Caesar cipher

Пример

Преобразование может быть представлено выравниванием двух алфавитов; шифралфавит — это простой алфавит, повернутый влево или вправо на некоторое количество позиций. Например, вот шифр Цезаря, использующий вращение влево на три позиции, что эквивалентно сдвигу вправо, равному 23 (параметр сдвига используется в качестве ключа ):

Простой	А	B	C	D	E	F	грамм	ЧАС	я	J	K	L	M	N	О	п	Q	р	S	Т	U	V	W	Икс	Y	Z
Шифр	Икс	Y	Z	А	B	C	D	E	F	грамм	ЧАС	я	J	K	L	M	N	О	п	Q	р	S	Т	U	V	W

При шифровании человек просматривает каждую букву сообщения в «простой» строке и записывает соответствующую букву в строке «шифр».

Plaintext:  THE QUICK BROWN FOX JUMPS OVER THE LAZY DOG
Ciphertext: QEB NRFZH YOLTK CLU GRJMP LSBO QEB IXWV ALD

Расшифровка производится в обратном порядке, со сдвигом вправо на 3.

Шифрование также можно представить с помощью модульной арифметики , сначала преобразуя буквы в числа по схеме A → 0, B → 1, …, Z → 25. Можно описать шифрование буквы x с помощью сдвига n. математически как,

E п ( Икс ) знак равно ( Икс + п ) мод 26. {\ displaystyle E_ {n} (x) = (x + n) \ mod {26}.}

Расшифровка производится аналогично,

D п ( Икс ) знак равно ( Икс — п ) мод 26. {\ displaystyle D_ {n} (x) = (xn) \ mod {26}.}

(Есть разные определения для операции по модулю . В приведенном выше примере результат находится в диапазоне от 0 до 25; то есть, если x + n или x — n не находятся в диапазоне от 0 до 25, мы должны вычесть или добавить 26 .)

Замена остается неизменной на протяжении всего сообщения, поэтому шифр классифицируется как тип моноалфавитной замены , в отличие от полиалфавитной замены .

Внедрение шифрования

Давайте создадим функцию caesar_cipher(), которая принимает строку для шифрования/дешифрования, “набор символов”, показывающий, какие символы в строке должны быть зашифрованы (по умолчанию это будет строчный регистр),

ключ, а также булево значение, показывающее, была ли произведена расшифровка (шифрование) или нет.

Это очень мощная функция!

Вся операция смены была сведена к операции нарезки.

Кроме того, мы используем атрибут string.ascii_lowercase – это строка символов от “a” до “z”.

Еще одна важная особенность, которой мы здесь достигли, заключается в том, что одна и та же функция обеспечивает как шифрование, так и дешифрование; это можно сделать, изменив значение параметра ‘key’.

Операция вырезания вместе с этим новым ключом гарантирует, что набор символов был сдвинут влево – то, что мы делаем при расшифровке сдвинутого вправо шифротекста Цезаря.

Давайте проверим, работает ли это на предыдущем примере.

Мы зашифруем только заглавные буквы текста и передадим то же самое параметру “characters”.

Зашифруем текст: “HELLO WORLD! Welcome to the world of Cryptography!”.

Посмотрите, как часть “KHOOR ZRUOG” соответствует шифрованию “HELLO WORLD” с ключом 3 в нашем первом примере.

Также обратите внимание, что мы указываем набор символов для заглавных букв с помощью string.ascii_uppercase. Мы можем проверить, правильно ли работает расшифровка, используя тот же зашифрованный текст, который мы получили в нашем предыдущем результате

Мы можем проверить, правильно ли работает расшифровка, используя тот же зашифрованный текст, который мы получили в нашем предыдущем результате.

Если мы можем получить наш исходный текст, значит, наша функция работает идеально.

Обратите внимание, как мы установили параметр “decrypt” нашей функции в True. Поскольку мы восстановили наш оригинальный текст, это признак того, что наш алгоритм шифрования-дешифрования с использованием таблицы поиска работает отлично!

