ШИФРОВАНИЕ МЕТОДОМ ЗАМЕНЫ
Шифрование методом замены или подстановки
Наиболее простой метод шифрования. Символы шифруемого текста заменяются другими символами, взятыми из одного алфавита или нескольких алфавитов. Различают 2 вида подстановок: одноалфавитная и многоалфавитная.
Простейшая подстановка — прямая замена символов шифруемого сообщения другими буквами того же самого или другого алфавита.
Примеры таблиц замены:
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ь Ы Ъ Э Ю Я
М Л Д О Т В А Ч К Е Ж Х Щ Ф Ц Э Г Б Я Ъ Ш Ы З И Ь Н Ю У П С Р Й
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ь Ы Ъ Э Ю Я
Q W E R T Y U I O P [ ] A S D F G H J K L Z X C V B N M @ %
Стойкость метода простой замены низкая. Зашифрованный текст имеет те же самые статистические характеристики, что и исходный, поэтому зная стандартные частоты появления символов в том языке, на котором написано сообщение, и подбирая по частотам появления символы в зашифрованном сообщении, можно восстановить таблицу замены. Для этого требуется лишь достаточно длинный зашифрованный текст, для того, чтобы получить достоверные оценки частот появления символов. Поэтому простую замену используют лишь в том случае, когда шифруемое сообщение достаточно коротко!
Стойкость метода равна 20 — 30, трудоемкость определяется поиском символа в таблице замены. Для снижения трудоемкости при шифровании таблица замены сортируется по шифруемым символам, а для расшифровки формируется таблица дешифрования, которая получается из таблицы замены сортировкой по заменяющим символам. Многоалфавитная замена повышает стойкость шифра.
КП КТ КД ПЩ Ь КЛ
Этот пример показывает примитивный шифр. Рассмотрим похожие по сложности шрифты.
1. 1. Самым простым шифром является ШИФР С ЗАМЕНОЙ БУКВ ЦИФРАМИ. Каждой букве соответствует число по алфавитному порядку. А-1, B-2, C-3 и т.д.
Например слово «TOWN » можно записать как «20 15 23 14», но особой секретности и сложности в дешифровке это не вызовет.
2. Также можно зашифровывать сообщения с помощью ЦИФРОВОЙ ТАБЛИЦЫ. Её параметры могут быть какими угодно, главное, чтобы получатель и отправитель были в курсе. Пример цифровой таблицы. 
Рис. 3 Цифровая таблица. Первая цифра в шифре – столбец, вторая – строка или наоборот. Так слово «MIND» можно зашифровать как «33 24 34 14».
3. 3. КНИЖНЫЙ ШИФР
В таком шифре ключом является некая книга, имеющаяся и у отправителя и у получателя. В шифре обозначается страница книги и строка, первое слово которой и является разгадкой. Дешифровка невозможна, если книги у отправителя и корреспондента разных годов издания и выпуска. Книги обязательно должны быть идентичными.
4. 4. ШИФР ЦЕЗАРЯ (шифр сдвига, сдвиг Цезаря)
Известный шифр. Сутью данного шифра является замена одной буквы другой, находящейся на некоторое постоянное число позиций левее или правее от неё в алфавите. Гай Юлий Цезарь использовал этот способ шифрования при переписке со своими генералами для защиты военных сообщений. Этот шифр довольно легко взламывается, поэтому используется редко. Сдвиг на 4. A = E, B= F, C=G, D=H и т.д.
Пример шифра Цезаря: зашифруем слово « DEDUCTION » .
Получаем: GHGXFWLRQ . (сдвиг на 3)
Шифрование с использованием ключа К=3 . Буква «С» «сдвигается» на три буквы вперёд и становится буквой «Ф». Твёрдый знак, перемещённый на три буквы вперёд, становится буквой «Э», и так далее:
Исходный алфавит: А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я
Шифрованный: Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В
Съешь же ещё этих мягких французских булок, да выпей чаю.
