• Одноалфавитный шифр подстановки (шифр простой замены) - шифр, при котором каждый символ открытого текста заменяется на некоторый, фиксированный при данном ключе символ того же алфавита.
  • Однозвучный шифр подстановки похож на одноалфавитный за исключением того, что символ открытого текста может быть заменен одним из нескольких возможных символов.
  • Полиграммный шифр подстановки заменяет не один символ, а целую группу. Примеры: шифр Плейфера , шифр Хилла .
  • Полиалфавитный шифр подстановки состоит из нескольких шифров простой замены. Примеры: шифр Виженера , шифр Бофора , одноразовый блокнот .

В качестве альтернативы шифрам подстановки можно рассматривать перестановочные шифры. В них, элементы текста переставляются в ином от исходного порядке, а сами элементы остаются неизменными. Напротив, в шифрах подстановки, элементы текста не меняют свою последовательность, а изменяются сами.

История

Использование шифров подстановки берет свое начало в Месопотамии . С целью сокрытия информации о рецепте производства глазури для гончарных изделий автор заменял часть слов на цифры и клинописные знаки . Римский император Гай Юлий Цезарь при написании секретных сообщений смещал каждую букву алфавита на 3 позиции. Данный вид шифров подстановки в последствии назвали его именем, шифр Цезаря . Другой не менее известный шифр античности , Атбаш , применялся в Библии для создания скрытых посланий. Каждая буква слова заменялась ее зеркальным отражением в алфавите.

Одним из первых шифровальных устройств принято считать линейку Энея , при использовании которой длинная нить продевалась через прорезь, а затем через проделанные в линейке отверстия. Рядом с отверстиями располагались соответствующие им буквы. На нити завязывался узелок в месте прохождения ее через отверстие. Таким образом осуществлялась замена текста послания на последовательность расстояний между узелками. Данное устройство было изобретено древнегреческим полководцем Энеем Тактиком в IV веке до н. э.

Этого недостатка были лишены полиалфавитные шифры , первый из которых был описан немецким монахом Иоганном Тритемием . Согласно методу, описанному в его трактате «Полиграфия» очередная буква заменялась символом из собственного шифралфавита, при этом каждый следующий алфавит получался из предыдущего с помощью сдвига на одну букву. Особенную популярность получил полиалфавитный шифр, описанный Блезом де Виженером в 1585 году . В качестве ключа к шифру использовалось произвольное слово. Соответствующий данному слову набор шифралфавитов определялся из таблицы Виженера.

Шифры простой замены

Шифр с использованием кодового слова

Шифр с использованием кодового слова является одним из самых простых как в реализации, так и в расшифровывании. Идея заключается в том, что выбирается кодовое слово , которое пишется впереди, затем выписываются остальные буквы алфавита в своем порядке. Шифр с использованием кодового слова WORD.

Как мы видим, при использовании короткого кодового слова мы получаем очень и очень простую замену. Мы можем использовать слово с повторяющимися буквами в качестве кодового слова, но только в том случае, если уберём из кодового слова лишние буквы, иначе это приведёт к неоднозначности расшифровки, то есть двум различным буквам исходного алфавита будет соответствовать одна и та же буква шифрованного текста.

Метод записи зашифрованных текстов

По традиции, зашифрованный текст пишут блоками (другое название “группы”) по 5 символов, не учитывая пунктуацию и пробелы. Это помогает избежать ошибок при передаче шифрованного сообщения и позволяет скрыть границы слов в исходном тексте. Блок содержит 5 символов, так как раньше их было удобно передавать по телеграфу .

Безопасность шифров простой замены

Главный недостаток этого метода шифрования - это то, что последние буквы алфавита (которые имеют низкие коэффициенты при частотном анализе) имеют тенденцию оставаться в конце. Более защищённый способ построить алфавит замены состоит в том, чтобы выполнить колоночное перемещение (перемещение столбцов) в алфавите, используя ключевое слово, но это нечасто делается. Несмотря на то, что число возможных ключей является очень большим (26! = 2 88.4), этот вид шифра может быть легко взломанным. При условии, что сообщение имеет достаточную длину (см. ниже), криптоаналитик может предположить значения некоторых самых распространённых букв исходя из анализа частотного распределения символов в зашифрованном тексте. Это позволяет формировать отдельные слова, которые могут быть предварительно использованы, для последующего получения более полного решения (см. частотный анализ). Согласно расстоянию уникальности английского языка 27.6 букв от зашифрованного текста должно быть достаточно, чтобы взломать шифр простой замены. На практике обычно достаточно около 50 символов для взлома, хотя некоторые шифротексты могут быть взломаны и с меньшим количеством символов, если найдены какие-либо нестандартные структуры. Но при равномерном распределении символов в тексте могут потребоваться куда более длинные шифротексты для взлома.

Омофоническая замена

Ранние попытки увеличить сложность частотного анализа шифротекстов состояли в том, чтобы замаскировать реальные частоты появления символов обычного текста с помощью омофонии. В этих шифрах буквы исходного алфавита соответствуют более чем одному символу из алфавита замены. Обычно символам исходного текста с наивысшей частотой дают большее количество эквивалентов , чем более редким символам. Таким образом, распределение частоты становится более равномерным, сильно затрудняя частотный анализ. С тех пор, как для алфавита замены стало требоваться больше чем 26 символов, появилась необходимость в расширенных алфавитах. Одним из самых простых решений является замена алфавита на цифры . Другой метод состоит из простых изменений существующего алфавита: прописные буквы , строчные буквы , перевернутые символы и т. д. Более художественными, хотя не обязательно более надежными, будут омофонические шифры, которые используют полностью изобретённые (вымышленные) алфавиты (как например, шифр в книге «Золотой жук» Э. По, или «Рукопись Войнича ». Впрочем, эти шифры не являются примерами омофонической замены).

