Человек – социальное существо. Мы учимся взаимодействовать с другими, наблюдая за их реакцией на наши действия с первых дней жизни. При любом взаимодействии мы используем то, что искусствоведы называют «культурными кодами». А ведь культурные коды – самые сложные в дешифровке, здесь нет специальной программы, которая подскажет, что может значить приподнятая бровь или беспричинные, казалось бы, слёзы; нет однозначного ответа; более того, даже сам «кодирующий» может не знать, что он имел в виду под своим действием! Наука понимать окружающих – это то, что мы постигаем всю жизнь, и чем лучше развито это умение, тем, как правило, гармоничнее складывается общение с окружающими и любая деятельность, в которой нужны согласованные действия.
Изучение криптографии в обеих её ипостасях (шифровка и дешифровка) позволяет научиться находить связь между шифрованным, запутанным, непонятным посланием и смыслом, который в нём таится. Проходя исторический путь от шифра Юлия Цезаря до RSA-ключей, от розеттского камня до эсперанто, мы учимся воспринимать информацию в непривычном нам виде, разгадываем загадки, привыкаем к многовариантности. И главное – учимся понимать: как разных, непохожих на нас людей, так и математико-лингвистические механизмы, которые лежат в основе каждого, абсолютно каждого послания.
Итак, приключенческий рассказ о криптографии для детей, для всех, у кого есть дети, и для всех, кто когда-нибудь был ребёнком.
Трепещут на ветру флаги, ржут разгорячённые кони, бряцают доспехи: это Римская империя обнаружила, что в мире ещё есть кто–то, кого они не завоевали. Под командованием Гая Юлия Цезаря находится огромная армия, которой надо быстро и точно управлять.
Шпионы не дремлют, враги готовятся перехватить посланников императора, чтобы узнать все его блестящие планы. Каждый кусок пергамента, попадающий не в те руки – это вероятность проиграть сражение.
Но вот захвачен посланник, злоумышленник разворачивает записку… и ничего не понимает! «Наверное, – чешет он в затылке, – это на каком–то неизвестном языке…». Рим торжествует, его планы в безопасности.
Что же такое шифр Цезаря? Самый простой его вариант – это когда мы вместо каждой буквы ставим следующую по алфавиту: вместо «а» – «б», вместо «е» – «ж», а вместо «я» – «а». Тогда, например, «Я люблю играть» станет «А мявмя йдсбуэ». Давайте посмотрим на табличку, сверху в ней будет буква, которую шифруем, а снизу – на которую заменяем.
Алфавит как бы «сдвинут» на одну букву, правда? Поэтому этот шифр ещё называют «шифром сдвига» и говорят «используем шифр Цезаря со сдвигом 10» или «со сдвигом 18». Это значит, что надо «сдвинуть» нижний алфавит не на 1, как у нас, а, например, на 10 – тогда у нас вместо «а» будет «й», а вместо «у» – «э».
Сам Цезарь использовал этот шифр со сдвигом 3, то есть его таблица шифрования выглядела вот так:
Точнее, она бы так выглядела, если бы Цезарь жил в России. В его случае алфавит был латинский.
Такой шифр достаточно легко взломать, если вы профессиональный шпион или Шерлок Холмс. Но он до сих пор подходит для того, чтобы хранить свои маленькие секреты от посторонних глаз.
Вы и сами можете устроить свой маленький домашний заговор. Договоритесь о своём числе сдвига, и вы сможете оставлять друг другу шифрованные записки на холодильнике о сюрпризе на чей-нибудь день рождения, отправлять шифрованные сообщения и, может быть, если случится длинная разлука, даже писать друг другу тайные, кодированные письма!
Но вся история криптографии – это история борьбы между искусством зашифровывать послания и искусством их расшифровывать. Когда появляется новый способ закодировать сообщение, находятся те, кто пытаются этот код взломать.
Что такое «взломать код»? Это значит – придумать способ его разгадать, не зная ключа и смысла шифра. Шифр Цезаря тоже когда-то был взломан – так называемым «методом частотного анализа». Посмотрите на любой текст – гласных в нём гораздо больше, чем согласных, а «о» гораздо больше, чем, например, «я». Для каждого языка можно назвать самые часто и редко используемые буквы. Надо только найти, какой буквы больше всего в зашифрованном тексте. И скорее всего это будет зашифрованная «о», «е», «и» или «а» – самые часто встречающиеся буквы в русских словах. А как только ты знаешь, какой буквой обозначили, например, «а», ты знаешь, и на сколько «сдвинут» шифрованный алфавит, а значит, можешь расшифровать весь текст.
Когда разгадку кода Цезаря узнал весь мир, криптографам пришлось придумать что-нибудь помощнее. Но, как часто бывает, люди не стали изобретать что–то совсем новое, а усложнили уже имеющееся. Вместо того, чтобы шифровать все буквы по одному и тому же сдвинутому алфавиту, в тайных посланиях их стали использовать несколько. Например, первую букву шифруем по алфавиту со сдвигом 3, вторую – со сдвигом 5, третью – со сдвигом 20, четвертую – снова со сдвигом 3, пятую – со сдвигом 5, шестую – со сдвигом 20 и так далее, по кругу. Такой шифр называют полиалфавитным (то есть многоалфавитным). Попробуйте, так ваш шифр уже может разгадать только тот, кто посвящён в тайны криптографии!
Казалось бы, злоумышленники должны были запутаться и тайны должны были навсегда остаться тайнами. Но если шифр один раз был взломан, то и любые более сложные его варианты тоже будут однажды взломаны.
Давайте представим, что кто–то зашифровал послание двумя алфавитами. Первая буква – со сдвигом 5, вторая – со сдвигом 3, третья – снова 5, четвертая снова 3 – как на табличке ниже.
Мы можем разделить все зашифрованные буквы на две группы: буквы, зашифрованные со сдвигом 5 (1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19) и буквы, зашифрованные со сдвигом 3 (2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20). И внутри каждой группы искать, какие буквы встретились нам чаще остальных – так же, как в шифре Цезаря, только мороки побольше.
Если шифровщик использовал три алфавита, то мы разделим буквы на три группы, если пять – то на пять. А дальше снова идет в ход тот же самый частотный анализ.
Можно задать вопрос – откуда дешифраторы знали, что алфавитов три, а не, например, пять? На самом деле они не знали. И перебирали все возможные варианты. Поэтому дешифровка занимала гораздо больше времени, но все же была возможной.
В криптографии сообщение, которое надо передать, называется «открытым текстом», а зашифрованное сообщение – «шифрованным текстом». И правило, по которому текст зашифрован, называется «ключом шифра».
Незаметно подкрался XX век. Человечество всё больше надеется на машины: поезда заменяют повозки, радио появляется почти в каждом доме, и уже встали на крыло первые самолеты. И шифровку тайных планов в конце концов тоже передают машинам.
