Кіріспе
Playfair шифры немесе Playfair квадраты немесе Wheatstone–Playfair шифры – қолмен жүзеге асырылатын симметриялық шифрлеу техникасы және әдеби диграммалық алмастыру шифрының алғашқы нұсқасы. Бұл схеманы 1854 жылы Чарльз Уитстон ойлап тапқан, бірақ оны қолдануын кеңейткені үшін Лорд Плейфэрдің есімімен аталады. Бұл техника қарапайым алмастыру шифрындағы және сол кезде қолданылған күрделі Виженер шифр жүйелеріндегідей жеке әріптердің орнына әріптердің жұбын (биграммалар немесе диграммалар) шифрлейді. Playfair шифрын бұзу әлдеқайда қиын, себебі қарапайым алмастыру шифрларын бұзу үшін қолданылатын жиілік талдауы оған қатысты жұмыс істемейді. Биграммалардың жиілігін талдау мүмкін, бірақ ол әлдеқайда күрделі. 600 мүмкін биграмма бар, ал 26 мүмкін монограмманың (осы контексте әдетте әріптер) орнына, шифрланған мәтіннің тиімді болуы үшін айтарлықтай үлкен көлемде болуы қажет.
The Playfair cipher or Playfair square or Wheatstone–Playfair cipher is a manual symmetric encryption technique and was the first literal digram substitution cipher. The scheme was invented in 1854 by Charles Wheatstone, but bears the name of Lord Playfair for promoting its use. The technique encrypts pairs of letters (bigrams or digrams), instead of single letters as in the simple substitution cipher and rather more complex Vigenère cipher systems then in use. The Playfair cipher is thus significantly harder to break since the frequency analysis used for simple substitution ciphers does not work with it. The frequency analysis of bigrams is possible, but considerably more difficult. With 600 possible bigrams rather than the 26 possible monograms (single symbols, usually letters in this context), a considerably larger cipher text is required in order to be useful.
Тарих
Playfair шифры криптология тарихында әріптер жұбын шифрлеген алғашқы шифрлау жүйесі болды. Уитстоун телеграфияда құпиялылықты қамтамасыз ету үшін бұл шифрды ойлап тапты, бірақ оның досы, Сент-Эндрюстің бірінші бароны, Лорд Плейфэрдің есімімен танылды, ол оның қолданылуын кеңейтті. Бірақ кейіннен бұл шифрды британдық әскерлері Екінші Бур соғысында және Бірінші дүниежүзілік соғыста, ал Екінші дүниежүзілік соғыста британдықтар мен австралиялықтар тактикалық мақсаттар үшін қолданды. Бұған себебі Playfair шифрын қолдану салыстырмалы түрде жылдам және ешқандай арнайы құралдарды қажет етпейді – тек қарындаш пен қағаз ғана керек. Playfair шифрын қолданудың әдеттегі жағдайы – нақты шайқас кезінде маңызды, бірақ аса құпия емес ақпаратты қорғау, мысалы, артиллериялық түтін снарядтары сарбаздардың келесі мақсатқа қарай жылжуын жабу үшін 30 минут ішінде басталатыны туралы хабарлама. Дұшман криптоанализшілері мұндай хабарламаларды бірнеше сағаттан кейін ғана жасыра алғанда, бұл ақпарат олар үшін ешқандай пайдалы болмайды, себебі ол уақытқа қарай өткізіп алған болады. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Жаңа Зеландия үкіметі оны Жаңа Зеландия, Чатем аралдары және Тынық мұхиты аралдарындағы жағалау күзетшілері арасындағы байланыс үшін пайдаланды. Австралия Корольдік теңіз күштерінің құпия қызметі де осы шифрды қолданды.
Орнына ауыстырылған
Playfair шифры енді әскери күштерде қолданылмайды, себебі оның қауіпсіздігі бұзылған және автоматтандырылған шифрлау құрылғылары пайда болды. Бұл шифр Бірінші дүниежүзілік соғыстан бұрын-ақ қауіпсіз емес деп есептелген. Playfair шифрын алғаш рет шешкенін лейтенант Джозеф О. Моборн 1914 жылы жариялаған 19 беттік кітапшасында сипаттаған. Уильям Фридман 1942 жылы оның өте төмен деңгейдегі қауіпсіздік қамтамасыз ететінін айтқан.
Сипаттама
Playfair шифры 5*5 кесте қолданады, онда кілт сөз немесе сөз тіркесі болады. Кілт сөзді және 4 қарапайым ережені жаттап алу 5x5 кесте жасау және шифрды пайдалану үшін қажет еді. Кілт кестесін жасау үшін алдымен кестедегі бос орындарды (өзгертілген Полибиус квадраты) кілт сөздің әріптерімен толтырады (қайталама әріптерді жіберіп), содан кейін қалған бос орындарды әліпбидің қалған әріптерімен толтырады (әдетте "J" немесе "Q" әріптерін азайту үшін; басқа нұсқалары "I" және "J" әріптерін бір орынға қояды). Кілтті кесте жоғарғы қатарларына, солдан оңға қарай немесе басқа үлгіде, мысалы, жоғарғы сол жақ бұрышынан басталып, ортада аяқталатын спиральмен жазуға болады. Кілт сөз 5x5 кестесін толтыру ережелерімен бірге шифр кілтін құрайды. Хабарды шифрлау үшін оны диграммаларға (екі әріптен тұратын топтарға) бөлу керек, мысалы, "HelloWorld" "HE LL OW OR LD" болады. Бұл диграммалар кілт кестесі арқылы алмастырылады. Шифрлау үшін әріптер жұптары қажет болғандықтан, тақ санды әріптері бар хабарларға әдетте "X" сияқты сирек кездесетін әріп қосылады, соңғы диграмманы толықтыру үшін. Диграмманың екі әріпі кілт кестесіндегі тіктөртбұрыштың қарама-қарсы бұрыштары болып саналады. Алмастыруды орындау үшін, қарапайым мәтіндегі әр әріп жұбына келесі 4 ережені ретпен қолданыңыз: Егер екі әріп те бірдей болса (немесе тек бір әріп қалса), бірінші әріптен кейін "X" әрпін қосыңыз. Жаңа жұпты шифрлап, жалғастырыңыз. Playfair-дің кейбір нұсқалары "X" орнына "Q" қолданады, бірақ кез келген әріп, қайталанатын жұп ретінде сирек кездесетін, жарайды. Егер әріптер кестеде бір қатарда орналасса, оларды оң жақтағы әріптермен алмастырыңыз (егер бастапқы жұптағы әріптер қатардың оң жағында болса, қатардың сол жағына оралыңыз). Егер әріптер кестеде бір бағанда орналасса, оларды төмендегі әріптермен алмастырыңыз (егер бастапқы жұптағы әріп бағанның төменгі жағында болса, бағанның жоғарғы жағына оралыңыз). Егер әріптер бір қатарда немесе бағанда болмаса, оларды бір қатардағы әріптермен алмастырыңыз, бірақ бастапқы жұппен анықталған тіктөртбұрыштың басқа екі бұрышында. Реті маңызды – шифрланған жұптың бірінші әрпі қарапайым мәтін жұбының бірінші әрпімен бір қатарда орналасқан әріп. Дешифрлеу үшін екі алмастыру ережесінің керісінше (қарсы) қолданыңыз, солға немесе жоғары қарай әріпті таңдаңыз. Соңғы ереже өзгермейді, өйткені түрлендіру тіктөртбұрыштың таңдалған әріптерін қарама-қарсы диагоналға ауыстырады, ал түрлендіруді қайталау таңдалған әріпті бастапқы күйіне қайтарады. Бірінші ережені тек таңдалған кірістіру әрпінің қосымша мысалдарынан құтылу арқылы кері қайтаруға болады, әдетте "X" немесе "Q", аяқталған хабарда мағынасы жоқ. Playfair шифрының бірнеше шағын нұсқалары бар.
If both letters are the same (or only one letter is left), add an "X" after the first letter. Encrypt the new pair and continue. Some variants of Playfair use "Q" instead of "X", but any letter, itself uncommon as a repeated pair, will do. If the letters appear on the same row of your table, replace them with the letters to their immediate right respectively (wrapping around to the left side of the row if a letter in the original pair was on the right side of the row). If the letters appear on the same column of your table, replace them with the letters immediately below respectively (wrapping around to the top side of the column if a letter in the original pair was on the bottom side of the column). If the letters are not on the same row or column, replace them with the letters on the same row respectively but at the other pair of corners of the rectangle defined by the original pair. The order is important – the first letter of the encrypted pair is the one that lies on the same row as the first letter of the plaintext pair. To decrypt, use the inverse (opposite) of the two shift rules, selecting the letter to the left or upwards as appropriate. The last rule remains unchanged, as the transformation switches the selected letters of the rectangle to the opposite diagonal, and a repeat of the transformation returns the selection to its original state. The first rule can only be reversed by dropping any extra instances of the chosen insert letter — generally "X"s or "Q"s — that do not make sense in the final message when finished. There are several minor variations of the original Playfair cipher.
Криптоанализ
Қалай-дағы көптеген классикалық шифрлар сияқты, Playfair шифры да жеткілікті мәтін болса оңай бұзылуы мүмкін. Кілтті алу, жай мәтін де, шифрланған мәтін де белгілі болса, салыстырмалы түрде оңай. Тек шифрланған мәтін ғана белгілі болған жағдайда, шифрды криптоталдау кілт кеңістігінде диграммалардың (әріптер жұбы) кездесу жиілігі мен бастапқы хабарламаның болжамды тіліндегі диграммалардың кездесу жиілігі арасындағы сәйкестіктерді іздеуді қамтиды. Playfair шифрын криптоталдау төрт шаршы және екі шаршы шифрларына ұқсас, бірақ Playfair жүйесінің салыстырмалы қарапайымдығы үміткер жай мәтін тізбектерін анықтауды жеңілдетеді. Ең бастысы, Playfair диграфы және оның керісі (мысалы, AB және BA) жай мәтіндегі бірдей әріп үлгісіне (мысалы, RE және ER) шифрланады. Ағылшын тілінде кері диграммаларды қамтитын көптеген сөздер бар, мысалы, RECEIVER және DEPARTED. Шифрланған мәтіндегі жақын маңдағы кері диграммаларды анықтау және оларды белгілі жай мәтін сөздерінің тізімімен сәйкестендіру, кілтті құрастыруды бастау үшін мүмкін жай мәтін тізбектерін жасаудың оңай жолы. Playfair шифрын шешудің тағы бір тәсілі – shotgun hill climbing әдісі. Бұл кездейсоқ әріптер квадратынан басталады. Содан кейін шағын өзгерістер енгізіледі (яғни әріптерді, қатарларды ауыстыру немесе бүкіл квадратты кері қайтару) кандидат жай мәтіні өзгеріске дейін стандартты жай мәтінге ұқсас па екенін анықтау үшін (мысалы, диграммаларды белгілі жиілік кестесімен салыстыру арқылы). Егер жаңа квадрат жақсартылған деп табылса, ол қабылданады және одан да жақсы кандидатты табу үшін одан әрі өзгертіледі. Ақырында, жай мәтін немесе оған өте жақын нәрсе таңдалған бағалау әдісі бойынша максималды баллға жетеді. Бұл, әрине, қалыпты адамның шыдамдылығынан асып түседі, бірақ компьютерлер осы алгоритмді салыстырмалы түрде аз мәтінмен Playfair шифрларын бұзу үшін пайдалана алады. Playfair шифрын төрт шаршы және екі шаршы шифрларынан ерекшелендіретін тағы бір ерекшелік – ол ешқашан екі бірдей әріптен тұратын