اختراعات مهم تاریخ
دستگاه رمزنگاری

دستگاه رمزنگاری

DE416219
آرتور شربیوس

برخی از اختراعات، فارغ از اهمیت خود آن‌ها، بیشتر از آن جهت مورد توجه قرار می‌گیرند که نقطه شروعی برای دستیابی به اختراعات بزرگ‌تر به حساب می‌آیند. اختراع دستگاه رمزنگاری و استفاده از آن توسط آلمان‌ها در جنگ جهانی را، می‌توان نمونه‌ای بارز از این نوع اختراعات برشمرد. دستگاهی که هدف از آن رمزنگاری پیام‌های جنگی بود، طرف مقابل را برای شکستن کدهای آن، مجبور به ساخت دستگاهی نمود که به نوعی می‌توان آن را در زمره اولین رایانه‌ها دانست. همچنین این دستگاه، موجب توسعه مفاهیم و کاربردهای هوش مصنوعی پیش از توسعه رایانه‌ها شد. دو دستاورد بزرگ حاصل از این اختراع ارزشمند، خود اثرات قابل توجهی بر زندگی بشر داشته است. از یک طرف، با معرفی رایانه‌ها مسیر زندگی بشر تغییر کرد و از طرف دیگر، امروزه حوزه‌های بی‌شماری از پزشکی و علم ژنتیک تا مالکیت فکری، از قابلیت‌های هوش مصنوعی بهره می‌برند.

رمزنگاری، به روشی مبتنی بر کدها اطلاق شده که به منظور محافظت از اطلاعات و ارتباطات قابل استفاده بوده و توسط فرد موردنظر، قابل‌خواندن و پردازش باشد. در تکنیک‌های رمزنگاری، به منظور محافظت از اطلاعات و ارتباطات، از مفاهیم ریاضی و مجموعه‌ای از محاسبات قاعده‌مند یا الگوریتم‌ها استفاده می‌گردد و به این وسیله، به صورتی که فهم اطلاعات توسط اشخاص دیگر دشوار باشد، برای انتقال آن‌ها اقدام می‌شود. در دنیای امروز، تبادلی را نمی‌توان یافت که در از رمزنگاری بی‌بهره باشد. در تمامی ارتباطات امروزی در حوزه‌های مختلف، از تبادل اطلاعات در دنیای اینترنت گرفته تا تراکنش‌های مالی، به‌منظور حفظ امنیت داده‌ها، از الگوریتم‌های پیچیده رمزنگاری استفاده می‌شود. امروزه توانایی ذخیره‌سازی و انتقال اطلاعات حساس به شیوه‌ای امن، به یکی از کلیدی‌ترین عوامل موفقیت در جنگ‌ها و کسب‌وکارها بدل شده است.

به عقیده مورخان، پیشینه استفاده از رمزنگاری در انتقال پیام‌ها، به ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد باز می‌گردد؛ زمانی که مصریان در نوشته‌های خود از حروف تصویری استفاده می‌کردند که معنی کامل آن‌ها، فقط برای نخبگان و افراد کمی روشن بود. اولین استفاده از رمزنگاری به شکل مدرن نیز، به «ژولیوس سزار» از فرماندهان رومی نسبت داده شده است که با توجه به عدم اطمینان به حاملان پیام‌های خود به حکومت یا زیردستان، این شیوه را در پیش گرفت. روش ساده او برای رمزنگاری، بدین شکل بود که هر حرف الفبایی در پیام‌های او، با سه حرف بعدی حروف الفبای رومی، جایگزین می‌شد. اگرچه الگوریتم مورد استفاده توسط ژولیوس سزار بسیار ساده‌ بود، ولی همین روش ساده، نقطه شروعی برای روش‌ها و الگوریتم‌های پیچیده‌تری شد که در طول تاریخ، به منظور رمزنگاری ابداع گردیده است.