Примеры омофонических шифров

Номенклатор

Шифр, изданный средневековым чиновником, представляющий собой маленькую книгу с большими омофоническими таблицами замены. Первоначально шифр был ограничен именами важных людей того времени, отсюда и последовало название шифра; в более поздних изданиях этот шифр дополнился большим количеством распространённых слов и географических названий. На основе этого «номенклатора» был составлен Великий Шифр Россиньоля, использовавшийся королём Франции Людовиком XIV . И действительно, после того как этот шифр перестал использоваться, французские архивы были закрытыми ещё в течение нескольких сотен лет. «Номенклаторы» были стандартом для дипломатической корреспонденции, шпионских сообщений и являлись основным средством антиполитической конспирации с начала пятнадцатого столетия до конца восемнадцатого столетия. Хотя правительственные криптоаналитики систематически взламывали «номенклаторы» к середине шестнадцатого столетия. Обычным выходом из этой ситуации было увеличение объёмов таблиц. Но к концу восемнадцатого столетия, когда система начала выходить из употребления, некоторые «номенклаторы» имели до 50 000 символов. Однако не все «номенклаторы» были сломаны.

Великий Шифр Россиньоля

Полиграммные шифры

В полиграммных шифрах подстановки буквы открытого текста заменяются не по одной, а группами. Первое преимущество такого способа заключается в том, что распределение частот групп букв значительно более равномерное чем отдельных символов. Во-вторых для продуктивного частотного анализа требуется больший размер зашифрованного текста, так число различных групп букв значительно больше, чем просто алфавит.

Примеры полиграммных шифров

Шифр Плейфера

Криптоанализ

  1. Атака на основе адаптивно подобранного открытого текста

Криптоанализ однозвучных шифров подстановки осуществляется подсчетом частот появления пар и троек символов.

Атаки на основе открытых текстов

При наличии открытого текста достаточной длины взлом моноалфавитных и однозвучных шифров является тривиальным.

Атаки на основе подобранного открытого текста

К атаке на основе выбранного открытого текста уязвимы все шифры подстановки за исключением одноразового блокнота .

В шифровальных машинах

Одно из первых шифровальных устройств было придумано в пятнадцатом веке и осуществляло замену шифром Цезаря . Его автором являлся итальянский архитектор Леоном Баттиста Альберти , который внес ощутимый вклад в развитие шифров подстановки. Данное устройство состояло из двух медных дисков разного размера, скрепленных иглой. По краям каждого диска наносился алфавит. Оба диска могли вращаться независимо друг от друга, тем самым сопоставляя буквы открытого и шифрованного текста. Диск Альберти широко использовался пять столетий, в том числе во время Гражданской войны в США .

Для получения зашифрованного сигнала применялся полый диск с нанесенными с двух сторон контактами. Получаемый в результате шифрования текст зависел от коммутации диска и его углового положения. Данный вид шифровальных устройств в последствии назвали роторными машинами.

Роторные машины применялись различными странами в ходе Второй мировой войны . Наиболее известными из них были: американская машина SIGABA , немецкая ENIGMA, английская TYPEX и японская PURPLE.

Роторные шифровальные системы имели два вида ключей. Перепайки между контактами ротора задавали постоянный ключ. Для замены постоянных ключей необходимо было модернизировать все выпущенные шифровальные машины данной модели, что на практике тяжело реализуемо. Переменные ключи зачастую менялись каждый день и определялись набором роторов и их начальным положением.

Применение в наше время

Несмотря на вытеснение шифров подстановки блочными шифрами, одноразовые блокноты по прежнему применяются на государственном уровне в наше время. Они используются для обеспечения сверхсекретных каналов связи. По слухам, телефонная линия между главами СССР и США шифровалась с помощью одноразового блокнота и вполне возможно существует до сих пор. Одноразовые блокноты применяются шпионами различных государств для сокрытия особо важной информации. Такие сообщения невозможно расшифровать при отсутствии записанного в блокноте ключа независимо от вычислительной мощности ЭВМ.

Шифрами замены называются такие шифры, преобразования из которых приводят к замене каждого символа открытого текста на другие символы – шифрообозначения, причем порядок следования шифрообозначений совпадает с порядком следования соответствующих им символов открытого сообщения.

Простейшим из шифров замены является одноалфавитная подстановка , называемая также шифром простой замены . Ключом такого шифра является взаимно однозначное отображение (подстановка ) F алфавита открытого текста (X ) в алфавит шифртекста (Y ): F : X ↔Y . Зафиксируем нумерацию символов в алфавитах X и Y : X = {x 1 , x 2 , … x n }, Y = {y 1 , y 2 , … y n }. Тогда отображение F фактически задается перестановкой p порядка n = |X | = |Y |: при шифровании символ x i открытого текста заменяется на символ y p ( i ) шифртекста. Эта перестановка может быть задана либо таблицей, либо с помощью формулы. При задании с помощью формулы значение p(i ) представляется в виде выражения, зависящего от i .

Типичным примером шифра замены является шифр Цезаря . Этот шифр реализует следующее преобразование текста, записанного с помощью латинского алфавита: каждая буква открытого текста заменяется буквой, стоящей на три позиции позже нее в алфавите (при этом алфавит считается записанным по кругу, то есть после буквы "z" идет буква "a"). Например, открытый текст "secret" будет преобразован в "vhfuhw". Ключ для шифра Цезаря можно задать в виде следующей таблицы (см. рис. 2.3). В первой строке записаны буквы открытого текста, во второй – соответствующие им буквы шифртекста.


