Шифры замены и перестановки

В своей работе «Математическая теория секретной связи» Клод Шеннон обобщил накопленный до него опыт разработки шифров. Оказалось, что даже в сложных шифрах в качестве типичных компонентов можно выделить шифры замены, шифры перестановки или их сочетания. Эти шифры можно считать как бы базовыми.

Шифр замены является простейшим, наиболее популярным шифром. Типичными примерами являются шифр Цезаря, «цифирная азбука» Петра Великого и «пляшущие человечки» А. Конан‑Дойля. Как видно из самого названия, шифр замены осуществляет преобразование замены букв или других «частей» открытого текста на аналогичные «части» шифрованного текста. Понятно, что, увеличив алфавиты, т.е. объявив «части» буквами, можно любой шифр замены свести к замене букв. Теперь уже легко дать математическое описание шифра замены. Пусть X и Y – два алфавита открытого и соответственно шифрованного текстов, состоящие из одинакового числа символов. Пусть также g: X → Y – взаимно‑однозначное отображение X в Y. Это значит, что каждой букве x алфавита X сопоставляется однозначно определенная буква y алфавита Y, которую мы обозначаем символом g (x), причем разным буквам сопоставляются разные буквы. Тогда шифр замены действует так: открытый текст x ₁ x ₂... x _n преобразуется в шифрованный текст g (x ₁) g (x ₂)... g (x _n). К вопросу о вскрытии шифра замены мы вернемся в этюде 2.8.

Шифр перестановки, как видно из названия, осуществляет преобразование перестановки букв в открытом тексте. Типичным и древнейшим примером шифра перестановки является шифр «Сциталь». Обычно открытый текст разбивается на отрезки равной длины, и каждый отрезок шифруется (т.е. в нем переставляются буквы) независимо. Пусть, например, длина отрезков равна n и σ – взаимно‑однозначное отображение множества {1,2,..., n } в себя. Тогда шифр перестановки действует так: отрезок открытого текста x ₁... x _n преобразуется в отрезок шифрованного текста x _{σ (1)}... x _{σ (n)}.

Важной проблемой при практическом использовании шифров замены и перестановки является проблема удобного запоминания отображений g и σ. Ясно, что легко запоминать некоторые отображения: например, отображения «небольших» размеров, отображения, реализуемые каким‑нибудь предметом (сциталь в шифре «Сциталь» и т.п.). Если же отображение «большого» размера, то процесс запоминания сильно усложняется. Например, широко известны биграммные шифры. В них преобразовывались биграммы (пары букв). Поскольку количество биграмм превышает 1000, то на практике биграммные шифры выглядят как специальные книжки.

Для облегчения запоминания отображений g и σ изобретались различные хитроумные способы. Правда, «расплатой» за это было упрощение используемых отображений и тем самым уменьшение стойкости шифров.

Популярным способом запоминания отображения σ, т.е. шифра перестановки, является следующий. Пусть, например, n =20. Берем прямоугольную таблицу размера 4x5, вписываем в нее открытый текст «по строкам», а шифрованный текст считываем «по столбцам». Возможны и более хитрые способы вписывания и считывания.

Подумайте сами:

1. Выпишите отображение g для шифра Цезаря.

2. Выпишите отображение σ для описанного шифра перестановки – прямоугольника 4×5.