Шифры простой замены — это способы шифрования, которые заключаются в формировании по заданному алгоритму таблицы шифрования, в которой для всех символов исходного текста должна существовать только одна соответствующая ей буква зашифрованного текста.
Шифр простой замены
Шифр табличной замены, или иначе шифр простой замены, считается одним из самых древних методов шифрования. В этом методе прежде всего следует определить нормативный алфавит, то есть, совокупность символов, которые можно будет использовать для формирования сообщений. В качестве нормативного алфавита может использоваться, к примеру, русский алфавит, за исключением букв «ъ» и «ё», а кроме того, в него следует добавить символ пробела. В таком случае выбранный нормативный алфавит будет иметь в своем составе тридцать два символа.
А далее следует определить алфавит шифрования {шифр-алфавит), который может иметь в своем составе произвольные символы, то есть, цифры, буквы, графические знаки, включая и буквы нормативного алфавита. Между нормативным алфавитом и алфавитом шифрования должно быть установлено взаимно-однозначное соответствие. Данное соответствие наиболее удобно задать в виде таблицы, которая и будет являться секретным ключом шифра простой замены.
Процесс шифрования и виды шифров простой замены
Процесс шифрования шифром простой замены состоит в подмене всех символов исходного текста на соответствующие символы алфавита шифрования. В шифре простой замены все символы открытого исходного текста должны заменяться символами алфавита шифрования одинаково на всем протяжении текста.
Рассмотрим конкретный пример. Предположим, что соответствие между нормативным алфавитом и алфавитом шифрования задано при помощи следующей таблицы, которая и является секретным ключом шифрования.
Рисунок 1. Таблица. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Необходимо выполнить шифровку слова «ЗВЕЗДА». При помощи таблицы замены, можно сформировать криптограмму:
- Вид исходного сообщения «ЗВЕЗДА».
- Сформированная криптограмма будет «П С У П И Ф».
В общем формате шифр простой замены может задаваться при помощи таблицы, которая должна представлять собой любые возможные перестановки алфавита исходного текста. Таким образом число ключей будет равняться
- Для латинского алфавита 26! (факториал).
- Для русского алфавита 33! (факториал).
Это означает, что определить ключ методом простого перебора практически невозможно. Одним из вариантов подобного шифра может считаться подмена букв числами или некоторыми символами, как, к примеру, это было сделано в рассказе Артура Конан-Дойля «Пляшущие человечки».
Еще одной разновидностью шифра простой замены является квадрат Полибия. Этот шифр был изобретен в качестве простой системы кодирования в третьем веке до нашей эры. Такой способ кодирования первоначально был предназначен для греческого алфавита, но в дальнейшем начал применяться и в других язык. На рисунке ниже приведен квадрат Полибия для греческого языка.
Рисунок 2. Квадрат Полибия. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Известным считается факт, что греки и римляне применяли для связи между собой семафорную систему, в которой для кодирования сообщений использовалась именно таблица Полибия,. Причем кодируемые символы подменялись соответствующими индексами строки и столбца. В исходной форме шифрование при помощи квадрата Полибия считается нестойким. Тем не менее, если символы алфавита внести в таблицу, размером п•m, в произвольном порядке, то можно получить (п • m) возможных местоположений букв ($~ 2,6 • 10^{32}$ для русского алфавита). Это означает, что вероятность подобрать ключ в ручном режиме является крайне низкой. На рисунке ниже приведены варианты таблиц шифра «Квадрат Полибия» для английского языка (вариант «а») и русского языка (вариант «б»).
Рисунок 3. Таблицы шифров. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
К примеру, слово «безопасность», если его зашифровать вариантом шифра «Квадрат Полибия», который изображен на рисунке выше, будет иметь следующий вид:
31, 24, 44, 23, 33, 21, 25, 13, 23, 35, 53.
Квадрат Полибия применялся в течение довольно длительного периода времени, ввиду его достаточно большой стойкости (при произвольном местоположении букв в таблице).
С использованием данного типа шифра также были сопряжены определенные исторические казусы. Например, декабристы, во время своего нахождения в заключении, не могли организовать связь, пользуясь таблицей Полибия, имеющей размер пять на шесть, с князем Одоевским, который находился на воле. Позже выяснилось, что имеющий отличное по тем временам образование князь не смог запомнить расположение букв квадрата.
Квадрат Полибия считается одним из вариантов шифра простой замены. Однако таблицу замены можно задать и при помощи других методов, таких как, например, шифр индийских женщин. Шифр индийских женщин был одним из первых описаний шифров простой замены, приведенным в «Камасутре». Согласно данному трактату, который был написан в четвертом веке нашей эры, женщина обязана освоить шестьдесят видов искусств, среди которых присутствует и искусство тайнописи, которое предназначено для того, чтобы оказать женщине помощь в сокрытии подробностей своих любовных связей.
В одном из рекомендованных методов предлагается случайным образом расположить попарно символы алфавита, а затем заменить буквы исходного текста этими парами. Ниже приведен пример одной из вероятных таблиц подстановок для латинского алфавита, который описывает данный шифр.
Рисунок 4. Шифр индийских женщин. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Еще одним вариантом шифра простой замены может считаться шифровальная система Цезаря. Первое документальное подтверждение использования шифра замены в военных целях содержится в «Галльских войнах» Юлия Цезаря. Римский император Юлий Цезарь применял данный шифр в своей переписке с Цицероном.
