Лабораторная работа № 2(5)
Тема: Шифрование методами сложной замены
Цель: Научиться разрабатывать алгоритмы (программы) для шифрования методами сложной замены
Задание
1 Создать шифр сложной замены в соответствии с индивидуальным заданием:
- подробно описать процедуры шифрования и дешифрования с указанием всех особенностей и ограничений;
- описать ключ шифра (процедуры его получения, хранения и передачи).
2 Привести примеры получения шифротекста и его расшифрования вручную (подходящий исходный текст выбрать самостоятельно).
3 Оценить секретность созданного шифра. Указать возможные мероприятия для повышения секретности.
По желанию дополнительно (+2 балла)
4 Программно реализовать и продемонстрировать процедуры шифрования – дешифрования текстов (создается одна программа с соседом по варианту).
Выбор варианта: студент выбирает № варианта задачи, определив значение t, где t = [N/ 8] – остаток от деления нацело числа N (порядковый номер в основном списке группы).
Таблица 1 – Индивидуальные задания к лабораторной работе 3
| № вар. | Описание шифра | Ограничения | |
| Система шифрования Гронсфельда | Использовать числовой ключ длиной не менее 8 цифр | ||
| Система шифрования Вижинера | Использовать числовой ключ длиной не менее 10 чисел | ||
| Шифр «Двойной квадрат Уитстона» | Использовать таблицы 5х8 (добавить цифры) | ||
| Система шифрования Гронсфельда | Использовать ключевую фразу длиной не менее 12 символов | ||
| Система шифрования Вижинера | Использовать ключевую фразу длиной не менее 12 символов | ||
| Шифр «Двойной квадрат Уитстона» | Использовать таблицы 6х7 (добавить цифры) | ||
| Система шифрования с использованием омофонов | Использовать информацию из теоретических сведений | ||
| Биграммный шифр | Использовать таблицу 8х5 |
Краткие теоретические сведения
Шифрами сложной замены называют такие шифры, шифрование с помощью которых осуществляется путем замены каждого символа исходного текста другими символами (шифрообозначениями), при этом порядок символов не меняется. Шифры сложной замены называют многоалфавитными, так как для шифрования каждого символа исходного текста используют свой шифр простой замены. Многоалфавитная подстановка обеспечивает цикличное использование в соответствии с ключем нескольких алфавитов замены, использование которых определяется местом зашифровываемого символа в исходном тексте. Так, например, буквы А исходного текста могут быть заменены различными буквами в шифротексте в соответствии с приведенной ниже таблицей, если они будут на месте символов Х2, Х4, Х7.
Таблица 2
| Исходный текст | Х1 | Х2 | Х3 | Х4 | Х5 | Х6 | Х7 | Х8 |
| Алфавит подстановки | В0 | В1 | В2 | В3 | В0 | В1 | В2 | В3 |
Такое шифрование приводит к изменению статистики повторяемости символов в шифротексте по сравнению с исходным текстом, что лишает криптоаналитиков важной информации при попытке вскрытия шифра.
Примеры реализации шифров сложной замены
Шифр Гронсфельда
Алгоритм шифрования следующий (алфавиты исходного и шифротекста совпадают): под символами исходного текста записывают цифры числового ключа. Если исходный текст оказался длинее ключа, то ключ циклически повторяется до исчерпания исходного текста. Для замены каждой буквы исходного текста выбирают ту букву алфавита, которая смещена по отношению к заменяемой на величину цифры ключа. Например, применив для шифрования фразы Я СТУДЕНТ ДГМА ключ 2718 (основание натурального логарифма), получим следующее:
| Я | С | Т | У | Д | Е | Н | Т | Д | Г | М | А |
| Б | Ш | У | Ы | З | П | О | Ь | З | Л | Н | И |
Таблица 3 – Сокращенный русский алфавит (пропущены Ё, Й)
| Алфа- вит | А | Б | В | Г | Д | Е | Ж | З | И | К | Л | М | Н | О | П | |
| № буквы | ||||||||||||||||
| Продолжение таблицы | ||||||||||||||||
| Р | С | Т | У | Ф | Х | Ц | Ч | Ш | Щ | Ь | Ы | Ъ | Ю | Э | Я | |
Шифр Гронсфельда представляет частный случай системы шифрования Вижинера.
Система шифрования Вижинера
Этот шифр сложной замены реализуется с помощью таблицы шифрования (квадрата) Вижинера (см. табл. 3). Эта таблица используется как для шифрования, так и для дешифрования текстов. Верхнюю строку подчеркнутых символов используют для поиска очередной буквы исходного текста, крайний левый столбец чисел – соответствующий ей числовой ключ (если ключ – некоторая буква ключевой фразы, то ее берут из соседнего числовому ключу столбца). На пересечении выбранных строки и столбца находят букву замены для шифротекста.
Таблица 4 – Квадрат Вижинера
|
Для того чтобы зашифровать исходное сообщение, его записывают в строку и под каждой его буквой записывают подряд буквы ключевой фразы или цифры числового ключа. Если ключ оказался короче исходного текста, его циклически повторяют. После этого каждую пару символов, расположенную в одном столбце заменяют буквой в соответствии с таблицей 3 (как описано выше).
Пример
Необходимо зашифровать фразу «Я ИЗУЧАЮ КРИПТОГРАФИЮ», используя систему шифрования Вижинера. Для шифрования использовать ключ «АМУЛЕТ» (в нижней строке приведен шифротекст).
| Я | И | З | У | Ч | А | Ю | К | Р | И | П | Т | О | Г | Р | А | Ф | И | Ю | |
| А | М | У | Л | Е | Т | А | М | У | Л | Е | Т | А | М | У | Л | Е | Т | А | |
| Ниже приведен шифротекст | |||||||||||||||||||
| А | Ф | Ь | Э | Ъ | Т | Ю | Х | В | У | Ф | Г | О | П | Б | Л | Щ | Ь | Ю | |
Дешифрование выполняют аналогично – под строкой шифротекста записивают ключ при необходимости циклически его повторяя. Каждую пару символов, расположенных в одном столбце заменяют буквой исходного текста: по букве ключа находят строку в таблице 3, затем в этой строке находят букву шифротекста, которая определяет столбец; исходный символ – первая буква столбца.