذي حذفته مهم و يعني نوع الإستبدال و لكن سياق التدوينة عن التشفير بالأبجدية الموحدة فلا داعي للتكرار، خاصة أن الإسم طويلٌ جداً.

على كُلٍ، مجال مفتاح التشفير حيث تؤكل الكتف، حيث حصل التغيير و حيث الجوهر و القلب، حيث سنعرف لماذا مجال مفتاح التشفير هو جوهر التغيير في خوارزمية التشفير بالإستبدال.

توقف!

قبل ذلك ما هو مجال مفتاح التشفير؟!

مجال مفتاح التشفير هو عدد المفاتيح المُختلفة الممكن إستخدامها في خوارزمية التشفير.

ماذا يعني ذلك؟ إذا كانت لديك خوارزمية مفتاح التشفير فيها رقمٌ واحد، فهذا يعني أن المفاتيح المُختلفة الممكن إستخدامها لهذه الخوارزمية هي (0،1،2،3،4،5،6،7،8،9) أليس كذلك؟ كم عدد هذه المفاتيح المختلفة؟ 10 أرقام؟ إذاً فمجال مفتاح التشفير لهذه الخوارزمية = 10.

ماذا إذا تحدثنا عن خوارزمية التشفير بالإضافة؟ تستقبل هذه الخوارزمية رقماً واحداً كمفتاح تشفير، فهل سنعتبر أن مجال مفتاح التشفير من 0 حتى ما لا نهاية؟

لا يا عزيزي، توقف فهناك خدعة بسيطة، لا تنسى مفهوم باقي القسمة الذي تحدثنا عنه، فخوارزمية التشفير بالإضافة تعمل بإضافة مفتاح التشفير و الحصول على باقي القسمة أو بالإمكان أيضاً الحصول على باقي قسمة مفتاح التشفير ثم إستخدامه في التشفير، و سأتبع الطريقة الثانية لنوضح مجال مفتاح التشفير في خوارزمية التشفير بالإضافة.

يجب أن يُستخرج باقي قسمة 26 لكُل مفتاح تشفير ، لماذا 26؟ لأنه عدد الأحرف الإنجليزية.

يعني هذا أن المفتاح 1 = 27 = 53 = 79 = 105 و الذين جميعُهم باقي قسمتهم 1.

هذا يعني أن مجال مفتاح التشفير لخوارزمية التشفير بالإضافة = 26 و هي الأرقام من 0 إلى 25.

بتفكير بسيط، إذا كان عدد مفاتيح التشفير 26 مفتاح، و أنت تملك خوارزمية فك التشفير و الشفرة، ما هو مدى صعوبة الحصول على النص الأصلي؟ ربما 3 إلى 5 ثوانٍ، أليس كذلك؟ ربما اقل!

فكر أيضاً في مجال مفتاح التشفير لخوارزمية التشفير بالمضاعفة و خوارزمية تشفير أفيني.

‌

طريقة تشفير خوارزمية التشفير بالإستبدال بالأبجدية الموحدة

تعتمد خوارزمية التشفير بالإستبدال مبدأً بسيطاً و لكنه أحدث نقلة نوعية في طريقة التشفير، كيف ذلك؟ بإحلال حرف مكان آخر و ذلك مُستعيناً بجدول يوضح قواعد الاحلال لجميع الأحرف.

إنشاء جدول التشفير مزاجي تماماً، بإمكانك إنشاء جدول التشفير و ترتيب الحروف و خلطها كما تريد، و الناتج في كل الحالات سيكون هو جدول التشفير الذي ستستخدمه في عملية التشفير و فك التشفير.

عملية التشفير تتم عن طريق

1. البحث عن الحرف المراد تشفيره في جدول التشفير.
2. إحلال الحرف المراد تشفيره بالشفرة الموجودة بجدول التشفير.

هذه هي عملية التشفير، أما عملية فك التشفير فهي عملية عكسية،لإجراء فك التشفير إتبع الخطوات التالية

1. ابحث عن الشفرة المراد فك تشفيرها في جدول التشفير.
2.  استبدل الشفرة بالنص المُناظر الموجود بجدول التشفير.

عمليتا التشفير و فك التشفير في خوارزمية التشفير بالإستبدال عمليتان بسيطتان واضحتان و في نفس الوقت لهما فعالية كبيرة كما سترى بعد لحظات، و لأنبهك، فقد اختصرنا إسم الخوارزمية من “خوارزمية التشفير بالإستبدال بالأبجدية الموحدة” بحذف عبارة الأبجدية الموحدة.

عبارة الأبجدية الموحدة تعني أن كل حرف “نص” يقابله حرف “شفرة” واحد، ولا يمكن لأي حرف أن تكون له شفرات مختلفة، مثل أن يكون لحرف w شفرة x و r، إذا كانت شفرة الحرف w هي x فستبقى دائماً x ما لم يتم تغيير مفتاح التشفير (جدول التشفير) و هذا يعني أن هذه عملية تشفير مختلفة تماماً.