Во время Второй мировой войны было изобретено очень много машин для шифрования сообщений, но все они опирались на идею того, что полиалфавитный шифр можно ещё больше запутать. Запутать настолько, что, хотя по идее его и можно будет разгадать, на практике это ни у кого не получится. Запутать настолько, насколько это способна сделать машина, но не способен человек. Самая известная из таких шифровальных машин – «Энигма», использовавшаяся Германией.
theromanroad.files.wordpress.com
Но, пока самой главной тайной Германии была конструкция «Энигмы», самой главной тайной её противников было то, что к середине войны все страны уже «Энигму» разгадали. Если бы об этом стало известно в самой Германии, они бы начали придумывать что-то новое, но до конца войны они верили в идеальность своей шифровальной машины, а Франция, Англия, Польша, Россия читали тайные немецкие сообщения как открытую книгу.
Всё дело в том, что польский ученый Мариан Реевский однажды подумал о том, что раз придумали машину для шифровки сообщений, то можно придумать и машину для расшифровки, и первый свой образец называл «Бомба». Не из-за «взрывного» эффекта, как можно было бы подумать, а в честь вкусного, круглого пирожного.
Потом математик Алан Тьюринг построил на его основе машину, которая полностью расшифровывала код «Энигмы», и которую, между прочим, можно считать первым прародителем наших современных компьютеров.
Самый сложный код за всю Вторую мировую придумали американцы. На каждый боевой корабль США был откомандирован… индеец. Их язык был настолько непонятен и малоизучен, звучал так странно, что дешифровщики не знали, как и подступиться, и флот США безбоязненно передавал информацию на языке индейского племени чокта.
Вообще, криптография – это же не только о том, как загадать загадку, но и о том, как её разгадать. Не всегда такие загадки специально придумывают люди – иногда их подбрасывает сама история. И одной из главных загадок для криптографов долгое время была загадка древнеегипетского языка.
Никто не знал, что же значат все эти иероглифы. Что египтяне имели в виду, рисуя птиц и скарабеев. Но в один счастливый день французская армия обнаружила в Египте «Розеттский камень».
На этом камне была надпись – одна и та же, на древнегреческом, египетском буквенном (демотический текст) и египетском иероглифическом. Историки того времени хорошо знали древнегреческий, поэтому что же написано на камне они узнали быстро. Но главное, что, зная перевод, они смогли раскрыть тайны древнего египетского языка. Демотический текст был расшифрован достаточно быстро, а вот над иероглифами историки, лингвисты, математики, криптографы ломали голову долгие годы, но в конце концов всё-таки разгадали.
И это была большая победа криптографов – победа над самим временем, которое надеялось спрятать от людей их историю.
Но среди всех этих разгаданных шифров есть три особенных. Один – это метод Диффи – Хеллмана. Если маленькое сообщение зашифровать этим методом, то, чтобы его расшифровать, надо взять все компьютеры в мире и занять их этим на много-много лет. Именно он используется сегодня в Интернете.
Второй – это квантовое шифрование. Оно, правда, ещё не совсем придумано, зато, если люди сделают квантовые компьютеры такими, как о них мечтают, то такой шифр будет знать, когда его пытаются расшифровывать .
А третий особенный шифр – это «книжный шифр». Его удивительность в том, что им просто что-то зашифровать и непросто – расшифровать. Два человека выбирают одну и ту же книгу, и каждое слово из своего письма в ней ищут и заменяют тремя цифрами: номер страницы, номер строки и номер слова в строке. Это очень просто сделать, правда? А разгадать совсем не просто: откуда шпиону знать, какую книгу вы выбрали? И самое главное, компьютеры в этом деле тоже особо не помогут. Конечно, если подключить очень много умных людей и очень много мощных компьютеров, такой шифр не устоит.
Но есть главное правило безопасности. Её, этой безопасности, должно быть столько, чтобы зашифрованное послание не стоило тех огромных усилий, которые надо потратить на её расшифровку. То есть чтобы злодею – шпиону пришлось потратить столько сил, чтобы разгадать ваш код, сколько он не готов тратить на то, чтобы узнать ваше сообщение. И это правило работает всегда и везде, как в дружеских школьных переписках, так и в мире настоящих шпионских игр.
Криптография – это искусство загадывать и разгадывать загадки. Искусство сохранить тайны, и искусство их раскрывать. С криптографией мы учимся понимать друг друга и придумываем, как сохранить что-то важное для себя в безопасности. А чем лучше мы умеем и то и другое, тем спокойнее и деятельнее может быть наша жизнь.
Необходимость в шифровании переписки возникла еще в древнем мире, и появились шифры простой замены. Зашифрованные послания определяли судьбу множества битв и влияли на ход истории. Со временем люди изобретали все более совершенные способы шифрования.
Код и шифр - это, к слову, разные понятия. Первое означает замену каждого слова в сообщении кодовым словом. Второе же заключается в шифровании по определенному алгоритму каждого символа информации.
После того как кодированием информации занялась математика и была разработана теория криптографии, ученые обнаружили множество полезных свойств этой прикладной науки. Например, алгоритмы декодирования помогли разгадать мертвые языки, такие как древнеегипетский или латынь.
Стеганография
Стеганография старше кодирования и шифрования. Это искусство появилось очень давно. Оно буквально означает «скрытое письмо» или «тайнопись». Хоть стеганография не совсем соответствует определениям кода или шифра, но она предназначена для сокрытия информации от чужих глаз.
Стеганография является простейшим шифром. Типичными ее примерами являются проглоченные записки, покрытые ваксой, или сообщение на бритой голове, которое скрывается под выросшими волосами. Ярчайшим примером стеганографии является способ, описанный во множестве английских (и не только) детективных книг, когда сообщения передаются через газету, где малозаметным образом помечены буквы.
Главным минусом стеганографии является то, что внимательный посторонний человек может ее заметить. Поэтому, чтобы секретное послание не было легко читаемым, совместно со стеганографией используются методы шифрования и кодирования.
ROT1 и шифр Цезаря
Название этого шифра ROTate 1 letter forward, и он известен многим школьникам. Он представляет собой шифр простой замены. Его суть заключается в том, что каждая буква шифруется путем смещения по алфавиту на 1 букву вперед. А -> Б, Б -> В, ..., Я -> А. Например, зашифруем фразу «наша Настя громко плачет» и получим «общб Обтуа дспнлп рмбшеу».
Шифр ROT1 может быть обобщен на произвольное число смещений, тогда он называется ROTN, где N - это число, на которое следует смещать шифрование букв. В таком виде шифр известен с глубокой древности и носит название «шифр Цезаря».
Шифр Цезаря очень простой и быстрый, но он является шифром простой одинарной перестановки и поэтому легко взламывается. Имея подобный недостаток, он подходит только для детских шалостей.
Транспозиционные или перестановочные шифры
Данные виды шифра простой перестановки более серьезны и активно применялись не так давно. В Гражданскую войну в США и в Первую мировую его использовали для передачи сообщений. Его алгоритм заключается в перестановке букв местами - записать сообщение в обратном порядке или попарно переставить буквы. Например, зашифруем фразу «азбука Морзе - тоже шифр» -> «акубза езроМ - ежот рфиш».
