Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с шифром Уодсворта .
Система Playfair была изобретена Чарльзом Уитстоном , который впервые описал ее в 1854 году.

Шифра Плайфаира или квадрат Плайфаира или Уитстон-Плайфаир шифр представляет собой ручные симметричное шифрование методы и был первая буквальная биграмма замещение шифра. Схема была изобретена в 1854 году Чарльзом Уитстоном , но носит имя лорда Плейфэра за содействие ее использованию.

Этот метод шифрует пары букв ( биграммы или биграммы ) вместо отдельных букв, как в простом шифре подстановки и в более сложных системах шифра Виженера, которые тогда используются. Таким образом, Playfair значительно труднее взломать, поскольку частотный анализ, используемый для простых подстановочных шифров, с ним не работает. Частотный анализ биграмм возможен, но значительно сложнее. С 600 [1] возможными биграммами, а не с 26 возможными монограммами (одиночные символы, обычно буквы в этом контексте), для того, чтобы быть полезным, требуется значительно больший зашифрованный текст.

История [ править ]

Лорд Плейфейр , который активно продвигал его использование.

Шифр Playfair был первым шифром для шифрования пар букв в криптологической истории. [2] [3] Уитстон изобрел шифр секретности в телеграфии , но он носит имя его друга лорда Плейфэра , первого барона Плейфэра из Сент-Эндрюса, который продвигал его использование. [3] [4] [5] Первое записанное описание шифра Плейфэра было в документе, подписанном Уитстоном 26 марта 1854 года.

Первоначально он был отклонен Министерством иностранных дел Великобритании, когда он был разработан из-за его предполагаемой сложности. Уитстон предложил продемонстрировать, что трое из четырех мальчиков в соседней школе могут научиться пользоваться им за 15 минут, но заместитель министра иностранных дел ответил: «Это очень возможно, но вы никогда не сможете научить этому атташе». [6]

Однако позже он использовался в тактических целях британскими войсками во Второй англо-бурской войне и в Первой мировой войне, а также для той же цели британцами и австралийцами во время Второй мировой войны . [4] [5] Это произошло потому, что Playfair достаточно быстр в использовании и не требует специального оборудования - только карандаш и немного бумаги. Типичный сценарий использования Playfair состоял в том, чтобы защитить важные, но не критические секреты во время реального боя, например, тот факт, что артиллерийский обстрел дымовых снарядовначнется в течение 30 минут, чтобы прикрыть продвижение солдат к следующей цели. К тому времени, когда вражеские криптоаналитики смогут расшифровать такие сообщения через несколько часов, такая информация станет для них бесполезной, потому что она больше не будет актуальной. [7]

Во время Второй мировой войны правительство Новой Зеландии использовало его для связи между Новой Зеландией , островами Чатем и береговыми наблюдателями на островах Тихого океана. [8] [9] Береговые наблюдатели, учрежденные разведкой ВМС Австралии, также использовали этот шифр. [10]

Заменено [ править ]

Playfair больше не используется вооруженными силами из-за появления устройств цифрового шифрования. Этот шифр сейчас считается небезопасным для любых целей, потому что современные компьютеры могут легко взломать его за микросекунды.

Первое опубликованное решение шифра Playfair было описано в 19-страничной брошюре лейтенанта Джозефа О. Моборна , опубликованной в 1914 году [11].

Описание [ править ]

Шифр Playfair использует таблицу 5 на 5, содержащую ключевое слово или фразу . Запоминание ключевого слова и 4 простых правил - это все, что требовалось для создания таблицы 5 на 5 и использования шифра.

Чтобы сгенерировать таблицу ключей, нужно сначала заполнить пробелы в таблице (модифицированный квадрат Полибия ) буквами ключевого слова (отбрасывая любые повторяющиеся буквы), а затем заполнить оставшиеся пробелы остальными буквами алфавита в порядок (обычно опускают «J» или «Q», чтобы уменьшить алфавит, чтобы соответствовать; другие версии помещают «I» и «J» в одно и то же пространство). Ключ может быть записан в верхних строках таблицы слева направо или другим способом, например, спиралью, начинающейся в верхнем левом углу и заканчивающейся в центре. Ключевое слово вместе с условными обозначениями для заполнения таблицы 5 на 5 составляет ключ шифрования.