Шифр Цезаря можно описать и в виде формулы. Для этого пронумеруем буквы латинского алфавита числами от 0 до 25: a = 0, b = 1, …, z = 25. Тогда правило замены можно описать следующим образом: буква с номером i i +3 (mod 26), где операция "mod 26" означает вычисление остатка от деления на 26.

Разумеется, возможен обобщенный вариант шифра Цезаря, при котором буква с номером i заменяется на букву с номером i +k (mod 26). В этом случае ключом шифра является число k .

Еще больше обобщив этот метод, мы придем к семейству аффинных шифров . Для алфавита из n символов {a 1 , a 2 , …, a n } аффинным шифром называется процедура, заменяющая входной символ a i на символ a j , где j = k ⋅i +l (mod n ). Для того чтобы имелась возможность расшифрования числа n и k должны быть взаимно простыми, то есть НОД(n , k ) = 1.

Шифры простой замены в настоящее время не используются, поскольку их стойкость невелика. Методы взлома таких шифров основаны на анализе частотности отдельных символов и их комбинаций. Дело в том, что в любом языке различные буквы и комбинации из двух, трех или большего количества букв имеют характерные частоты повторений в текстах. Например, в текстах на русском языке чаще всего встречается буква "О", затем, в порядке убывания частоты, идут буквы "Е" (считая, что "Е" и "Ё" – одна и та же буква), "А", "И", "Т" и т.д. Для английского языка аналогичная последовательность самых частых букв: "E", "T", "A", "I", "N". Самым частым символом в текстах является, однако, не буква, а символ пробела.

Ясно, что при использовании шифра простой замены частота повторений зашифрованных символов в шифртексте совпадает с частотой повторений соответствующих исходных символов в открытом тексте. Это позволяет достаточно легко вскрыть такой шифр. Более тонкие характеристики (учет сочетаемости различных букв) позволяют даже автоматизировать процесс взлома.

Для того чтобы увеличить стойкость шифров замены, применяют многоалфавитную подстановку, называемую также шифром сложной замены . Процедура шифрования для многоалфавитной замены включает набор подстановок {p 1 , p 2 ,…, p m } и функцию-распределительY (k ,i ), задающую последовательность применения подстановок p i . При шифровании i -го символа открытого текста применяется подстановка с номером Y (k ,i ), где k - ключ шифрования.

Частным случаем многоалфавитной замены является шифр Виженера. Формально этот шифр можно описать следующим образом. В качестве ключа шифрования выберем набор из m целых чисел: k = (k 1 , k 2 , …, k m ). Процедуру преобразования открытого текста t = (t 1 , t 2 , …) в шифртекст c = (c 1 , c 2 , …) построим на основе обобщенного шифра Цезаря: c 1 = t 1 + k 1 (mod 26),
c 2 = t 2 + k 2 (mod 26), и т.д. Когда будут использованы все m компонент ключа k , для шифрования (m +1)-й буквы снова возьмем k 1 , и т.д. Фактически, в качестве ключа шифрования используется гамма шифра – бесконечная последовательность, образованная периодическим повторением исходного набора: k 1 ,k 2 ,…,k m , k 1 ,k 2 ,…,k m , k 1 ,k 2 ,…

Взломать шифр многоалфавитной замены немного сложнее, чем шифры простой замены, но тоже достаточно легко. Такой шифр на самом деле представляет собой одновременное применение m шифров простой замены (обобщенный шифр Цезаря), причем часть исходного текста, состоящая из букв t i , t m+i , t 2 m+i , … шифруются с использованием "ключа" k i (i =1, …,m ).

Если известен период гаммы (т.е. число m ), то к каждой такой части можно применить любой из методов взлома шифров простой замены. Если период гаммы не известен, то задача усложняется. Но и для этих случаев разработаны эффективные методы взлома. Эти методы позволяют с достаточной вероятностью определить период гаммы, после чего задача сводится к взлому шифра гаммирования с известным периодом.

Как было указано выше, основой для атак на шифры замены является анализ частот вхождений символов в шифртекст. Для того чтобы затруднить взлом шифра замены, можно попытаться скрыть частотные свойства исходного текста. Для этого надо, чтобы частоты появления разных символов в зашифрованном тексте совпадали. Такие шифры замены называются гомофоническими .

Простейшим вариантом гомофонического шифра является следующий. Предположим, что нам известны частоты вхождений символов в открытый текст. Пусть f i - частота появления i –го символа в открытом текста (i - номер буквы в алфавите). Каждой букве t i исходного алфавита (т.е. алфавита, с помощью которого записывается открытое сообщение) сопоставим подмножество F i , содержащее f i символов выходного алфавита (т.е. алфавита, с помощью которого записывается шифртекст), причем никакие два подмножества F i и F j не пересекаются. При шифровании будем заменять каждое вхождение символа t i на случайный символ из множества F i . Ясно, что средняя частота появления в шифртексте любого из символов выходного алфавита одинакова, что существенно затрудняет криптоанализ.

Шифры гаммирования

Формально гаммирование можно отнести к классу шифров сложной замены. Однако, благодаря удобству реализации и формального описания, шифры гаммирования широко используются, и обычно их выделяются в отдельный класс.

