Заместващ шифър: определение, примери (Цезар) и честотен анализ

Шифърът на заместването е вид криптография, при който всяка буква от оригиналния текст се заменя с друга буква според фиксирано правило. Това правило може да бъде проста таблица за заместване или алгоритъм (например преместване с няколко позиции в азбуката). В резултат се получава шифрован текст, в който формата на думите и буквите е променена, но дължината на съобщението обикновено остава същата.

При най-простия вид — моноалфавитен заместващ шифър — едно и също правило се прилага за всяка поява на дадена буква. Например при класическия Шифърът на Цезар всяка буква се измества с фиксиран брой позиции: при преместване с 3 "A" става "D", "B" става "E" и т.н. Пример на латински: "HELLO WORLD" → "KHOOR ZRUOG" (преместване +3). Същата идея може да бъде прилагана и върху кирилската азбука.

Видове заместващи шифри

Моноалфавитни (една и съща замяна за цялото съобщение) — най-простите и най-податливи на атаки.
Хомофонни — една буква от открития текст може да се замени с няколко възможни символа в шифротекста, за да се размаже честотата.
Полиафавитни (например Виженер) — използват се множество различни заместващи азбуки последователно, което значително затруднява честотния анализ.
Полиографни (например Playfair) — замяната се прави на блокове от букви (диграми, триграми), а не на отделни букви.

Защо заместващите шифри са слаби

В повечето съвременни случаи простите заместващи шифри не са достатъчно сигурни за защита на чувствителна информация. Основната причина е, че статистическите характеристики на езика (честота на буквите, типични кратки думи, характерни двойки/trigrams) се запазват при заместването — само символите са „преименувани”. Това позволява прилагането на честотен анализ за възстановяване на правилото на заместване.

Честотен анализ — как работи

Идеята на честотния анализ е да сравни статистиката на шифрования текст с очакваната статистика на езика, на който е писано оригиналното съобщение. Няколко практични стъпки:

Съберете честота: пребройте появите на всяка буква в шифротекста и ги подредете от най-чести към най-редки.
Сравнете с езикови честоти: всяко езиково семейство има характерни най-чести букви — например в английския най-често срещаните букви са E, T, A и т.н.; в българския език най-чести обикновено са О, Е, А, Т, Н, И (редът може да варира според корпуса).
Потърсете единични и кратки думи: в английския единичните букви обикновено са "A" или "I"; в българския — "и", "в", "с" и т.н. Това дава подсказки за конкретни замени.
Разпознаване на моделите: често срещани бигони и триграми (например "TH", "ER", "ING" на английски) и повтарящи се последователности помагат да се локализират съответствия.
Използвайте контекст и „крикове” (cribs): ако подозирайте част от текста (напр. стандартно обръщение или фраза), можете да опитате да го пригодите към шифротекста.

Заедно тези методи позволяват да се реконструира голяма част от заместващия ключ и да се разчете съобщението. Именно поради това такива шифри се срещат предимно в учебни задачи и в логически игри — например криптограми, които се появяват като ребус, който често се печата във вестниците.

Практически съвети при решаване на криптограми

Започнете с най-честите букви в шифротекста и опитайте да ги свържете с вероятни честотни кандидати от езика.
Идентифицирайте повтарящи се думи и съответстващи на тях дължини и модели (напр. двойни букви, префикси/суфикси).
Работете итеративно: направите ли някои замени, прегледайте целия текст за съвпадения и противоречия — често множество локални предположения водят до глобално решение.
За дълги текстове автоматични инструменти и програми за разшифроване дават бързи резултати; за кратки текстове интуицията и знанието за езика са важни.

В обобщение: заместващите шифри са лесни за разбиране и полезни за обучение по криптография и за пъзели, но за реална сигурност те са несигурни, тъй като могат да бъдат анализирани и разгадани чрез честотен анализ и други техники.

Пример

Да предположим, че промененото съобщение е:

LIVITCSWPIYVEWHEVSRIQMXLEYVEOIEWHRXEXIPFEMVEWHKVSTYLXZIXLIKIIXPIJVSZEYPERRGERIM WQLMGLMXQERIWGPSRIHMXQEREKIETXMJTPRGEVEKEITREWHEXXLEXXMZITWAWSQWXSWEXTVEPMRXRSJ GSTVRIEYVIEXCVMUIMWERGMIWXMJMGCSMWXSJOMIQXLIVIQIVIXQSVSTWHKPEGARCSXRWIEVSWIIBXV IZMXFSJXLIKEGAEWHEPSWYSWIWIEVXLISXLIVXLIRGEPIRQIVIIBGIIHMWYPFLEVHEWHYPSRRFQMXLE PPXLIECCIEVEWGISJKTVWMRLIHYSPHXLIQIMYLXSJXLIMWRIGXQEROIVFVIZEVAEKPIEWHXEAMWYEPP XLMWYRMWXSGSWRMHIVEXMSWMGSTPHLEVHPFKPEZINTCMXIVJSVLMRSCMWMSWVIRCIGXMWYMXXLIYSPH KTY

В този пример с главни букви са обозначени непознати букви, а с малки букви - букви, които познаваме или можем да предположим.

Като преброим буквите, виждаме, че най-често срещаната е I, за която ще предположим, че е e. X също е доста често срещана, а XLI се среща много пъти; предполагаме, че това е най-често срещаната група от три букви в английския език.

