• 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.

Наиболее известными и часто используемыми шифрами являются шифры замены. Они характеризуются тем, что отдельные части сообщения (буквы, слова, ...) заменяются на какие-либо другие буквы, числа, символы и т. д. При этом замена осуществляется так, чтобы потом по шифрованному сообщению можно было однозначно восстановить передаваемое сообщение.

Пусть, например, зашифровывается сообщение на русском языке и при этом замене подлежит каждая буква сообщения. Формально в этом случае шифр замены можно описать следующим образом. Для каждой буквы а исходного алфавита строится некоторое множество символов так, что множества попарно не пересекаются при а то есть любые два различные множества не содержат

одинаковых элементов. Множество называется множеством Шифр-обозначений для буквы а.

является ключом шифра замены. Зная ее, можно осуществить как зашифрование, так и расшифрование.

При зашифровании каждая буква а открытого сообщения, начиная с первой, заменяется любым символом из множества Если в сообщении содержится несколько букв ее, то каждая из них заменяется на любой символ из За счет этого с помощью одного ключа (1) можно получить различные варианты зашифрованного сообщения для одного и того же открытого сообщения. Например, если ключом является таблица

то сообщение «я знаком с шифрами замены» может быть зашифровано, например, любым из следующих трех способов:

Так как множества попарно не пересекаются, то по каждому символу шифрованного сообщения можно однозначно определить, какому множеству он принадлежит, и, следовательно, какую букву открытого сообщения он заменяет. Поэтому расшифрование возможно и открытое сообщение определяется единственным образом.

Часто состоит из одного элемента. Например, в романе Верна «Путешествие к центру Земли» в руки профессора Лиденброка попадает пергамент с рукописью из знаков рунического письма. Каждое множество состоит из одного элемента. Элемент каждого множества выбирается из набора символов вида

В рассказе А. Конан Дойла «Пляшущие человечки» каждый символ изображает пляшущего человечка в самых различных позах

На первый взгляд кажется, что чем хитрее символы, тем труднее вскрыть сообщение, не имея ключа. Это, конечно, не так. Если каждому символу однозначно сопоставить какую-либо букву или число, то легко перейти к зашифрованному сообщению из букв или чисел. В романе Верна «Путешествие к центру Земли» каждый рунический знак был заменен на соответствующую букву немецкого языка, что облегчило восстановление открытого сообщения. С точки зрения криптографов использование различных сложных символов не усложняет шифра. Однако, если зашифрованное сообщение состоит из букв или цифр, то вскрывать такое сообщение удобнее.

Рассмотрим некоторые примеры шифров замены. Пусть каждое множество состоит из одной буквы. Например,

Такой шифр называется шифром простой однобуквенной замены. По ключу (4) удобно проводить зашифрование и расшифрование: при зашифровании каждая буква открытого текста заменяется на соответствующую букву из второй строки (а на ) При расшифровании, наоборот, заменяется на а и т. д. При шифровании и расшифровании надо помнить вторую строчку в (4), то есть ключ.

Запомнить произвольный порядок букв алфавита достаточно сложно. Поэтому всегда пытались придумать какое-либо правило, по которому можно просто восстановить вторую строчку в (4).

Одним из первых шифров, известных из истории, был так называемый шифр Цезаря, для которого вторая строка в (4) является последовательностью, записанной в алфавитном порядке, но начинающейся не с буквы а:

В одной из задач (задача 4.4) используется шифр Цезаря. Запомнить ключ в этом случае просто - надо знать первую букву второй строки (4) (последовательность букв в алфавите предполагается известной). Однако такой шифр обладает большим недостатком. Число различных ключей равно числу букв в алфавите. Перебрав эти варианты, можно

однозначно восстановить открытое сообщение, так как при правильном выборе ключа получится «осмысленный» текст. В других случаях обычно получается «нечитаемый» текст. Задача 4.4 именно на это и рассчитана. Несмотря на то, что используется фраза на латинском языке, которого школьники не знают, многие участники олимпиады смогли указать открытое сообщение.

Другим примером шифра замены может служить лозунговый шифр. Здесь запоминание ключевой последовательности основано на лозунге - легко запоминаемом слове. Например, выберем слово-лозунг «учебник» и заполним вторую строку таблицы по следующему правилу: сначала выписываем слово-лозунг, а затем выписываем в алфавитном порядке буквы алфавита, не вошедшие в слово-лозунг. Вторая строка в (4) примет вид

В данном случае число вариантов ключа существенно больше числа букв алфавита.

Рассмотренные шифры имеют одну слабость. Если в открытом сообщении часто встречается какая-либо буква, то в шифрованном сообщении часто будет встречаться соответствующий ей символ или буква. Поэтому при вскрытии шифра замены обычно стараются наиболее часто встречающимся символам шифрованного сообщения поставить в соответствие буквы открытого сообщения с наибольшей предполагаемой частотой появления. Если шифрованное сообщение достаточно большое, то этот путь приводит к успеху, даже если вы не знаете ключа.

Кроме частоты появления букв, могут быть использованы другие обстоятельства, помогающие раскрыть сообщение. Например, может быть известна разбивка на слова, как в задаче 4.2, и расставлены знаки препинания. Рассматривая небольшое число возможных вариантов замены для предлогов и союзов, можно попытаться определить часть ключа. В этой задаче существенно используется, какие гласные или согласные могут быть удвоенными: «нн», «ее», «ии» и др.

При анализе шифрованного сообщения следует исходить из того, что число различных вариантов для части определяемого ключа не такое уж большое, если вы находитесь на правильном пути. В противном случае либо вы получите противоречие, либо число вариантов ключа будет сильно возрастать. Обычно, начиная с некоторого момента определение открытого сообщения становится делом техники. Так, в задаче 4.2, если вы определили «денно и нощно», то дальнейшее определение открытого текста не представляет труда.

Вообще-то можно сказать, что вскрытие шифров замены является искусством и достаточно трудно формализовать этот процесс.

Популярные у школьников криптограммы (типа рассмотренной в задаче 1.5) по сути дела являются шифром замены с ключом

шифрзамены в котором каждой цифре ставится в соответствие буква. При этом должны соблюдаться правила арифметики. Эти правила значительно облегчают определение открытого текста, так же, как правила синтаксиса и орфографии в задаче 4.2 облегчают нахождение четверостишия В. Высоцкого.

Любые особенности текста, которые могут быть вам известны, - ваши помощники. Например, в задаче 5.2 прямо сказано, что в тексте есть выражения «зпт», «тчк», как часто бывает в реальных телеграммах. И эта подсказка - путь к решению задачи.

Шифрование даже относительно небольших текстов на одном ключе для рассмотренных шифров замены создает условия для вскрытия открытых сообщений. Поэтому такие шифры пытались усовершенствовать. Одно из направлений - построение шифров разнозначной замены, когда каждой букве ставится в соответствие один или два символа. (Простейшим примером является шифр, определяемый в задаче 4.2.) Например,

Если шифрованное сообщение написано без пробелов между символами, то появляется дополнительная трудность при разбиении шифрованного сообщения на отдельные символы и слова.

Другое направление создания шифров замены состоит в том, чтобы множества шифробозначений содержали более одного элемента. Такие шифры получили название шифров многозначной замены. Они позволяют скрыть истинную частоту букв открытого сообщения, что существенно затрудняет вскрытие этих шифров. Главная трудность, которая возникает при использовании таких шифров, заключается в запоминании ключа. Надо запомнить не одну строчку, а для каждой буквы алфавита а - множество ее шифробозначений Как правило, элементами множеств являются числа. Из художественной литературы и кинофильмов про разведчиков вам известно, что во время второй мировой войны часто использовались так называемые книжные шифры. Множество шифробозначений для каждой буквы определяется всеми пятизначными наборами цифр, в каждом из которых первые две цифры указывают номер страницы, третья цифра - номер строки, четвертая и пятая цифры - номер места данной буквы в указанной

строке. Поэтому при поимке разведчика всегда пытались найти книгу, которая могла быть использована им в качестве ключа.

Мы не останавливаемся здесь на более сложных методах построения шифров замены. Приведенных примеров достаточно, чтобы оценить многообразие таких шифров. Но все они имеют серьезный недостаток - на одном ключе нельзя шифровать достаточно длинные сообщения. Поэтому, как правило, шифры замены используются в комбинации с другими шифрами. Чаще всего - с шифрами перестановки, о которых вы прочитаете в следующем разделе.

В заключение, следуя героям известных литературных произведений, вскроем некоторые шифры замены. Обратите внимание на то, какие неожиданные обстоятельства при этом используются. Действительно, вскрытие шифров - искусство.

В своей работе «Математическая теория секретной связи» Клод Шеннон обобщил накопленный до него опыт разработки шифров.

Оказалось, что даже в сложных шифрах в качестве типичных компонентов можно выделить шифры замены, шифры перестановки или их сочетания.

14.1.Шифр замены

Наиболее известными и часто используемыми шифрами являются шифры замены . Они характеризуются тем, что отдельные части сообщения (буквы, слова, ...) заменяются на какие-либо другие буквы, числа, символы и т.д. При этом замена осуществляется так, чтобы потом по шифрованному сообщению можно было однозначно восстановить передаваемое сообщение.

При шифровании заменой (подстановкой ) символы шифруемого текста заменяются символами того же или другого алфавита с заранее установленным правилом замены. В шифре простой замены каждый символ исходного текста заменяется символами того же алфавита одинаково на всем протяжении текста.

Шифр замены является простейшим, наиболее популярным шифром. Примерами являются: шифр Цезаря , « цифирная азбука» Петра Великого и « пляшущие человечки» А. Конан-Дойля .

Шифр замены осуществляет преобразование замены букв или других «частей» открытого текста на аналогичные «части» шифрованного текста .

Увеличив алфавиты, т.е. объявив «части» буквами, можно любой шифр замены свести к замене букв.

Дадим математическое описание шифра замены .

Пусть: X – алфавит открытого текста, а Y - алфавит шифрованног о текста, состоящие из одинакового числа символов .

Пусть также: g: X  Y – взаимнооднозначное отображение X в Y . Каждой буквех алфавита X сопоставляется однозначно определенная буква у алфавита Y , которую обозначаем символом g(х), причем разным буквам сопоставляются разные буквы .

Тогда шифр замены действует так: открытый текст x 1 x 2 ...x n преобразуется в шифрованный текст g (х 1 )g(x 2 )...g(x n ).

В криптографии рассматриваются 4 типа замены :

моноалфавитная;

гомофоническая;

полиалфавитная;

полиграммная.

Моноалфавитная замена

При данном методе каждому символу алфавита открытого текста ставится в соответствие один символ зашифрованного текста (из этого же алфавита).

Общая формула моноалфавитной замены выглядит следующим образом:

y i =(k 1 x i +k 2 )mod n,

Примером этого метода является шифр под названием Атбаш.

Правило шифрования состоит в замене i - ой буквы алфавита буквой с номером n= i + 1 , где n - число букв в алфавите. Пример для латинского алфавита выглядит так:

Исходный текст: abcdefghijklmnopqrstuvwxyz

Зашифрованный текст: ZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA

Гомофоническая замена

Особенность данного метода заключается в том, что одному символу открытого текста ставит в соответствие несколько символов шифртекста , что позволяет уйти от статистической взаимосвязи.

Примером данного шифра является книжный шифр - вид шифра, в котором каждый элемент открытого текста (каждая буква или слово) заменяется на указатель (например, номер страницы, строки и столбца) аналогичного элемента в дополнительном тексте-ключе.

Полиграммная замена

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 как число различных групп букв значительно больше, чем просто алфавит.

Полиалфавитные подстановки

Для повышения стойкости шифра используют так называемые полиалфавитные подстановки, которые для замены используют несколько алфавитов шифротекста.

Известно несколько разновидностей полиалфавитной подстановки, наиболее известными из которых являются:

одноконтурная (обыкновенная и монофоническая)

и многоконтурная.

При полиалфавитной одноконтурной обыкновенной подстановке для замены символов исходного текста используются несколько алфавитов, причем смена алфавитов осуществляется последовательно и циклически, т.е. первый символ заменяется соответствующим символом первого алфавита, второй – символом второго алфавита и т. д. до тех пор, пока не будут использованы все выбранные алфавиты. После этого использование алфавитов повторяется.

Сам процесс шифрования осуществляется следующим образом:

Под каждой буквой шифруемого теста записываются буквы ключа. Ключ при этом повторяется необходимое число раз;

Каждая буква шифруемого текста заменяется по подматрице буквами, находящимися на пересечении линий, соединяющих буквы шифруемого текста в первой строке подматрицы и находящихся под ними букв ключа;

Полученный текст может разбиваться на группы по несколько знаков.

Частным случаем рассмотренной полиалфавитной замены является так называемая монофоническая замена .

