مقالات

لغز Enigma: كيف تعمل آلة Enigma؟

بالنسبة للكثيرين فإن آلة Enigma هي لغز لكن الأمر بسيط للغاية، فيما يلي شرح تفصيلي لكيفية عملهامن الأساسيات إلى الماكينة الكاملة.

ربما تكون أكبر آلة تشفير مخصصة في تاريخ البشرية آلة Enigma هي آلة بحجم آلة كاتبة مع لوحة مفاتيح، استخدمها الألمان لتشفير وفك تشفير الرسائل خلال الحرب العالمية الثانية.

إنها أيضا إحدى الآلات التي اكتشفها مكتب الشفرات البولندي وتلك الموجودة في Bletchley Park في بريطانيا كيفية فك الشفرة أو كسرها. في الآونة الأخيرة كانت قصة كيفية كسرها موضوع فيلم The Imitation Game.

هيا لنبدأ مع الأساسيات.

نظام تبديل بسيط:

لقد رأى معظمهم كيفية تشفير الرسائل باستخدام تشفير بسيط مثل هذا.

simple_substitution_cipher
Simple substitution cipher

لنفترض أننا نريد تشفير كلمة Hackaday. وهذا ما يسمى رسالة النص العادي. سنتعامل مع جميع الأحرف كحرف كبير باستخدام التشفير أعلاه، ننظر في السطر العلوي لـ H ونستبدل الحرف الموجود تحته Z.

وبالمثل، عند البحث عن A في السطر العلوي نرى أنه يجب استبداله بـ G. يصبح النص المشفر ZGTBGNGV . وهذا ما يسمى النص المشفر. لفك تشفيرها، نقوم بالعكس، ابحث عن كل حرف في الصف السفلي واستبدل الحرف المقابل في الصف العلوي، للحصول على HACKADAY.

هذه هي الأساسيات. دعنا نأخذ هذا أبعد من ذلك مثل آلة Enigma.

إضافة الدوارات:

simple_substitution_cipher_with_wires
Simple substitution cipher with wires

يمكننا إعادة رسم الشفرة كأبجديتين بأحرف أبجدية ورسم خطوط بين الحروف المزدوجة.
التأثير هو نفسه في هذه الحالة لكن هذه الخطوط يمكن أن تكون أسلاكا تربط كل زوج كهربائيا، مما يفتح إمكانية تغيير طريقة تعيين الاستبدال بسهولة إلى النص المشفر.

Rotating substitution cipher

تعد القدرة على تغيير التعيين مهمة لأنه بمجرد أن يستنتج شخص ما أن G هي البديل لـ A سيعرفون أن هذا صحيح لكل G في النص المشفر. سيكون هناك تحسن لجميع هذه الأزواج للتغيير. والأفضل من ذلك، إذا تغيرت في كل مرة يتم فيها ترميز حرف.

enigma_rotor_simple_single_rotor_wiring
Enigma rotor wiring

إحدى الطرق لتنفيذ ذلك بسهولة، والطريقة التي يتم بها في Enigma هي تضمين كل تلك الأسلاك في عجلة / دوار. من خلال تدوير الدوار أثناء ترك الحروف ثابتة، تتغير الروابط بين الحروف. بعد دورة واحدة، سيتم استبدال A الآن بأي شيء كان سابقا Z ، وهو J. كرر لخطوة الاستبدال هذه متبوعة بتحويل الدوار لكل حرف، يصبح HACKADAY ZJGZLVFA. اتبع الرسم البياني أعلاه وستلاحظ أن Z الأول جاء من H ، ولكن Z في الموضع الرابع جاء من K.

Enigma rotors with alphabet rings
Enigma rotors with alphabet rings

في الدوار ، يحتوي كل سلك على نقاط اتصال خارجية على أي من طرفيه. وهذا يسمح بوضع بعض هذه الدوارات جنبا إلى جنب، مع لمس جهات الاتصال المجاورة. وداخليا، يتم توصيل كل من الدوارات بشكل مختلف، أي أن كل دوار يحتوي على تشفير مختلف. في بعض آلات Enigma كان هناك ثلاث دوارات، والأكثر استخداما كان ثمانية. كما هو موضح في الصورة من داخل  Enigma حقيقي، يحتوي كل دوار أيضا على حلقة أبجدية مرفقة تدور مع الدوار وتستخدم لتعيين الوضع الأولي للدوار.