Суть метода гаммирования заключается в следующем. С помощью секретного ключа k генерируется последовательность символов

Эта последовательность называется гаммой шифра. При шифровании гамма накладывается на открытый текст , т.е. символы шифртекста получаются из соответствующих символов открытого текста и гаммы с помощью некоторой обратимой операции:

В качестве обратимой операции обычно используется либо сложение по модулю количества букв в алфавите n : либо, при представлении символов открытого текста в виде двоичного кода, операция поразрядного суммирования по модулю два (XOR): .

Расшифрование осуществляется применением к символам шифртекста и гаммы обратной операции: , или (операция XOR является обратной к самой себе).

Стойкость систем шифрования, основанных на гаммировании, зависит от характеристик гаммы – ее длины и равномерности распределения вероятностей появления знаков гаммы.

Наиболее стойким является гаммирование с бесконечной равновероятной случайной гаммой, т.е. процедура шифрования, удовлетворяющая следующим трем условиям, каждое из которых является необходимым:

1) все символы гаммы полностью случайны и появляются в гамме с равными вероятностями;

2) длина гаммы равна длине открытого текста или превышает ее;

3) каждый ключ (гамма) используется для шифрования только одного текста, а потом уничтожается.

Такой шифр не может быть взломан в принципе, то есть является абсолютно стойким. Однако абсолютно стойкие шифры очень не удобны в использовании, и поэтому почти не применяются на практике.

Обычно гамма либо получается периодическим повторением ключевой последовательности фиксированного размера, либо генерируется по некоторому правилу. Для генерации гаммы удобно использовать генераторы псевдослучайных чисел (ПСЧ). Наиболее известными генераторами ПСП являются линейный конгруэнтный генератор и генератор линейный рекуррентный последовательности.

Линейный конгруэнтный генератор задается рекуррентной формулой: g i = a ×g i – 1 + b (mod m ), где g i – i -й член последовательности псевдослучайных чисел; a , b , m и g 0 – ключевые параметры. Данная последовательность состоит из целых чисел от 0 до m – 1, и если элементы g i и g j совпадут, то последующие участки последовательности также совпадут: g i +1 = g j +1 , g i +2 = g j +2 , и т.д. Поэтому последовательность {g i } является периодической, и ее период не превышает m . Для того чтобы период последовательности псевдослучайных чисел, сгенерированной по указанной рекуррентной формуле, был максимальным (равным m), параметры данной формулы должны удовлетворять следующим условиям:

· b и m -взаимно простые числа;

· a – 1 делится на любой простой делитель числа m ;

· a – 1 кратно 4, если m кратно 4.

Линейная рекуррентная последовательность задается следующей формулой:

, i = 0,1…,

где Å – операция вычисления суммы по модулю 2, – состояние j -го бита последовательности, – коэффициент обратной связи, , коэффициенты .

Это соотношение определяет правило вычисления по известным значениям величин . Затем по известным значениям находят и т.д. В результате по начальным значениям можно построить бесконечную последовательность, причем каждый ее последующий член определяется из n предыдущих.

Последовательности такого вида легко реализуются программными или аппаратными средствами. Основу этой реализации составляет регистр сдвига с линейной обратной связью (РСЛОС).

РСЛОС представляет собой простое в реализации, недорогое устройство, способное формировать последовательности и обеспечить такие требования как:

· большой размер ансамбля последовательностей, формируемых на одной алгоритмической основе;

· оптимальность корреляционных функций в ансамбле;

· сбалансированность структуры;

· максимальность периода для данной длины регистра сдвига.

Обобщенная схема РСЛОС приведена на рис. 2.4.

Сдвиговый регистр представляет собой последовательность битов. Количество битов определяется длиной регистра. Если длина равна n битам, то регистр называется n -битовым регистром сдвига. Всякий раз, когда в выходную последовательность нужно извлечь бит, все биты регистра сдвига сдвигаются вправо на 1 позицию. Новый крайний левый бит является функцией всех остальных битов регистра. Выдвинутый из регистра бит является очередным элементом последовательности. Периодом регистра сдвига называется длина получаемой последовательности до начала ее повторения.

Обратная связь представляет собой просто операцию XOR над битами регистра, для которых значения коэффициентов обратной связи равно 1. Перечень этих битов называется отводной последовательностью .

Любой n -битовый РСЛОС может находиться в одном из 2 n –1 внутренних состояний. Это означает, что теоретически такой регистр может генерировать псевдослучайную последовательность с периодом 2 n –1 битов. (Число внутренних состояний и максимальный период равны 2 n –1, потому что заполнение РСЛОС нулями, приведет к тому, что сдвиговый регистр будет выдавать бесконечную последовательность нулей, что абсолютно бесполезно.) Только при определенных отводных последовательностях РСЛОС циклически пройдет через все 2 n –1 внутренних состояний, такие РСЛОС являются регистрами с максимальным периодом. Получившийся результат называется М – последовательностью .

Для того, чтобы конкретный n -битовый РСЛОС имел максимальный период 2 n –1, двоичный полином f (x ) = h n x n + h n – 1 x n – 1 + … + h 1 x + 1, образованный из отводной последовательности и константы 1, должен быть примитивным. Полином f (x ) степени n называется примитивным , если его нельзя представить в виде произведения двух полиномов с меньшими степенями (свойство неприводимости) и, если x является генератором всех ненулевых полиномов со степенями не выше n , умножение которых осуществляется по модулю f (x ).

В общем случае не существует эффективного способа генерировать примитивные полиномы данной степени. Проще всего выбирать полином случайным образом и проверять, не является ли он примитивным. Это чем-то похоже на проверку, не является ли простым случайно выбранное число. В настоящее время составлены таблицы примитивных полиномов, которыми можно воспользоваться при разработке конкретных РСЛОС.