С хорошим алгоритмом, который определял произвольные перестановки для каждого символа или их группы, шифр становился устойчивым к простому взлому. Но! Только в свое время. Так как шифр легко взламывается простым перебором или словарным соответствием, сегодня с его расшифровкой справится любой смартфон. Поэтому с появлением компьютеров этот шифр также перешел в разряд детских.
Азбука Морзе
Азбука является средством обмена информации и ее основная задача - сделать сообщения более простыми и понятными для передачи. Хотя это противоречит тому, для чего предназначено шифрование. Тем не менее она работает подобно простейшим шифрам. В системе Морзе каждая буква, цифра и знак препинания имеют свой код, составленный из группы тире и точек. При передаче сообщения с помощью телеграфа тире и точки означают длинные и короткие сигналы.
Телеграф и азбука был тем, кто первый запатентовал «свое» изобретение в 1840 году, хотя до него и в России, и в Англии были изобретены подобные аппараты. Но кого это теперь интересует... Телеграф и азбука Морзе оказали очень большое влияние на мир, позволив почти мгновенно передавать сообщения на континентальные расстояния.
Моноалфавитная замена
Описанные выше ROTN и азбука Морзе являются представителями шрифтов моноалфавитной замены. Приставка «моно» означает, что при шифровании каждая буква изначального сообщения заменяется другой буквой или кодом из единственного алфавита шифрования.
Дешифрование шифров простой замены не составляет труда, и в этом их главный недостаток. Разгадываются они простым перебором или Например, известно, что самые используемые буквы русского языка - это «о», «а», «и». Таким образом, можно предположить, что в зашифрованном тексте буквы, которые встречаются чаще всего, означают либо «о», либо «а», либо «и». Исходя из таких соображений, послание можно расшифровать даже без перебора компьютером.
Известно, что Мария I, королева Шотландии с 1561 по 1567 г., использовала очень сложный шифр моноалфавитной замены с несколькими комбинациями. И все же ее враги смогли расшифровать послания, и информации хватило, чтобы приговорить королеву к смерти.
Шифр Гронсфельда, или полиалфавитная замена
Простые шифры криптографией признаны бесполезными. Поэтому множество из них было доработано. Шифр Гронсфельда — это модификация шифра Цезаря. Данный способ является значительно более стойким к взлому и заключается в том, что каждый символ кодируемой информации шифруется при помощи одного из разных алфавитов, которые циклически повторяются. Можно сказать, что это многомерное применение простейшего шифра замены. Фактически шифр Гронсфельда очень похож на рассмотренный ниже.
Алгоритм шифрования ADFGX
Это самый известный шифр Первой мировой войны, используемый немцами. Свое имя шифр получил потому, что приводил все шифрограммы к чередованию этих букв. Выбор самих же букв был определен их удобством при передаче по телеграфным линиям. Каждая буква в шифре представляется двумя. Рассмотрим более интересную версию квадрата ADFGX, которая включает цифры и называется ADFGVX.
| A | D | F | G | V | X | |
| A | J | Q | A | 5 | H | D |
| D | 2 | E | R | V | 9 | Z |
| F | 8 | Y | I | N | K | V |
| G | U | P | B | F | 6 | O |
| V | 4 | G | X | S | 3 | T |
| X | W | L | Q | 7 | C | 0 |
Алгоритм составления квадрата ADFGX следующий:
- Берем случайные n букв для обозначения столбцов и строк.
- Строим матрицу N x N.
- Вписываем в матрицу алфавит, цифры, знаки, случайным образом разбросанные по ячейкам.
Составим аналогичный квадрат для русского языка. Например, создадим квадрат АБВГД:
| А | Б | В | Г | Д | |
| А | Е/Е | Н | Ь/Ъ | А | И/Й |
| Б | Ч | В/Ф | Г/К | З | Д |
| В | Ш/Щ | Б | Л | Х | Я |
| Г | Р | М | О | Ю | П |
| Д | Ж | Т | Ц | Ы | У |
Данная матрица выглядит странно, так как ряд ячеек содержит по две буквы. Это допустимо, смысл послания при этом не теряется. Его легко можно восстановить. Зашифруем фразу «Компактный шифр» при помощи данной таблицы:
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | |
| Фраза | К | О | М | П | А | К | Т | Н | Ы | Й | Ш | И | Ф | Р |
| Шифр | бв | гв | гб | гд | аг | бв | дб | аб | дг | ад | ва | ад | бб | га |
Таким образом, итоговое зашифрованное послание выглядит так: «бвгвгбгдагбвдбабдгвдваадббга». Разумеется, немцы проводили подобную строку еще через несколько шифров. И в итоге получалось очень устойчивое к взлому шифрованное послание.
Шифр Виженера
Данный шифр на порядок более устойчив к взлому, чем моноалфавитные, хотя представляет собой шифр простой замены текста. Однако благодаря устойчивому алгоритму долгое время считался невозможным для взлома. Первые его упоминания относятся к 16-му веку. Виженер (французский дипломат) ошибочно считается его изобретателем. Чтобы лучше разобраться, о чем идет речь, рассмотрим таблицу Виженера (квадрат Виженера, tabula recta) для русского языка.
Приступим к шифрованию фразы «Касперович смеется». Но, чтобы шифрование удалось, нужно ключевое слово — пусть им будет «пароль». Теперь начнем шифрование. Для этого запишем ключ столько раз, чтобы количество букв из него соответствовало количеству букв в шифруемой фразе, путем повтора ключа или обрезания:
Теперь по как по координатной плоскости, ищем ячейку, которая является пересечением пар букв, и получаем: К + П = Ъ, А + А = Б, С + Р = В и т. д.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | |
| Шифр: | Ъ | Б | В | Ю | С | Н | Ю | Г | Щ | Ж | Э | Й | Х | Ж | Г | А | Л |
Получаем, что "касперович смеется" = "ъбвюснюгщж эйхжгал".
Взломать шифр Виженера так сложно, потому что для работы частотного анализа необходимо знать длину ключевого слова. Поэтому взлом заключается в том, чтобы наугад бросать длину ключевого слова и пытаться взломать засекреченное послание.
Следует также упомянуть, что помимо абсолютно случайного ключа может быть использована совершенно разная таблица Виженера. В данном случае квадрат Виженера состоит из построчно записанного русского алфавита со смещением на единицу. Что отсылает нас к шифру ROT1. И точно так же, как и в шифре Цезаря, смещение может быть любым. Более того, порядок букв не должен быть алфавитным. В данном случае сама таблица может быть ключом, не зная которую невозможно будет прочесть сообщение, даже зная ключ.
Коды
Настоящие коды состоят из соответствий для каждого слова отдельного кода. Для работы с ними необходимы так называемые кодовые книги. Фактически это тот же словарь, только содержащий переводы слов в коды. Типичным и упрощенным примером кодов является таблица ASCII — международный шифр простых знаков.
