Коды в криптографии: методы и принципы шифрования

Введение

Метод, используемый для шифрования сообщения

В криптологии код — это метод, используемый для шифрования сообщения, который оперирует на уровне смысла; то есть слова или фразы преобразуются в нечто иное. Код может преобразовать "change" в "CVGDK" или "cocktail lounge". Агентство национальной безопасности США определило код как "заместительную криптосистему, в которой элементами открытого текста являются преимущественно слова, фразы или предложения, а кодовые эквиваленты (называемые «кодовыми группами») обычно состоят из букв или цифр (или и того, и другого) в бессмысленных комбинациях одинаковой длины". Для шифрования и расшифрования фраз или слов необходима кодовая книга. В отличие от этого, шифры шифруют сообщения на уровне отдельных букв или небольших групп букв, или даже, в современных шифрах, отдельных битов. Сообщения могут быть сначала преобразованы кодом, а затем шифром. Такое многократное шифрование, или «супершифрование», направлено на усложнение криптоанализа. Другое различие между кодами и шифрами заключается в том, что код обычно представляет букву или группы букв напрямую, без использования математики. Таким образом, числа конфигурируются для представления этих трех значений: 1001 = A, 1002 = B, 1003 = C. Полученное сообщение для передачи ABC будет 1001 1002 1003. Шифры же используют математическую формулу для представления букв или групп букв. Например, A = 1, B = 2, C = 3, таким образом, сообщение ABC получается путем умножения значения каждой буквы на 13. Сообщение ABC тогда будет 13 26 39. Коды имеют ряд недостатков, включая уязвимость к криптоанализу и сложность управления громоздкими кодовыми книгами, поэтому шифры являются доминирующей техникой в современной криптографии. В отличие от этого, поскольку коды являются репрезентативными, они не подвержены математическому анализу отдельных элементов кодовой книги. В примере сообщение 13 26 39 можно взломать, разделив каждое число на 13 и затем упорядочив их в алфавитном порядке. Однако в центре внимания криптоанализа кодовых книг находится сравнительная частота отдельных кодовых элементов, соответствующая той же частоте букв в сообщениях открытого текста с использованием частотного анализа. В приведенном выше примере кодовая группа 1001, 1002, 1003 может встречаться более одного раза, и эта частота может соответствовать количеству раз, которое ABC встречается в сообщениях открытого текста. (В прошлом или в нетехнических контекстах термины «код» и «шифр» часто используются для обозначения любой формы шифрования).

In cryptology, a code is a method used to encrypt a message that operates at the level of meaning; that is, words or phrases are converted into something else. A code might transform "change" into "CVGDK" or "cocktail lounge". The U. S. National Security Agency defined a code as "A substitution cryptosystem in which the plaintext elements are primarily words, phrases, or sentences, and the code equivalents (called "code groups") typically consist of letters or digits (or both) in otherwise meaningless combinations of identical length." A codebook is needed to encrypt, and decrypt the phrases or words. By contrast, ciphers encrypt messages at the level of individual letters, or small groups of letters, or even, in modern ciphers, individual bits. Messages can be transformed first by a code, and then by a cipher. Such multiple encryption, or "superencryption" aims to make cryptanalysis more difficult. Another comparison between codes and ciphers is that a code typically represents a letter or groups of letters directly without the use of mathematics. As such the numbers are configured to represent these three values: 1001 = A, 1002 = B, 1003 = C, The resulting message, then would be 1001 1002 1003 to communicate ABC. Ciphers, however, utilize a mathematical formula to represent letters or groups of letters. For example, A = 1, B = 2, C = 3, Thus the message ABC results by multiplying each letter's value by 13. The message ABC, then would be 13 26 39. Codes have a variety of drawbacks, including susceptibility to cryptanalysis and the difficulty of managing the cumbersome codebooks, so ciphers are now the dominant technique in modern cryptography. In contrast, because codes are representational, they are not susceptible to mathematical analysis of the individual codebook elements. In the example, the message 13 26 39 can be cracked by dividing each number by 13 and then ranking them alphabetically. However, the focus of codebook cryptanalysis is the comparative frequency of the individual code elements matching the same frequency of letters within the plaintext messages using frequency analysis. In the above example, the code group, 1001, 1002, 1003, might occur more than once and that frequency might match the number of times that ABC occurs in plain text messages. (In the past, or in non technical contexts, code and cipher are often used to refer to any form of encryption).

Коды из одной и двух частей

Коды определяются "кодовыми книгами" (физическими или условными), которые представляют собой словари групп кодов, перечисленных с соответствующим открытым текстом. Изначально коды имели назначение кодовых групп в порядке следования открытого текста для удобства разработки кода или кодировщика. Например, в коде, использующем числовые группы кодов, слово открытого текста, начинающееся с "a", получило бы группу с низким значением, а слово, начинающееся с "z", – группу с высоким значением. Ту же кодовую книгу можно было использовать для "кодирования" открытого текста в зашифрованное сообщение или "кодтекст", а также для "декодирования" кодтекста обратно в открытый текст. Чтобы усложнить работу дешифровщикам, создатели кодов разрабатывали коды, в которых не было предсказуемой связи между группами кодов и порядком соответствующего открытого текста. На практике это означало, что теперь требовалось два кодовых сборника: один для поиска групп кодов при кодировании, а другой – для поиска групп кодов для определения открытого текста при декодировании. Такие "двухкомпонентные" коды требовали больше усилий для разработки и вдвое больше усилий для распространения (и безопасного уничтожения при замене), но их было сложнее взломать. В телеграмме Циммермана в январе 1917 года использовалась немецкая дипломатическая двухкомпонентная кодовая система "0075", содержащая более 10 000 фраз и отдельных слов.

Код идиот

Код идиота — это код, создаваемый самими его пользователями. Этот вид связи схож с условными сигналами, используемыми армиями в полевых условиях. Например, любое предложение, содержащее слова «день» и «ночь», означает «атака». Место, упомянутое в следующем предложении, указывает на цель атаки. Открытый текст: Атаковать X.
Зашифрованный текст: Мы ходили днем и ночью по улицам, но ничего не нашли! Завтра мы отправимся в X. Одно из первых упоминаний этого термина встречается у Джорджа Перро, персонажа научно-фантастического романа Роберта А. Хайнлайна «Пятница»:

«Самый простой вид [кода] и, следовательно, не поддающийся взлому. Первое объявление предписывало заинтересованным лицам выполнить задачу номер семь или ожидать задачи номер семь, или говорило что-то о чем-то, обозначенном как семь. Это объявление говорит то же самое, но уже в отношении кода номер десять. Однако значение чисел невозможно вывести с помощью статистического анализа, поскольку код может быть изменен задолго до того, как будет собрана достаточная статистическая выборка. Это код идиота, и код идиота невозможно взломать, если пользователь достаточно разумен, чтобы не обращаться к нему слишком часто. Эксперт по терроризму Магнус Рансторп заявил, что участники терактов 11 сентября в Соединенных Штатах использовали обычную электронную почту и то, что он называет «идиотическим кодом», для обсуждения своих планов.

Супершифрование

Было обычной практикой шифровать сообщение после предварительного кодирования, чтобы усложнить криптоанализ. При использовании числового кода это обычно делалось с помощью "аддитива" – просто длинного ключевого числа, которое цифра за цифрой прибавлялось к группам кода по модулю 10. В отличие от шифровальных книг, аддитивы менялись довольно часто. Знаменитый военно-морской шифр японского флота JN-25 был построен по такому принципу.