Поскольку мы восстановили наш оригинальный текст, это признак того, что наш алгоритм шифрования-дешифрования с использованием таблицы поиска работает отлично!

Теперь давайте посмотрим, можно ли расширить набор символов, включив в него не только строчные и прописные символы, но и цифры и знаки препинания.

Здесь мы включаем все символы, которые мы обсуждали до сих пор (включая символ пробела), в набор символов для кодирования.

В результате все (даже пробелы) в нашем обычном тексте было заменено другим символом!

Единственное отличие заключается в том, что обертывание происходит не по отдельности для строчных и прописных символов, а в целом для набора символов.

Это означает, что “Y” со смещением 3 не станет “B”, а будет закодирован как “1”.

Почему шифрование слабое?

Как бы ни был прост в понимании и применении шифр Цезаря, он облегчает любому взлом дешифровки без особых усилий.

Шифр Цезаря – это метод подстановочного шифрования, при котором мы заменяем каждый символ в тексте некоторым фиксированным символом.

Если кто-то обнаружит регулярность и закономерность появления определенных символов в шифротексте, он быстро определит, что для шифрования текста был использован шифр Цезаря.

Если убедиться, что для шифрования текста использовалась техника шифра Цезаря, то восстановить оригинальный текст без ключа будет проще простого.

Простой алгоритм Brute Force вычисляет оригинальный текст за ограниченное время.

Атака методом перебора

Взлом шифротекста с помощью шифра Цезаря – это просто перебор всех возможных ключей.

Это осуществимо, потому что может существовать только ограниченное количество ключей, способных генерировать уникальный шифротекст.

Например, если в шифротексте зашифрованы все строчные буквы, то все, что нам нужно сделать, это запустить шаг расшифровки со значениями ключа от 0 до 25.

Даже если бы пользователь предоставил ключ выше 25, он выдал бы шифротекст, равный одному из шифротекстов, сгенерированных с ключами от 0 до 25.

Давайте рассмотрим шифротекст, в котором зашифрованы все строчные символы, и посмотрим, сможем ли мы извлечь из него разумный шифротекст с помощью атаки “методом перебора”.

У нас есть текст:

Сначала определим функцию расшифровки, которая принимает шифротекст и ключ и расшифровывает все его строчные буквы.

Теперь у нас есть наш текст, но мы не знаем ключа, т.е. значения смещения. Давайте напишем атаку методом перебора, которая пробует все ключи от 0 до 25 и выводит каждую из расшифрованных строк:

В выводе перечислены все строки, которые могут быть получены в результате расшифровки.

Если вы внимательно посмотрите, строка с ключом 14 является правильным английским высказыванием и поэтому является правильным выбором.

Теперь вы знаете, как взломать шифр с помощью шифра Цезаря.

Мы могли бы использовать другие более сильные варианты шифра Цезаря, например, с использованием нескольких сдвигов (шифр Виженера), но даже в этих случаях определенные злоумышленники могут легко расшифровать правильную расшифровку.

Поэтому алгоритм шифрования Цезаря относительно слабее современных алгоритмов шифрования.

Симметричное шифрование

Криптография с симметричным ключом предполагает использование одного ключа как для шифрования, так и для дешифровки, причем данный метод известен еще как криптография с закрытым ключом, которые могут обновляться с целью получения дополнительных ключей.

Данный подход, по сравнению с асимметричным, является более эффективным и оперативным, а генерация ключа проводится соответствующим алгоритмом шифрования, который далее отправляется в секцию получателя. Метод симметричного шифрования пронизан целым рядом проблем, так как защищенных каналов в природе практически не существует, в связи с чем передача ключа осуществляется вместе с данными, что значительно снижает эффективность полосы пропускания, при этом увеличивая расходы.

Шифрование файлов

В этом разделе мы рассмотрим, как использовать Caesar Encryption для шифрования файла.

Обратите внимание, что мы можем шифровать только обычные текстовые файлы, а не двоичные, потому что мы знаем набор символов обычных текстовых файлов. Поэтому вы можете зашифровать файл, используя один из следующих двух подходов:

Поэтому вы можете зашифровать файл, используя один из следующих двух подходов:

• Считать весь файл в строку, зашифровать строку и сбросить ее в другой файл.
• Прочитайте файл по одной строке за раз, зашифруйте строку и запишите ее в другой текстовый файл.

Мы будем придерживаться второго подхода, поскольку первый возможен только для небольших файлов, содержимое которых легко помещается в памяти.

Итак, давайте определим функцию, которая принимает файл и шифрует его с помощью шифра Цезаря со сдвигом вправо на 3. Мы будем использовать набор символов по умолчанию – строчные буквы.

Функция принимает имя входного файла, имя выходного файла и параметры шифрования/дешифрования, которые мы рассматривали в предыдущем разделе.

Зашифруем файл ‘milky_way.txt’ (он содержит вводный абзац со страницы “Млечный путь” в Википедии).Мы выведем зашифрованный файл в ‘milky_way_encrypted.txt’.

Мы собираемся зашифровать его с помощью функции, которую мы определили ранее:

Давайте проверим, как теперь выглядит наш зашифрованный файл ‘Milky_way_encrypted.txt’:

Таким образом, наша функция успешно шифрует файл.

В качестве упражнения вы можете проверить функцию decrypt, передав путь к зашифрованному файлу в качестве входных данных и установив параметр ‘decrypt’ в True.

Проверьте, сможете ли вы восстановить исходный текст.

Убедитесь, что вы не передаете один и тот же путь к файлу в качестве входного и выходного данных, что приведет к нежелательным результатам, поскольку программа будет выполнять операции чтения и записи в один и тот же файл одновременно.

История и применение

Шифр Цезаря назван в честь Гая Юлия Цезаря, который использовал его с левым сдвигом на 3

Шифр Цезаря называют в честь Юлия Цезаря, который согласно «Жизни двенадцати цезарей» Светония использовал его со сдвигом 3, чтобы защищать военные сообщения. Хотя Цезарь был первым зафиксированным человеком, использующим эту схему, другие шифры подстановки, как известно, использовались и ранее.

Если у него было что-либо конфиденциальное для передачи, то он записывал это шифром, то есть так изменял порядок букв алфавита, что нельзя было разобрать ни одно слово. Если кто-либо хотел дешифровать его и понять его значение, то он должен был подставлять четвертую букву алфавита, а именно, D, для A, и так далее, с другими буквами.Гай Светоний Транквилл Жизнь двенадцати цезарей, Книга первая, гл. 56

Его племянник, Август, также использовал этот шифр, но со сдвигом вправо на один, и он не повторялся к началу алфавита:

Всякий раз, когда он записывал шифром, он записал B для A, C для B, и остальной части букв на том же самом принципе, используя AA для X.Гай Светоний Транквилл Жизнь двенадцати цезарей, Книга вторая, гл. 88

Есть доказательства, что Юлий Цезарь использовал также и более сложные схемы.

Неизвестно, насколько эффективным шифр Цезаря был в то время, но, вероятно, он был разумно безопасен, не в последнюю очередь благодаря тому, что большинство врагов Цезаря были неграмотными, и многие предполагали, что сообщения были написаны на неизвестном иностранном языке. Нет никаких свидетельств того времени касательно методов взлома простых шифров подстановки. Самые ранние сохранившиеся записи о частотном анализе — это работы Ал-Кинди 9-го века об открытии частотного анализа.

Шифр Цезаря со сдвигом на один используется на обратной стороне мезузы, чтобы зашифровать имена Бога. Это может быть пережитком с раннего времени, когда еврейскому народу не разрешили иметь мезузы.

В XIX веке личная секция рекламных объявлений в газетах иногда использовалась, чтобы обмениваться сообщениями, зашифрованными с использованием простых шифров. Кан (1967) описывает случаи когда любители участвовали в секретных коммуникациях, зашифрованных с использованием шифра Цезаря в «Таймс». Даже позднее, в 1915, шифр Цезаря находил применение: российская армия использовала его как замену для более сложных шифров, которые оказались слишком сложными для войск; у немецких и австрийских криптоаналитиков были лишь небольшие трудности в расшифровке этих сообщений.

Шифр Цезаря со сдвигом тринадцать также используется в алгоритме ROT13, простом методе запутывания текста, широко используемого в Usenet, и используется скорее как способ сокрытия спойлеров, чем как метод шифрования.
Шифр Виженера использует шифр Цезаря с различными сдвигами в каждой позиции в тексте; значение сдвига определяется с помощью повторяющегося ключевого слова. Если ключевое слово такое же длинное, как и сообщение, сгенерировано случайным образом, содержится в тайне и используется лишь однократно — такая схема называется схема одноразовых блокнотов — и это единственная система шифрования, для которой доказана абсолютная криптографическая стойкость.

Ключевые слова короче чем сообщение (например, «Complete Victory», используемое Конфедерацией во время гражданской войны в США), вводят циклический образец, который мог бы быть обнаружен с помощью улучшенной версии частотного анализа.

В апреле 2006 беглый босс Мафии Бернардо Провенцано был пойман в Сицилии частично из-за криптоанализа его сообщений, написанных с использованием вариации шифра Цезаря. В шифре Провенцано буквы сначала заменялись на числа — порядковые номера букв в алфавите, а уже к полученной последовательности чисел применялся шифр Цезаря — так, чтобы при сдвиге на 3 «A» была написана как «4», «B» как «5», и так далее.

Часто для удобства использования шифра Цезаря используют два насаженных на общую ось диска разного диаметра с нарисованными по краям дисков алфавитами. Изначально диски поворачиваются так, чтобы напротив каждой буквы алфавита внешнего диска находилась та же буква алфавита малого диска. Если теперь повернуть внутренний диск на несколько символов, то мы получим соответствие между символами внешнего диска и внутреннего — шифр Цезаря. Получившийся диск можно использовать как для шифрования, так и для расшифровки.

Например, если внутреннее колесо повернуть так, чтобы символу A внешнего диска соответствовал символ D внутреннего диска, то мы получим шифр со сдвигом 3 влево.

Немного о проекте

Мне, лично, давно была интересна тема шифрования информации, однако, каждый раз погрузившись в эту тему, я осознавал насколько это сложно и понял, что лучше начать с чего-то более простого. Я, лично, планирую написать некоторое количество статей на эту тему, в которых я покажу вам различные алгоритмы шифрования и их реализацию в Python, продемонстрирую и разберу свой проект, созданный в этом направлении. Итак, начнем.

Для начала, я бы хотел рассказать вам какие уже известные алгоритмы мы рассмотрим, в моих статьях. Список вам представлен ниже:

• Шифр Цезаря

• Шифр Виженера

• Шифр замены

• Омофонический шифр

• RSA шифрование

Книжный шифр

Суть метода книжного шифра — это выбор любого текста из книги, и замена каждой буквы шифруемого слова номером слова в выбранном тексте, начинающегося на нужную букву. Можно заменять не на номер слова, а на координату буквы (строка, номер в строке). При этом одной исходной букве может соответствовать несколько разных кодов, ведь одна и та же буква может находиться в разных местах. Для кодирования обычно используют страницу из какой-то заранее оговоренной книги. Без знания кодовой страницы расшифровать такие зашифрованные послания практически невозможно.

Если же в качестве ключа использовать целую книгу (например, словарь), то можно зашифровывать не отдельные буквы, а целые слова и даже фразы. Тогда координатами слова будут номер страницы, номер строки и номер слова в строке. На каждое слово получится три числа. Можно также использовать внутреннюю нотацию книги — главы, абзацы и т.п. Например, в качестве кодовой книги удобно использовать Библию, ведь там есть четкое разделение на главы, и каждый стих имеет свою маркировку, что позволяет легко найти нужную строку текста. Правда, в Библии нет современных слов типа «компьютер» и «интернет», поэтому для современных фраз лучше, конечно, использовать энциклопедический или толковый словарь. Хотя если заранее договориться о некой применяемой фене, например, «смоковница» — это «компьютер», «грех» — это «байт» и т.п., то на основании Библии можно будет шифровать и современные тексты.

Это были шифры замены, в которых буквы заменяются на другие. А ещё бывают перестановочные шифры, в которых буквы не заменяются, а перемешиваются между собой.

Шифр Цезаря

Итак, после небольшого введения в цикл, я предлагаю все-таки перейти к основной теме сегодняшней статьи, а именно к Шифру Цезаря.

Что это такое?

Шифр Цезаря — это простой тип подстановочного шифра, где каждая буква обычного текста заменяется буквой с фиксированным числом позиций вниз по алфавиту. Принцип его действия можно увидеть в следующей иллюстрации:

Какими особенностями он обладает?

У Шифра Цезаря, как у алгоритма шифрования, я могу выделить две основные особенности. Первая особенность — это простота и доступность метода шифрования, который, возможно поможет вам погрузится в эту тему, вторая особенность — это, собственно говоря, сам метод шифрования.

Программная реализация

В интернете существует огромное множество уроков, связанных с криптографией в питоне, однако, я написал максимально простой и интуитивно понятный код, структуру которого я вам продемонстрирую.

Начнем, пожалуй, с создания алфавита. Для этого вы можете скопировать приведенную ниже строку или написать все руками.

Далее, нам нужно обозначить программе шаг, то есть смещение при шифровании. Так, например, если мы напишем букву «а» в сообщении, тот при шаге «2», программа выведет нам букву «в».

Итак, создаем переменнуюsmeshenie, которая будет вручную задаваться пользователем, и message, куда будет помещаться наше сообщение, и, с помощью метода возводим все символы в нашем сообщении в верхний регистр, чтобы у нас не было ошибок. Потом создаем просто пустую переменную itog, куда мы буем выводить зашифрованное сообщение. Для этого пишем следующее:

Итак, теперь переходим к самому алгоритму шифровки. Первым делом создаем цикл, где мы определим место букв, задействованных в сообщении, в нашем списке alfavit, после чего определяем их новые места (далее я постараюсь насытить код с пояснениями):

Далее, мы создаем внутри нашего цикла условие , в нем мы записываем в список itog мы записываем наше сообщение уже в зашифрованном виде и выводим его:

Модернизация

Вот мы и написали программу, однако она имеет очень большой недостаток: «При использовании последних букв(русских), программа выведет вам английские буквы. Давайте это исправим.

Для начала создадим переменную lang, в которой будем задавать язык нашего шифра, а так же разделим английский и русский алфавиты.

Теперь нам надо создать условие, которое проверит выбранный язык и применит его, то есть обратится к нужному нам алфавиту. Для этого пишем само условие и добавляем алгоритм шифрования, с помощью которого будет выполнено шифрование:

Дешифровка сообщения

Возможно это прозвучит несколько смешно, но мы смогли только зашифровать сообщение, а насчет его дешифровки мы особо не задумывались, но теперь дело дошло и до неё.

По сути, дешифровка — это алгоритм обратный шифровке. Давайте немного переделаем наш код (итоговый вид вы можете увидеть выше).

Для начала, я предлагаю сделать «косметическую» часть нашей переделки. Для этого перемещаемся в самое начало кода:

Остальное можно оставить так же, но если у вас есть желание, то можете поменять названия переменных.

По большому счету, самые ‘большие’ изменения у нас произойдут в той части кода, где у нас находится алгоритм, где нам нужно просто поменять знак «+» на знак «-«. Итак, переходим к самому циклу:

Что такое таблица поиска?

Таблица поиска – это просто отображение исходных символов и символов, которые должны быть переведены в зашифрованную форму.

До сих пор мы итерировали каждую букву в строке и вычисляли их измененные позиции.

Это неэффективно, поскольку наш набор символов ограничен, и большинство из них встречается в строке более одного раза.

Поэтому вычисление их зашифрованной эквивалентности каждый раз, когда они встречаются, неэффективно и становится дорогостоящим, если мы шифруем очень длинный текст с сотнями тысяч символов в нем.

Мы можем обойти это, вычисляя измененные позиции каждого из символов в нашем наборе символов только один раз перед началом процесса шифрования.

Таким образом, если есть 26 заглавных и 26 строчных букв, нам потребуется всего 52 вычисления один раз и некоторое количество памяти для хранения этого отображения.

Тогда в процессе шифрования и дешифрования нам нужно будет только выполнить “поиск” в этой таблице – операция, которая быстрее, чем каждый раз выполнять операцию модуляции.

Создание таблицы поиска

Строковый модуль Python предоставляет простой способ не только создать таблицу поиска, но и перевести любую новую строку на основе этой таблицы.

Рассмотрим пример, когда мы хотим создать таблицу первых пяти строчных букв и их индексов в алфавите.

Затем мы используем эту таблицу для перевода строки, в которой все символы “a”, “b”, “c”, “d” и “e” заменены на “0”, “1”, “2”, “3” и “4” соответственно, а остальные символы не тронуты.

Для создания таблицы мы будем использовать функцию maketrans() модуля str.

Этот метод принимает в качестве первого параметра строку символов, для которых требуется перевод, и другой параметр такой же длины, содержащий сопоставленные символы для каждого символа первой строки.

Давайте создадим таблицу для простого примера.

Таблица представляет собой словарь Python, в котором в качестве ключей указаны значения символов Unicode, а в качестве значений – их соответствующие отображения.

Теперь, когда у нас есть готовая таблица, мы можем переводить строки любой длины с помощью этой таблицы.

К счастью, за перевод отвечает другая функция модуля str, называемая translate.

Давайте используем этот метод для преобразования нашего текста с помощью нашей таблицы.

Как вы можете видеть, каждый экземпляр первых пяти строчных букв был заменен их относительными индексами.

Теперь мы используем ту же технику для создания таблицы поиска для шифра Цезаря на основе предоставленного ключа.

Source code

dCode retains ownership of the online ‘Caesar Cipher’ tool source code. Except explicit open source licence (indicated CC / Creative Commons / free), any ‘Caesar Cipher’ algorithm, applet or snippet (converter, solver, encryption / decryption, encoding / decoding, ciphering / deciphering, translator), or any ‘Caesar Cipher’ function (calculate, convert, solve, decrypt / encrypt, decipher / cipher, decode / encode, translate) written in any informatic language (Python, Java, PHP, C#, Javascript, Matlab, etc.) and no data download, script, copy-paste, or API access for ‘Caesar Cipher’ will be for free, same for offline use on PC, tablet, iPhone or Android ! dCode is free and online.

Взлом шифра

Сдвиг дешифрования	Открытый текст кандидата
exxegoexsrgi
1	dwwdfndwrqfh
2	cvvcemcvqpeg
3	buubdlbupodf
4	атака сразу
5	zsszbjzsnmbd
6	yrryaiyrmlac
…
23	haahjrhavujl
24	gzzgiqgzutik
25	fyyfhpfytshj

Шифр Цезаря может быть легко взломан даже при использовании только зашифрованного текста . Можно рассмотреть две ситуации:

1. злоумышленник знает (или догадывается), что был использован какой-то простой шифр подстановки, но не специально, что это схема Цезаря;
2. злоумышленник знает, что используется шифр Цезаря, но не знает значения сдвига.

В первом случае шифр можно взломать с использованием тех же методов, что и для обычного простого шифра подстановки, такого как частотный анализ или шаблонные слова. Во время решения злоумышленник, вероятно, быстро заметит закономерность в решении и сделает вывод, что шифр Цезаря — это конкретный используемый алгоритм.

Распределение букв в типичном образце текста на английском языке имеет характерную и предсказуемую форму. Сдвиг Цезаря «вращает» это распределение, и можно определить сдвиг, исследуя результирующий частотный график.