Главным преимуществом кодов является то, что расшифровать их очень сложно. Частотный анализ почти не работает при их взломе. Слабость же кодов — это, собственно, сами книги. Во-первых, их подготовка — сложный и дорогостоящий процесс. Во-вторых, для врагов они превращаются в желанный объект и перехват даже части книги вынуждает менять все коды полностью.
В 20-м веке многие государства для передачи секретных данных использовали коды, меняя кодовую книгу по прошествии определенного периода. И они же активно охотились за книгами соседей и противников.
"Энигма"
Всем известно, что "Энигма" — это главная шифровальная машина нацистов во время II мировой войны. Строение "Энигмы" включает комбинацию электрических и механических схем. То, каким получится шифр, зависит от начальной конфигурации "Энигмы". В то же время "Энигма" автоматически меняет свою конфигурацию во время работы, шифруя одно сообщение несколькими способами на всем его протяжении.
В противовес самым простым шифрам "Энигма" давала триллионы возможных комбинаций, что делало взлом зашифрованной информации почти невозможным. В свою очередь, у нацистов на каждый день была заготовлена определенная комбинация, которую они использовали в конкретный день для передачи сообщений. Поэтому даже если "Энигма" попадала в руки противника, она никак не способствовала расшифровке сообщений без введения нужной конфигурации каждый день.
Взломать "Энигму" активно пытались в течение всей военной кампании Гитлера. В Англии в 1936 г. для этого построили один из первых вычислительных аппаратов (машина Тьюринга), ставший прообразом компьютеров в будущем. Его задачей было моделирование работы нескольких десятков "Энигм" одновременно и прогон через них перехваченных сообщений нацистов. Но даже машине Тьюринга лишь иногда удавалось взламывать сообщение.
Шифрование методом публичного ключа
Самый популярный из алгоритмов шифрования, который используется повсеместно в технике и компьютерных системах. Его суть заключается, как правило, в наличии двух ключей, один из которых передается публично, а второй является секретным (приватным). Открытый ключ используется для шифровки сообщения, а секретный — для дешифровки.
В роли открытого ключа чаще всего выступает очень большое число, у которого существует только два делителя, не считая единицы и самого числа. Вместе эти два делителя образуют секретный ключ.
Рассмотрим простой пример. Пусть публичным ключом будет 905. Его делителями являются числа 1, 5, 181 и 905. Тогда секретным ключом будет, например, число 5*181. Вы скажете слишком просто? А что если в роли публичного числа будет число с 60 знаками? Математически сложно вычислить делители большого числа.
В качестве более живого примера представьте, что вы снимаете деньги в банкомате. При считывании карточки личные данные зашифровываются определенным открытым ключом, а на стороне банка происходит расшифровка информации секретным ключом. И этот открытый ключ можно менять для каждой операции. А способов быстро найти делители ключа при его перехвате — нет.
Стойкость шрифта
Криптографическая стойкость алгоритма шифрования — это способность противостоять взлому. Данный параметр является самым важным для любого шифрования. Очевидно, что шифр простой замены, расшифровку которого осилит любое электронное устройство, является одним из самых нестойких.
На сегодняшний день не существует единых стандартов, по которым можно было бы оценить стойкость шифра. Это трудоемкий и долгий процесс. Однако есть ряд комиссий, которые изготовили стандарты в этой области. Например, минимальные требования к алгоритму шифрования Advanced Encryption Standart или AES, разработанные в NIST США.
Для справки: самым стойким шифром к взлому признан шифр Вернама. При этом его плюсом является то, что по своему алгоритму он является простейшим шифром.
Методы: объяснительно-иллюстративный, частично-поисковый.
- Создать условия для повышения познавательного интереса к предмету.
- Способствовать развитию аналитико-синтезирующего мышления.
- Способствовать формированию умений и навыков, носящих общенаучный и обще интеллектуальный характер.
Задачи:
образовательные:
- обобщить и систематизировать знания основных понятий: код, кодирование, криптография;
- познакомится с простейшими способами шифрования и их создателями;
- отрабатывать умения читать шифровки и шифровать информацию;
развивающие:
- развивать познавательную деятельность и творческие способности учащихся;
- формировать логическое и абстрактное мышление;
- развивать умение применять полученные знания в нестандартных ситуациях;
- развивать воображение и внимательность;
воспитательные:
- воспитывать коммуникативную культуру;
- развивать познавательный интерес.
Предлагаемая разработка может быть использована для учащихся 7–9 классов. Презентация помогает сделать материал наглядным и доступным.
Общество, в котором живёт человек, на протяжении своего развития имеет дело с информацией. Она накапливается, перерабатывается, хранится, передаётся. (Слайд 2. Презентация)
А все ли и всегда должны знать всё?
Конечно, нет.
Люди всегда стремились скрыть свои секреты. Сегодня вы познакомитесь с историей развития тайнописи, узнаете простейшие способы шифрования. У вас появится возможность расшифровать послания.
Простые приемы шифрования применялись и получили некоторое распространение уже в эпоху древних царств и в античности.
Тайнопись – криптография - является ровесницей письменности. История криптографии насчитывает не одно тысячелетие. Идея создания текстов с тайным смыслом и зашифрованными сообщениями почти так же стара, как и само искусство письма. Этому есть много свидетельств. Глиняная табличка из Угарита (Сирия) – упражнения обучающие искусству расшифровки (1200 год до н.э.). “Вавилонская теодицея” из Ирака – пример акростиха (середина II тысячелетия до н.э.).
Один из первых систематических шифров был разработан древними евреями; этот метод называется темура - “обмен”.
Самый простой из них “Атбаш”, алфавит разделялся посередине так, чтобы первые две буквы, А и Б, совпадали с двумя последними, Т и Ш. Использование шифра темура можно обнаружить в Библии. Это пророчество Иеремии, сделанное в начале VI века до нашей эры, содержит проклятие, всем правителям мира, заканчивая “царем Сесаха” который при дешифровки с шифра “Атбаш” оказывается царём Вавилона.
(Слайд 3) Более хитроумный способ шифрования был изобретён в древней Спарте во времена Ликурга (V век до н.э.) Для зашифровывания текста использовалась Сциталла - жезл цилиндрической формы, на который наматывалась лента из пергамента. Вдоль оси цилиндра построчно записывался текст, лента сматывалась с жезла и передавалась адресату, имеющему Сциталлу такого же диаметра. Этот способ осуществлял перестановку букв сообщения. Ключом шифра служил диаметр Сциталлы. АРИСТОТЕЛЬ придумал метод вскрытия такого шифра. Он изобрёл дешифровальное устройство “Антисциталла”.
(Слайд 4) Задание “Проверь себя”
(Слайд 5) Греческий писатель ПОЛИБИЙ использовал систему сигнализации, которая применялась как метод шифрования. С его помощью можно было передавать абсолютно любую информацию. Он записывал буквы алфавита в квадратную таблицу и заменял их координатами. Устойчивость этого шифра была велика. Основной причиной этого являлась возможность постоянно менять последовательность букв в квадрате.