Шифрованный текст получается путём замены каждой буквы оригинального текста соответствующей буквой шифрованного алфавита:
Фэзыя йз зьи ахлш пвёнлш чугрщцкфнлш дцосн, жг еютзм ъгб.
5. ШИФР С КОДОВЫМ СЛОВОМ
Еще один простой способ как в шифровании, так и в расшифровке. Используется кодовое слово (любое слово без повторяющихся букв). Данное слово вставляется впереди алфавита и остальные буквы по порядку дописываются, исключая те, которые уже есть в кодовом слове. Пример: кодовое слово – NOTEPAD.
Исходный: 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
Замена: N O T E P A D B C F G H I J K L M Q R S U V W X Y Z
6. 6. ШИФР АТБАШ
Один из наиболее простых способов шифрования. Первая буква алфавита заменяется на последнюю, вторая – на предпоследнюю и т.д.
Пример: « SCIENCE » = HXRVMXV
7. 7. ШИФР ФРЕНСИСА БЭКОНА
Один из наиболее простых методов шифрования. Для шифрования используется алфавит шифра Бэкона: каждая буква слова заменяется группой из пяти букв «А» или «B» (двоичный код).
a AAAAA g AABBA m ABABB s BAAAB y BABBA
b AAAAB h AABBB n ABBAA t BAABA z BABBB
c AAABA i ABAAA o ABBAB u BAABB
d AAABB j BBBAA p ABBBA v BBBAB
e AABAA k ABAAB q ABBBB w BABAA
f AABAB l ABABA r BAAAA x BABAB
Сложность дешифрования заключается в определении шифра. Как только он определен, сообщение легко раскладывается по алфавиту.
Существует несколько способов кодирования.
Также можно зашифровать предложение с помощью двоичного кода. Определяются параметры (например, «А» — от A до L, «В» — от L до Z). Таким образом, BAABAAAAABAAAABABABB означает TheScience of Deduction ! Этот способ более сложен и утомителен, но намного надежнее алфавитного варианта.
8. 8. ШИФР БЛЕЗА ВИЖЕНЕРА.
Этот шифр использовался конфедератами во время Гражданской войны. Шифр состоит из 26 шифров Цезаря с различными значениями сдвига (26 букв лат.алфавита). Для зашифровывания может использоваться tabula recta (квадрат Виженера). Изначально выбирается слово-ключ и исходный текст. Слово ключ записывается циклически, пока не заполнит всю длину исходного текста. Далее по таблице буквы ключа и исходного текста пересекаются в таблице и образуют зашифрованный текст. 
Рис. 4 Шифр Блеза Виженера
9. 9. ШИФР ЛЕСТЕРА ХИЛЛА
Основан на линейной алгебре. Был изобретен в 1929 году.
В таком шифре каждой букве соответствует число (A = 0, B =1 и т.д.). Блок из n-букв рассматривается как n-мерный вектор и умножается на (n х n) матрицу по mod 26. Матрица и является ключом шифра. Для возможности расшифровки она должна быть обратима в Z26n.
Для того, чтобы расшифровать сообщение, необходимо обратить зашифрованный текст обратно в вектор и умножить на обратную матрицу ключа. Для подробной информации – Википедия в помощь.
10. 10. ШИФР ТРИТЕМИУСА
Усовершенствованный шифр Цезаря. При расшифровке легче всего пользоваться формулой:
L= (m+k) modN , L-номер зашифрованной буквы в алфавите, m-порядковый номер буквы шифруемого текста в алфавите, k-число сдвига, N-количество букв в алфавите.
Является частным случаем аффинного шифра.
11. 11. МАСОНСКИЙ ШИФР 
ШИФР ГРОНСФЕЛЬДА
По своему содержанию этот шифр включает в себя шифр Цезаря и шифр Виженера, однако в шифре Гронсфельда используется числовой ключ. Зашифруем слово “THALAMUS”, используя в качестве ключа число 4123. Вписываем цифры числового ключа по порядку под каждой буквой слова. Цифра под буквой будет указывать на количество позиций, на которые нужно сдвинуть буквы. К примеру вместо Т получится Х и т.д.