Шифрами замены называют такие шифры, шифрование с помощью которых осуществляется путем замены каждого символа исходного текста другими символами (шифрообозначениями), при этом порядок символов не меняется. Формально шифр замены можно описать так: каждой букве ос исходного текста ставится в соответствие некоторое множество символов М а, которое называют множеством шифрообозначений для буквы а. Таблица соответствий и порядок выбора шифрообозначения из множества символов являются ключом шифра замены.

Если множества состоят из одного элемента, то такой шифр называют шифром простой замены.

В качестве ключа в системе Цезаря используется таблица, состоящая из двух строк (первая строка - алфавит исходного сообщения, вторая строка - тот же алфавит, но со сдвигом на несколько букв; при этом алфавитный порядок букв сохраняется).

При шифровании каждой буквы исходного текста ее заменяют буквой, которая находится под ней во второй строке таблицы. Ключ такого шифра легко запомнить по первой букве второй строки. Процесс дешифрации выполняется в обратном порядке - каждую букву шифротекста находят во второй строке таблицы и заменяют на букву над ней (с первой строки). Число ключей такого шифра не превышает количество букв алфавита (для русскоязычных текстов Т = 33).

Шифрами сложной замены называют такие шифры, шифрование с помощью которых осуществляется путем замены каждого символа исходного текста другими символами (шифрообозначениями), при этом порядок символов не меняется. Шифры сложной замены называют многоалфавитными, так как для шифрования каждого символа исходного текста используют свой шифр простой замены. Многоалфавитная подстановка обеспечивает цикличное использование в соответствии с ключом нескольких алфавитов замены, использование которых определяется местом зашифровываемого символа в исходном тексте.

Такое шифрование приводит к изменению статистики повторяемости символов в шифротексте по сравнению с исходным текстом, что лишает криптоаналитиков важной информации при попытке вскрытия шифра.

Этот шифр сложной замены реализуется с помощью таблицы шифрования (квадрата) Вижинера. Эта таблица используется как для шифрования, так и для дешифрования текстов (рис. 5.1).

> Матрица букв

шифрограмм

Столбец ключа

Строка букв

открытого

Рис. 5.1. Таблица Вижинера

Верхнюю строку подчеркнутых символов используют для поиска очередной буквы исходного текста, крайний левый столбец чисел - соответствующий ей числовой ключ (если ключ - некоторая буква ключевой фразы, то ее берут из соседнего числовому ключу столбца). На пересечении выбранных строки и столбца находят букву замены для шифротекста.

Для того чтобы зашифровать исходное сообщение, его записывают в строку и под каждой его буквой записывают подряд буквы ключевой фразы или цифры числового ключа. Если ключ оказался короче исходного текста, его циклически повторяют.

Задача 5.5

Пусть необходимо зашифровать следующий открытый текст : «ТО BE OR NOT ТО BE THAT IS THE QUESTION», используя секретный ключ «RELATIONS».

Решение.

Разобьем процесс шифрования на следующие этапы.

1. Записываем секретный ключ над открытым текстом столько раз, сколько потребуется, чтобы длина ключа совпала с длиной открытого текста, т.е. получим периодический ключ.

  • 2. Чтобы зашифровать открытый текст с помощью полученного периодического ключа и таблицы замены, приведенной выше, необходимо:
    • найти букву, стоящую на пересечении строки, названием которой является очередная буква открытого текста, и столбца, названием которого является очередной символ периодического ключа;
    • записать полученный символ криптограммы;
    • повторять предыдущие пункты до тех пор, пока не будет зашифрован весь текст.

После шифрования получим криптограмму:

«КЗ МЕ НЕЕ ВВЬ КБ МЕ МРСЮ А1 ХЭЕ,Ю5ЕЕ78У».

Для расшифровки такой криптограммы используется следующий алгоритм.

  • 1. Необходимо найти столбец, названием которого является очередной символ секретного ключа.
  • 2. В этом столбце нужно найти строку, содержащую очередной символ криптограммы.
  • 3. В качестве очередного символа открытого текста надо записать название полученной строки.

Дешифрование выполняют аналогично - под строкой шифро-текста записывают ключ, при необходимости циклически его повторяя. Каждую пару символов, расположенных в одном столбце, заменяют буквой исходного текста: по букве ключа находят строку в таблице 3, затем в этой строке находят букву шифротекста, которая определяет столбец; исходный символ - первая буква столбца.

Поскольку шифров в мире насчитывается огромное количество, то рассмотреть все шифры невозможно не только в рамках данной статьи, но и целого сайта. Поэтому рассмотрим наиболее примитивные системы шифрации, их применение, а так же алгоритмы расшифровки. Целью своей статьи я ставлю максимально доступно объяснить широкому кругу пользователей принципов шифровки \ дешифровки, а так же научить примитивным шифрам.

Еще в школе я пользовался примитивным шифром, о котором мне поведали более старшие товарищи. Рассмотрим примитивный шифр «Шифр с заменой букв цифрами и обратно».

Нарисуем таблицу, которая изображена на рисунке 1. Цифры располагаем по порядку, начиная с единицы, заканчивая нулем по горизонтали. Ниже под цифрами подставляем произвольные буквы или символы.

Рис. 1 Ключ к шифру с заменой букв и обратно.

Теперь обратимся к таблице 2, где алфавиту присвоена нумерация.

Рис. 2 Таблица соответствия букв и цифр алфавитов.

