الوحدة الرابعة
أمن المعلومات والتشفير
Information Security and Crypotography
الفصل الثالث : التشفير
ظهرت الحاجة للحفاظ على سرّية المعلومات في المجاليين العسكري و الدبلوماسي خاصة
أولاً : علم التشفير وعناصره
1 - مفهوم التشفير والهدف منه
التشفير هو تغيير محتوى الرسالة الأصلية سواء أكان التغيير بمزجها بمعلومات أخرى أو باستبدال الحرف الأصلية والمقاطع بغيرها أو بتغيير مواقع الأحرف بطريقة لا يفهمها إلا مرسل الرسالة ومستقبلها فقط باستخدام خوارزمية معيّنة ومفتاح خاص
يهدف التشفير إلى :
- الحفاظ على سرية المعلومات في أثناء تبادلها بين مُرسل المعلومة ومستقبلها
- عدم الاستفادة منها أو فهم محتواها حتى لو تم اعتراضها من قبل اشخاص معترضين
لذا يُعدّ التشفير من أفضل الطرائق المستخدمة للحفاظ على أمن المعلومات حيث يعمل على اخفائها عن الأشخاص غير المصر ح لهم بالاطلاع عليها
2 - عناصر عملية التشفير
تتضمن عملية التشفير أربعة عناصر أساسية هي :
أ- خوارزمية التشفير
الخوارزمية هي مجموعة من الخطوات المتسلسلة منطقياً ورياضيّاً لحل مشكلة ما
ويُقصد بخوارزمية التشفير : مجموعة من الخطوات المستخدمة لتحويل الرسالة الأصلية إلى رسالة مشفرة
ب - مفتاح التشفير :
سلسلة من الرموز أو عدد الأسطر المستخدمة في خوارزمية التشفير ، وتعتمد قوة التشفير على على قوة مفتاح التشفير
جـ - النص الأصلي :
محتوى الرسالة الأصلية قبل التشفير وبعد عملية فك التشفر
د - نص الشيفرة :
الرسالة بعد عملية التشفير
ثانياً: خوارزميات التشفير
تُصنّف خوارزميات التشفير بناءً على عدّة معايير منها :
- استخدام المفتاح
- كمية المعلومات المرسلة
- الآلية المستخدمة في عملية التشفير
كما يوضح الشكل ( 4 - 4 )
الشكل (4 - 4 ) أنواع الخوارزميات
وفي ما يأتي شرح لكل منها :
1- التشفير المعتمد على آلية التشفير
يُقسم هذا النوع إلى :
أ - طريقة التشفير بالتعويض (خوارزميات التعويض ) :
وتعني استبدال حرف مكان حرف أو مقطع مكان مقطع و مثال عليها شيفرة الإزاحة
ب - طريقة التشفير بالتبديل (خوارزميات التبديل) :
و يتم فيها تبديل أماكن الأحرف وذلك عن طريق إعادة ترتيب أحرف الكلمة بشرط استخدام الأحرف نفسها دون إجراء أي تغيير عليها
وعند تنفيذ عملية التبديل يختفي المعنى الحقيقي للنص الحقيقي وهذا يُشكّل عملية التشفير شريطة ان تكون قادراً على استرجاع النص الأصلي منها
وهذا ما يُسمّى عملية فك التشفير ، و مثال عليها خوارزمية الخط المتعرجZig Zag Cipher التي تستخدم آلية التشفير بالتبديل كما سيتم شرحها لاحقاً
2 - التشفير المعتمد على المفتاح
يعتمد هذا النوع من خوارزميات التشفير على عدد المفاتيح المستخدمة في عملية التشفير ، وعليه فإنّ أمن الرسالة أو المعلومة يعتمد سريّة المفتاح وليس على تفاصيل الخوارزمية و يقسم هذا النوع إلى قسمين :
أ - خوارزميات المفتاح الخاص (Private - Key Algorithms)
يُطلق عليها أيضاً اسم الخوارزميات التناظرية ، حيث أن المفتاح نفسه يُستخدم لعمليتي التشفير وفك التشفير ، ويتم الاتفاق على اختياره قبل بدء عملية التراسل بين المرسل والمستقبل لذا تُسمّى ايضاً خوارزميات المفتاح السري ..........................كما في الشكل ( 4 - 5 )
الشكل ( 4 - 5 ) خوارزمية المفتاح الخاص
ب - خوارزميات المفتاح العام (Public- Key Algorithms)
تستخدم هذه الخوارزميات مفتاحين أحدهما يُستخدم لتشفير الرسالة ويكون معروفاً ( للمرسل والمستقبل ) ويُسمّى المفتاح العام والآخر يكون معروفاً لدى المستقبل فقط ويُستخدم لفك التشفير ويُسمّى المفتاح الخاص
يتم انتاج المفتاحين خلال عمليات رياضية و لا يُمكن معرفة المفتاح الخاص من خلال معرفة المفتاح العام يُسمّى هذه النوع أيضاً
" الخوارزميات اللاتناظرية " ........................ كما في الشكل ( 4 - 6 )
الشكل ( 4 - 6 ) خوارزمية المفتاح العام
2 - التشفير المعتمد على كمية المعلومات المرسلة :
يثقسم التشفير المعتمد علة كمية المعلومات المرسلة إلى قسمين :
أ- شيفرات التدفق : ويعمل هذا النوع من الخوارزميات على تقسيم الرسالة إلى مجموعة أجزاء ، ويُشفّر كل جزء على حدا ومن ثم يرسله
ب - شيفرات الكتل : تقسم الرسالة أيضاً إلى أجزاء ، و لكن بحجم أكبر من حجم الأجزاء في شيفرات التدفق ، ويُشفّر أو يفك تشفير كل كتلة على حدا .
