Классические докомпьютерные шифры

Лабораторная работа  1

Классические докомпьютерные шифры

Вводная информация

Все классические методы шифрования используют один из двух методов: подстановку или перестановку.

Использование подстановок

Использование подстановки при шифровании означает замену букв открытого текста другими буквами, цифрами или символами.

Шифр Цезаря

Самым древним и простым из подстановочных шифров является шифр Юлия Цезаря. В этом шифре каждая буква алфавита заменяется буквой, которая находится на N  позиций дальше в этом же алфавите. Например, если N=3, то открытому тексту на русском языке

встреча завтра в то же время

соответствует шифрованный текст:

            ефхучэг лгехуг е хс ки еуипв

Алфавит при этом считается циклическим, после буквы Я идет А. Зашифрованный таким образом текст может быть расшифрован с помощью перебора всех возможных вариантов сдвига алфавита. Таких вариантов будет столько, сколько букв в используемом алфавите, минус одна буква.

Многоалфавитные шифры

Шифр Цезаря легко вскрывается путем простого перебора вариантов. Усовершенствование такого шифра может заключаться в использовании пдстановки с различным смещением на каждом символе. Такие шифры называются многоалфавитными (или полиалфавитными). Самым известным алгоритмом такого рода является шифр Вижинера (Vigenure). Алгоритм заключается в следующем.

            Для шифрования используется ключ, имеющий ту же длину, что и сообщение. Обычно используют некоторое ключевое слово, повторяющееся нужное число раз. Каждая буква в слове означает смещение, которое должно быть применено к данной букве шифрованного текста. Смещение – это номер буквы в заданном алфавите. Например, ключевое слово слон определяет смещение первой буквы на 18 символов, второй – на 12 символов, третьей – на 15 символов, и т.д.

            Пусть ключевым словом является вираж. Применим его для шифрования:

Ключ:                         в и  р  а ж

Смещение:                3 9 17 1 7

                                    Виражвиражвиражви

Открытый текст:      со зда емсвоюзащиту

Шифр.текст:             фчшезихвгхб ксъ пхь

В таком шифре частота появления отдельных букв уже скрыта, поскольку каждой букве соответствует несколько различных вариантов. Поэтому статистический анализ не поможет вскрытию такого шифра.

Справка: номера букв русского алфавита

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
А	Б	В	Г	Д	Е	Ж	З	И	Й	К	Л	М	Н	О	П
17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32
Р	С	Т	У	Ф	Х	Ц	Ч	Ш	Щ	Ъ	Ы	Ь	Э	Ю	Я

Использование перестановок

Шифры, созданные с использованием перестановок, называют перестановочными шифрами. В этом случае открытый текст разбивается на горизонтальные строки  одинаковой длины, равной длине ключа. Для шифрования текст считывается столбец за столбцом, но не в исходном порядке, а в соответствии с ключом. Ключ – последовательность цифр, определяющих, в каком порядке нужно считывать столбцы. Например, пусть ключ равен 4312567. Тогда исходный текст «Лабораторная работа 1» даст следующий шифрованный текст:

            Ключ:                         4312567

            Открытый текст:      лаборат

                                               орная  р

                                               абота  1

            Шифрованный текст:    бнооатарблоаряаа__тр1    (пробелы заменены на знак  _ )

Другой вариант использования перестановок – разбить исходный текст на блоки, равные длине ключа, и получать шифрованный текст с помощью перестановок в соответствии с ключом только внутри блока. Например, пусть ключ равен 4716352. Тогда:

            Открытый текст:      лаборат

                                               орная  р

                                               абота  1

            Шифрованный текст:    отлабрааро_нярт1а_оаб

Перестановочный шифр становится гораздо более защищенным, если выполнить шифрование с использованием перестановки несколько раз на одном и том же тексте.