Теперь зашифруем словоК О С Т Е Р :

1) 1. Переведем буквы в цифры:К = 12, О = 16, С =19, Т = 20, Ё = 7, Р = 18

2) 2. Переведем цифры в символы согласно таблицы 1.

КП КТ КД ПЩ Ь КЛ

3) 3. Готово.

Этот пример показывает примитивный шифр. Рассмотрим похожие по сложности шрифты.

1. 1. Самым простым шифром является ШИФР С ЗАМЕНОЙ БУКВ ЦИФРАМИ. Каждой букве соответствует число по алфавитному порядку. А-1, B-2, C-3 и т.д.
Например слово «TOWN » можно записать как «20 15 23 14», но особой секретности и сложности в дешифровке это не вызовет.

2. Также можно зашифровывать сообщения с помощью ЦИФРОВОЙ ТАБЛИЦЫ. Её параметры могут быть какими угодно, главное, чтобы получатель и отправитель были в курсе. Пример цифровой таблицы.

Рис. 3 Цифровая таблица. Первая цифра в шифре – столбец, вторая – строка или наоборот. Так слово «MIND» можно зашифровать как «33 24 34 14».

3. 3. КНИЖНЫЙ ШИФР
В таком шифре ключом является некая книга, имеющаяся и у отправителя и у получателя. В шифре обозначается страница книги и строка, первое слово которой и является разгадкой. Дешифровка невозможна, если книги у отправителя и корреспондента разных годов издания и выпуска. Книги обязательно должны быть идентичными.

4. 4. ШИФР ЦЕЗАРЯ (шифр сдвига, сдвиг Цезаря)
Известный шифр. Сутью данного шифра является замена одной буквы другой, находящейся на некоторое постоянное число позиций левее или правее от неё в алфавите. Гай Юлий Цезарь использовал этот способ шифрования при переписке со своими генералами для защиты военных сообщений. Этот шифр довольно легко взламывается, поэтому используется редко. Сдвиг на 4. A = E, B= F, C=G, D=H и т.д.
Пример шифра Цезаря: зашифруем слово « DEDUCTION » .
Получаем: GHGXFWLRQ . (сдвиг на 3)

Еще пример:

Шифрование с использованием ключа К=3 . Буква «С» «сдвигается» на три буквы вперёд и становится буквой «Ф». Твёрдый знак, перемещённый на три буквы вперёд, становится буквой «Э», и так далее:

Исходный алфавит:А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я

Шифрованный:Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В

Оригинальный текст:

Съешь же ещё этих мягких французских булок, да выпей чаю.

Шифрованный текст получается путём замены каждой буквы оригинального текста соответствующей буквой шифрованного алфавита:

Фэзыя йз зьи ахлш пвёнлш чугрщцкфнлш дцосн, жг еютзм ъгб.

5. ШИФР С КОДОВЫМ СЛОВОМ
Еще один простой способ как в шифровании, так и в расшифровке. Используется кодовое слово (любое слово без повторяющихся букв). Данное слово вставляется впереди алфавита и остальные буквы по порядку дописываются, исключая те, которые уже есть в кодовом слове. Пример: кодовое слово – NOTEPAD.
Исходный:A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
Замена:N O T E P A D B C F G H I J K L M Q R S U V W X Y Z

6. 6. ШИФР АТБАШ
Один из наиболее простых способов шифрования. Первая буква алфавита заменяется на последнюю, вторая – на предпоследнюю и т.д.
Пример: « SCIENCE » = HXRVMXV

7. 7. ШИФР ФРЕНСИСА БЭКОНА
Один из наиболее простых методов шифрования. Для шифрования используется алфавит шифра Бэкона: каждая буква слова заменяется группой из пяти букв «А» или «B» (двоичный код).

a AAAAA g AABBA m ABABB s BAAAB y BABBA

b AAAAB h AABBB n ABBAA t BAABA z BABBB

c AAABA i ABAAA o ABBAB u BAABB

d AAABB j BBBAA p ABBBA v BBBAB

e AABAA k ABAAB q ABBBB w BABAA

f AABAB l ABABA r BAAAA x BABAB

Сложность дешифрования заключается в определении шифра. Как только он определен, сообщение легко раскладывается по алфавиту.
Существует несколько способов кодирования.
Также можно зашифровать предложение с помощью двоичного кода. Определяются параметры (например, «А» - от A до L, «В» - от L до Z). Таким образом, BAABAAAAABAAAABABABB означает TheScience of Deduction ! Этот способ более сложен и утомителен, но намного надежнее алфавитного варианта.

8. 8. ШИФР БЛЕЗА ВИЖЕНЕРА.
Этот шифр использовался конфедератами во время Гражданской войны. Шифр состоит из 26 шифров Цезаря с различными значениями сдвига (26 букв лат.алфавита). Для зашифровывания может использоваться tabula recta (квадрат Виженера). Изначально выбирается слово-ключ и исходный текст. Слово ключ записывается циклически, пока не заполнит всю длину исходного текста. Далее по таблице буквы ключа и исходного текста пересекаются в таблице и образуют зашифрованный текст.

Рис. 4 Шифр Блеза Виженера

9. 9. ШИФР ЛЕСТЕРА ХИЛЛА
Основан на линейной алгебре. Был изобретен в 1929 году.
В таком шифре каждой букве соответствует число (A = 0, B =1 и т.д.). Блок из n-букв рассматривается как n-мерный вектор и умножается на (n х n) матрицу по mod 26. Матрица и является ключом шифра. Для возможности расшифровки она должна быть обратима в Z26n.
Для того, чтобы расшифровать сообщение, необходимо обратить зашифрованный текст обратно в вектор и умножить на обратную матрицу ключа. Для подробной информации – Википедия в помощь.