إمكانيات مذهلة:

كم عدد المسارات الممكنة التي تعطينا من خلال ثلاث دوارات للحرف A؟ ضع في اعتبارك أنه يمكن تحويل كل دوار إلى أي موضع. هذا يعني أنه بالنسبة للدوار الأول، يوجد 26 مساراً محتملاً من خلاله لـ A. ولكن بمجرد أن نتبع السلك من خلال الدوار الأول، يوجد الآن 26 مساراً محتملاً عبر الدوار الثاني. ثم 26 مساراً ممكناً عبر المسار الثالث. وبالتالي، فإن العدد الإجمالي المحتمل للمسارات التي يجب أن يمر بها A عبر جميع الدوارات الثلاثة هو 17,576.

26×26×26=17,576

كما قلنا، يتم توصيل كل دوار بشكل مختلف. لذلك تم تسميتهم بأرقام رومانية: I و II و III. ولكن لزيادة تعقيد الأشياء لأي شخص قد يكون لديه مثل هذه الآلة ويحاول فك تشفير رسالة، يُسمح بتحريك الدوارات قبل الاستخدام. قد يكون الدوار الثاني هو الأيسر، مع الدوار الثالث في المنتصف والدوار الأول على اليمين.

Enigma machine
Enigma machine

ولإضافة المزيد من الاحتمالات، تم تصنيع ما يصل إلى ثمانية دوارات تماماً، لكل منها الأسلاك الخاصة بها والأرقام الرومانية: IV و V و VI و VII و VIII. استخدم الجيش الألماني والقوات الجوية الألمانية خمسة واستخدمت البحرية ما يصل إلى ثمانية. قبل الاستخدام، بالنسبة لآلة ثلاثية الدوار، سيتم اختيار ثلاثة دوارات من بين العديد من الدوارات المتاحة للاختيار من بينها.

بافتراض أننا كنا نحاول فك تشفير رسالة عسكرية، سيكون لدينا خيار من بين خمسة دوارات لاستخدامها لليسار، ثم خيار من بين الدوارات الأربعة المتبقية لاستخدامه في الوسط، ثم خيار من أصل ثلاثة على حق. وهذا يوفر 60 طريقة ممكنة لاختيار الدوارات الثلاثة المستخدمة لرسالة.

5×4×3=60

وبما أنه كان هناك 17576 مساراً محتملاً يمكن أن يتخذه حرف من خلال الدوار، فإن ذلك يعطي 1.054.560 احتمال تماماً.

17,576×60=1,054,560

الة Enigma مع الدوارات فقط:

لجعل Enigma سهلة الاستخدام، تمت إضافة دائرة تحتوي على بطارية ولوحة مفاتيح وأحرف مضيئة للعرض. يظهر في الرسم التوضيحي عدد قليل من المفاتيح والحروف المضاءة، وعدد قليل فقط من الأسلاك في الدوارات.

3-rotor Enigma circuit
3-rotor Enigma circuit

يتم توصيل جانب واحد من البطارية بجميع المصابيح لإضاءة بعض الحروف. عند الضغط على المفتاح “A”، يقوم مفتاح المفتاح بإجراء اتصال مع الجانب الآخر من البطارية. يرتفع الطرف الآخر من المفتاح للاتصال بعجلة الدخول مما يجعل الاتصال الكهربائي بأحد جهات الاتصال على الدوار الأول.

 من هناك تستمر الدائرة من خلال الدائرتين الأخريين، تتبع مسارات الأسلاك داخل تلك الدوارات. في الطرف المقابل من الدوار يوجد شيء يسمى العاكس الذي يجعل الدائرة تتبع المسارات مرة أخرى من خلال الدوارات حتى تظهر مرة أخرى عند أحد جهات الاتصال لعجلة الدخول.

