Книга шифров .Тайная история шифров и их расшифровки - Саймон Сингх

Таблица 3 Квадрат Виженера.

Здесь ряд 1 представляет собой алфавит шифра Цезаря со сдвигом на 1 позицию, то есть этот шифралфавит может использоваться в качестве алфавита шифра Цезаря, в котором каждая буква открытого текста заменяется буквой, расположенной в алфавите на одну позицию дальше. Точно так же ряд 2 представляет собой алфавит шифра Цезаря со сдвигом на 2 позиции и так далее.

Верхний ряд квадрата, со строчными буквами, представляет буквы алфавита открытого текста. Вы можете зашифровать каждую букву открытого текста с помощью любого из 26 шифралфавитов. Например, если используется шифралфавит номер 2, то буква а зашифровывается как С, если же используется шифралфавит номер 12, тогда а преобразуется в М.

Если отправитель, чтобы зашифровать сообщение, пользуется только одним из шифралфавитов, то это фактически будет простым шифром Цезаря, который является исключительно нестойким видом шифрования, так что сообщение может быть без труда дешифровано противником, перехватившим его. В шифре же Виженера для зашифровывания различных букв сообщения применяются различные строки квадрата Виженера (различные шифралфавиты). Другими словами, отправитель может зашифровать первую букву с помощью ряда 5, вторую букву с помощью ряда 14, третью букву с помощью ряда 21 и так далее.

Получателю сообщения, чтобы расшифровать его, следует знать, какая из строк квадрата Виженера использовалась для зашифровывания каждой из букв, поэтому должна быть задана система переходов между строками. Это обеспечивается с помощью ключевого слова. Чтобы показать, как применяется ключевое слово с квадратом Виженера для зашифровывания короткого сообщения, зашифруем следующую фразу divert troops to east ridge с помощью ключевого слова WHITE. Прежде всего ключевое слово буква за буквой записывается над сообщением, и его повторяют до тех пор, пока каждой букве в сообщении не будет сопоставлена буква ключевого слова. Далее приступим к созданию шифртекста, что делается следующим образом. Чтобы зашифровать первую букву, d, определим вначале букву ключа над ней, W, которая, в свою очередь задает строку в квадрате Виженера. Именно строка, начинающаяся с буквы W, — двадцать вторая строка, — и является шифралфавитом, который будет использован для нахождения буквы, которой будет заменена буква d открытого текста. Посмотрим, где столбец с буквой d в первой строке пересекается со строкой, начинающейся с буквы W; это будет буква Z.

Следовательно, буква d в открытом тексте будет буквой Z в шифртексте.

Точно так же поступим, чтобы зашифровать вторую букву сообщения, i. Буквой ключа над i является Н, поэтому она зашифровывается по другой строке в квадрате Виженера, и новым шифралфавитом будет строка, начинающаяся с буквы Н, — седьмая строка. Чтобы зашифровать i, теперь посмотрим, где столбец с буквой i в первой строке пересекается со строкой, начинающейся с буквы Н; это будет буква Р.

Поэтому буква i в открытом тексте будет буквой Р в шифртексте. Каждая буква ключевого слова задает конкретный шифралфавит в квадрате Виженера, и, поскольку ключевое слово состоит из пяти букв, отправитель зашифровывает сообщение, циклически проходя пять строк квадрата Виженера. Пятая буква сообщения зашифровывается по пятой букве ключевого слова, Е, но, чтобы зашифровать шестую букву сообщения, мы должны вернуться к первой букве ключевого слова. При использовании более длинного ключевого слова или, к примеру, ключевой фразы в процесс зашифровывания будет вовлечено большее число строк и шифр усложнится. В таблице 4 приведен квадрат Виженера с выделенными пятью строками (т. е. пятью шифралфавитами), которые определяются ключевым словом WHITE.

Таблица 4 Квадрат Виженера с выделенными строками, которые определяются ключевым словом WHITE. Зашифровывание осуществляется переходом между пятью выделенными шифралфавитами, задаваемыми буквами W, Н, I, Т и Е.

