No Image

Шифры многозначной замены примеры

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
22 января 2020

Сущность шифрования методом замены заключается в следующем. Пусть шифруются сообщения на русском языке и замене подлежит каждая буква этих сообщений.

Тогда, для буквы А исходного алфавита строится некоторое множество символов (шифрозамен) МА, для БМБ, …, для ЯМЯ.

Шифрозамены выбираютсятаким образом, чтобы любые два множества (МI и МJ, i ¹ j) не содержали одинаковых элементов (МI Ç МJ = Æ).

Таблица, приведенная на рис.2, является ключом шифра замены. Зная ее, можно осуществить как шифрование, так и расшифрование.

При шифровании каждая буква А открытого сообщения заменяется любым символом из множества МА.

Если в сообщении содержится несколько букв А, то каждая из них заменяется на любой символ из МА. За счет этого с помощью одного ключа можно получить различные варианты шифрограммы для одного и того же открытого сообщения.

Так как множества МА, МБ, . МЯ попарно не пересекаются, то по каждому символу шифрограммы можно однозначно определить, какому множеству он принадлежит.

Каждую букву открытого сообщения он заменяет. Поэтому расшифрование возможно и открытое сообщение определяется единственным образом.

Метод замены часто реализуется многими пользователями при работе на компьютере.

Если по забывчивости не переключить на клавиатуре набор символов с латиницы на кириллицу, то вместо букв русского алфавита при вводе текста будут печататься буквы латинского алфавита («шифрозамены»).

Шифры замены можно разделить на следующие подклассы:

– шифры однозначной замены (одноалфавитные). Количество шифрозамен для каждого символа исходного алфавита равно 1 (½Мi½=1);

– шифры многозначной замены (многоалфавитные). Количество шифрозамен для отдельных символов исходного алфавита больше 1 (½Мi½≥1).

Для записи исходных и зашифрованных сообщений используются строго определенные алфавиты.

Под алфавитом в данном случае понимается набор символов, служащий для записи сообщений.

Алфавиты для записи исходных и зашифрованных сообщений могут отличаться.

Символы обоих алфавитов могут быть представлены буквами, их сочетаниями, числами, рисунками и т.п. В качестве примера можно привести пляшущих человечков из рассказа А. Конан Дойла ( ) и рукопись рунического письма ( ) из романа Ж. Верна «Путешествие к центру Земли».

Шифры однозначной замены. Максимальное количество ключей для любого шифра этой вида не превышает n!,

где n – количество символов в алфавите.

С увеличением числа n значение n! растет очень быстро (1!=1, 5!=120, 10!=3628800, 15!=1307674368000).

При больших n для приближенного вычисления n! можно воспользоваться формулой Стирлинга

.

Шифр Цезаря (1 век до н.э.).

Данный шифр был придуман Гаем Юлием Цезарем и использовался им в своей переписке.

Применительно к русскому языку суть его состоит в следующем.

Выписывается исходный алфавит (А, Б, . Я), затем под ним выписывается тот же алфавит, но с циклическим сдвигом на 3 буквы влево.

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

Рис.3. Таблица шифрозамен для шифра Цезаря

При зашифровке буква А заменяется буквой Г, Б – на Д и т. д. Так, например, исходное сообщение «АБРАМОВ» после шифрования будет выглядеть «ГДУГПСЕ». Получатель сообщения «ГДУГПСЕ» ищет эти буквы в нижней строке и по буквам над ними восстанавливает исходное сообщение «АБРАМОВ».

Ключом в шифре Цезаря является величина сдвига нижней строки алфавита. Количество ключей для всех модификаций данного шифра применительно к алфавиту русского языка равна 33.

Лозунговый шифр.

Для данного шифра построение таблицы шифрозамен основано на лозунге (ключе) – легко запоминаемом слове. Вторая строка таблицы шифрозамен заполняется сначала словом-лозунгом (причем повторяющиеся буквы отбрасываются), а затем остальными буквами, не вошедшие в слово-лозунг, в алфавитном порядке. Например, если выбрано слово-лозунг «ДЯДИНА», то таблица имеет следующий вид.