10. 10. ШИФР ТРИТЕМИУСА
Усовершенствованный шифр Цезаря. При расшифровке легче всего пользоваться формулой:
L= (m+k) modN , L-номер зашифрованной буквы в алфавите, m-порядковый номер буквы шифруемого текста в алфавите, k-число сдвига, N-количество букв в алфавите.
Является частным случаем аффинного шифра.

11. 11. МАСОНСКИЙ ШИФР



12. 12. ШИФР ГРОНСФЕЛЬДА

По своему содержанию этот шифр включает в себя шифр Цезаря и шифр Виженера, однако в шифре Гронсфельда используется числовой ключ. Зашифруем слово “THALAMUS”, используя в качестве ключа число 4123. Вписываем цифры числового ключа по порядку под каждой буквой слова. Цифра под буквой будет указывать на количество позиций, на которые нужно сдвинуть буквы. К примеру вместо Т получится Х и т.д.

T H A L A M U S
4 1 2 3 4 1 2 3

T U V W X Y Z
0 1 2 3 4

В итоге: THALAMUS = XICOENWV

13. 13. ПОРОСЯЧЬЯ ЛАТЫНЬ
Чаще используется как детская забава, особой трудности в дешифровке не вызывает. Обязательно употребление английского языка, латынь здесь ни при чем.
В словах, начинающихся с согласных букв, эти согласные перемещаются назад и добавляется “суффикс” ay. Пример: question = estionquay. Если же слово начинается с гласной, то к концу просто добавляется ay, way, yay или hay (пример: a dog = aay ogday).
В русском языке такой метод тоже используется. Называют его по-разному: “синий язык”, “солёный язык”, “белый язык”, “фиолетовый язык”. Таким образом, в Синем языке после слога, содержащего гласную, добавляется слог с этой же гласной, но с добавлением согласной “с” (т.к. язык синий). Пример:Информация поступает в ядра таламуса = Инсифорсомасацисияся поссотусупасаетсе в ядсяраса тасаласамусусаса.
Довольно увлекательный вариант.

14. 14. КВАДРАТ ПОЛИБИЯ
Подобие цифровой таблицы. Существует несколько методов использования квадрата Полибия. Пример квадрата Полибия: составляем таблицу 5х5 (6х6 в зависимости от количества букв в алфавите).

1 МЕТОД. Вместо каждой буквы в слове используется соответствующая ей буква снизу (A = F, B = G и т.д.). Пример: CIPHER - HOUNIW.
2 МЕТОД. Указываются соответствующие каждой букве цифры из таблицы. Первой пишется цифра по горизонтали, второй - по вертикали. (A = 11, B = 21…). Пример: CIPHER = 31 42 53 32 51 24
3 МЕТОД. Основываясь на предыдущий метод, запишем полученный код слитно. 314253325124. Делаем сдвиг влево на одну позицию. 142533251243. Снова разделяем код попарно.14 25 33 25 12 43. В итоге получаем шифр. Пары цифр соответствуют букве в таблице: QWNWFO.

Шифров великое множество, и вы так же можете придумать свой собственный шифр, однако изобрести стойкий шифр очень сложно, поскольку наука дешифровки с появлением компьютеров шагнула далеко вперед и любой любительский шифр будет взломан специалистами за очень короткое время.

Методы вскрытия одноалфавитных систем (расшифровка)

При своей простоте в реализации одноалфавитные системы шифрования легко уязвимы.
Определим количество различных систем в аффинной системе. Каждый ключ полностью определен парой целых чисел a и b, задающих отображение ax+b. Для а существует j(n) возможных значений, где j(n) - функция Эйлера, возвращающая количество взаимно простых чисел с n, и n значений для b, которые могут быть использованы независимо от a, за исключением тождественного отображения (a=1 b=0), которое мы рассматривать не будем.
Таким образом получается j(n)*n-1 возможных значений, что не так уж и много: при n=33 в качестве a могут быть 20 значений(1, 2, 4, 5, 7, 8, 10, 13, 14, 16, 17, 19, 20, 23, 25, 26, 28, 29, 31, 32), тогда общее число ключей равно 20*33-1=659. Перебор такого количества ключей не составит труда при использовании компьютера.
Но существуют методы упрощающие этот поиск и которые могут быть использованы при анализе более сложных шифров.
Частотный анализ
Одним из таких методов является частотный анализ. Распределение букв в криптотексте сравнивается с распределением букв в алфавите исходного сообщения. Буквы с наибольшей частотой в криптотексте заменяются на букву с наибольшей частотой из алфавита. Вероятность успешного вскрытия повышается с увеличением длины криптотекста.
Существуют множество различных таблиц о распределении букв в том или ином языке, но ни одна из них не содержит окончательной информации - даже порядок букв может отличаться в различных таблицах. Распределение букв очень сильно зависит от типа теста: проза, разговорный язык, технический язык и т.п. В методических указаниях к лабораторной работе приведены частотные характеристики для различных языков, из которых ясно, что буквы буквы I, N, S, E, A (И, Н, С, Е, А) появляются в высокочастотном классе каждого языка.
Простейшая защита против атак, основанных на подсчете частот, обеспечивается в системе омофонов (HOMOPHONES) - однозвучных подстановочных шифров, в которых один символ открытого текста отображается на несколько символов шифротекста, их число пропорционально частоте появления буквы. Шифруя букву исходного сообщения, мы выбираем случайно одну из ее замен. Следовательно простой подсчет частот ничего не дает криптоаналитику. Однако доступна информация о распределении пар и троек букв в различных естественных языках.

Методы шифрования заменой (подстановкой) основаны на том, что символы исходного текста, обычно разделенные на блоки и записанные в одном алфавите, заменяются одним или несколькими символами другого алфавита в соответствии с принятым правилом преобразования.

Одноалфавитная замена

Одним из важных подклассов методов замены являются одноалфавитные (или моноалфавитные) подстановки, в которых устанавливается однозначное соответствие между каждым знаком a i исходного алфавита сообщений A и соответствующим знаком e i зашифрованного текста E . Одноалфавитная подстановка иногда называется также простой заменой, так как является самым простым шифром замены.

Примером одноалфавитной замены является шифр Цезаря, рассмотренный ранее. В рассмотренном в "Основные понятия криптографии" примере первая строка является исходным алфавитом, вторая (с циклическим сдвигом на k влево) – вектором замен.

В общем случае при одноалфавитной подстановке происходит однозначная замена исходных символов их эквивалентами из вектора замен (или таблицы замен). При таком методе шифрования ключом является используемая таблица замен.

Подстановка может быть задана с помощью таблицы, например, как показано на рис. 2.3 .


Рис. 2.3.


Рис. 2.4.

Полученный таким образом текст имеет сравнительно низкий уровень защиты, так как исходный и зашифрованный тексты имеют одинаковые статистические закономерности. При этом не имеет значения, какие символы использованы для замены – перемешанные символы исходного алфавита или таинственно выглядящие знаки.

Зашифрованное сообщение может быть вскрыто путем так называемого частотного криптоанализа . Для этого могут быть использованы некоторые статистические данные языка, на котором написано сообщение.

Известно, что в текстах на русском языке наиболее часто встречаются символы О, И . Немного реже встречаются буквы Е, А . Из согласных самые частые символы Т, Н, Р, С . В распоряжении криптоаналитиков имеются специальные таблицы частот встречаемости символов для текстов разных типов – научных, художественных и т.д.

Криптоаналитик внимательно изучает полученную криптограмму, подсчитывая при этом, какие символы сколько раз встретились. Вначале наиболее часто встречаемые знаки зашифрованного сообщения заменяются, например, буквами О . Далее производится попытка определить места для букв И, Е, А . Затем подставляются наиболее часто встречаемые согласные. На каждом этапе оценивается возможность "сочетания" тех или иных букв. Например, в русских словах трудно найти четыре подряд гласные буквы, слова в русском языке не начинаются с буквы Ы и т.д. На самом деле для каждого естественного языка (русского, английского и т.д.) существует множество закономерностей, которые помогают раскрыть специалисту зашифрованные противником сообщения.

Возможность однозначного криптоанализа напрямую зависит от длины перехваченного сообщения. Посмотрим, с чем это связано. Пусть, например, в руки криптоаналитиков попало зашифрованное с помощью некоторого шифра одноалфавитной замены сообщение:

ТНФЖ.ИПЩЪРЪ

Это сообщение состоит из 11 символов. Пусть известно, что эти символы составляют целое сообщение, а не фрагмент более крупного текста. В этом случае наше зашифрованное сообщение состоит из одного или нескольких целых слов. В зашифрованном сообщении символ Ъ встречается 2 раза. Предположим, что в открытом тексте на месте зашифрованного знака Ъ стоит гласная О, А, И или Е . Подставим на место Ъ эти буквы и оценим возможность дальнейшего криптоанализа таблица 2.1

Таблица 2.1. Варианты первого этапа криптоанализа
Зашифрованное сообщение
Т Н Ф Ж . И П Щ Ъ Р Ъ
После замены Ъ на О
О О
После замены Ъ на А
А А
После замены Ъ на И
И И
После замены Ъ на Е
Е Е

Все приведенные варианты замены могут встретиться на практике. Попробуем подобрать какие-нибудь варианты сообщений, учитывая, что в криптограмме остальные символы встречаются по одному разу ( таблица 2.2).

Таблица 2.2. Варианты второго этапа криптоанализа
Зашифрованное сообщение
Т Н Ф Ж . И П Щ Ъ Р Ъ
Варианты подобранных дешифрованных сообщений
Ж Д И С У М Р А К А
Д Ж О Н А У Б И Л И
В С Е Х П О Б И Л И
М Ы П О Б Е Д И Л И

Оценим размер такой таблицы замен. Если исходный алфавит содержит N символов, то вектор замен для биграммного шифра должен содержать N 2 пар "откр. текст – зашифр. текст" . Таблицу замен для такого шифра можно также записать и в другом виде: заголовки столбцов соответствуют первой букве биграммы, а заголовки строк – второй, причем ячейки таблицы заполнены заменяющими символами. В такой таблице будет N строк и N столбцов ( таблица 2.4).

Таблица 2.4. Другой вариант задания таблицы замен для биграммного шифра
а б ... я
а кх цу ... ...
б пу пш ... ...
в жа вь ... ...
... ... ... ... ...
ю ... ... ... ек
я ис ... ... рт

Возможны варианты использования триграммного или вообще n-граммного шифра. Такие шифры обладают более высокой криптостойкостью, но они сложнее для реализации и требуют гораздо большего количества ключевой информации (большой объем таблицы замен). В целом, все n-граммные шифры могут быть вскрыты с помощью частотного криптоанализа, только используется статистика встречаемости не отдельных символов, а сочетаний из n символов.