 من هناك تذهب الدائرة إلى مفتاح F. نظراً لعدم الضغط على مفتاح F، فلا يزال الاتصال الكهربائي يتم باستخدام ضوء F مما يؤدي إلى إكمال الدائرة بالبطارية وإضاءة المصباح. يشير الحرف F المضاء إلى أن المفتاح الذي تم الضغط عليه. A يجب استبداله بالحرف F يقوم العامل أو شخص آخر بكتابة هذا.

إحدى الآليات التي لم يتم توضيحها هنا هي الآلية التي تتسبب في دوران واحدة أو أكثر من الدوارات نتيجة لضغط المفاتيح والتي تسمى دوران. تدور العجلة الأولى موضع حرف واحد لكل ضغطة مفتاح كما هو موضح أعلاه مع الأصفار.

في بعض إصدارات الآلة يتحول الدوار الثاني إلى موضع واحد فقط بعد أن يقوم الدوار الأول بتدوير كامل. ثم يقوم الدوار الثالث بتحويل موضع واحد لكل دوران كامل للدوار الثاني. لكن كل ذلك اختلف من إصدار لآخر فبعض الدوارات تدور مرتين لكل دوران للدور على يمينها.

إضافة لوحة التوصيل:

Enigma plugboard
Enigma plugboard

في عام 1930 أضافت إصدارات الجيش الألماني لوحة توصيل أو steckerbrett. هذا يسمح بتبديل الحروف. في الدائرة الموضحة يتم تبديل D و F. عندما يتم الضغط على A كما رأينا أعلاه بدون لوحة التوصيل فإن الناتج سيكون F. ولكن مع لوحة التوصيل هو D. وكانت الدوارات قد بدأت مع D. بعد ذلك الأسلاك كان الناتج هو G.

Enigma circuit with plugboard
Enigma circuit with plugboard

نظراً لوجود 26 حرفاً يمكن إجراء ما يصل إلى 13 عملية تبديل ولكن عادة ما تكون 10 فقط. إن الرياضيات لمعرفة عدد الطرق الممكنة لتوصيل لوحة التوصيل معقدة بعض الشيء ولكن الرقم هو 150,738,274,937,250. بضرب ذلك من خلال المجموعات الممكنة الأخرى التي ذكرناها أعلاه نحصل على أن العدد الإجمالي للمسارات المحتملة التي يمكن أن يأخذها الحرف ليتم استبداله هو 158,962,555,217,826,360,000.

العيوب:

كانت هناك بعض العيوب في الطريقة التي سيستخدم بها المشغلون الآلة ، ومعظمهم فشلوا في اتباع الإجراءات. ولكن من حيث العيوب في تصميم الماكينة ، فإن الشيء الرئيسي كان يتعلق بالعاكس.

العاكس يجعل Enigma متبادلاً ذاتياً. وهذا يعني أنه ، نظراً لظروف البدء نفسها ، يمكن للجهاز التشفير وفك التشفير. لاستخدام المثال أعلاه مع لوحة التوصيل ، عندما تضغط A تضيء D ، ولكن تضغط D وتضيء A. هذا يعني أنه بتجاهل لوحة التوصيل ، فإن الحرف لن يحل محل نفسه. ساعدت هذه الحقيقة كاسري الشفرات على كسر اللغز.

الاختلافات:

لقد ذكرنا بالفعل بعض الاختلافات أعلاه ، مثل عدد الدوارات ، ووجود لوحة التوصيل ، والنقطة التي تدور فيها الدوارات.

كان هناك اختلاف آخر بين الإصدارات المختلفة من الآلات في طريقة توصيل لوحة المفاتيح بعجلة الدخول. في الأجهزة التجارية ، تم توصيلها وفقاً للوحة مفاتيح QWERTZ: Q-A و W-B و E-C وما إلى ذلك. في الآلات العسكرية كانوا مرتبطين أبجدياً: A-A ، B-B ، وما إلى ذلك.

في بعض الإصدارات ، يمكن أيضاً تدوير العاكس ، في بعض الحالات مرة واحدة فقط قبل الاستخدام وفي حالات أخرى تلقائياً.

