Эта криптосистема обычно называется шифром сдвига . Идея состоит в том, чтобы заменить каждый алфавит другим алфавитом, который «сдвинут» на некоторое фиксированное число от 0 до 25.
Шифры замены
В шифрах замены (или шифрах подстановки), в отличие от перестановочных шифров , элементы текста не меняют свою последовательность, а изменяются сами, т.е. происходит замена исходных букв на другие буквы или символы (один или несколько) по неким правилам.
На этой страничке описаны шифры, в которых замена происходит на буквы или цифры. Когда же замена происходит на какие-то другие не буквенно-цифровые символы, на комбинации символов или рисунки, это называют прямым кодированием .
Моноалфавитные шифры
В шифрах с моноалфавитной заменой каждая буква заменяется на одну и только одну другую букву/символ или группу букв/символов. Если в алфавите 33 буквы, значит есть 33 правила замены: на что менять А, на что менять Б и т.д.
Такие шифры довольно легко расшифровать даже без знания ключа. Делается это при помощи частотного анализа зашифрованного текста — надо посчитать, сколько раз каждая буква встречается в тексте, и затем поделить на общее число букв. Получившуюся частоту надо сравнить с эталонной. Самая частая буква для русского языка — это буква О, за ней идёт Е и т.д. Правда, работает частотный анализ на больших литературных текстах. Если текст маленький или очень специфический по используемым словам, то частотность букв будет отличаться от эталонной, и времени на разгадывание придётся потратить больше. Ниже приведена таблица частотности букв (то есть относительной частоты встречаемых в тексте букв) русского языка, рассчитанная на базе НКРЯ.
Использование метода частотного анализа для расшифровки шифрованных сообщений красиво описано во многих литературных произведениях, например, у Артура Конана Дойля в романе « Пляшущие человечки » или у Эдгара По в « Золотом жуке ».
Составить кодовую таблицу для шифра моноалфавитной замены легко, но запомнить её довольно сложно и при утере восстановить практически невозможно, поэтому обычно придумывают какие-то правила составления таких кодовых страниц. Ниже приведены самые известные из таких правил.
Случайный код
Как я уже писал выше, в общем случае для шифра замены надо придумать, какую букву на какую надо заменять. Самое простое — взять и случайным образом перемешать буквы алфавита, а потом их выписать под строчкой алфавита. Получится кодовая таблица. Например, вот такая:
Число вариантов таких таблиц для 33 букв русского языка = 33! ≈ 8.683317618811886*10 36 . С точки зрения шифрования коротких сообщений — это самый идеальный вариант: чтобы расшифровать, надо знать кодовую таблицу. Перебрать такое число вариантов невозможно, а если шифровать короткий текст, то и частотный анализ не применишь.
Но для использования в квестах такую кодовую таблицу надо как-то по-красивее преподнести. Разгадывающий должен для начала эту таблицу либо просто найти, либо разгадать некую словесно-буквенную загадку. Например, отгадать ключевое слово или решить лабиринт-алфавит .
Ключевое слово
Один из вариантов составления кодовой таблицы — использование ключевого слова. Записываем алфавит, под ним вначале записываем ключевое слово, состоящее из неповторяющихся букв, а затем выписываем оставшиеся буквы. Например, для слова «манускрипт» получим вот такую таблицу:
Как видим, начало таблицы перемешалось, а вот конец остался неперемешенным. Это потому, что самая «старшая» буква в слове «манускрипт» — буква «У», вот после неё и остался неперемешенный «хвост». Буквы в хвосте останутся незакодированными. Можно оставить и так (так как большая часть букв всё же закодирована), а можно взять слово, которое содержит в себе буквы А и Я, тогда перемешаются все буквы, и «хвоста» не будет.
Само же ключевое слово можно предварительно тоже загадать, например при помощи ребусов или рамок . Например, вот так:
Vigenere Cipher был разработан путем настройки стандартного шифра Цезаря, чтобы снизить эффективность криптоанализа на зашифрованном тексте и сделать криптосистему более надежной. Это значительно более безопасно, чем обычный Цезарь Шифр .