Шифрование осуществляется так же, как и при простой замене с той лишь разницей, что после шифрования каждого знака соответствующий ему столбец алфавитов циклически сдвигается вверх на одну позицию.

Полиалфавитная многоконтурная замена заключается в том, что для шифрования используется несколько наборов (контуров) алфавитов используемых циклически, причем каждый контур в общем случае имеет свой индивидуальный период применения. Этот период, исчисляется, как правило, количеством знаков, после зашифровки которых меняется контур алфавитов. Частным случаем многоконтурной полиалфавитной подстановки является замена по таблице Вижинера, если для шифрования используется несколько ключей, каждый из которых имеет свой период применения.

Шифры замены

Шифры замены, или подстановки, являются самыми древними. В криптографии рассматриваются 4 типа замены: моноалфавитная, гомофоническая, полиалфавитная и полиграммная. При моноалфавитной замене каждой букве алфавита открытого текста ставится в соответствие одна буква шифртекста из этого же алфавита. Приведем пример:

а	б	в	г	д	е	ж	З
ф	ы	в	а	п	р	о	Л

Тогда слово "багаж" будет заменено на слово "ыфафо". При расшифровании производится обратная операция.

Общая формула моноалфавитной замены выглядит следующим образом:

y i =k 1 x i +k 2 (mod n),

где y i – i-й символ алфавита; k 1 и k 2 – константы; x i – i-й символ открытого текста (номер буквы в алфавите); n – длина используемого алфавита.

Шифр, задаваемый формулой

y i =x i +k i (mod n),

где k i – i-я буква ключа, в качестве которого используется слово или фраза, называется шифром Вижинера .

Пример 2. Открытый текст: «ЗАМЕНА». Подстановка задана следующим образом:

З	А	М	Е	Н	А
К	Л	Ю	Ч	К	Л

y 1 = 8 + 11(mod 33) = 19 Т; y 2 =1 + 12(mod 33) = 13 М;

y 3 =13 + 31(mod ЗЗ) = 11 K; y 4 = 6 + 24(mod 33) = 30 Э;

y 5 = 14+ 11(mod 33) = 25 Щ; y 6 = 1 + 12(mod 33) = 13 М.

Шифртекст: «ТМКЭШМ».

Шифры Бофора используют формулы:

у i = k i – x i (mod n) и у i =x i – k i (mod n).

Основным недостатком является то, что статистические свойства открытого текста (частоты повторения букв) сохраняются и в шифртексте. Формальный подход к дешифрованию основан на использовании средней частоты появления букв в текстах. Впервые похожий метод был предложен в конце 15-го века (итальянский математик Леон Баттиста Альберти) и использовал свойство неравномерности встречаемости разных букв алфавита. Позднее были определены средние частоты использования букв языка в текстах:

Частота бyквосочетаний в английском языке:

TH, HE, IN, AN, EN, ER, OR, ES, ON, RE, AT, EA, ST, TI, ED, ND, NT, RR, LL, SS, MM.

QUI, ING, ION, ARE, TIO, ONE, ANT, MENT, TION, SION.

Частота бyквосочетаний в рyсском языке:

CТ, HО, ЕH, ТО, HА, ОВ, HИ, РА, ВО, КО, ОИ, ИИ, ИЕ, ЕИ, ОЕ, ИЯ, HH, CC.

CТО, ЕHО, HОВ, ТОВ, ОВО, HАЛ, РАЛ, HИC.

Кроме частоты появления букв, могут быть использованы другие обстоятельства, помогающие раскрыть сообщение. Например, может быть известна разбивка на слова и расставлены знаки препинания. Рассматривая сравнительно небольшое число возможных вариантов замены для предлогов и союзов, можно попытаться определить часть ключа. Использоваться может и то, какие буквы могут удвоены. Для искажения статистических свойств шифртекста применяются различные модификации.

Гомофоническая замена одному символу открытого текста ставит всоответствие несколько символов шифртекста.

Пример 3. Открытый текст: «ЗАМЕНА». Подстановка задана следующей таблицей:

Шифртекст: «76 17 32 97 55 31» .

Таким образом, при гомофонической замене каждая буква открытого текста заменяется по очереди цифрами соответствующего столбца.

Полиграммная замена формируется из одного алфавита с помощью специальных правил. В качестве примера рассмотрим шифр Плэйфера . В этом шифре алфавит располагается в матрице. Открытый текст разбивается на пары символов x i ,x i+1 . , икаждая пара заменяется на пару символов из матрицы следующим образом:

· если символы находятся в одной строке, то каждый из символов пары заменяется на стоящий правее его (за последним символом в строке следует первый);

· если символы находятся в одном столбце, то каждый символ пары заменяется на символ, расположенный ниже его в столбце (за последним нижним символом следует верхний);

· если символы пары находятся в разных строках и столбцах, то они считаются противоположными углами прямоугольника. Символ, находящийся в левом углу, заменяется на символ, стоящий в другом левом углу; замена символа, находящегося в правом углу, осуществляется аналогично;

· если в открытом тексте встречаются два одинаковых символа подряд, то перед шифрованием между ними вставляется специальный символ (например тире).

Пример 4. Открытый текст: «ШИФР ПЛЭЙФЕРА». Матрица алфавита представлена в следующей таблице. Шифртекст: «РДЫИ,– СТ – И.ХЧС».

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

При рассмотрении этих видов шифров становится очевидным, что чем больше длина ключа (например в шифре Вижинера), тем лучше шифр. Улучшения свойств шифртекста можно достигнуть при использовании шифров с автоключом.

Шифр, в котором сам открытый текст или получающаяся криптограмма используются в качестве ключа, называется шифром с автоключом . Шифрование в этом случае начинается с ключа, называемого первичным, и продолжается с помощью открытого текста или криптограммы, смещенной на длину первичного ключа.

Пример 5. Открытый текст: «ШИФРОВАНИЕ ЗАМЕНОЙ». Первичный ключ: «КЛЮЧ». Схема шифрования с автоключом при использовании открытого текста представлена в следующей таблице:

Ш

И

Ф

Р

О

В

А

Н

И

Е

З

А

М

Е

Н

О

Й

К

Л

Ю

Ч

Ш

И

Ф

Р

О

В

А

Н

И

Е

З

А

М

В

Ф

Т

З

Ж

Л

Х

Ю

Ч

И

А

Х

Й

Т

Е

Х

П

Ц

Схема шифрования с автоключом при использовании криптограммы представлена в следующей таблице:

Ш

И

Ф

Р

О

В

А

Н

И

Е

З

А

М

Е

Н

О

Й

К

Л

Ю

Ч

В

Ф

Т

З

С

Ч

У

Х

Ъ

Э

У

Э

Ы

Й

В

Ф

Т

З

С

Ч

У

Х

Ъ

Э

У

Э

Ы

Й

Щ

К

Й

У

Для повышения стойкости шифра используют так называемые полиалфавитные подстановки , которые для замены используют несколько алфавитов шифротекста. Пусть имеется k алфавитов. Тогда открытый текст

X= x 1 x 2 ...x k x k +1 ...x 2 k x 2 k+1 ...

заменяется шифротекстом

У =f 1 (x 1)f 2 (x 2)...f k (x k)f 1 (x k+1)...f k (x 2k)f 1 (x 2k+1)...,

где f i (x j) означает символ шифртекста алфавита i для символа открытого текста x j .

Пример 6. Открытый текст: «ЗАМЕНА», k = 3. Подстановка задана таблицей из примера 3. Шифртекст: «76 31 61 97 84 48».

Известно несколько разновидностей полиалфавитной подстановки, наиболее известными из которых являются одноконтурная (обыкновенная и монофоническая) и многоконтурная.

При полиалфавитной одноконтурной обыкновенной подстановке для замены символов исходного текста используются несколько алфавитов, причем смена алфавитов осуществляется последовательно и циклически, т.е. первый символ заменяется соответствующим символом первого алфавита, второй – символом второго алфавита и т. д. до тех пор, пока не будут использованы все выбранные алфавиты. После этого использование алфавитов повторяется.

В качестве примера рассмотрим шифрование с помощью таблицы Вижинера . Таблица Вижинера представляет собой квадратную матрицу с n 2 элементами, где n – число символов используемого алфавита. Ниже показана таблица Вижинера для русского языка. Каждая строка получена циклическим сдвигом алфавита на символ. Для шифрования выбирается буквенный ключ, в соответствии с которым формируется рабочая матрица шифрования. Осуществляется это следующим образом. Из полной таблицы выбирается первая строка и те строки, первые буквы которых соответствуют буквам ключа. Первой размещается первая строка, а под нею – строки, соответствующие буквам ключа в порядке следования этих букв в ключе.