تختلف شيفرات الكتل عن شيفرات التدفق بأنّ حجم المعلومات أكبر لذا فإنّها أبطأ
آلية عمل خوارزمية الخط المتعرج Zig Zag Cipher
تتميز خوارزمية الخط المتعرج بأنها :
- خوارزمية سريعة وسهلة
- يمكن تنفيذها يدوياً باستخدام الورقة والقلم
- يمكن فك تشفي رها بسهولة
أ - خطوات التشفير
للقيام بتشفير النص حسب خوارزمية الخط المتعرج اتبع الخطوات الآتية :
. 1 حدّد عدد الأسطر التي ستُستخدم لتشفير النص
حيث أن عدد الأسطر يُعدّ مفتاح التشفير ، ولا يلزمنا معرفة عدد الأعمدة ( ابدأ من الأعمدة ويمكن زيادة عند الحاجة )
مفتاح التشفير يتم الاتفاق عليه مسبقاً من قبل مرسل الرسالة ومستقبلها فقط .
2 . املأ الفراغ في النص الأصلي بمثلث مقلوب 
. 3 أنشئ جدولاً يعتمد على عدد الأسطر ( مفتاح التشفير )
. 4 وزّع أحرف النص المراد تشفيره بشكل قطري حسب اتجاه الأسهم
5 . ضع مثلثاً مقلوباً في الفراغ الأخير ، ليكون عدد الرموز في كل سطر متساوياً
6 . اكتب النص المشفّر سطراً سطراً
مثال :
شفّر النص الآتي ، علماً بأن مفتاح التشفير أربعة أسطر
This is my dream
الحل :
لإيجاد النص المشفّر للنص السابق اتبع الخطوات الآتية :
1 - حدّد مفتاح التشفير من السؤال وهو هنا أربعة أسطر
2 - املأ الفراغ بالنص الآتي بمثلث مقلوب
This is my dream
3 - أنشئ جدولاً ، علماً بأنّ عدد الصفوف هي = 4 ثم وزّع أحرف النص بشكل قطري كما يلي
| r | m | |
T | ||||||
| e | y | i | h | ||||||
| a | |
s | i | ||||||
| m | d | |
s |
4 - اكتب النص المشفّر سطراً سطراً
النص الأصلي :
This is my dream
النص المشفّر :
نلاحظ بأن النص المشفّر أخفى الرسالة ولن يستطيع أي شخص متطفّل أن يفهم محتواها
ب - عملية فك التشفير
للقيام بفك التشفير رسالة ، اتبع الخطوات الآتية :
1 - املأ الفراغات بمثلث مقلوب
2 - قسّم النص المشفّر إلى أجزاء اعتمادا على عدد الأسطر ( مفتاح التشفير ) أي أن عدد الأجزاء يساوي عدد الأسطر ولتحديد عدد الأحرف في كل جزء نقوم بما يأتي : مجموع حروف النص المشفّر ( بما فيها الفراغات ) ÷ عدد الأجزاء
3- اكتب الحرف الأول من كل جزء ثم الحرف الثاني ثم الحرف الثالث ، وهكذا .................
مثال جد النص الأصلي للنص المشفّر الآتي ، علماً بأنّ مفتاح التشفير ثلاثة أسطر
Y lai ugliy u lowlcvyrosfosdwlui heo a utye
الحل :
لإيجاد النص الأصلي اتبع الخطوات الآتية :
1 - املأ الفراغات بمثلث مقلوب
2 - اقسّم النص المشفّر إلى ثلاثة أجزاء لأن مفتاح التشفير ثلاثة أسطر إذا كان الناتج عدداً كسرياً نقرّبه لأقرب عدد صحيح أكبر منه
عدد الأحرف مع الفراغات 43 ، مفتاح التشفير سطران (3 )
43 ÷ 3 = 14.3 ثم نقر به لأقرب عدد صحيح وهو 15
لذا فإن الجزء الأول ( السطر الأول ) يتكون من 15 رمز كالشكل الآتي :
3 - نأخذ الحرف الأول من كل جزء بشكل عمودي ونضمها لبعض........... فتكتب كالآتي :
النص الأصلي :
you will achive your goals if you study well
you will achive your goals if you study well