Стандартные шифры
Этот шифр известен многим детям. Ключ прост: каждая буква заменяется на следующую за ней в алфавите. Так, А заменяется на Б, Б — на В, и т. д. Фраза «Уйрйшоьк Рспдсбннйту» — это «Типичный Программист».
Попробуйте расшифровать сообщение:
Сумели? Напишите в комментариях, что у вас получилось.
Шифр транспонирования
В транспозиционном шифре буквы переставляются по заранее определённому правилу. Например, если каждое слово пишется задом наперед, то из hello world получается dlrow olleh. Другой пример — менять местами каждые две буквы. Таким образом, предыдущее сообщение станет eh ll wo ro dl.
Ещё можно использовать столбчатый шифр транспонирования, в котором каждый символ написан горизонтально с заданной шириной алфавита, а шифр создаётся из символов по вертикали. Пример:
Из этого способа мы получим шифр holewdlo lr. А вот столбчатая транспозиция, реализованная программно:
Азбука Морзе
В азбуке Морзе каждая буква алфавита, цифры и наиболее важные знаки препинания имеют свой код, состоящий из череды коротких и длинных сигналов:
Чаще всего это шифрование передаётся световыми или звуковыми сигналами.
Сможете расшифровать сообщение, используя картинку?
Шифр Цезаря
Это не один шифр, а целых 26, использующих один принцип. Так, ROT1 — лишь один из вариантов шифра Цезаря. Получателю нужно просто сообщить, какой шаг использовался при шифровании: если ROT2, тогда А заменяется на В, Б на Г и т. д.
А здесь использован шифр Цезаря с шагом 5:
Моноалфавитная замена
Коды и шифры также делятся на подгруппы. Например, ROT1, азбука Морзе, шифр Цезаря относятся к моноалфавитной замене: каждая буква заменяется на одну и только одну букву или символ. Такие шифры очень легко расшифровываются с помощью частотного анализа.
Например, наиболее часто встречающаяся буква в английском алфавите — «E». Таким образом, в тексте, зашифрованном моноалфавитным шрифтом, наиболее часто встречающейся буквой будет буква, соответствующая «E». Вторая наиболее часто встречающаяся буква — это «T», а третья — «А».
Однако этот принцип работает только для длинных сообщений. Короткие просто не содержат в себе достаточно слов.
Шифр Виженера
Представим, что есть таблица по типу той, что на картинке, и ключевое слово «CHAIR». Шифр Виженера использует принцип шифра Цезаря, только каждая буква меняется в соответствии с кодовым словом.
В нашем случае первая буква послания будет зашифрована согласно шифровальному алфавиту для первой буквы кодового слова «С», вторая буква — для «H», etc. Если послание длиннее кодового слова, то для (k*n+1)-ой буквы, где n — длина кодового слова, вновь будет использован алфавит для первой буквы кодового слова.
Чтобы расшифровать шифр Виженера, для начала угадывают длину кодового слова и применяют частотный анализ к каждой n-ной букве послания.
Попробуйте расшифровать эту фразу самостоятельно:
Подсказка длина кодового слова — 4.
Шифр Энигмы
Энигма — это машина, которая использовалась нацистами во времена Второй Мировой для шифрования сообщений.
Цифровые шифры
В отличие от шифровки текста алфавитом и символами, здесь используются цифры. Рассказываем о способах и о том, как расшифровать цифровой код.
Двоичный код
Текстовые данные вполне можно хранить и передавать в двоичном коде. В этом случае по таблице символов (чаще всего ASCII) каждое простое число из предыдущего шага сопоставляется с буквой: 01100001 = 97 = «a», 01100010 = 98 = «b», etc. При этом важно соблюдение регистра.
Расшифруйте следующее сообщение, в котором использована кириллица:
Шифр A1Z26
Это простая подстановка, где каждая буква заменена её порядковым номером в алфавите. Только нижний регистр.