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

Рис.4. Таблица шифрозамен для лозунгового шифра

При шифровании исходного сообщения «АБРАМОВ» по приведенному выше ключу шифрограмма будет выглядеть «ДЯПДКМИ».

Полибианский квадрат.

Шифр изобретен греческим писателем и историком Полибием. Прямоугольная таблица заполняется буквами алфавита в случайном порядке. Размер прямоугольника и порядок букв является ключом.

Каждая буква открытого сообщения заменяется буквой, расположенной ниже в том же столбце. Если буква находится на последней строке таблицы, то для ее шифрования берут самую верхнюю букву столбца. Например, если исходное сообщение «АБРАМОВ», то шифрограмма – «УФВУЭЬТ».

Шифрующая система Трисемуса.

Является сочетанием лозунгового шифра и полибианского квадрата.

В таблицу сначала вписывается ключевое слово, причем повторяющиеся буквы отбрасываются. Затем эта таблица дополняется не вошедшими в нее буквами алфавита.

Читайте также:  Устройство удаленного управления питанием

На рис.6 изображена таблица с ключевым словом «ДЯДИНА».

Шифрование выполняется как и в предыдущем шифре (исходное сообщение «АБРАМОВ», зашифрованное – «ИЙЪИХШК»).

Одним из существенныхнедостатков шифров однозначной замены является их легкая вскрываемость.

При вскрытии шифрограмм используются различные приемы, которые даже при отсутствии мощных вычислительных средств позволяют добиться положительного результата. Один из таких приемов базируется на том, что в шифрограммах остается информация о частоте встречаемости букв исходного текста.

Если в открытом сообщении часто встречается какая-либо буква, то в шифрованном сообщении также часто будет встречаться соответствующий ей символ. Для разных языков мира существуют специальные таблицы с оценкой вероятности появления тех или иных букв в текстах.

Так, например, для русского языка такая таблица выглядит следующим образом.

Вероятности появления букв русского языка в текстах*

Буква (символ) Вероят- ность Буква Вероят- ность Буква Вероят- Ность Буква Вероят- ность
Пробел 0.146 Р 0.042 Я 0.017 Ж 0.007
О 0.094 Л 0.039 З 0.016 Ш 0.006
Е 0.071 В 0.038 Ы 0.015 Ц, Ю 0.005
А 0.069 К 0.029 Г 0.014 Щ 0.004
И 0.064 М 0.027 Ь, Б 0.013 Ф 0.003
Н 0.057 П 0.026 Ч 0.012 Э 0.002
Т 0.054 Д 0.024 Й 0.010 Ъ 0.001
С 0.046 У 0.023 Х 0.008

В таблице приведены оценки вероятностей появления букв русского языка и пробела, полученные на основе анализа научно-технических и художественных текстов общим объемом более 1000000 символов.

Существуют подобные таблицы для пар букв (биграмм). Например, часто встречаемыми биграммами являются «то», «но», «ст», «по», «ен» и т.д. Другой прием вскрытия шифрограмм основан на исключении возможных сочетаний букв. Например, в текстах (если они написаны без орфографических ошибок) нельзя встретить сочетаний «чя», «щы», «ьъ» и т.п.

Для усложнения задачи вскрытия шифров однозначной замены еще в древности перед шифрованием из исходных сообщений исключали пробелы и/или гласные буквы.

Шифры многозначной замены. Другое направление повышения стойкости шифров замены состоит в том, чтобы каждое множество шифробозначений Мi содержало более одного элемента. При использовании такого шифра одну и ту же букву (если она встречается несколько раз в исходном сообщении) заменяют на разные шифрозамены из Мi. Это позволяет скрыть истинную частоту букв открытого сообщения.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Увлечёшься девушкой-вырастут хвосты, займёшься учебой-вырастут рога 9989 – | 7783 – или читать все.

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.

Эти шифры можно считать как бы базовыми.

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: Xалфавит открытого текста, а Y – алфавит шифрованного текста, состоящие из одинакового числа символов.

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

В криптографии рассматриваются 4 типа замены:

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:

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

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.

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.

Читайте также:  Современные устройства хранения информации

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)

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.

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

Читайте также:  Унитаз компакт santek анимо отзывы

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.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector