Aizstāšanas šifrs ir kriptogrāfijas veids, kurā katrs skaidteksta (plaintext) burts tiek sistemātiski aizvietots ar kādu citu burtu vai simbolu. Tas ir viens no vecākajiem un vienkāršākajiem šifrēšanas paņēmieniem.

Kā darbojas aizvietošanas šifrs

Aizvietošanas šifrā tiek noteikts noteikums (kartējums), kas katram alfabēta simbolam piešķir atbilstošu šifrēto simbolu. Šo noteikumu var izteikt kā tabulu vai vienkāršu likumu (piem., pārbīde pa alfabētu). Piemēram, vienkāršs kartējums angļu alfabētam var izskatīties tā:

Plain: 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
Cipher: 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

Šis ir Cēzara tipa piemērs (pārbīde par 3). Izmantojot šo noteikumu, vārds HELLO kļūtu par KHOOR.

Piemērs latviešu teikumam

Ja, piemēram, izmanto noteikumu, kas kartē visus alfabēta simbolus uz citām simbolu pozīcijām, teikums "Džeks un Džila devās kalnā" var tikt pārvērsts par "Etar tzn Evmm gkzc dw cuk uvmm", ja tiek izmantots atbilstošs kartējums. (Šis ir demonstratīvs piemērs — šifrētā rindkopa parāda, kā izmantojot konkrētu kartējumu, mainās vārdu forma un garums.)

Cēzara šifrs

Cēzara šifrs ir vienkāršākais aizvietošanas šifrs: visi burti tiek pārbīdīti par vienu un to pašu skaitu pozīciju alfabētā. Tas ir viegli saprotams un viegli laužiams, taču labi kalpo par ievadu kriptogrāfijas idejām.

Tipi un variācijas

Aizvietošanas šifri var būt dažādu veidu:

  • Vienkāršais substitūcijas šifrs — katram skaidteksta simbolam atbilst viens šifrēts simbols (statisks kartējums).
  • Homofonais substitūcijas šifrs — biežākajiem skaidteksta burtiem piešķir vairākus iespējamos aizvietojumus, lai izlīdzinātu frekvences.
  • Polialfabētiskais substitūcijas šifrs (piem., Vigenère) — izmanto vairākus kartējumus, kas mainās pēc atslēgas, un tādēļ vienkārša frekvenču analīze nedarbojas tieši.
  • Poligrāfiskie šifri (piem., Playfair) — aizvieto burtu pārus (digrammas) nevis atsevišķus burtus.

Kāpēc vienkāršie aizvietošanas šifri nav droši

Aizvietošanas šifri ar fiksētu kartējumu var tikt uzlauzti, izmantojot frekvenču analīzi. Ideja ir vienkārša: valodā noteikti burti un burtu kombinācijas parādās biežāk nekā citi, un šī statistika saglabājas arī šifrētā tekstā. Piemēram, angļu valodā visbiežāk sastopamie burti ir E, T, A, O, I, N u.c. Latvijā bieži sastopamie burti ir, piemēram, A, I, S, T, E (precīzie rādītāji mainās atkarībā no korpusa), tāpēc frekvenču izpēte arī latviešu tekstos palīdz atšifrēt vienkāršos aizvietojumus.

Kā veikt frekvenču analīzi (pamācība)

  • Saskaiti, cik reižu katrs simbols parādās šifrētajā tekstā.
  • Sakārto simbolus pēc biežuma (no visbiežākā uz retāko).
  • Salīdzini šo secību ar valodas tipiskajām frekvencēm (piem., angļu E, T, A...; latviešu — A, I, S, T, E utt.).
  • Meklē biežas divu un trīs burtu kombinācijas (digrams, trigrams) un salīdzini tās ar tipiskām kombinācijām valodā (piem., angļu "TH", "HE", "IN"; latviešu — "IE", "AR", "AS", u.c.).
  • Izmanto vienburtu un daudzburtu vārdu garuma un pozīciju analīzi (piem., angļu valodā viens burts kā vārds parasti ir "A" vai "I").
  • Pamēģini aizvietot populārākos simbolus ar iespējamiem atbilstošajiem burtiem un pārbaudi, vai izveidojas pazīstami vārdi. Iterē, līdz rodas saprotams teksts.

Papildus uzbrukuma metodes un aizsardzība

Frekvenču analīze var tikt papildināta ar konteksta atpazīšanu, gramatikas noteikumu izmantošanu, vārdu sarakstiem un datorizētām metodēm (piem., MIL / hill-climbing, statistiskās metodes). Lai aizsargātos pret vienkāršu frekvenču analīzi:

  • izmanto polialfabētiskus šifrus (piem., Vigenère), kas maina kartējumu laikā;
  • lietojiet modernākas šifrēšanas metodes, kas balstītas uz matemātisku drošību (simetriskie un asimetriskie algoritmi, kā AES, RSA u.c.);
  • ja nepieciešams izmantot aizvietošanas pieeju, apsveriet homofoniskus vai poligrāfiskus metodes, taču arī tās nav tik drošas kā mūsdienu algoritmi.

Kriptogrammas un mīklas

Aizvietošanas šifri bieži tiek izmantoti mīklās un kriptogrammās, kur uzdevums ir atpazīt sākotnējo tekstu, izmantojot logiku un frekvenču mājienus. Tādas kriptogrammas bieži sastopamas laikrakstos un puzļu grāmatās, kā arī internetā. Kriptogrammu laušana ir laba prakse, lai izprastu frekvenču analīzes pamatus.

Īss kopsavilkums: aizvietošanas šifri ir viegli saprotami un vēsturiski nozīmīgi, taču mūsdienu drošībai tie nav pietiekami. Frekvenču analīze ir galvenais iemesls, kāpēc statiski kartēti aizvietojumi tiek veiksmīgi lauzti.

Ja vēlaties, varu pievienot konkrētu piemēru ar kartējuma tabulu un soli pa solim risinājumu kādai īsai kriptogrammai.

Avoti un saistītie raksti: kriptogrāfijas, Cēzara šifrs, bieži sastopamas mīklas: mīkla, kas.