Чтобы зашифровать сообщение, его можно разбить на биграммы (группы из 2 букв) так, чтобы, например, «HelloWorld» превратилось в «HE LL OW OR LD». Эти биграммы будут заменены с помощью ключевой таблицы. Поскольку для шифрования требуются пары букв, сообщения с нечетным числом символов обычно добавляют необычную букву, такую ​​как «X», для завершения окончательной биграммы. Две буквы биграммы считаются противоположными углами прямоугольника в таблице ключей. Чтобы выполнить замену, примените следующие 4 правила по порядку к каждой паре букв в открытом тексте:

  1. Если обе буквы совпадают (или осталась только одна буква), добавьте «X» после первой буквы. Зашифруйте новую пару и продолжайте. В некоторых вариантах Playfair используется «Q» вместо «X», но подойдет любая буква, которая сама по себе редко встречается в повторяющейся паре.
  2. Если буквы появляются в той же строке таблицы, замените их буквами, расположенными непосредственно справа от них, соответственно (переход к левой стороне строки, если буква в исходной паре была с правой стороны строки).
  3. Если буквы появляются в том же столбце вашей таблицы, замените их буквами, расположенными непосредственно под ним соответственно (оберните их в верхнюю часть столбца, если буква в исходной паре была в нижней части столбца).
  4. Если буквы не находятся в той же строке или столбце, замените их буквами из той же строки, соответственно, но в другой паре углов прямоугольника, определяемого исходной парой. Порядок важен - первая буква зашифрованной пары - это та, которая находится в той же строке, что и первая буква пары открытого текста.

Для расшифровки используйте обратное (противоположное) из последних 3 правил и первое как есть (отбрасывая любые лишние «X» или «Q», которые не имеют смысла в окончательном сообщении по завершении).

Есть несколько незначительных вариаций исходного шифра Playfair. [12]

Пример [ править ]

Используя «пример игры» в качестве ключа (при условии, что I и J взаимозаменяемы), таблица становится (пропущены красные буквы):

PLAYFIREXMBCDGHKNOQSTUVWZ

Шифрование сообщения «Спрячьте золото в пне» (обратите внимание на нулевой «X», используемый для разделения повторяющихся «E»):

HI DE TH EG OL DI NT HE TR EX ES TU MP ^
1. Пара HI образует прямоугольник, замените его на BM.
2. Пара DE находится в столбце, замените ее на OD.
3. Пара TH образует прямоугольник, замените его на ZB.
4. Пара EG образует прямоугольник, замените его на XD.
5. Пара OL образует прямоугольник, замените его на NA.
6. Пара DI образует прямоугольник, замените его на BE.
7. Пара NT образует прямоугольник, замените его на KU.
8. Пара HE образует прямоугольник, замените его на DM.
9. Пара TR образует прямоугольник, замените его на UI.
10. Пара EX (X вставлен для разделения EE) находится в строке, замените ее на XM.
11. Пара ES образует прямоугольник, замените его на MO.
12. Пара TU стоит подряд, замените ее на UV.
13. Пара MP образует прямоугольник, замените его на IF.
BM OD ZB XD NA BE KU DM UI XM MO UV IF

Таким образом, сообщение «Спрячь золото в пне» становится «BMODZ BXDNA BEKUD MUIXM MOUVI F». (Включены перерывы для удобства чтения зашифрованного текста.)

Уточнение с изображением [ править ]

Предположим, кто-то хочет зашифровать биграмму ИЛИ. Есть пять общих случаев:

1)
* * * * ** OYRZ* * * * ** * * * ** * * * *

Следовательно, OR → YZ

2)
* * О * ** * В * ** * * * ** * Р * ** * Д * *

Следовательно, OR → BY

3)
Z * * O ** * * * ** * * * *R * * X ** * * * *

Следовательно, OR → ZX

4)
* * * * ** * * * ** ORC ** * * * ** * * * *

Следовательно, OR → RC

5)
* * * * ** * Р * ** * О * ** * Я * ** * * * *

Следовательно, OR → IO

Криптоанализ [ править ]

Как и большинство классических шифров, шифр Playfair можно легко взломать, если текста достаточно. Получить ключ относительно просто, если известны как открытый текст, так и зашифрованный текст . Когда известен только зашифрованный текст, криптоанализ шифра методом грубой силы включает поиск в ключевом пространстве совпадений между частотой появления биграмм (пар букв) и известной частотой появления биграмм на предполагаемом языке исходного сообщения. [13]