(Слайд 6) Задание “Проверь себя”
(Слайд 7) Особую роль в сохранении тайны сыграл способ шифрования, предложенный ЮЛИЕМ ЦЕЗАРЕМ и описанный им в “Записках о галльской войне.
(Слайд 8) Задание “Проверь себя”
(Слайд 9) Существует несколько модификаций шифра Цезаря. Один из них алгоритм шифра Гронсфельда (созданный в 1734 году бельгийцем Хосе де Бронкхором, графом де Гронсфельд, военным и дипломатом). Шифрование заключается в том, что величина сдвига не является постоянной, а задается ключом (гаммой).
(Слайд 10) Для того, кто передаёт шифровку, важна её устойчивость к дешифрованию. Эта характеристика шифра называется криптостойкостью. Повысить криптостойкость позволяют шифры много алфавитной или многозначной замены. В таких шифрах каждому символу открытого алфавита ставятся в соответствие не один, а несколько символов шифровки.
(Слайд 11) Научные методы в криптографии впервые появились в арабских странах. Арабского происхождения и само слово шифр (от арабского "цифра"). Арабы первыми стали заменять буквы цифрами с целью защиты исходного текста. О тайнописи и её значении говорится даже в сказках “Тысячи и одной ночи”. Первая книга, специально посвящённая описанию некоторых шифров, появилась в 855 г., она называлась “Книга о большом стремлении человека разгадать загадки древней письменности”.
(Слайд 12) Итальянский математик и философ ДЖЕРОЛАМО КАРДАНО написал книгу "О тонкостях", в которой имеется часть, посвященная криптографии.
Его вклад в науку криптография содержит два предложения:
Первое - использовать открытый текст в качестве ключа.
Второе - он предложил шифр, называемый ныне "Решетка Кардано".
Кроме данных предложений Кардано дает "доказательство" стойкости шифров, основанное на подсчете числа ключей.
Решётка Кардано представляет собой лист из твердого материала, в котором через неправильные интервалы сделаны прямоугольные вырезы высотой для одной строчки и различной длины. Накладывая эту решетку на лист писчей бумаги, можно было записывать в вырезы секретное сообщение. Оставшиеся места заполнялись произвольным текстом, маскирующим секретное сообщение. Этим методом маскировки пользовались многие известные исторические лица, кардинал Ришелье во Франции и русский дипломат А. Грибоедов. На основе такой решетки Кардано построил шифр перестановки.
(Слайд 13) Задание “Проверь себя”
(Слайд 14) Увлекались тайнописью и в России. Используемые шифры - такие же, как в западных странах - значковые, замены, перестановки.
Датой появления криптографической службы в России следует считать 1549 год (царствование Ивана IV), с момента образования "посольского приказа", в котором имелось "цифирное отделение".
Петр I полностью реорганизовал криптографическую службу, создав "Посольскую канцелярию". В это время применяются для шифрования коды, как приложения к "цифирным азбукам". В знаменитом "деле царевича Алексея" в обвинительных материалах фигурировали и "цифирные азбуки".
(Слайд 15) Задание “Проверь себя”
(Слайд 16) Много новых идей в криптографии принес XIX век. ТОМАС ДЖЕФФЕРСОН создал шифровальную систему, занимающую особое место в истории криптографии - "дисковый шифр". Этот шифр реализовывался с помощью специального устройства, которое впоследствии назвали шифратором Джефферсона.
В 1817 г. ДЕСИУС УОДСВОРТ сконструировал шифровальное устройство, которое внесло новый принцип в криптографию. Нововведение состояло в том, что он сделал алфавиты открытого и шифрованного текстов различных длин. Устройство, с помощью которого он это осуществил, представляло собой диск, с двумя подвижными кольцами с алфавитами. Буквы и цифры внешнего кольца были съемными и могли собираться в любом порядке. Эта шифрсистема реализует периодическую многоалфавитную замену.
(Слайд 17) Способов кодирования информации можно привести много.
Капитан французской армии ШАРЛЬ БАРБЬЕ разработал в 1819 году систему кодирования ecriture noctrume – ночное письмо. В системе применялись выпуклые точки и тире, недостаток системы её сложность, так как кодировались не буквы, а звуки.
ЛУИ БРАЙЛЬ усовершенствовал систему, разработал собственный шифр. Основы этой системы используются поныне.
(Слайд 18) СЭМЮЕЛЬ МОРЗЕ разработал в 1838 году систему кодирования символов с помощью точки и тире. Он же является изобретателем телеграфа (1837год) – устройства в котором использовалась эта система. Самое важное в этом изобретении – двоичный код, то есть использованием для кодирования букв только двух символов.
(Слайд 19) Задание “Проверь себя”
(Слайд 20) В конце XIX века криптография начинает приобретать черты точной науки, а не только искусства, ее начинают изучать в военных академиях. В одной из них был разработан свой собственный военно-полевой шифр, получивший название "Линейка Сен-Сира". Она позволила существенно повысить эффективность труда шифровальщика, облегчить алгоритм реализации шифра Виженера. Именно в этой механизации процессов шифрования-дешифрования и заключается вклад авторов линейки в практическую криптографию.
В истории криптографии XIX в. ярко запечатлелось имя ОГЮСТА КЕРКГОФФСА. В 80-х годах XIX века издал книгу "Военная криптография" объемом всего в 64 страницы, но они обессмертили его имя в истории криптографии. В ней сформулированы 6 конкретных требований к шифрам, два из которых относятся к стойкости шифрования, а остальные - к эксплуатационным качествам. Одно из них ("компрометация системы не должна причинять неудобств корреспондентам") стало называться "правилом Керкгоффса". Все эти требования актуальны и в наши дни.
В XX веке криптография стала электромеханической, затем электронной. Это означает, что основными средствами передачи информации стали электромеханические и электронные устройства.
(Слайд 21) Во второй половине XX века, вслед за развитием элементной базы вычислительной техники, появились электронные шифраторы. Сегодня именно электронные шифраторы составляют подавляющую долю средств шифрования. Они удовлетворяют все возрастающим требованиям по надежности и скорости шифрования.
В семидесятых годах произошло два события, серьезно повлиявших на дальнейшее развитие криптографии. Во-первых, был принят (и опубликован!) первый стандарт шифрования данных (DES), "легализовавший" принцип Керкгоффса в криптографии. Во-вторых, после работы американских математиков У. ДИФФИ и М. ХЕЛЛМАНА родилась "новая криптография"- криптография с открытым ключом.
(Слайд 22) Задание “Проверь себя”
(Слайд 23) Роль криптографии будет возрастать в связи с расширением ее областей приложения:
- цифровая подпись,
- аутентификация и подтверждение подлинности и целостности электронных документов,
- безопасность электронного бизнеса,
- защита информации, передаваемой через интернет и др.
