Төрт шаршы шифрі: Симметриялық шифрлеу әдісі

Кіріспе

Симетриялық шифрлау
Төрт шаршы шифры – қолмен жүзеге асырылатын симетриялық шифрлеу техникасы. Оны француз криптографы Феликс Деластель ойлап тапқан. Бұл техника әріптердің жұптарын (диграфтарды) шифрлейді, осылайша полиграфиялық алмастыру шифрлары деп аталатын шифрлар санатына жатады. Бұл, бір символмен жұмыс істейтін монографиялық алмастыру шифрларымен салыстырғанда шифрлеудің күшін едәуір арттырады. Диграфтарды пайдалану төрт шаршы шифрын жиілік талдауына қарсы шабуылдарға көбірек төзімді етеді, себебі талдау монографиялық алмастыру үшін 26 ғана емес, 676 мүмкін диграф бойынша жүргізілуі тиіс. Диграфтардың жиілік талдауы мүмкін, бірақ ол әлдеқайда қиын, және пайдалы болу үшін көбінесе әлдеқайда үлкен шифрланған мәтін қажет.

Төрт шаршы криптоанализ

Қазіргі заманға дейінгі шифрлардың көпшілігі сияқты, төрт шаршы шифры жеткілікті мәтін болса, оны оңай бұзуға болады. Кілтті алу, егер жай мәтін де, шифрланған мәтін де белгілі болса, салыстырмалы түрде оңай. Тек шифрлық мәтін белгілі болған жағдайда, шифрды криптоанализдеу кілт кеңістігінде диграммалардың (әріптер жұбы) кездесу жиілігі мен бастапқы хабарламаның күтілетін тіліндегі диграммалардың жиілігі арасындағы сәйкестіктерді іздеуді қамтиды. Төрт шаршыны криптоанализдеу әдетте қайталама монограммалардың үлгілерін табуға негізделген. Бұл тек екі жай мәтін матрицасы белгілі болғанда ғана мүмкін. Төрт шаршы шифрлеу әдетте осы матрицаларда стандартты әліпбилерді пайдаланады, бірақ бұл міндетті емес. Егер осылай болса, кейбір сөздер әрқашан бір әріпті шифрлық мәтін ретінде қайталанады. Мысалы, MI LI TA RY сөзі қолданылған кілт сөздерге қарамастан, бірінші және үшінші орында әрқашан бірдей шифрлық мәтін әрпін береді. Мұндай үлгілерді тізімдеуге болады және шифрлық мәтіндегі бір әріпті қайталаулармен салыстыруға болады. Содан кейін шифрланған мәтін матрицаларын анықтау үшін үміткер жай мәтін енгізілуі мүмкін. Playfair шифрынан айырмашылығы, төрт шаршы шифры кері жай мәтіндік диграммалар үшін кері шифрланған мәтіндік диграммаларды көрсетпейді (мысалы, AB BA диграммалары Playfair-де XY YX үлгісіне шифрланады, бірақ төрт шаршыда емес). Бұл, әрине, екі кілт сөз әртүрлі болған жағдайда ғана дұрыс. Four Square пен Playfair арасындағы тағы бір айырмашылық, төрт шаршыны күшті шифрлау құралына айналдырады, ол төрт шаршы шифр мәтінінде екі әріпті диграммалардың пайда болуына байланысты. Барлық өлшемдер бойынша, төрт шаршы Playfair-ден ақпаратты шифрлеу үшін күшті жүйе болып табылады. Алайда, екі кілтті пайдалану салдарынан ол қиынрақ, және шифрлеу/дешифрлеу кестесін дайындау көп уақытты қажет етеді. Playfair-ге қарағанда төрт шаршының шифрлеу күшін арттыруы маргиналды екенін және екі схема да жеткілікті шифрлық мәтін болса оңай жеңіле алатынын ескере отырып, Playfair көбірек таралды. Төрт шаршы шифрының кілтін қайта құру туралы жақсы оқулықты АҚШ Армиясы жариялаған 34 40 2 Далалық нұсқаулығының 7-тарауында, "Полиграфиялық алмастыру жүйелеріне шешімдер" деген бөлімде табуға болады.

Like most pre modern era ciphers, the four square cipher can be easily cracked if there is enough text. Obtaining the key is relatively straightforward if both plaintext and ciphertext are known. When only the ciphertext is known, brute force cryptanalysis of the cipher involves searching through the key space for matches between the frequency of occurrence of digrams (pairs of letters) and the known frequency of occurrence of digrams in the assumed language of the original message. Cryptanalysis of four square generally involves pattern matching on repeated monographs. This is only the case when the two plaintext matrices are known. A four square encipherment usually uses standard alphabets in these matrices but it is not a requirement. If this is the case, then certain words will always produce single letter ciphertext repeats. For instance, the word MI LI TA RY will always produce the same ciphertext letter in the first and third positions regardless of the keywords used. Patterns like these can be cataloged and matched against single letter repeats in the ciphertext. Candidate plaintext can then be inserted in an attempt to uncover the ciphertext matrices. Unlike the Playfair cipher, a four square cipher will not show reversed ciphertext digraphs for reversed plaintext digraphs (e. g. the digraphs AB BA would encrypt to some pattern XY YX in Playfair, but not in four square). This, of course, is only true if the two keywords are different. Another difference between four square and Playfair which makes four square a stronger encryption is the fact that double letter digraphs will occur in four square ciphertext. By all measures, four square is a stronger system for encrypting information than Playfair. However, it is more cumbersome because of its use of two keys, and, preparing the encryption/decryption sheet can be time consuming. Given that the increase in encryption strength afforded by four square over Playfair is marginal and that both schemes are easily defeated if sufficient ciphertext is available, Playfair has become much more common. A good tutorial on reconstructing the key for a four square cipher can be found in chapter 7, "Solution to Polygraphic Substitution Systems," of Field Manual 34 40 2, produced by the United States Army.