نقطه عطف علم رمزنگاری، اختراع دستگاهی به نام انیگما «Enigma» بود که پس از وارد نمودن پیام‌ها به آن، با استفاده از سازوکار الکتریکی مکانیکی خود، آن‌ها را با الگوریتم‌هایی پویا، رمزنگاری و ارسال می‌کرد. اختراع دستگاه انیگما و شکستن کدهای آن، تأثیر زیادی در سرنوشت جنگ جهانی داشت و منجر به توسعه علم رمزنگاری، به عنوان یکی از ارکان مهم حوزه اطلاعات و ارتباطات شد. مسئله مهم‌تر از خود این دستگاه، شکستن کدهای ساخته شده توسط آن بود که در پروژه‌ای دیگر مد نظر قرار گرفت و نتیجه حاصل از این پروژه، یعنی ساخت اولین رایانه یا دستگاه محاسباتی و توسعه و کاربرد مفاهیم هوش مصنوعی، تأثیری شگرفی بر فناوری و زندگی بشر به دنبال داشت.

انیگما، سال‌ها پیش از جنگ جهانی دوم، توسط مهندسی آلمانی به نام آرتور شربیوس «Arthur Scherbius» اختراع شد. وی که فرزند تاجری موفق بود، با هدف عرضه این اختراع به بازار و استفاده از آن توسط ادارات و کسب‌وکارها، پتنت‌های متعددی را در حوزه‌های جغرافیایی مختلف به ثبت رسانید. آرتور اولین درخواست ثبت اختراع برای این دستگاه را، در بیست و سوم فوریه سال ۱۹۱۸، در دفتر ثبت اختراعات آلمان به ثبت رسانید که در هشتم جولای سال ۱۹۲۵، موفق به اخذ گواهی ثبت اختراعی به شماره با شماره «DE416219» گردید. وی به توسعه دستگاه و افزودن قابلیت‌های بیش‌تر برای آن ادامه داد و به‌موازات آن، ثبت اختراع جهت محافظت از دستاوردهای خود را، در کشورهای مختلف به صورت جدی دنبال می‌کرد. نکته جالب‌توجه این است که آرتور، برای این دستگاه پتنت‌هایی در کشورهای متفقین که بعدها در جنگ جهانی به دنبال به دست آوردن انگیما و شکستن کدهای آن بودند نیز، ثبت کرده بود که در این خصوص، می‌توان به پتنت با شماره «US1657411» در دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا و چندین پتنت در دفتر ثبت اختراعات بریتانیا، اشاره نمود. لازم به ذکر است که تا قبل از جنگ جهانی، این دستگاه چندان مورد اقبال ادارات کشورهای مختلف قرار نگرفت. اما با شروع جنگ، همه چیز با تغییر روبرو شد.

انیگما در ظاهر شبیه به یک ماشین‌تحریر ساده بود. انرژی مورد نیاز این دستگاه، از طریق باتری تأمین می‌شد و به معنای واقعی قابل‌حمل بود و پیام‌ها به‌صورت ساده، با استفاده از آن تایپ می‌شد. علاوه بر صفحه کلید، دستگاه از صفحه‌ای دارای ۲۶ لامپ تشکیل‌ شده بود. در نسخه‌های اولیه انیگما، زمانی که کاربر کلید حرفی را می‌فشرد، لامپ و حرف متناظر با آن روشن می‌شد و یک نفر به‌عنوان دستیار، حروف را ثبت می‌کرد تا با استفاده از آن‌ها، پیامی رمزنگاری‌شده ساخته شود. سپس این پیام رمزنگاری‌شده، با استفاده از کدهای مورس انتقال می‌یافت. در انیگما، هر لامپ از طریق چند چرخ دوار، به حرفی روی صفحه کلید متصل بود. اتصال کلید با لامپ متناظر، در نتیجه دوران چرخ‌ها تغییر می‌یافت و در نتیجه، واردکردن حروف یکسان مانند «AAAA»، دنباله‌ای از حروف متغیر مانند «WMEV» را، روی صفحه لامپ‌ها روشن می‌کرد. این الگوی همواره در حال تغییر، کدهای انیگما را تا مدت‌ها غیرقابل شکستن کرده بود.

در جنگ جهانی، روزانه میلیون‌ها پیام آلمان با استفاده از این دستگاه رمزنگاری می‌شد. چندین سال بعد از استفاده ارتش آلمان از این روش، برای اولین بار رمزهای این دستگاه توسط متخصصین هلندی و بریتانیایی شکسته شد. البته درگذر زمان، دستگاه تکامل می‌یافت و شکستن کدهای آن ناممکن می‌شد. بریتانیا سرمایه‌گذاری قابل توجهی برای مقابله با دستگاه آلمانی‌ها انجام داد و سالیان متمادی، بزرگ‌ترین ریاضیدانان و متخصصین اطلاعات را گرد هم آورد، تا بتوانند راه‌حلی برای شکستن کدهای انیگما ارائه نمایند. اما جالب است بدانید که کلید شکستن کدهای نازی‌ها هم، در اداره ثبت اختراعات بریتانیا وجود داشت. اگر رمزنگاران انگلیسی، از دیاگرام‌های نسخه تجاری انیگما که در دفتر ثبت اختراعات بریتانیا وجود داشت پیروی می‌کردند، بسیار زودتر می‌توانستند به این مهم دست یابند. در سال ۱۹۲۴، نسخه تجاری انیگما بعد از ثبت در دفتر اشاره‌شده، با قیمت ناچیز ۱۹۰ دلار برای هر دستگاه، به دولت انگلیس پیشنهاد شده بود. با این وجود، این موضوع به ذهن ریاضیدانان انگلیسی خطور نمی‌کرد که ارتش آلمان به‌قدری ساده‌لوح باشد که از همان سیستم ساده که به‌صورت گسترده در دسترس بود، استفاده نماید و به همین دلیل، هیچ‌گاه نقشه‌ها و طرح‌های آن را از دفتر ثبت اختراعات کشور خود دریافت نکردند!

کدهای انیگما برای اولین بار توسط ریاضیدانی لهستانی با نام مریان رجوسکی «Marian Rejewski» شکسته شد. البته وی با استفاده از اطلاعات و عکس‌های جاسوسی که به وی داده ‌شده بود، توانست به این مهم دست یابد. مریان به الگوی سیم‌کشی که با استفاده از سه چرخ درون انیگما وجود داشت، دست یافت. وی متوجه شد که قبل از این که کاربر انیگما بخواهد پیامی را رمزنگاری نماید، سه چرخ اشاره‌شده را در موقعیت اولیه‌ای قرار می‌دهد که فقط برای دریافت‌کننده پیام شناخته ‌شده است. همین موقعیت اولیه، نکته مهمی برای کشف پیام‌ها بود. با استفاده از متد ابداعی مریان، لهستان توانست به پیام‌های آلمان‌ها دست یابد و آن را در اختیار انگلیسی‌ها و فرانسوی‌ها نیز قرار داد. اما در سال ۱۹۴۰، تغییر اساسی در سیستم و طرح انیگما، باعث شد که روشی که مریان برای یافتن موقعیت اولیه انیگما پیدا کرده بود، دیگر نتیجه‌بخش نباشد.

در این زمان، زیردریایی‌های آلمان بر آب‌های انگلیس تسلط داشتند و حتی مانع از ورود کشتی‌های حاوی محموله‌های غذا به سواحل این کشور می‌شدند. زیردریایی‌ها و قایق‌های آلمان، به معضلی بزرگ برای انگلیس بدل شده بودند و ممکن بود این کشور را به قحطی نیز برسانند. از طرفی، نیروی هوایی انگلیس در برابر تعداد بیشمار این قایق‌ها و زیردریایی‌ها، کاری از پیش نمی‌برد. با توجه به موارد ذکرشده، نیاز بود که همین نیروی هوایی محدود، به‌صورت بهینه به نابودسازی تجهیزات آلمان‌ها در آب‌های انگلیس بپردازند. از این رو، لازم به ارائه سازوکاری برای کشف و رمزگشایی پیام‌های آلمان‌ها بود. برای حل مشکل اول، یعنی از بین بردن بیش‌ترین تعداد تجهیز دشمن در کمترین پرواز، ریاضیدانان انگلیسی شاخه‌ای از ریاضیات را که بعدها به تحقیق در عملیات «operation research» شناخته شد، توسعه داده و به کار بردند. لازم به ذکر است که در این علم، با استفاده از مدل‌های ریاضی، به بهینه‌سازی هر مسئله پرداخته می‌شود. برای مشکل دوم نیز، آلان تورینگ «Alan Turing»، ریاضیدان نابغه انگلیسی که در دانشگاه‌های کمبریج و پرینستون تحصیل کرده بود، با کمک گروهی از متخصصین رمزنگاری، پروژه‌ای را در مرکز «Bletchley Park» بر عهده گرفت؛ جایی که عملیات سری رمزگشایی کدها و پیام‌های جنگ جهانی در آن انجام می‌شد.