Неоспоримым достоинством шифра Виженера является то, что он неуязвим для частотного анализа, о котором рассказано в главе 1. К примеру, криптоаналитик, применяющий частотный анализ к фрагменту шифртекста, обычно начинает с того, что определяет, какая буква чаще всего встречается в шифртексте — в нашем случае это Z, а затем делает предположение, что она является и наиболее часто встречающейся буквой в английском языке, е. На самом деле буква Z является тремя различными буквами: d, r и s, но не е. Несомненно, что для криптоаналитика это создает сложности. То, что буква, которая несколько раз появляется в шифртексте, может представлять собой различные буквы открытого текста, создает для криптоаналитика огромные затруднения. Равно как и то, что буква, которая появляется несколько раз в открытом тексте, может быть представлена различными буквами в шифртексте. Например, буква о, которая дважды встречается в слове troops, заменяется двумя различными буквами, и оо преобразуется в HS.

Помимо того, что сам шифр Виженера неуязвим для частотного анализа, здесь может использоваться гигантское количество ключей. Отправитель и получатель могут договориться об использовании любого слова из словаря, любой комбинации слов или даже придумать свои слова. А криптоаналитик не сможет дешифровать сообщение перебором всех возможных ключей, так как число возможных вариантов просто слишком огромно.

«Трактат о шифрах», который был опубликован в 1586 году, явился венцом работы Виженера. По иронии судьбы это произошло в тот самый год, когда Томас Фелиппес взломал шифр Марии, королевы Шотландии. Если бы только секретарь Марии прочел этот трактат, он бы узнал о шифре Виженера, и Фелиппес тщетно бы старался дешифровать сообщения Марии Бабингтону, а жизнь Марии могла бы быть спасена.

Благодаря стойкости этого шифра и тому, что он гарантировал секретность, представлялось вполне естественным, если бы шифр Виженера был немедленно принят на вооружение шифровальщиками всей Европы. Разве не помогло бы им, обрети они вновь надежный способ шифрования? Шифровальщики же, напротив, похоже, с презрением отнеслись к шифру Виженера. Этой, казалось бы, безупречной системой в течение двух последующих веков по большей частью пренебрегали.

Традиционные виды шифров замены, которые существовали до появления шифра Виженера, назывались одноалфавитными шифрами замены, поскольку для зашифровывания сообщения в них использовался только один шифралфавит. В отличие от них шифр Виженера относится к классу шифров, известных как многоалфавитные, поскольку здесь для зашифровывания сообщения применяется несколько шифралфавитов. Многоалфавитность шифра Виженера как раз и обеспечивает ему стойкость, но из-за этого же пользоваться им значительно сложнее — вот эта-то необходимость применения дополнительных усилий многим отбивала охоту от его использования.

Одноалфавитный шифр замены прекрасно подходил для многих целей семнадцатого века. Если вы хотели, чтобы ваш слуга не смог прочесть вашу частную переписку или если вы хотели защитить свой дневник от любопытствующих глаз своей жены или мужа, тогда вполне годился этот тип шифра. Одноалфавитная замена выполнялась быстро, она отличалась простотой и обеспечивала защиту от людей, не сведущих в криптоанализе. Фактически простой одноалфавитный шифр замены в той или иной форме служил в течение многих столетий (см. Приложение D). Для более серьезных целей, как, например, военная или правительственная связь, где обеспечение секретности является важнейшей задачей, использование одноалфавитного шифра было явно недостаточно. Профессиональным криптографам в противоборстве с профессиональными криптоаналитиками необходимо было что-то получше, однако они все еще не были расположены применять многоалфавитный шифр из-за его сложности. В частности, для военной связи требовались скорость и простота, а в дипломатических учреждениях ежедневно отправляли и получали сотни сообщений, поэтому время имело существенное значение. Вследствие этого криптографы искали некий промежуточный шифр, взломать который было бы сложнее, чем простой одноалфавитный шифр, но пользоваться которым было бы проще, чем многоалфавитным шифром.

Среди различных кандидатов на такой шифр был поразительно эффективный омофонический шифр замены. Здесь каждая буква заменяется различными подставляемыми символами, причем количество возможных подставляемых символов для какой-либо буквы пропорционально частотности этой буквы. К примеру, частота появления буквы а в английских текстах составляет около 8 процентов, поэтому мы поставим в соответствие этой букве восемь символов. Всякий раз, как в открытом тексте появится буква а, она будет заменена в шифртексте одним из восьми выбираемых случайным образом символов, так что к концу зашифровывания частотность каждого символа в зашифрованном тексте будет составлять примерно 1 процент.