Криптоанализ Playfair аналогичен криптоанализу шифров с четырьмя и двумя квадратами , хотя относительная простота системы Playfair упрощает идентификацию потенциальных строк открытого текста. В частности, орграф Playfair и его обратная сторона (например, AB и BA) будут дешифроваться до одного и того же буквенного шаблона в открытом тексте (например, RE и ER). В английском языке есть много слов, которые содержат эти перевернутые диграфы, такие как REceivER и DEpartED. Идентификация ближайших перевернутых диграфов в зашифрованном тексте и сопоставление шаблона со списком известных слов открытого текста, содержащих шаблон, - простой способ сгенерировать возможные строки открытого текста, с которых можно начать построение ключа.

Другой подход к разгадке шифра Playfair - это метод восхождения на холм с дробовиком . Это начинается со случайного квадрата букв. Затем вносятся незначительные изменения (т. Е. Переключение букв, строк или отображение всего квадрата), чтобы увидеть, больше ли предполагаемый открытый текст похож на стандартный открытый текст, чем до изменения (возможно, путем сравнения биграмм с известной частотной диаграммой). Если новый квадрат считается улучшением, то он принимается, а затем подвергается дальнейшим изменениям, чтобы найти еще лучшего кандидата. В конце концов, обнаруживается, что открытый текст или что-то очень близкое к нему дает максимальную оценку при любом выбранном методе оценки. Очевидно, что это выходит за рамки типичного человеческого терпения, но компьютеры могут использовать этот алгоритм для взлома шифров Playfair с относительно небольшим объемом текста.

Другой аспект Playfair, который отделяет его от четырехквадратного и двухквадратного шифров, заключается в том, что он никогда не будет содержать двухбуквенную биграмму, например EE. Если в зашифрованном тексте нет двухбуквенных биграмм и длина сообщения достаточно велика, чтобы сделать это статистически значимым, весьма вероятно, что используется метод шифрования Playfair.

Хорошее руководство по восстановлению ключа для шифра Playfair можно найти в главе 7 «Решение для полиграфических систем замены» полевого руководства 34-40-2 , выпущенного армией Соединенных Штатов. Другой криптоанализ шифра Playfair можно найти в главе XXI книги Хелен Фуше Гейнс « Криптоанализ» / исследования шифров и их решений . [14]

Подробный криптоанализ Playfair проводится в главе 28 детективного романа Дороти Л. Сэйерс « У него туша» . В этой истории показано, что сообщение Playfair является криптографически слабым, поскольку детектив может решить весь ключ, сделав лишь несколько предположений относительно форматирования сообщения (в данном случае сообщение начинается с имени город, а затем дату). Книга Сэйерса включает подробное описание механизма шифрования Playfair, а также пошаговое описание ручного криптоанализа.

Немецкая армия, авиация и полиция использовали шифр Double Playfair в качестве шифра среднего уровня во время Второй мировой войны, основанный на британском шифре Playfair, который они взломали в начале Первой мировой войны. [15] Они адаптировали его, введя второй квадрат, из которого выбиралась вторая буква каждой биграммы, и избавились от ключевого слова, разместив буквы в случайном порядке. Но из-за немецкой любви к формальным сообщениям они были нарушены в Блетчли-парке . Сообщениям предшествовал порядковый номер, и числа были написаны по буквам. Поскольку немецкие числа от 1 (eins) до двенадцати (zwölf) содержат все буквы, кроме восьми, в квадратах Double Playfair, условный трафик было относительно легко нарушить (Смит, стр. 74-75).

Используйте в современных кроссвордах [ править ]

Продвинутые тематические загадочные кроссворды, такие как « Кроссворд слушателя» (опубликованный в субботнем выпуске британской газеты The Times ), иногда включают шифры Playfair. [16] Обычно от четырех до шести ответов необходимо ввести в таблицу в коде, а ключевая фраза Playfair имеет тематическое значение для окончательного решения.

Шифр хорошо поддается разгадыванию кроссвордов, потому что открытый текст находится путем решения одного набора ключей, а зашифрованный текст - путем решения других. Затем решатели могут построить таблицу ключей, объединив биграммы (иногда можно угадать ключевое слово, но это не обязательно).