диграмманы, мысалы EE қамтымайды. Егер шифрланған мәтінде екі бірдей әріптен тұратын диграммалар болмаса және хабарламаның ұзындығы оны статистикалық тұрғыдан маңызды ететін болса, шифрлау әдісі Playfair болуы мүмкін. Playfair шифрын қайта құру бойынша жақсы нұсқаулықты АҚШ армиясы шығарған 34-40-2 далалық нұсқаулығының 7-тарауында, «Полиграфиялық алмастыру жүйелерінің шешімдері» деген тақырыпта табуға болады. Playfair шифрының тағы бір криптоталдауын Хелен Фуше Гейнстің «Криптоталдау / шифрлар және олардың шешімдері» кітабының XXI тарауында кездестіруге болады. Playfair шифрының егжей-тегжейлі криптоталдауы Дороти Л. Сайерстің «Оның денесі болсын» құпия романының 28-тарауында жүзеге асырылады. Бұл оқиғада Playfair хабарламасы криптографиялық тұрғыдан нашар екені көрсетілген, өйткені детектив хабарламаның пішімделуі туралы бірнеше болжам жасап, бүкіл кілтті шеше алады (бұл жағдайда хабарлама қала атымен, содан кейін күнімен басталады). Сайерстің кітабында Playfair шифрлау механизмі туралы егжей-тегжейлі сипаттама, сондай-ақ қолмен криптоталдау бойынша қадамдық есеп берілген. Неміс армиясы, әуе күштері және полициясы Екінші дүниежүзілік соғыста Double Playfair шифрын орта деңгейдегі шифр ретінде қолданды, ол Бірінші дүниежүзілік соғыстың басында бұзылған британдық Playfair шифрына негізделген. Олар оны екінші квадратты енгізу арқылы бейімдеді, одан әр биграмманың екінші әрпі таңдалды және кілт сөзді тастап, әріптерді кездейсоқ тәртіппен орналастырды. Бірақ немістердің формальды хабарларға деген құштарлығына байланысты, олар Блетчли Паркте бұзылды. Хабарлардың алдында сандар тізбегі жазылып, сандар сөзбен жазылатын. Неміс сандары 1 (eins) -ден он екіге дейін (zwölf) сегіз әріптен басқа барлық әріптерді қамтиды, сондықтан формальды хабарларды бұзу салыстырмалы түрде оңай болды (Смит, 74-75 беттер).
Қазіргі кездегі кроссвордтар
The Listener Crossword сияқты (Британдық The Times газетінің сенбілік санында жарияланатын) күрделі тақырыптық шифрлы сөзжұмбақтары кейде Playfair шифрін қолданады. Әдетте, төрттен алтыға дейін жауап кодталған торға енгізілуі керек, ал Playfair кілттік фразасы соңғы шешімге тақырыптық тұрғыдан маңызды. Шифр сөзжұмбақтары үшін өте қолайлы, себебі ашық мәтін бір жиын есімдерді шешкеннен кейін табылады, ал шифрланған мәтін – басқа жиынды шешкеннен кейін. Шешушілер диграммаларды жұптастыру арқылы кілт кестесін құра алады (кейде кілт сөзді болжауға болады, бірақ қажет емес). Playfair шифрін қолдану әдетте сөзжұмбақтың кіріспе бөлігінде түсіндіріледі. Бұл шифрды бұрын кездестірмеген шешушілер үшін тең мүмкіндік жасайды. Бірақ шифр қолданылу әрқашан бірдей. 25 әріптен тұратын әліпбиде әрқашан Q болады және I мен J бірге келеді. Кілт кестесі әрқашан қатар бойынша толтырылады.
Танымал мәдениетте
Дороти Л. Сайерстің "Оның денесі бар" романы Playfair шифрын қағып алудың толыққанды баяндамасын береді. Екінші дүниежүзілік соғыс триллері Хаммонд Иннстің "Троялық жылқысы" жаңа, жоғары берікті металл қорытпасының формуласын Playfair шифры арқылы жасырады. "Ұлттық қазына: құпиялар кітабы" фильміндегі қазына іздеушілік ақпарат Playfair шифры түрінде кодталған. "Rogue Angel: Көкқұтан құдайы" аудиокітабында Playfair шифрына байланысты ақпарат Аня Кридті Венецияға жіберу үшін қолданылады. Лора Рубидің "Йорк: Жұлдыздар картасы" романы (балаларға арналған трилогияның үшінші бөлігі) "Morningstarr" шифрын шешуге қатысты ақпаратты Playfair шифры арқылы шифрлайды. Playfair шифры 2019 жылғы "Batwoman" (телесериал) 2-ші маусымының бір эпизодында сюжеттік құрал ретінде қолданылады. S. (Dorst романы) романында Playfair шифры оқиғаның түсіндірмелерінде табылады.