Во втором случае сломать схему еще проще. Поскольку существует только ограниченное количество возможных сдвигов (25 на английском языке), каждый из них может быть протестирован по очереди с помощью грубой силы . Один из способов сделать это — записать фрагмент зашифрованного текста в таблицу всех возможных сдвигов — метод, иногда известный как «завершение простого компонента». Данный пример относится к зашифрованному тексту « EXXEGOEXSRGI »; открытый текст мгновенно распознается глазом при сдвиге в четыре раза. Другой способ рассмотрения этого метода состоит в том, что под каждой буквой зашифрованного текста весь алфавит записывается в обратном порядке, начиная с этой буквы. Эту атаку можно ускорить, используя набор полосок, на которых алфавит записан в обратном порядке. Затем полосы выравниваются, чтобы сформировать зашифрованный текст вдоль одной строки, а открытый текст должен появиться в одной из других строк.

Другой подход грубой силы — сопоставление частотного распределения букв. Построив график частот букв в зашифрованном тексте и зная ожидаемое распределение этих букв в исходном языке открытого текста, человек может легко определить значение сдвига, глядя на смещение конкретных элементов графика. Это называется частотным анализом . Например, в английском языке частоты открытого текста букв E , T (обычно наиболее частые) и Q , Z (обычно наименее частые) особенно различимы. Компьютеры также могут делать это, измеряя, насколько хорошо фактическое распределение частот совпадает с ожидаемым распределением; например, можно использовать статистику хи-квадрат .

Для открытого текста на естественном языке обычно будет только одно правдоподобное дешифрование, хотя для очень коротких открытых текстов возможно несколько кандидатов. Например, зашифрованный текст MPQY может быть правдоподобно расшифрован как « аден » или « знать » (при условии, что открытый текст на английском языке); аналогично « АЛИИП » с « куклами » или « колесом »; и « AFCCP » до « Jolly » или « приветствие » (смотри также Юнисити расстояние ).

С шифром Цезаря многократное шифрование текста не обеспечивает дополнительной безопасности. Это потому , что две шифровки, скажем, сдвиг А и сдвиг B , будет эквивалентна одному шифрования со сдвигом A + B . С математической точки зрения, набор операций шифрования под каждым возможным ключом образует группу по составу .

Криптография

Наука защиты информации от попадания в чужие руки, за счет преобразования в форму, которую злоумышленники неспособны распознать как в процессе хранения, так и выдачи, существует уже более двух тысяч лет.

Само понятие криптология происходит от двух слов, означающих «скрытый» и «писать», что позволяет сделать общение непонятным для всех, за исключением предполагаемых получателей. Сообщение, которое предполагается к отправлению, называется открытым текстом, в то время как то, которое уже является фактически отправленным, представляет собой уже зашифрованный текст. Принято выделять два основных вида криптографии, предполагающие, в зависимости от типа ключей безопасности, применяемых с целью шифрования и последующей дешифровки данных, асимметричные и симметричные методы кодирования.

Полиалфавитные шифры

Шифр Виженера

Естественным развитием шифра Цезаря стал шифр Виженера. В отличие от моноалфавитных это уже полиалфавитный шифр. Шифр Виженера состоит из последовательности нескольких шифров Цезаря с различными значениями сдвига. Для зашифровывания может использоваться таблица алфавитов, называемая «tabula recta» или «квадрат (таблица) Виженера». На каждом этапе шифрования используются различные алфавиты, выбираемые в зависимости от буквы ключевого слова.

Для латиницы таблица Виженера может выглядеть вот так:

Для русского алфавита вот так:

Легко заметить, что строки этой таблицы — это ROT-шифры с последовательно увеличивающимся сдвигом.

Шифруют так: под строкой с исходным текстом во вторую строку циклически записывают ключевое слово до тех пор, пока не заполнится вся строка. У каждой буквы исходного текста снизу имеем свою букву ключа. Далее в таблице находим кодируемую букву текста в верхней строке, а букву кодового слова слева. На пересечении столбца с исходной буквой и строки с кодовой буквой будет находиться искомая шифрованная буква текста.

Важным эффектом, достигаемым при использовании полиалфавитного шифра типа шифра Виженера, является маскировка частот появления тех или иных букв в тексте, чего лишены шифры простой замены. Поэтому к такому шифру применить частотный анализ уже не получится.

Ниже приведён пример настоящих шифров на базе шифра Виженера, использовавшихся польскими шпионами на территории СССР перед войной.

Шифр Гронсвельда

Это вариация шифра Виженера, где вместо ключевого слова применяется ключевое число, цифры которого показывают, какой из ROT-шифров применять (на сколько позиций сдвигать букву).

Взлом шифра

Сдвиг де-шифровки	Открытый текст
exxegoexsrgi
1	dwwdfndwrqfh
2	cvvcemcvqpeg
3	buubdlbupodf
4	attackatonce
5	zsszbjzsnmbd
6	yrryaiyrmlac
…
23	haahjrhavujl
24	gzzgiqgzutik
25	fyyfhpfytshj

Шифр Цезаря может быть легко взломан даже в случае, когда взломщик знает только зашифрованный текст. Можно рассмотреть две ситуации:

1. Взломщик знает (или предполагает), что использовался простой шифр подстановки, но не знает, что это — схема Цезаря.
2. Взломщик знает, что использовался шифр Цезаря, но не знает значение сдвига.

В первом случае шифр может быть взломан, используя те же самые методы что и для простого шифра подстановки, такие как частотный анализ и т. д. Используя эти методы, взломщик, вероятно, быстро заметит регулярность в решении и поймёт, что используемый шифр — это шифр Цезаря.

Распределение букв в типичном образце текста на английском языке имеет характерный и предсказуемый вид. Шифр Цезаря «поворачивает» это распределение, и возможно определить сдвиг, проверяя график частот для каждого из возможных сдвигов

Во втором случае взлом шифра является даже более простым. Существует не так много вариантов значений сдвига (26 для английского языка), все они могут быть проверены методом грубой силы.
Один из способов сделать это — выписать отрывок зашифрованного текста в столбец всех возможных сдвигов — техника, иногда называемая как «завершение простого компонента».
Рассмотрим пример для зашифрованного текста «EXXEGOEXSRGI»; открытый текст немедленно опознается глазом в четвертой строке.

Другой способ применения этого метода — это написать алфавит под каждой буквой зашифрованного текста, начиная с этой буквы. Метод может быть ускорен, если использовать заранее подготовленные полоски с алфавитом. Для этого нужно сложить полоски так, чтобы в одной строке образовался зашифрованный текст, тогда в некоторой другой строке мы увидим открытый текст.

Другой подход к применению метода грубой силы для взлома — проверить частоты встречаемости букв. Изобразив диаграммой частоты встречания букв в зашифрованном тексте, и зная ожидаемое распределение букв для обычного текста на рассматриваемом языке, можно легко определить сдвиг, взглянув на смещение некоторых характерных черт на диаграмме. Этот метод известен как частотный анализ. Например, в тексте на английском языке частота букв E, T, (обычно наиболее частых), и Q, Z (обычно более редких) особенно различаются. Этот процесс можно автоматизировать, сделав, чтобы компьютерная программа оценивала, насколько хорошо фактическое распределение частот соответствует ожидаемому распределению. Например, может использоваться критерий хи-квадрат.

Для обычного текста на естественном языке, скорее всего, будет только один вариант декодирования. Но, если использовать очень короткие сообщения, то возможны случаи, когда возможны несколько вариантов расшифровки с различными сдвигами. Например зашифрованный текст «MPQY» может быть расшифрован как «aden» так и как «know» (предполагая, что открытый текст написан на английском языке). Точно также «ALIIP» можно расшифровать как «dolls» или как «wheel»; «AFCCP» как «jolly» или как «cheer» (см. также расстояние единственности).

Многократное шифрование никак не улучшает стойкость, так как применение шифров со сдвигом a и b эквивалентно применению шифра со сдвигом a + b. В математических терминах шифрование с различными ключами образует группу.