Криптоанализ на основе частоты появления различных символов

Если известна природа открытого текста (например, язык, на котором он написан), то возможен криптоанализ текста на основе частоты появления различных букв в тексте. Статистические характеристики всех основных языков известны, и для анализа достаточно вычислить частоту появления различных букв в шифрованном тексте и сравнить с частотой появления букв в языке, на котором (предположительно) написан открытый текст.

            Например, относительная частота появления букв в английском тексте:

В виде соотношений процентов частоты появления букв эта таблица выглядит так:

A	B	C	D	E	F	G	H	I	J	K	L	M
7,96	1,60	2,84	4,01	12,86	2,62	1,99	5,39	7,77	0,16	0,41	3,51	2,43
N	O	P	Q	R	S	T	U	V	W	X	Y	Z
7,51	6,62	1,81	1,17	6,83	6,62	9,72	2,48	1,15	1,80	0,17	1,52	0,05

Задание к лабораторной работе

Задание 1 

Известно, что текст на русском языке зашифрован шифром Цезаря. При этом использован следующий набор букв:

            Абвгдежзиклмнопрстуфхцчшщьыъэюя

В исходном тексте буква Й заменяется буквой И.

Задание: Расшифровать заданный текст. Смещение неизвестно, поэтому для расшифровки нужно составить варианты текста со всеми параметрами сдвига. Это значит, что первый вариант текста будет со сдвигом букв на 1, второй – со сдвигом букв на 2, и т.д. Вариант, который даст осмысленный исходный текст, и является искомым.

Текст для расшифровки:

Вариант 1. СРЫЯИОФРИБСЬЫСХЪЦШФИЮСС

Вариант 2. БЛЫЪШЪЧЕРЯЛЬЛФЪРЬУЫЪУФУЪРФЫЪШН

Вариант 3. ЦФЯЬИЮЯЧЫЯЦЬБЯФТЮЬЧУЗЫФ

Вариант 4. ЦФУЦУЖФЛХЛКЕЪООНУЖХЕМЛТОД

Вариант 5.ЗДЩЖЪВЪГГТЪВЪИДЫТВДЫЪБЯЖДЩЧГЯЦ

Вариант 6. ЦКШИКЦЬТИЛОТЬЦШХГЭСРЦКШИПОХСС

Вариант 7. ЦЪХЫЮЬРЪНАХМХФНЕХЮНЭТЮТХ

Вариант 8. СУВЮЪСВЩШЩАЮУСЭЭМЦБЩБВЦЪМГЯАСУЫЦЭЩР

Задание 2

Известно, что текст зашифрован методом перестановки, причем применяласть перестановка только внутри блока данных. Известен ключ шифрации. Задача – расшифровать текст.

Ключ для всех вариантов -  365142.

Текст для расшифровки:

Вариант 1. збарракз_оатинеащщхEWн_ыплиВр-ейионж

Вариант 2. к_ттсешрфзиаам_онвомоедтртспееоикавн

Вариант 3. иицпнрвузпи_ьгоанлпгоор_мрирмааяионв

Вариант 4. еаисцпн_елыьтыдмоеаар_зрт_ибко

Вариант 5. пьлиосер_змутвоарс_сиырек__уин

Вариант 6. рлогнон_йыыжо_тсрпсуоин_р_ыбдо

Вариант 7. оыбслтеот_смтхы_доксаар_яацнро

Вариант 8. кссиусопэт_виово_хоедзжря__н_и

Вариант 3

Известно, что открытый текст написан на английском языке. Нужно сделать статистический анализ данного текста, определив для этого частоту появления различных букв в шифрованном тексте. Сравнив полученные частоты с гистограммой частоты появления символов в английском языке, сделать предположение о соотношении букв и предложить версию расшифровки текста.

Текст для расшифровки (для всех вариантов):

UZQSOVUOHXMOPVGPOZPEVSGZWSZOPFPESXUDBMETSXAIZ

VUEPHZHMDZSHZOWSFPAPPDTSVPQUZWYMXUZUHSX

EPYEPOPDZSZUFPOMBZWPFUPZHMDJUDTMOHMQ