Использование шифра Playfair обычно объясняется в преамбуле кроссворда. Это уравнивает правила игры для тех решателей, которые ранее не сталкивались с шифром. Но способ использования шифра всегда один и тот же. Используемый 25-буквенный алфавит всегда содержит Q, а I и J совпадают. Таблица ключей всегда заполняется построчно.

В популярной культуре [ править ]

  • В романе есть Его туша по Сэйерс дает методичный счет растрескивания шифра Playfair.
  • Триллер о Второй мировой войне «Троянский конь » Хаммонда Иннеса скрывает формулу нового высокопрочного металлического сплава с использованием шифра Playfair.
  • В фильме Сокровище нации: Книга Тайн ключ к поиску сокровищ закодирован как шифр Playfair.
  • В аудиокниге Rogue Angel : God of Thunder используется шифр Playfair, чтобы отправить Аню Крид в Венецию.
  • В романе Лоры Руби « Йорк: Карта звезд» (третья часть трилогии для детей) ключ к разгадке шифровки Morningstarr зашифрован с помощью шифра Playfair.

См. Также [ править ]

  • Темы в криптографии

Заметки [ править ]

  1. ^ Не допускаются повторяющиеся буквы, одна буква опускается (Q) или объединяется (I / J), поэтому вычисление составляет 600 = 25 × 24.
  2. ^ Коэн, Фред. «Краткая история криптографии» . Вводная защита информации . Проверено 9 января 2018 .
  3. ^ a b Кристенсен, Крис (2006). «Полиграфические шифры» (PDF) . Университет Северного Кентукки, Крис Кристенсен . Проверено 9 января 2018 года .
  4. ^ a b Кан, Дэвид (1996). Взломщики кодов: исчерпывающая история тайного общения с древних времен в Интернете . Скрибнер. ISBN 978-0684831305.
  5. ^ a b Клима, Рик (2018). «Секретные коды Второй мировой войны» (PDF) . Аппалачский государственный университет, доктор Рик Клима .
  6. Перейти ↑ Reid, Thomas Wemyss (1899). Воспоминания и переписка Lyon Playfair: Первый лорд Playfair Сент-Эндрюс ... Harper & Brothers. С. 158–159.
  7. ^ Лорд, Уолтер (2012). Lonely Vigil: Coastwatchers Соломоновых Островов . Open Road Media. Разжечь издание. п. 6.
  8. ^ "История безопасности связи в Новой Зеландии Эрика Могона" , Глава 8
  9. ^ "История информационного обеспечения (IA)" . Бюро безопасности правительственной связи . Правительство Новой Зеландии. Архивировано из оригинала на 2011-11-12 . Проверено 24 декабря 2011 .
  10. ^ Лорд, Уолтер (2012). Lonely Vigil: Coastwatchers Соломоновых Островов . Open Road Media. Разжечь издание. п. 6.
  11. ^ Mauborgne, Джозеф Освальд, Расширенная проблема в криптографии и ее решение (Форт Ливенвот, Канзас: Издательство школ армейской службы, 1914).
  12. ^ Гейнс 1956 , стр. 201
  13. ^ Гейнс 1956 , стр. 201
  14. ^ Гейнс 1956 , стр. 198-207
  15. ^ Currer-Бриггс, Noel (1987). «Некоторые из бедных отношений ультраправых в Алжире, Тунисе, Сицилии и Италии». Разведка и национальная безопасность . 2 (2): 274–290. DOI : 10.1080 / 02684528708431890 .
  16. ^ Слушатель базы данных кроссвордов

Ссылки [ править ]

  • Гейнс, Хелен Фуше (1956) [1939], Криптоанализ / исследование шифров и их решений , Дувр, ISBN 0-486-20097-3
  • Смит, Майкл Станция X: Взломщики кодов Блетчли-Парка (1998, Channel 4 Books / Macmillan, Лондон) ISBN 0-7522-2189-2 
  • Кан, Дэвид (1996), Взломщики кодов: всеобъемлющая история секретной связи с древних времен в Интернет , Scribner, ISBN 978-0684831305

Внешние ссылки [ править ]

  • Онлайн-шифрование и дешифрование Playfair с помощью JavaScript
  • Выдержка из некоторых конспектов лекций по шифрам - Диграфические шифры: Playfair
  • Playfair Cypher
  • Кросс-платформенная реализация шифра Playfair
  • Реализация шифра Playfair в Javascript