Е е втората най-често срещана буква. Вече имаме предположение за e и t, така че предполагаме, че E е a. Сега имаме:

heVeTCSWPeYVaWHaVSReQMthaYVaOeaWHRtatePFaMVaWHKVSTYhtZetheKeetPeJVSZaYPaRRGaReM WQhMhMtQaReWGPSReHMtQaRaKeaTtMJTPRGaVaKaeTRaWHatthattMZeTWAWSQWtSWatTVaPMRtRSJ GSTVReaYVeatCVMUeMWaRGMeWtMJMGCSMWtSJOMeQtheVeQeVetQSVSTWHKPaGARCStRWeaVSWeeBtV eZMtFSJtheKaGAaWHaPSWYSWeWeaVtheStheVtheRGaPeRQeVeeBGeeHMWYPFhaVHaWHYPSRRFQMtha PPtheaCCeaVaWGeSJKTVWMRheHYSPHtheQeMYhtSJtheMWReGtQaROeVFVeZaVAaKPeaWHtaAMWYaPP thMWYRMWtSGSWRMHeVatMSWMGSTPHhaVHPFKPaZeNTCMteVJSVhMRSCMWMSWVeRCeGtMWYMttheYSPH KTY

Сега можем да направим още няколко предположения: heVe може да е тук; Rtate може да е състояние, а atthattMZe може да е по това време. Попълвайки тези предположения, получаваме:

тукTCSWPeYraWHarSseQithaYraOeaWHstatePFairaWHKrSTYhtmetheKeetPeJrSmaYPassGasei WQhiGhitQaseWGPSseHitQasaKeaTtiJTPsGaraKaeTsaWHatthattimeTWAWSQWtSWatTraPistsSJ GSTrseaYreatCriUeiWasGieWtiJiGCSiWtSJOieQthereQeretQSrSTWHKPaGAsCStsWearSWeeBtr емитиратFSJtheKaGAaWHaPSWYSWeWeWeartheStherthesGaPesQereeBGeeHiWYPFharHaWHYPSssFQitha PPtheaCCearaWGeSJKTrWisheHYSPHtheQeiYhtSJtheiWseGtQasOerFremarAaKPeaWHtaAiWYaPP thiWYsiWtSGSWsiHeratiSWiGSTPHharHPFKPameNTCiterJSrhisSCiWiSWresCeGtiWYittheYSPH KTY

Това ни позволява да правим повече предположения, които водят до още повече, докато не познаем всичко:

ето нагледнагрозасградаисторическивъздухипринесенабръмбариотстъклена витрина,вкоятобешезатворена,тябешекрасивакарабеяипотовавременеизвестенприродоизпитател,разбира се,сголямапризностнаучна гледна точкаимашевсичкооколочерниточкинаедноекстра емитираненагръбнакаипродължениенадругата страна,скалитебяхаизключителнотвърдиилъскави,аизгледътнаизгарянетобешеголям,атеглотонанасекомотобешеизключителнозабележителноивзимайкивпредвидвсичко,неможешедасеобвиняваМехупитерзатова,четойеотговорилназлатниябръмбар

В този момент можем да вмъкнем интервали и препинателни знаци:

Тук на ле Гранд се изправи със сериозен и величествен вид и ми донесе бръмбара от
стъкленицата, в която беше затворен. Беше красив скарабей и по онова време
, разбира се, беше непознат на естествоизпитателите; голяма награда от научна гледна точка
. Имаше
две кръгли черни петна в единия край на гърба и
едно дълго в другия. Люспите бяха изключително твърди и лъскави и имаха
вид на полирано злато. Теглото на насекомото беше много забележително
и като се има предвид всичко това, едва ли бих могъл да упрекна Юпитер
за
мнението му по отношение на него. (Златната буболечка)

Ако бяхме направили грешно предположение, щяхме да разберем това в някакъв момент и можехме да се върнем и да направим ново предположение.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява шифърът на заместването?

О: Заместващият шифър е вид криптография, при която се използва правило за замяна на всяка буква от съобщението с друга буква от азбуката.

В: Как работи шифърът на заместването?

О: При заместващия шифър се използва правило за замяна на всяка буква от съобщението с друга буква от азбуката, една по една.

Въпрос: Какъв е примерът за таблица, използвана в шифъра на заместването?

О: Таблицата в текста дава правило за заместващ шифър, което може да се използва за замяна на всяка буква с друга буква от азбуката.

В: Какво представлява шифърът на Цезар?

О: Шифърът на Цезар е пример за заместващ шифър.

Въпрос: Достатъчно сигурни ли са заместващите шифри за важни съобщения?

О: Не, заместващите шифри не са достатъчно безопасни, за да се използват за важни съобщения.

В: Как могат да бъдат разбити заместващите шифри?

О: Шифрите за заместване могат да бъдат разбити с помощта на честотен анализ, при който се търсят често срещани букви в промененото съобщение, които вероятно са най-често срещаните букви в английския език.

Въпрос: Кой е често срещан пъзел, който включва разбиване на криптограми?

О: Разбиването на криптограми, които представляват съобщения, скрити с шифър за заместване, е често срещан пъзел, който често се среща във вестниците.