T H A L A M U S
4 1 2 3 4 1 2 3
T U V W X Y Z
0 1 2 3 4
В итоге: THALAMUS = XICOENWV
13. 13. ПОРОСЯЧЬЯ ЛАТЫНЬ
Чаще используется как детская забава, особой трудности в дешифровке не вызывает. Обязательно употребление английского языка, латынь здесь ни при чем.
В словах, начинающихся с согласных букв, эти согласные перемещаются назад и добавляется “суффикс” ay. Пример : question = estionquay. Если же слово начинается с гласной, то к концу просто добавляется ay, way, yay или hay (пример : a dog = aay ogday).
В русском языке такой метод тоже используется. Называют его по-разному: “синий язык”, “солёный язык”, “белый язык”, “фиолетовый язык”. Таким образом, в Синем языке после слога, содержащего гласную, добавляется слог с этой же гласной, но с добавлением согласной “с” (т.к. язык синий). Пример :Информация поступает в ядра таламуса = Инсифорсомасацисияся поссотусупасаетсе в ядсяраса тасаласамусусаса.
Довольно увлекательный вариант.
14. 14. КВАДРАТ ПОЛИБИЯ
Подобие цифровой таблицы. Существует несколько методов использования квадрата Полибия. Пример квадрата Полибия: составляем таблицу 5х5 (6х6 в зависимости от количества букв в алфавите).
1 МЕТОД. Вместо каждой буквы в слове используется соответствующая ей буква снизу (A = F, B = G и т.д.). Пример: CIPHER — HOUNIW.
2 МЕТОД. Указываются соответствующие каждой букве цифры из таблицы. Первой пишется цифра по горизонтали, второй — по вертикали. (A = 11, B = 21…). Пример: CIPHER = 31 42 53 32 51 24
3 МЕТОД. Основываясь на предыдущий метод, запишем полученный код слитно. 314253325124. Делаем сдвиг влево на одну позицию. 142533251243. Снова разделяем код попарно.14 25 33 25 12 43. В итоге получаем шифр. Пары цифр соответствуют букве в таблице: QWNWFO.
Шифров великое множество, и вы так же можете придумать свой собственный шифр, однако изобрести стойкий шифр очень сложно, поскольку наука дешифровки с появлением компьютеров шагнула далеко вперед и любой любительский шифр будет взломан специалистами за очень короткое время.
Методы вскрытия одноалфавитных систем (расшифровка)
При своей простоте в реализации одноалфавитные системы шифрования легко уязвимы.
Определим количество различных систем в аффинной системе. Каждый ключ полностью определен парой целых чисел a и b, задающих отображение ax+b. Для а существует j(n) возможных значений, где j(n) — функция Эйлера, возвращающая количество взаимно простых чисел с n, и n значений для b, которые могут быть использованы независимо от a, за исключением тождественного отображения (a=1 b=0), которое мы рассматривать не будем.
Таким образом получается j(n)*n-1 возможных значений, что не так уж и много: при n=33 в качестве a могут быть 20 значений( 1, 2, 4, 5, 7, 8, 10, 13, 14, 16, 17, 19, 20, 23, 25, 26, 28, 29, 31, 32), тогда общее число ключей равно 20*33-1=659. Перебор такого количества ключей не составит труда при использовании компьютера.
Но существуют методы упрощающие этот поиск и которые могут быть использованы при анализе более сложных шифров.
Частотный анализ
Одним из таких методов является частотный анализ. Распределение букв в криптотексте сравнивается с распределением букв в алфавите исходного сообщения. Буквы с наибольшей частотой в криптотексте заменяются на букву с наибольшей частотой из алфавита. Вероятность успешного вскрытия повышается с увеличением длины криптотекста.
Существуют множество различных таблиц о распределении букв в том или ином языке, но ни одна из них не содержит окончательной информации — даже порядок букв может отличаться в различных таблицах. Распределение букв очень сильно зависит от типа теста: проза, разговорный язык, технический язык и т.п. В методических указаниях к лабораторной работе приведены частотные характеристики для различных языков, из которых ясно, что буквы буквы I, N, S, E, A (И, Н, С, Е, А) появляются в высокочастотном классе каждого языка.
Простейшая защита против атак, основанных на подсчете частот, обеспечивается в системе омофонов (HOMOPHONES) — однозвучных подстановочных шифров, в которых один символ открытого текста отображается на несколько символов шифротекста, их число пропорционально частоте появления буквы. Шифруя букву исходного сообщения, мы выбираем случайно одну из ее замен. Следовательно простой подсчет частот ничего не дает криптоаналитику. Однако доступна информация о распределении пар и троек букв в различных естественных языках. Криптоанализ, основанный на такой информации будет более успешным. 
Хотя нет таблицы, которая может учесть все виды текстов, но есть вещи общие для всех таблиц, например, в английском языка буква E всегда возглавляет список частот, а T идет на второй позиции. A и O почти всегда третьи. Кроме того девять букв английского языка E, T, A, O, N, I, S, R, H всегда имеют частоту выше, чем любые другие. Эти девять букв заполняют примерно 70% английского текста.
Ниже приведены соответствующие таблицы частот для различных языков (немецкий, французский, итальянский, финский).
Заметим, что буквы I, N, S, E, A (И, Н, С, Е, А) появляются в высокочастотном классе каждого языка.
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«УЛЬЯНОВСКИЙ ИНСТИТУТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
ИМЕНИ ГЛАВНОГО МАРШАЛА АВИАЦИИ Б. П.БУГАЕВА»
 |
по дисциплине «Информационная безопасность»
Учебная группа: АБ-11-1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КЛАССИЧЕСКИХ КРИПТОАЛГОРИТМОВ ПОДСТАНОВКИ И ПЕРЕСТАНОВКИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТЕКСТОВОЙ ИНФОРМАЦИИ
Цель работы: Изучение классических криптографических алгоритмов моноалфавитной подстановки, многоалфавитной подстановки и перестановки для защиты текстовой информации. Использование гистограмм, отображающих частоту встречаемости символов в тексте для криптоанализа классических шифров.
1. Ознакомиться с описанием работы и заданием.
2. Для выполнения работы необходимо запустить программу L_LUX. EXE.
3. Для одноалфавитного метода с фиксированным смещением определить установленное в программе смещение.
4. Для одноалфавитного метода с задаваемым смещением (шифр Цезаря):
· для своего исходного текста (Ф. И.О.) выполнить шифрование с произвольным смещением; cохранить файл как 1.txt
Смещение = № варианта+1 (но не более 20)
· просмотреть и описать гистограммы исходного и зашифрованного текстов, определить смещение для нескольких символов;
· расшифровать текст с помощью программы;
3. Для метода перестановки символов дешифровать зашифрованный файл.
Для этого необходимо определить закон перестановки символов открытого текста. Создайте небольшой файл длиной в несколько слов с известным вам текстом, зашифруйте его, просмотрите гистограммы (опишите их; ответьте, можно ли извлечь из них полезную для дешифрации информацию). Сравните (с помощью редактора) ваш исходный и зашифрованный тексты и определите закон перестановки символов.
1) с помощью программы.
4. Для инверсного кодирования (по дополнению до 255):
· для своего файла 1.txt выполните шифрование;
· просмотрите гистограммы исходного и зашифрованного текстов, опишите гистограммы и определите смещение для нескольких символов;
· дешифруйте зашифрованный текст, проверьте в редакторе правильность дешифрования.
Примечание. Все последующие задания оформить аналогично
5. Для многоалфавитного шифрования с фиксированным ключом определите, сколько одноалфавитных методов и с каким смещением используется в программе.
Для этого нужно создать свой файл, состоящий из строки одинаковых символов, выполнить для него шифрование и по гистограмме определить способ шифрования и набор смещений.
6. Для многоалфавитного шифрования с ключом фиксированной длины:
· для файла, состоящего из строки одинаковых символов выполнить шифрование и определить по гистограмме, какое смещение получает каждый символ;
· для файла произвольного текста произвести шифрование и расшифрование;
· просмотреть и описать гистограммы исходного и зашифрованного текстов; ответить, какую информацию можно получить из гистограмм.