‌

تشفير جملة باستخدام خوارزمية التشفير بالإستبدال

لننشئ جدولاً صغيراً للتشفير يحتوي على ما نحتاجه فقط من حروف في تشفيرنا، و لنتفق على أن نشفر جملة

welcome to oolom blog

الجدول التالي هو الجدول الذي سنستخدمه في عملية التشفير، و لكن أكرر مرة أخرى أن هذا الجدول فقط للتوضيح، و لكن الطبيعي هو أن تُجهز جدولاً يحتوي على تشفير كامل الحروف الإنجليزية.

بإستخدام جدول التشفير تصبح الشفرة

edfrxtdqxxxfxtwfxv 

تُحذف المسافات بين الكلمات قبل التشفير بكُل تأكيد، إن تساءلت كيف تُعاد المسافات إلى ما كانت عليه قبل التشفير فبإحدى طريقتين، إما وفق السياق أو الإتفاق على حرف يمثل فاصل بين كل كلمة و أخرى.

‌

هل يجدي إستخدام القوة العمياء؟

هنا نعود إلى ما بدأنا به هذه التدوينة من الحديث عن مجال مفتاح التشفير، إستخدام القوة العمياء هو ما دعاني للحديث عن مجال مفتاح التشفير.

عندما نتحدث عن القوة العمياء فنحن نتطرق بصورة مباشرة إلى عدد المفاتيح المختلفة الممكن إستخدامها في خوارزمية التشفير، لا أعتقد أن هذه العبارة غريبة عليك؟ لماذا؟ لأن هذا بالضبط هو تعريف مجال مفتاح التشفير. وجهان لعملة واحدة.

و لكن العلاقة بصورة أكثر عمقاً تتمثل في أنه كلما كان مجال مفتاح التشفير أكبر كانت الخوارزمية أكثر مقاومة لهجوم القوة العمياء. لكسر شفرة بعض الخوارزميات بإستخدام هجوم القوة العمياء ربما تحتاج أن تقضي عمرك كله ب للوصول إلى مفتاح التشفير و الحصول على الرسالة الاصلية! تخيل ذلك.

و حتى تضح الصورة أكثر، لنأخذ خوارزمية التشفير بالإستبدال كمثال، ما هو مجال التشفير لخوارزمية التشفير بالإستبدال؟

كما ذكرنا فإن مجال مفتاح التشفير يعني ماذا؟ عدد المفاتيح المختلفة الممكن إستخدامها في خوارزمية التشفير، و بما أن مفتاح التشفير في خوارزمية التشفير بالإستبدال يحتوي على 26 حرف، و هذه الحروف من الممكن إستبدالها جميعاً بأماكن بعضها فعدد المفاتيح المُحتملة هو مضروب 26 (!26).

مضروب 26 يعني 26*25*24*23*….*3*2*1، هل هذا الرقم كبير؟ عندما نقول العدد كبير فلا بد أن نقيسه، هيا لنعرف معنى هذا الرقم.

إذا جافاك الحظ بما يكفي لأن يكون مفتاح التشفير الصحيح هو آخر مفتاح تجربه بإستخدام هجوم القوة العمياء، و إذا افترضنا أنه بإمكانك أن تجرب 5 مفاتيح في الثانية و تملك حاسباً يعمل 24 ساعة باليوم بلا إنقطاع فستحتاج إلى 2,536,783,358,701,166,920 سنة تقريباً!

حتى أنني لا أعرف كيف أقرأ هذا الرقم  🙂

و لكن هذه المقاومة القوية لهجوم القوة العمياء لا يعني أن خوارزمية التشفير بالإستبدال تمثل قوة خارقة، فهذه الخوارزمية ما زالت ضعيفة أما هجوم التحليل الإحصائي، و السبب بذلك هو أنها تحافظ على تكرار الأحرف، و كما ذكرنا بتدوينة خوارزمية التشفير بالإضافة فإن لكل لغة صفاتها الخاصة التي تُسهل للمهاجمين أو القراصنة فك شفراتها بإستخدام هجمات التحليل الإحصائي. فكُل شفرة تُحافظ على تكرار الأحرف هي شفرة ضعيفة المقاومة لهجمات التحليل الإحصائي،كما يمكنك الاطلاع علي التشفير المتناظر و طُرق مهاجمته Symmetric Encryption Attacks.

بهذا قد طفنا معاً في بعض مفاهيم التشفير و أمن المعلومات و خوارزميات التشفير، و تبقي سؤال مهم لتختبر فكرتك عن هذه الخوارزمية، هل تعتقد أنه بالإمكان كسر شفرة خوارزمية التشفير بالإستبدال بالأبجدية الموحدة خوارزمية بإستخدام التقنيات الحديثة و الحواسيب ذات القدرات العالية المتوفرة هذه الأيام؟ ضع تعليقك أدناه و شارك رأيك و شارك التدوينة مع أصدقائك.