а

б

в

г

д

е

ж

з

.

ь

ъ

ы

э

ю

я

б

в

г

д

е

ж

з

и

.

ъ

ы

э

ю

я

а

в

г

д

е

ж

з

и

й

.

ы

э

ю

я

а

б

..

..

я

а

б

в

г

д

е

ж

.

щ

ь

ъ

ы

э

ю

Сам процесс шифрования осуществляется следующим образом:

1. под каждой буквой шифруемого теста записываются буквы ключа. Ключ при этом повторяется необходимое число раз;

2. каждая буква шифруемого текста заменяется по подматрице буквами, находящимися на пересечении линий, соединяющих буквы шифруемого текста в первой строке подматрицы и находящихся под ними букв ключа;

3. полученный текст может разбиваться на группы по несколько знаков.

Исследования показали, что при использовании такого метода статистические характеристики исходного текста практически не проявляются в зашифрованном сообщении. Нетрудновидеть, что замена по таблице Вижинера эквивалентна простой замене с циклическим изменением алфавита, т. е. здесь мы имеем полиалфавитную подстановку, причем число используемых алфавитов определяется числом букв в слове-ключе. Поэтому стойкость такой замены определяется произведением стойкости прямой замены на число используемых алфавитов, т. е. на число букв в ключе.

Расшифрование текста производится в следующей последовательности:

1. над буквами зашифрованного текста последовательно надписываются буквы ключа, причем ключ повторяется необходимое число раз;

2. в строке подматрицы Вижинера, соответствующей букве ключа отыскивается буква, соответствующая знаку зашифрованного текста. Находящаяся под ней буква первой строки подматрицы и будет буквой исходного текста;

3. полученный текст группируется в слова по смыслу.

Нетрудно видеть, что процедуры как прямого, так и обратного преобразований являются строго формальными, что позволяет реализовать их алгоритмически. Более того, обе процедуры легко реализуются по одному и тому же алгоритму.

Одним из недостатков шифрования по таблице Вижинера является то, что при небольшой длине ключа надежность шифрования остается невысокой, а формирование длинных ключей сопряжено с трудностями. Нецелесообразно выбирать ключ с повторяющимися буквами, так как при этом стойкость шифра не возрастает.

С целью повышения стойкости шифрования можно использовать усовершенствованные варианты таблицы Вижинера. Приведем некоторые из них:

1) во всех (кроме первой) строках таблицы буквы располагаются в произвольном порядке;

2) в качестве ключа используются случайные последовательности чисел. Из таблицы Вижинера выбираются десять произвольных строк, которые кодируются натуральными числами от 0 до 10. Эти строки используются в соответствии с чередованием цифр в выбранном ключе.

Частным случаем рассмотренной полиалфавитной замены является так называемая монофоническая замена. Особенность этого метода состоит в том, что количество и состав алфавитов выбираются таким образом, чтобы частоты появления всех символов в зашифрованном тексте были одинаковыми. При таком положении затрудняется криптоанализ зашифрованного текста с помощью его статистической обработки. Выравнивание частот появления символов достигается за счет того, что для часто встречающихся символов исходного текста предусматривается использование большего числа заменяющих элементов, чем для редко встречающихся. Шифрование осуществляется также, как и при простой замене (т. е. по шифрующему алфавиту № 1) с той лишь разницей, что после шифрования каждого знака соответствующий ему столбец алфавитов циклически сдвигается вверх на одну позицию. Таким образом, столбцы алфавита как бы образуют независимые друг от друга кольца, поворачиваемые вверх на один знак каждый раз после шифрования соответствующего знака. При увеличении объема текста частоты появления символов будут еще более выравниваться.

Полиалфавитная многоконтурная замена заключается в том, что для шифрования используется несколько наборов (контуров) алфавитов используемых циклически, причем каждый контур в общем случае имеет свой индивидуальный период применения. Этот период, исчисляется, как правило, количеством знаков, после зашифровки которых меняется контур алфавитов. Частным случаем многоконтурной полиалфавитной подстановки является замена по таблице Вижинера, если для шифрования используется несколько ключей, каждый из которых имеет свой период применения.

Общая модель шифрования подстановкой может быть представлена в следующем виде:

t i ш = t i о + mod(k -1),

где t i ш – символ зашифрованного текста; t i о – символ исходного текста; – целое число в диапазоне 0 – (k -1); k – число символов используемого алфавита.

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.