Знакомство с криптографией потребуется каждому пользователю электронных средств обмена информацией, поэтому криптография в будущем станет "третьей грамотностью" наравне со "второй грамотностью" - владением компьютером и информационными технологиями.
В шифрах замены (или шифрах подстановки), в отличие от , элементы текста не меняют свою последовательность, а изменяются сами, т.е. происходит замена исходных букв на другие буквы или символы (один или несколько) по неким правилам.
На этой страничке описаны шифры, в которых замена происходит на буквы или цифры. Когда же замена происходит на какие-то другие не буквенно-цифровые символы, на комбинации символов или рисунки, это называют прямым .
Моноалфавитные шифры
В шифрах с моноалфавитной заменой каждая буква заменяется на одну и только одну другую букву/символ или группу букв/символов. Если в алфавите 33 буквы, значит есть 33 правила замены: на что менять А, на что менять Б и т.д.
Такие шифры довольно легко расшифровать даже без знания ключа. Делается это при помощи частотного анализа зашифрованного текста - надо посчитать, сколько раз каждая буква встречается в тексте, и затем поделить на общее число букв. Получившуюся частоту надо сравнить с эталонной. Самая частая буква для русского языка - это буква О, за ней идёт Е и т.д. Правда, работает частотный анализ на больших литературных текстах. Если текст маленький или очень специфический по используемым словам, то частотность букв будет отличаться от эталонной, и времени на разгадывание придётся потратить больше. Ниже приведена таблица частотности букв (то есть относительной частоты встречаемых в тексте букв) русского языка, рассчитанная на базе НКРЯ .
Использование метода частотного анализа для расшифровки шифрованных сообщений красиво описано во многих литературных произведениях, например, у Артура Конана Дойля в романе « » или у Эдгара По в « ».
Составить кодовую таблицу для шифра моноалфавитной замены легко, но запомнить её довольно сложно и при утере восстановить практически невозможно, поэтому обычно придумывают какие-то правила составления таких кодовых страниц. Ниже приведены самые известные из таких правил.
Случайный код
Как я уже писал выше, в общем случае для шифра замены надо придумать, какую букву на какую надо заменять. Самое простое - взять и случайным образом перемешать буквы алфавита, а потом их выписать под строчкой алфавита. Получится кодовая таблица. Например, вот такая:
Число вариантов таких таблиц для 33 букв русского языка = 33! ≈ 8.683317618811886*10 36 . С точки зрения шифрования коротких сообщений - это самый идеальный вариант: чтобы расшифровать, надо знать кодовую таблицу. Перебрать такое число вариантов невозможно, а если шифровать короткий текст, то и частотный анализ не применишь.
Но для использования в квестах такую кодовую таблицу надо как-то по-красивее преподнести. Разгадывающий должен для начала эту таблицу либо просто найти, либо разгадать некую словесно-буквенную загадку. Например, отгадать или решить .
Ключевое слово
Один из вариантов составления кодовой таблицы - использование ключевого слова. Записываем алфавит, под ним вначале записываем ключевое слово, состоящее из неповторяющихся букв, а затем выписываем оставшиеся буквы. Например, для слова «манускрипт» получим вот такую таблицу:
Как видим, начало таблицы перемешалось, а вот конец остался неперемешенным. Это потому, что самая «старшая» буква в слове «манускрипт» - буква «У», вот после неё и остался неперемешенный «хвост». Буквы в хвосте останутся незакодированными. Можно оставить и так (так как большая часть букв всё же закодирована), а можно взять слово, которое содержит в себе буквы А и Я, тогда перемешаются все буквы, и «хвоста» не будет.
Само же ключевое слово можно предварительно тоже загадать, например при помощи или . Например, вот так:
Разгадав арифметический ребус-рамку и сопоставив буквы и цифры зашифрованного слова, затем нужно будет получившееся слово вписать в кодовую таблицу вместо цифр, а оставшиеся буквы вписать по-порядку. Получится вот такая кодовая таблица:
Атбаш
Изначально шифр использовался для еврейского алфавита, отсюда и название. Слово атбаш (אתבש) составлено из букв «алеф», «тав», «бет» и «шин», то есть первой, последней, второй и предпоследней букв еврейского алфавита. Этим задаётся правило замены: алфавит выписывается по порядку, под ним он же выписывается задом наперёд. Тем самым первая буква кодируется в последнюю, вторая - в предпоследнюю и т.д.
Фраза «ВОЗЬМИ ЕГО В ЭКСЕПШН» превращается при помощи этого шифра в «ЭРЧГТЦ ЪЬР Э ВФНЪПЖС». Онлайн-калькулятор шифра Атбаш
ROT1
Этот шифр известен многим детям. Ключ прост: каждая буква заменяется на следующую за ней в алфавите. Так, A заменяется на Б, Б на В и т.д., а Я заменяется на А. «ROT1» значит «ROTate 1 letter forward through the alphabet» (англ. «поверните/сдвиньте алфавит на одну букву вперед»). Сообщение «Хрюклокотам хрюклокотамит по ночам» станет «Цсялмплпубн цсялмплпубнйу рп опшбн». ROT1 весело использовать, потому что его легко понять даже ребёнку, и легко применять для шифрования. Но его так же легко и расшифровать.
Шифр Цезаря
Шифр Цезаря - один из древнейших шифров. При шифровании каждая буква заменяется другой, отстоящей от неё в алфавите не на одну, а на большее число позиций. Шифр назван в честь римского императора Гая Юлия Цезаря, использовавшего его для секретной переписки. Он использовал сдвиг на три буквы (ROT3). Шифрование для русского алфавита многие предлагают делать с использованием такого сдвига:
Я всё же считаю, что в русском языке 33 буквы, поэтому предлагаю вот такую кодовую таблицу:
Интересно, что в этом варианте в алфавите замены читается фраза «где ёж?»:)
Но сдвиг ведь можно делать на произвольное число букв - от 1 до 33. Поэтому для удобства можно сделать диск, состоящий из двух колец, вращающихся относительно друг друга на одной оси, и написать на кольцах в секторах буквы алфавита. Тогда можно будет иметь под рукой ключ для кода Цезаря с любым смещением. А можно совместить на таком диске шифр Цезаря с атбашем, и получится что-то вроде этого:
Собственно, поэтому такие шифры и называются ROT - от английского слова «rotate» - «вращать».
ROT5
В этом варианте кодируются только цифры, остальной текст остаётся без изменений. Производится 5 замен, поэтому и ROT5: 0↔5, 1↔6, 2↔7, 3↔8, 4↔9.
ROT13
ROT13 - это вариация шифра Цезаря для латинского алфавита со сдвигом на 13 символов. Его часто применяют в интернете в англоязычных форумах как средство для сокрытия спойлеров, основных мыслей, решений загадок и оскорбительных материалов от случайного взгляда.
Латинский алфавит из 26 букв делится на две части. Вторая половина записывается под первой. При кодировании буквы из верхней половины заменяются на буквы из нижней половины и наоборот.