تورینگ با کمک «گاردون ولچمن»، دستگاهی به نام بمبی «Bombe» را برای کمک به تیم رمزگشایان ابداع نمود. از میانه‌های سال ۱۹۴۰، بسیاری از سیگنال‌های ارسالی نیروی هوایی، در مرکز اشاره ‌شده، شنود و رمزگشایی می‌شد؛ اما تورینگ هدف بزرگ‌تری داشت و آن غلبه بر کدهای ساخته‌شده با دستگاه انیگما بود که ناوگان دریایی آلمان از آن‌ها استفاده می‌کرد. در همین راستا، تکنیک‌های رمزگشایی متعددی، از جمله آنچه به تورینجری «Turingery» شناخته‌شده بود، توسعه یافت. این تکنیک‌ها، در کشف پیام‌های مخابره شده با استفاده از انیگما، کمک شایان ذکری به متفقین و به‌ویژه انگلیس نمود.

تورینگ در سال ۱۹۴۲، به آمریکا سفر نمود، تا دستاوردهایش در رابطه با دستگاه بمبی و همچنین کشفیاتش صورت گرفته در رابطه با انیگما را، با سرویس‌های اطلاعاتی این کشور در میان گذاشته و در عین حال، با پیشرفت‌های این کشور در حوزه سیستم‌های رمزنگاری آشنا شود. وی بر اساس دانش و تجربیاتی که به دست آورده بود، به توسعه دستگاه محاسباتی خود، یعنی دستگاه یونورسال تورینگ پرداخت. بعدها طرح این دستگاه، با عنوان موتور محاسباتی خودکار (ACE) منتشر شد. این دستگاه، اولین رایانه مدرن بود که می‌توانست در زمان بسیار کوتاهی، تمامی محاسبات ریاضیدانان و رمزگشایان را انجام داده و حالت‌های مختلفی که کدها می‌توانستند داشته باشند را بررسی نماید. همین موضوع، باعث شد که پیام‌های آلمان‌ها زودتر کشف شود و اقدامات پیشگیرانه و به هنگامی صورت پذیرد. امروزه مبنای کار دستگاه تورینگ، جزئی از مباحث و دروس علوم کامپیوتر و الکترونیک است. به عقیده بسیاری از مورخین، این دستاورد مهم تورینگ، نقش بسیار مهمی در کوتاه‌تر شدن جنگ جهانی، مقابله با ارتش آلمان و حفظ جان میلیون‌ها انسان داشته است.

 البته تورینگ نتوانست به توسعه بیشتر دستگاه خود بپردازد و در سال ۱۹۵۲، به دلیل مشکلات اخلاقی که داشت، توسط دولت انگلیس دستگیر شد. تورینگ دو سال بعد، درحالی‌که از تنهایی و روان‌پریشی رنج می‌برد، با خوردن سیب آغشته به سیانید، به زندگی خود پایان داد. عده‌ای نشانی انتخابی «استیو جابز» برای شرکت اپل را، به موضوع خودکشی تورینگ و سیب سمی گاز زده‌ای که بر سر جسد وی یافت شد، نسبت می‌دهند. تا سال‌ها، دستاوردهای بزرگ تورینگ که منجر به پیدایش علوم کامپیوتر و فناوری هوش مصنوعی شد، به‌واسطه ماهیت سری پروژه مخفی مانده بود. قسمتی از داستان پروژه و کارهایی که تورینگ طی جنگ جهانی انجام داده بود، در سال ۱۹۷۰ و قسمتی در سال ۱۹۹۰ منتشر گردید. چندین سال بعد از مرگ تورینگ و بعد از این که مورد بی‌مهری دولت قرار گرفت، به‌پاس خدمات بزرگ این نابغه ریاضی، جایزه تورینگ پایه‌گذاری شد. این جایزه که به‌عنوان نوبل علوم کامپیوتر شناخته شده و امروزه توسط غول‌های فناوری، مانند اینتل، گوگل و فیسبوک حمایت می‌شود، به افرادی تعلق می‌گیرد که تحول بزرگی در حوزه علوم کامپیوتر به وجود می‌آورند. از برندگان این جایزه بزرگ، می‌توان به «تیم برنرزلی»، مخترع شبکه جهانی وب و «داگلاس انگلبارت» مخترع ماوس و رابط کاربری در رایانه‌ها، اشاره نمود.