Попробуйте определить, что здесь написано:
Шифрование публичным ключом
Алгоритм шифрования, применяющийся сегодня буквально во всех компьютерных системах. Есть два ключа: открытый и секретный. Открытый ключ — это большое число, имеющее только два делителя, помимо единицы и самого себя. Эти два делителя являются секретным ключом, и при перемножении дают публичный ключ. Например, публичный ключ — это 1961, а секретный — 37 и 53.
Открытый ключ используется, чтобы зашифровать сообщение, а секретный — чтобы расшифровать.
Как-то RSA выделила 1000 $ в качестве приза тому, кто найдет два пятидесятизначных делителя числа:
Можно усложнить. Исходные координаты выписываем в строку без разбиений на пары, сдвигаем на нечётное количество шагов, разбиваем полученное на пары и вновь кодируем.
Шифр Цезаря
Опять же, для наглядности, возьмем латиницу
И теперь сместим вправо или влево каждую букву на ключевое число значений.
Например, ключ у нас будет 4 и смещение вправо.
Исходный алфавит: 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
Зашифрованный: w x y z a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v
Пробуем написать сообщение:
Шифруем его и получаем следующий несвязный текст:
Шифр Вернама (XOR-шифр)
Исходный алфавит — все та же латиница.
Сообщение разбиваем на отдельные символы и каждый символ представляем в бинарном виде.
Классики криптографии предлагают пятизначный код бодо для каждой буквы. Мы же попробуем изменить этот шифр для кодирования в 8 бит/символ на примере ASCII-таблицы. Каждую букву представим в виде бинарного кода.
Теперь вспомним курс электроники и элемент «Исключающее ИЛИ», также известный как XOR.
XOR принимает сигналы (0 или 1 каждый), проводит над ними логическую операцию и выдает один сигнал, исходя из входных значений.
Если все сигналы равны между собой (0-0 или 1-1 или 0-0-0 и т.д.), то на выходе получаем 0.
Если сигналы не равны (0-1 или 1-0 или 1-0-0 и т.д.), то на выходе получаем 1.
Теперь для шифровки сообщения, введем сам текст для шифровки и ключ такой же длины. Переведем каждую букву в ее бинарный код и выполним формулу сообщение XOR ключ
сообщение: LONDON
ключ: SYSTEM
Переведем их в бинарный код и выполним XOR:
В данном конкретном примере на месте результирующих символов мы увидим только пустое место, ведь все символы попали в первые 32 служебных символа. Однако, если перевести полученный результат в числа, то получим следующую картину:
С виду — совершенно несвязный набор чисел, но мы-то знаем.
Многие страны использовали коды, периодически их меняя, чтобы защититься от частотного анализа. Но есть минус: если кодовая книга будет украдена, то с ее помощью больше будет невозможно что-либо зашифровать, и придется придумывать новый код, что требует огромных усилий и затрат времени.
Стеганография
Стеганография старше кодирования и шифрования. Это искусство появилось очень давно. Оно буквально означает «скрытое письмо» или «тайнопись». Хоть стеганография не совсем соответствует определениям кода или шифра, но она предназначена для сокрытия информации от чужих глаз. Про стеганографию можно почитать в нашей отдельной статье.
Данный шифр известен всем с детства. Каждая буква шифра заменяется на следующую за ней в алфавите. Так, A заменяется на B, B на C, и т.д.
«ROT1» значит «ROTate 1 letter forward through the alphabet» («сдвиньте алфавит на одну букву вперед»).
Моноалфавитная замена
Описанные выше ROT1 и азбука Морзе являются представителями шрифтов моноалфавитной замены. Приставка «моно» означает, что при шифровании каждая буква изначального сообщения заменяется другой буквой или кодом из единственного алфавита шифрования.
Дешифрование шифров простой замены не составляет труда, и в этом их главный недостаток. Разгадываются они простым перебором или частотным анализом.