ROT18
Всё просто. ROT18 - это комбинация ROT5 и ROT13:)
ROT47
Существует более полный вариант этого шифра - ROT47. Вместо использования алфавитной последовательности A–Z, ROT47 использует больший набор символов, почти все отображаемые символы из первой половины ASCII -таблицы. При помощи этого шифра можно легко кодировать url, e-mail, и будет непонятно, что это именно url и e-mail:)
Например, ссылка на этот текст зашифруется вот так: 9EEAi^^?@K5C]CF^82>6D^BF6DE^4CJAE^4:A96C^K2>6?2nURC@Ecf. Только опытный разгадывальщик по повторяющимся в начале текста двойкам символов сможет додуматься, что 9EEAi^^ может означать HTTP:⁄⁄ .
Квадрат Полибия
Полибий - греческий историк, полководец и государственный деятель, живший в III веке до н.э. Он предложил оригинальный код простой замены, который стал известен как «квадрат Полибия» (англ. Polybius square) или шахматная доска Полибия. Данный вид кодирования изначально применялся для греческого алфавита, но затем был распространен на другие языки. Буквы алфавита вписываются в квадрат или подходящий прямоугольник. Если букв для квадрата больше, то их можно объединять в одной ячейке.
Такую таблицу можно использовать как в шифре Цезаря. Для шифрования на квадрате находим букву текста и вставляем в шифровку нижнюю от неё в том же столбце. Если буква в нижней строке, то берём верхнюю из того же столбца. Для кириллицы можно использовать таблицу РОТ11 (аналог шифра Цезаря со сдвигом на 11 символов):
Буквы первой строки кодируются в буквы второй, второй - в третью, а третьей - в первую.
Но лучше, конечно, использовать «фишку» квадрата Полибия - координаты букв:
Под каждой буквой кодируемого текста записываем в столбик две координаты (верхнюю и боковую). Получится две строки. Затем выписываем эти две строки в одну строку, разбиваем её на пары цифр и используя эти пары как координаты, вновь кодируем по квадрату Полибия.
Можно усложнить. Исходные координаты выписываем в строку без разбиений на пары, сдвигаем на нечётное количество шагов, разбиваем полученное на пары и вновь кодируем.
Квадрат Полибия можно создавать и с использованием кодового слова. Сначала в таблицу вписывается кодовое слово, затем остальные буквы. Кодовое слово при этом не должно содержать повторяющихся букв.
Вариант шифра Полибия используют в тюрьмах, выстукивая координаты букв - сначала номер строки, потом номер буквы в строке.
Стихотворный шифр
Этот метод шифрования похож на шифр Полибия, только в качестве ключа используется не алфавит, а стихотворение, которое вписывается построчно в квадрат заданного размера (например, 10×10). Если строка не входит, то её «хвост» обрезается. Далее полученный квадрат используется для кодирования текста побуквенно двумя координатами, как в квадрате Полибия. Например, берём хороший стих «Бородино» Лермонтова и заполняем таблицу. Замечаем, что букв Ё, Й, Х, Ш, Щ, Ъ, Э в таблице нет, а значит и зашифровать их мы не сможем. Буквы, конечно, редкие и могут не понадобиться. Но если они всё же будут нужны, придётся выбирать другой стих, в котором есть все буквы.
РУС/LAT
Наверное, самый часто встречающийся шифр:) Если пытаться писать по-русски, забыв переключиться на русскую раскладку, то получится что-то типа этого: Tckb gsnfnmcz gbcfnm gj-heccrb? pf,sd gthtrk.xbnmcz yf heccre. hfcrkflre? nj gjkexbncz xnj-nj nbgf "njuj^ Ну чем не шифр? Самый что ни на есть шифр замены. В качестве кодовой таблицы выступает клавиатура.
Таблица перекодировки выглядит вот так:
Литорея
Литорея (от лат. littera - буква) - тайнописание, род шифрованного письма, употреблявшегося в древнерусской рукописной литературе. Известна литорея двух родов: простая и мудрая. Простая, иначе называемая тарабарской грамотой, заключается в следующем. Если «е» и «ё» считать за одну букву, то в русском алфавите остаётся тридцать две буквы, которые можно записать в два ряда - по шестнадцать букв в каждом:
Получится русский аналог шифра ROT13 - РОТ16 :) При шифровке верхнюю букву меняют на нижнюю, а нижнюю - на верхнюю. Ещё более простой вариант литореи - оставляют только двадцать согласных букв:
Получается шифр РОТ10 . При шифровании меняют только согласные, а гласные и остальные, не попавшие в таблицу, оставляют как есть. Получается что-то типа «словарь → лсошамь» и т.п.
Мудрая литорея предполагает более сложные правила подстановки. В разных дошедших до нас вариантах используются подстановки целых групп букв, а также числовые комбинации: каждой согласной букве ставится в соответствие число, а потом совершаются арифметические действия над получившейся последовательностью чисел.
Шифрование биграммами
Шифр Плейфера
Шифр Плейфера - ручная симметричная техника шифрования, в которой впервые использована замена биграмм. Изобретена в 1854 году Чарльзом Уитстоном. Шифр предусматривает шифрование пар символов (биграмм), вместо одиночных символов, как в шифре подстановки и в более сложных системах шифрования Виженера. Таким образом, шифр Плейфера более устойчив к взлому по сравнению с шифром простой замены, так как затрудняется частотный анализ.
Шифр Плейфера использует таблицу 5х5 (для латинского алфавита, для русского алфавита необходимо увеличить размер таблицы до 6х6), содержащую ключевое слово или фразу. Для создания таблицы и использования шифра достаточно запомнить ключевое слово и четыре простых правила. Чтобы составить ключевую таблицу, в первую очередь нужно заполнить пустые ячейки таблицы буквами ключевого слова (не записывая повторяющиеся символы), потом заполнить оставшиеся ячейки таблицы символами алфавита, не встречающимися в ключевом слове, по порядку (в английских текстах обычно опускается символ «Q», чтобы уменьшить алфавит, в других версиях «I» и «J» объединяются в одну ячейку). Ключевое слово и последующие буквы алфавита можно вносить в таблицу построчно слева-направо, бустрофедоном или по спирали из левого верхнего угла к центру. Ключевое слово, дополненное алфавитом, составляет матрицу 5х5 и является ключом шифра.
Для того, чтобы зашифровать сообщение, необходимо разбить его на биграммы (группы из двух символов), например «Hello World» становится «HE LL OW OR LD», и отыскать эти биграммы в таблице. Два символа биграммы соответствуют углам прямоугольника в ключевой таблице. Определяем положения углов этого прямоугольника относительно друг друга. Затем руководствуясь следующими 4 правилами зашифровываем пары символов исходного текста:
1) Если два символа биграммы совпадают, добавляем после первого символа «Х», зашифровываем новую пару символов и продолжаем. В некоторых вариантах шифра Плейфера вместо «Х» используется «Q».
