глифический шифр что такое
Элементарные шифры на понятном языке
Все мы довольно часто слышим такие слова и словосочетания, как «шифрование данных», «секретные шифры», «криптозащита», «шифрование», но далеко не все понимают, о чем конкретно идет речь. В этом посте разберемся, что из себя представляет шифрование и рассмотрим элементарные шифры с тем расчетом, чтобы даже далекие от IT люди поняли суть этого явления.
Прежде всего, разберемся в терминологии.
Шифрование – это такое преобразование исходного сообщения, которое не позволит всяким нехорошим людям прочитать данные, если они это сообщение перехватят. Делается это преобразование по специальным математическим и логическим алгоритмам, некоторые из которых мы рассмотрим ниже.
Исходное сообщение – это, собственно, то, что мы хотим зашифровать. Классический пример — текст.
Шифрованное сообщение – это сообщение, прошедшее процесс шифрования.
Шифр — это сам алгоритм, по которому мы преобразовываем сообщение.
Ключ — это компонент, на основе которого можно произвести шифрование или дешифрование.
Алфавит – это перечень всех возможных символов в исходном и зашифрованном сообщении. Включая цифры, знаки препинания, пробелы, отдельно строчные и заглавные буквы и т.д.
Теперь, когда мы говорим на более-менее одном языке, разберем простые шифры.
Шифр Атбаша
Самый-самый простой шифр. Его суть – переворот алфавита с ног на голову.
Например, есть у нас алфавит, который полностью соответствует обычной латинице.
Для реализации шифра Атбаша просто инвертируем его. «А» станет «Z», «B» превратится в «Y» и наоборот. На выходе получим такую картину:
И теперь пишем нужное сообшение на исходном алфавите и алфавите шифра
Исходное сообщение: I love habr
Зашифрованное: r olev szyi
Шифр Цезаря
Тут добавляется еще один параметр — примитивный ключ в виде числа от 1 до 25 (для латиницы). На практике, ключ будет от 4 до 10.
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)
Простейший шифр на основе бинарной логики, который обладает абсолютной криптографической стойкостью. Без знания ключа, расшифровать его невозможно (доказано Клодом Шенноном).
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.
Шифр кодового слова
Принцип шифрования примерно такой же, как у шифра цезаря. Только в этом случае мы сдвигаем алфавит не на определенное число позиций, а на кодовое слово.
Например, возьмем для разнообразия, кириллический алфавит.
Придумаем кодовое слово. Например, «Лукоморье». Выдернем из него все повторяющиеся символы. На выходе получаем слово «Лукомрье».
Теперь вписываем данное слово в начале алфавита, а остальные символы оставляем без изменений.
И теперь запишем любое сообщение и зашифруем его.
Получим в итоге следующий нечитаемый бред:
Шифр Плейфера
Классический шифр Плейфера предполагает в основе матрицу 5х5, заполненную символами латинского алфавита (i и j пишутся в одну клетку), кодовое слово и дальнейшую манипуляцию над ними.
Пусть кодовое слово у нас будет «HELLO».
Сначала поступаем как с предыдущим шифром, т.е. уберем повторы и запишем слово в начале алфавита.
Теперь возьмем любое сообщение. Например, «I LOVE HABR AND GITHUB».
Разобьем его на биграммы, т.е. на пары символов, не учитывая пробелы.
Если бы сообщение было из нечетного количества символов, или в биграмме были бы два одинаковых символа (LL, например), то на место недостающего или повторившегося символа ставится символ X.
Шифрование выполняется по нескольким несложным правилам:
1) Если символы биграммы находятся в матрице на одной строке — смещаем их вправо на одну позицию. Если символ был крайним в ряду — он становится первым.
Например, EH становится LE.
2) Если символы биграммы находятся в одном столбце, то они смещаются на одну позицию вниз. Если символ находился в самом низу столбца, то он принимает значение самого верхнего.
Например, если бы у нас была биграмма LX, то она стала бы DL.
3) Если символы не находятся ни на одной строке, ни на одном столбце, то строим прямоугольник, где наши символы — края диагонали. И меняем углы местами.
Например, биграмма RA.
По этим правилам, шифруем все сообщение.
Если убрать пробелы, то получим следующее зашифрованное сообщение:
Поздравляю. После прочтения этой статьи вы хотя бы примерно понимаете, что такое шифрование и знаете как использовать некоторые примитивные шифры и можете приступать к изучению несколько более сложных образцов шифров, о которых мы поговорим позднее.
Традиционные шифры с симметричным ключом
Многоалфавитные шифры
В многоалфавитной подстановке каждое появление символа может иметь различную замену. Отношения между символом в исходном тексте и символом в зашифрованном тексте — «один ко многим». Например, «a» может быть зашифровано как «D» в начале текста, но как «N» — в середине. Многоалфавитные шифры имеют преимущество: они скрывают частоту появления символа основного языка. Ева не может использовать статистическую частоту отдельного символа, чтобы взломать зашифрованный текст.