7. Для многоалфавитного шифрования с произвольным паролем задание полностью аналогично п.7.
8. Ответить на контрольные вопросы (по вариантам)
Какие вы знаете методы криптографической защиты файлов?
2,4,6,8, 20,22,24, 26,30
В чем преимущества и недостатки одноалфавитных методов?
11,13,15, 10,17,19, 27
Если вам необходимо зашифровать текст, содержащий важную информацию, какой метод, из рассмотренных, вы выберете? Обоснуйте свой выбор.
12,14,16 21,23.25, 29
Целесообразно ли повторно применять для уже зашифрованного текста: а) метод многоалфавитного шифрования? б) метод Цезаря?
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ТЕКСТОВОЙ ИНФОРМАЦИИ И ИХ СТОЙКОСТИ НА ОСНОВЕ ПОДБОРА КЛЮЧЕЙ
Цель работы: Изучение методов шифрования/расшифрования перестановкой символов, подстановкой, гаммированием, использованием таблицы Виженера. Исследование и сравнение стойкости различных методов, на основе атак путем перебора всех возможных ключей.
1. Ознакомиться с описанием работы и заданием.
2. Для выполнения работы необходимо запустить программу LAB_RAB. exe,
3. Выполнить настройку программы: выбрать метод шифрования; ввести ключи для всех методов; ввести вероятное слово; осуществить все остальные системные настройки.
4. Для метода замены (одноалфавитного метода):
· выбрать данный алгоритм в списке доступных методов шифрования;
· установить необходимое смещение;
· открыть произвольный файл (для этого создать файл 2_1_D.txt);
· просмотреть содержимое исходного файла;
· выполнить для этого файла шифрование (при необходимости можно задать имя зашифрованного файла, например 2_1_Е.txt);
· просмотреть в редакторе зашифрованный файл;
· ввести вероятное слово;
· ввести вероятную длину ключа (кроме метода замены);
· выполнить расшифрование со всеми найденными ключами;
· найти в каком-либо из расшифрованных файлов правильно расшифрованное ключевое слово;
· расшифровать файл исходным ключом (файл 2_1_D.txt);
4. Для метода перестановки:
· выбрать метод перестановки;
· в открывшемся окне ввода ключа перестановки символов указать сначала длину этого ключа, а затем из появившихся кнопок составить необходимую комбинацию для ключа, нажимая на кнопки в заданном порядке; при этом уже использованные кнопки становятся недоступными для предотвращения их повторного ввода;
· далее действия полностью соответствуют изложенным в предыдущем пункте задания.
5. Для метода гаммирования:
· выбрать метод гаммирования;
· ввести ключ гаммирования;
· полностью повторить п. 3.
6. Для таблицы Виженера все действия повторяются из п. 5 (метод гаммирования).
В отчете для каждого метода шифрования описывается последовательность выполняемых действий, имена всех использованных файлов, указываются исходные и найденные ключи, описывается процесс дешифрования.
7. Ответить на контрольные вопросы (по вариантам)
Чем отличается "псевдооткрытый" текст (текст, полученный при расшифровке по ложному ключу) от настоящего открытого текста?
2,4,6,8, 20,22,24, 26,30
Как зависит время вскрытия шифра описанным выше способом подбора ключей от длины "вероятного" слова?
11,13,15, 10,17,19, 27
Зависит ли время вскрытия шифра гаммирования (или таблицы Виженера) от мощности алфавита гаммы?
12,14,16 21,23.25, 29
В чем недостатки метода дешифрования с использованием протяжки вероятного слова?
8. Преподавателю предоставляется отчет о проделанной работе в бумажном и электронном виде а также все использованные файлы на диске (см. образец оформления диска).
Имя файла отчета – в соответствии с образцом: XX_Фамилия.doc, где первые два символа — номер варианта.
Рис. 1 Образец оформления диска для контрольной работы