2) Если символы биграммы исходного текста встречаются в одной строке, то эти символы замещаются на символы, расположенные в ближайших столбцах справа от соответствующих символов. Если символ является последним в строке, то он заменяется на первый символ этой же строки.
3) Если символы биграммы исходного текста встречаются в одном столбце, то они преобразуются в символы того же столбца, находящимися непосредственно под ними. Если символ является нижним в столбце, то он заменяется на первый символ этого же столбца.
4) Если символы биграммы исходного текста находятся в разных столбцах и разных строках, то они заменяются на символы, находящиеся в тех же строках, но соответствующие другим углам прямоугольника.
Для расшифровки необходимо использовать инверсию этих четырёх правил, откидывая символы «Х» (или «Q») , если они не несут смысла в исходном сообщении.
Рассмотрим пример составления шифра. Используем ключ «Playfair example», тогда матрица примет вид:
Зашифруем сообщение «Hide the gold in the tree stump». Разбиваем его на пары, не забывая про правило . Получаем: «HI DE TH EG OL DI NT HE TR EX ES TU MP». Далее применяем правила -:
1. Биграмма HI формирует прямоугольник, заменяем её на BM.
2. Биграмма DE расположена в одном столбце, заменяем её на ND.
3. Биграмма TH формирует прямоугольник, заменяем её на ZB.
4. Биграмма EG формирует прямоугольник, заменяем её на XD.
5. Биграмма OL формирует прямоугольник, заменяем её на KY.
6. Биграмма DI формирует прямоугольник, заменяем её на BE.
7. Биграмма NT формирует прямоугольник, заменяем её на JV.
8. Биграмма HE формирует прямоугольник, заменяем её на DM.
9. Биграмма TR формирует прямоугольник, заменяем её на UI.
10. Биграмма EX находится в одной строке, заменяем её на XM.
11. Биграмма ES формирует прямоугольник, заменяем её на MN.
12. Биграмма TU находится в одной строке, заменяем её на UV.
13. Биграмма MP формирует прямоугольник, заменяем её на IF.
Получаем зашифрованный текст «BM ND ZB XD KY BE JV DM UI XM MN UV IF». Таким образом сообщение «Hide the gold in the tree stump» преобразуется в «BMNDZBXDKYBEJVDMUIXMMNUVIF».
Двойной квадрат Уитстона
Чарльз Уитстон разработал не только шифр Плейфера, но и другой метод шифрования биграммами, который называют «двойным квадратом». Шифр использует сразу две таблицы, размещенные по одной горизонтали, а шифрование идет биграммами, как в шифре Плейфера.
Имеется две таблицы со случайно расположенными в них русскими алфавитами.
Перед шифрованием исходное сообщение разбивают на биграммы. Каждая биграмма шифруется отдельно. Первую букву биграммы находят в левой таблице, а вторую букву - в правой таблице. Затем мысленно строят прямоугольник так, чтобы буквы биграммы лежали в его противоположных вершинах. Другие две вершины этого прямоугольника дают буквы биграммы шифртекста. Предположим, что шифруется биграмма исходного текста ИЛ. Буква И находится в столбце 1 и строке 2 левой таблицы. Буква Л находится в столбце 5 и строке 4 правой таблицы. Это означает, что прямоугольник образован строками 2 и 4, а также столбцами 1 левой таблицы и 5 правой таблицы. Следовательно, в биграмму шифртекста входят буква О, расположенная в столбце 5 и строке 2 правой таблицы, и буква В, расположенная в столбце 1 и строке 4 левой таблицы, т.е. получаем биграмму шифртекста ОВ.
Если обе буквы биграммы сообщения лежат в одной строке, то и буквы шифртекста берут из этой же строки. Первую букву биграммы шифртекста берут из левой таблицы в столбце, соответствующем второй букве биграммы сообщения. Вторая же буква биграммы шифртекста берется из правой таблицы в столбце, соответствующем первой букве биграммы сообщения. Поэтому биграмма сообщения ТО превращается в биграмму шифртекста ЖБ. Аналогичным образом шифруются все биграммы сообщения:
Сообщение ПР ИЛ ЕТ АЮ _Ш ЕС ТО ГО
Шифртекст ПЕ ОВ ЩН ФМ ЕШ РФ БЖ ДЦ
Шифрование методом «двойного квадрата» дает весьма устойчивый к вскрытию и простой в применении шифр. Взламывание шифртекста «двойного квадрата» требует больших усилий, при этом длина сообщения должна быть не менее тридцати строк, а без компьютера вообще не реально.
Полиалфавитные шифры
Шифр Виженера
Естественным развитием шифра Цезаря стал шифр Виженера. В отличие от моноалфавитных это уже полиалфавитный шифр. Шифр Виженера состоит из последовательности нескольких шифров Цезаря с различными значениями сдвига. Для зашифровывания может использоваться таблица алфавитов, называемая «tabula recta» или «квадрат (таблица) Виженера». На каждом этапе шифрования используются различные алфавиты, выбираемые в зависимости от буквы ключевого слова.
Для латиницы таблица Виженера может выглядеть вот так:
Для русского алфавита вот так:
Легко заметить, что строки этой таблицы - это ROT-шифры с последовательно увеличивающимся сдвигом.
Шифруют так: под строкой с исходным текстом во вторую строку циклически записывают ключевое слово до тех пор, пока не заполнится вся строка. У каждой буквы исходного текста снизу имеем свою букву ключа. Далее в таблице находим кодируемую букву текста в верхней строке, а букву кодового слова слева. На пересечении столбца с исходной буквой и строки с кодовой буквой будет находиться искомая шифрованная буква текста.
Важным эффектом, достигаемым при использовании полиалфавитного шифра типа шифра Виженера, является маскировка частот появления тех или иных букв в тексте, чего лишены шифры простой замены. Поэтому к такому шифру применить частотный анализ уже не получится.
Для шифрования шифром Виженера можно воспользоваться Онлайн-калькулятором шифра Виженера . Для различных вариантов шифра Виженера со сдвигом вправо или влево, а также с заменой букв на числа можно использовать приведённые ниже таблицы:
Шифр Гронсвельда
Книжный шифр
Если же в качестве ключа использовать целую книгу (например, словарь), то можно зашифровывать не отдельные буквы, а целые слова и даже фразы. Тогда координатами слова будут номер страницы, номер строки и номер слова в строке. На каждое слово получится три числа. Можно также использовать внутреннюю нотацию книги - главы, абзацы и т.п. Например, в качестве кодовой книги удобно использовать Библию, ведь там есть четкое разделение на главы, и каждый стих имеет свою маркировку, что позволяет легко найти нужную строку текста. Правда, в Библии нет современных слов типа «компьютер» и «интернет», поэтому для современных фраз лучше, конечно, использовать энциклопедический или толковый словарь.
Это были шифры замены, в которых буквы заменяются на другие. А ещё бывают , в которых буквы не заменяются, а перемешиваются между собой.