Автоключевой шифр
Название шифра, автоключевой, подразумевает, что подключи создаются автоматически в зависимости от символов шифра исходного текста в процессе шифрования.
| Исходный текст | a | t | t | a | c | k | i | s | t | o | d | a | y |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Значения P | 00 | 19 | 19 | 00 | 02 | 10 | 08 | 18 | 19 | 14 | 03 | 00 | 24 |
| Поток ключей | 12 | 00 | 19 | 19 | 00 | 02 | 10 | 08 | 18 | 19 | 14 | 03 | 00 |
| Значения C | 12 | 19 | 12 | 19 | 02 | 12 | 18 | 00 | 11 | 07 | 17 | 03 | 24 |
| Зашифрованный текст | M | T | M | T | C | M | S | A | L | H | R | D | Y |
Криптоанализ
Шифр Плейфера
Другой пример многоалфавитного шифра — Шифр Плейфера, использовавшийся британской армией в течение Первой мировой войны. Ключ засекречивания в этом шифре сделан из 25 букв алфавита, размещенных в матрице 
(буквы I и J рассматриваются при шифровании как одинаковые). С помощью различных соглашений о размещении букв в матрице можно создать много различных ключей засекречивания. Одно из возможных соглашений показано на рисунке 4.13.
Перед шифрованием исходный текст разбивается на пары; если две буквы пары одинаковые, то, чтобы отделить их, вставляется фиктивная буква. После вставки фиктивных букв, если число символов в исходном тексте нечетно, в конце добавляется один дополнительный фиктивный символ, чтобы сделать число символов четным.
Шифр использует три правила для шифрования:
a. если эти две буквы-пары расположены в одной и той же строке таблицы ключа засекречивания, соответствующий зашифрованный символ для каждой буквы — следующий символ справа в той же самой строке (с возвращением к началу строки; если символ исходного текста — последний символ в строке);
b. если эти две буквы-пары расположены в одном и том же столбце таблицы ключа засекречивания, соответствующий зашифрованный символ для каждой буквы — символ ниже этого в том же самом столбце (с возвращением к началу столбца; если символ исходного текста — последний символ в столбце);
c. если эти две буквы-пары не находятся в одной строке или столбце таблицы засекречивания, соответствующий зашифрованный символ для каждой буквы — символ, который находится в его собственной строке, но в том же самом столбце, что и другой символ.
Шифр Плейфера соответствует нашим критериям для многоалфавитного шифра. Ключ — поток подключей, в котором они создаются по два одновременно. В шифре Плейфера поток ключей и поток шифра — те же самые. Это означает, что вышеупомянутые правила можно представить как правила для создания потока ключей. Алгоритм кодирования берет пару символов из исходного текста и создает пару подключей, следуя указанным правилам. Мы можем сказать, что поток ключей зависит от позиции символа в исходном тексте. Зависимость от позиции имеет здесь различную интерпретацию: подключ для каждого символа исходного текста зависит от следующего или предыдущего «соседа». Рассматривая шифр Плейфера, таким образом, можно сказать, что зашифрованный текст — это фактически поток ключей.
Криптоанализ шифра Плейфера
Однако частоты двухбуквенных комбинаций (диаграмм) сохранены (до некоторой степени из-за вставки наполнителя), так что криптоаналитик может использовать атаку только для зашифрованного текста, основанную на испытании частоты диаграмм, чтобы найти ключ.
Шифр Виженера
Одно важное отличие между шифром Виженера и другими двумя многоалфавитными шифрами, которые мы рассмотрели: поток ключей Виженера не зависит от символов исходного текста; он зависит только от позиции символа в исходном тексте. Другими словами, поток ключей может быть создан без знания сути исходного текста.
| Исходный текст | s | h | e | i | s | l | i | s | t | e | n | i | n | g |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Значения P | 18 | 07 | 04 | 08 | 18 | 11 | 08 | 18 | 19 | 04 | 13 | 08 | 13 | 06 |
| Поток ключей | 15 | 00 | 18 | 02 | 00 | 11 | 15 | 00 | 18 | 02 | 00 | 11 | 15 | 00 |
| Значения C | 07 | 07 | 22 | 10 | 18 | 22 | 23 | 18 | 11 | 6 | 13 | 19 | 02 | 06 |
| Шифрованный текст | H | H | W | K | S | W | X | S | L | G | N | T | C | G |
Список Виженера
Другой способ рассмотрения шифров Виженера — с помощью того, что названо списком Виженера (Vigenere tableau) и показано в таблице 4.3.
| 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 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 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 |
| B | 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 | A |
| C | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B |
| D | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C |
| E | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D |
| F | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E |
| G | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E | F |
| H | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E | F | G |
| I | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E | F | G | H |
| J | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E | F | G | H | I |
| K | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E | F | G | H | I | J |
| L | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K |
| M | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L |
| N | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M |
| O | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N |
| P | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O |
| Q | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P |
| R | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q |
| S | S | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R |
| T | T | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S |
| U | U | V | W | X | Y | Z | A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T |
| V | V | 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 |
| W | 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 |
| X | 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 | W |
| Y | Y | Z | A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X |
| Z | Z | 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 |