Шифр подстановки

Шифр подстано́вки каждый символ открытого текста заменяет на некоторый другой. В классической криптографии различают четыре типа шифра подстановки:

• 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.
• Многоалфавитный шифр подстановки состоит из нескольких шифров простой замены. Примеры: шифр Виженера, шифр Бофора, одноразовый блокнот.

Шифры простой замены

В шифрах простой замены замена производится только над одним-единственным символом. Для наглядной демонстрации шифра простой замены достаточно выписать под заданным алфавитом тот же алфавит, но в другом порядке или, например, со смещением. Записанный таким образом алфавит называют алфавитом замены.

Примеры шифров простой замены

Шифр Атбаш

Шифр простой замены, использованный для еврейского алфавита и получивший оттуда свое название. Шифрование происходит заменой первой буквы алфавита на последнюю, второй на предпоследнюю (алеф (первая буква) заменяется на тав (последнюю), бет (вторая) заменяется на шин (предпоследняя); из этих сочетаний шифр и получил свое название). Шифр Атбаш для английского алфавита:

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

Алфавит замены:     Z Y X W V U T S R Q P O N M L K J I H G F E D C B A

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.

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

Алфавит замены:    W O R D A B C E F G H I J K L M N P Q S T U V X Y Z

Как мы видим, при использовании короткого кодового слова мы получаем очень и очень простую замену. Также мы не можем использовать в качестве кодового слова слова с повторяющимися буквами, так как это приведет к неоднозначности расшифровки, то есть двум различным буквам исходного алфавита будет соответствовать одна и та же буква шифрованного текста.

---

К шифрам замены тоже можно отнести всем известные шифры, используемые авторами многих известных книг. Таких как «Пляшущие человечки» А. Конан Дойла или «Золотой жук» Э. По, также шифр из романа Ж. Верна «Путешествие к центру Земли».

---

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 защищенный 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. 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.

• расстояние уникальности — термин, используемый в криптографии, обращающейся к длине оригинального шифротекста, которого должно быть достаточно для взлома шифра.

Омофоническая замена

Основная статья: Омофоническая замена

Ранние попытки увеличивать трудность дешифровки частотным анализом шифров замены состояла в том, чтобы замаскировать реальные частоты появления символов обычного текста с помощью омофонии. В этих шифрах буквы исходного алфавита соответствуют больше 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 изобретенные (вымышленные) алфавиты (например, «Пляшущие человечки» А. Конан Дойла, или «Золотой жук» Э. По, или «Рукопись Войнича»).

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 распространенных слов и географических названий. На основе этого «номенклатора» был составлен Великий Шифр Россиньеля, использовавшийся королем 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

Антуан Россиньоль и его сын Бонавентур Россиньоль изобрели шифр, который использовал 587 различных чисел. Шифр был настолько силен, что в течение многих столетий никто не мог взломать его, пока это не сделал Командир Птинье Базарье в 1893 году, который понял, что каждое число замещало французский слог, а не одну букву, как до этого считали. Он предположил, что специфическая последовательность повторных чисел 124-22-125-46-345 кодирует слово «les ennemis» (враги), и, отталкиваясь от этой информации, смог распутать весь шифр.

Книжный шифр

Основная статья: Книжный шифр

Книжный шифр — шифр, в котором ключом является книга или небольшая часть текста. Основным требованием будет, чтобы оба корреспондента не только имели одну и ту же книгу, но и те же издание и выпуск. Традиционно книжные шифры работают на основе замены слов в исходном тексте на местоположение этих же слов в книге. Это будет работать до тех пор, пока не встретится слово, которого не будет в книге, тогда сообщение не может быть закодировано. Альтернативный подход, который обходит эту проблему, состоит в том, чтобы заменять отдельные символы, а не слова. Однако такой способ имеет побочный эффект: зашифрованный текст становится очень большого размера (обычно используется от 4 до 6 цифр для шифрования каждого символа или слога).

Криптоанализ

Шифр простой замены легко вскрывается с помощью частотного анализа, так как не меняет частоты использования символов в сообщении.

Однозвучные шифры сложнее для вскрытия, хотя они и не скрывают всех статистических свойств текста.

Многоалфавитные шифры шифруют каждый символ с помощью некоторого одноалфавитного шифра. Стойкость такого шифра сильно зависит от количества используемых шифров простой замены. Но при использовании компьютера криптоаналитик не испытает трудностей при вскрытии.

См. также

• Шифр Цезаря
• Шифр Вернама
• ROT13
• Аффинный шифр

Литература

• Bruce Schneier «Applied Cryptography, Second Edition», ISBN 0-471-12845-7
• «Введение в криптографию» под ред. В. В. Ященко — М.: МЦНМО-ЧеРо, 2000, ISBN 5-900916-40-5