لقد تحدثنا عن تحديد المواضع الأولية للدوار. للقيام بذلك ، تحتوي الدوارات على حلقة أبجدية متصلة بها ، وتعيين الدوار عن طريق تدويره حتى يظهر الحرف المطلوب في نافذة صغيرة. ومع ذلك ، في الإصدارات اللاحقة من الماكينة ، يمكن تدوير حلقة الأبجدية نفسها بشكل منفصل عن الدوار السلكي. هذا يعني أن هناك شيئين يجب تعيينهما في البداية للدوار ، حلقة الأبجدية ، تسمى إعداد الحلقة ، ثم الدوار بأكمله.

استخدام Enigma:

German Air Force Enigma key list with reconfigurable reflector
German Air Force Enigma key list with reconfigurable reflector

مع وجود العديد من الإصدارات من جهاز Enigma ، كان هناك الكثير من الإعدادات الممكنة المختلفة لتكوينها قبل استخدامها. عادةً ، يكون لدى كل من الأشخاص الذين يقومون بتشفير الرسالة و descryptors قائمة بالإعدادات ، وأحياناً مختلفة لكل يوم.

فيما يلي بعض الأعمدة الموجودة في إعدادات العينة الموضحة هنا:

  • ترتيب العجلات (Walzenlage): أي دوارات يتم وضعها في الآلة. تذكر أن كل دوار يدعى باستخدام الرقم الروماني.
  • إعدادات الحلقة (Ringstellung): موضع حلقات الأبجدية فيما يتعلق بالدوارات السلكية للإصدارات التي تحتوي على حلقات أبجدية.
  • توصيلات التوصيل (Steckverbindungen): أي الحروف يتم تبديلها بأي حروف أخرى.

سيختار الشخص الذي يقوم بالتشفير مواقع الدوار العشوائية بأنفسهم ويدرجها في بداية الرسائل. خلال الجزء الأخير من الحرب العالمية الثانية ، كان الإجراء للقيام بذلك على النحو التالي. قام أولاً بتكوين موضع بدء مبدئي ، على سبيل المثال ، ABC ، ومفتاح رسالة ، DEF. قام بتعيين الدوارات إلى ABC واكتب في DEF.

دعنا نقول أن التشفير ل GHI. بعد ذلك ، قام بتعيين الدوارات إلى مفتاح الرسالة ، DEF ، وبدء كتابة رسالة النص العادي. سيسجل الناتج ، وهو النص المشفر. ثم ينقل بعد ذلك موضع البدء الأولي ، ABC ، ومفتاح الرسالة المشفرة ، و GHI ، ثم النص المشفر.

على جانب الاستلام، يقوم الشخص الذي يقوم بفك تشفير الرسالة بتعيين الدوارات إلى الأحرف الثلاثة الأولى المستلمة ، ABC ، واكتب الأحرف الثلاثة التالية، GHI.
إن إخراج DEF بالنظر أعلاه، سترى أن النتائج تؤدي إلى إعدادات الدوار المستخدمة عند تشفير الرسالة. لذلك قام بتعيين الدوارات إلى DEF ويبدأ في كتابة النص المشفر الإخراج هو رسالة نص عادي.

كملاحظة جانبية مثيرة للاهتمام لأولئك الذين شاهدوا الفيلم The Imitation Game.
قد تتذكر مشهد الشريط المحوري حيث يعلم آلان تورينج أن أحد المشغلين ينقل دائما نفس الأحرف في بداية رسالته بدلاً من الرسائل العشوائية كما كان من المفترض أن. كان يشير إلى مواقع الدوار المختار عشوائياً التي نتحدث عنها أعلاه.

هل لديك أي خبرة مع أجهزة Enigma، أو قمت بالتشفير بطرق أخرى؟
الأشخاص يحصلون على متعة معينة من آلة Enigma ربما لأنها نوع من الوحش الكهروميكانيكي الذكي أو ربما بسبب السعادة في تشفير الرسائل وفك تشفيرها.

إقرأ أيضا : متى تم اختراع أول جهاز كمبيوتر؟

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

شاهد أيضاً
إغلاق
زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق