Die Playfair-Chiffre

Einfache Substitutionschiffren wie Caesar verschlüsseln jeweils einen Buchstaben und sind dadurch anfällig für Frequenzanalysen. Die Häufigkeiten englischer Buchstaben sind vorhersehbar: E kommt am häufigsten vor, gefolgt von T, A, O und so weiter.

Die Playfair-Chiffre verschlüsselt statt einzelner Buchstaben Buchstabenpaare (Digraphen). Dadurch steigt die Anzahl der möglichen Bigramme erheblich und die Frequenzverteilung wird gleichmäßiger.

Die Playfair-Chiffre verwendet ein 5x5-Raster aus Buchstaben, das als Schlüsselquadrat bezeichnet wird. Es enthält alle 26 Buchstaben des Alphabets, wobei I und J in einer Zelle zusammengefasst werden, da es nur 25 Zellen gibt.

Um das Schlüsselquadrat zu erstellen, schreiben Sie zuerst das Schlüsselwort hinein, wobei Sie doppelte Buchstaben entfernen. Füllen Sie anschließend die übrigen Buchstaben des Alphabets der Reihe nach ein. Das Schlüsselwort bestimmt die gesamte Anordnung.

Entfernen Sie beim Schlüsselwort "MONARCHY" doppelte Buchstaben: M-O-N-A-R-C-H-Y. Füllen Sie das 5x5-Raster zeilenweise: MONAR / CHYBE / DFGIK / LPQST / UVWXZ.

Die übrigen Buchstaben B, D, E, F, G, I, K, L, P, Q, S, T, U, V, W, X, Z werden nach den Buchstaben des Schlüsselworts in dieser Reihenfolge eingefügt, wobei I und J sich eine Zelle teilen.

Vor der Verschlüsselung wird der Klartext in Digraphen (Buchstabenpaare) aufgeteilt. Wenn ein Paar denselben Buchstaben zweimal enthält, fügen Sie ein X dazwischen ein. Zum Beispiel wird "BALLOON" zu "BA LX LO ON".

Wenn die Nachricht eine ungerade Anzahl von Buchstaben enthält, hängen Sie am Ende ein X an. Diese Vorverarbeitung stellt sicher, dass die Playfair-Regeln immer korrekt angewendet werden können.

Wenn sich beide Buchstaben eines Paares in derselben Zeile des Schlüsselquadrats befinden, ersetzen Sie jeden durch den unmittelbar rechts von ihm stehenden Buchstaben. Vom Ende der Zeile wird dabei zum Anfang zurückgesprungen.

Wenn Sie beispielsweise in der MONARCHY-Matrix "AR" verschlüsseln, befinden sich beide Buchstaben in Zeile 1. A wird zu R und R wird zu C. Das Chiffratpaar lautet "RC".

Wenn sich beide Buchstaben eines Paares in derselben Spalte befinden, ersetzen Sie jeden durch den unmittelbar darunter stehenden Buchstaben. Vom unteren Ende der Spalte wird dabei zum oberen Ende zurückgesprungen.

Diese Regel funktioniert symmetrisch: Wenn sich "MB" in derselben Spalte befände, würde M durch den darunter stehenden Buchstaben dieser Spalte ersetzt. Spalten werden genau wie Zeilen zyklisch fortgesetzt.

Wenn die beiden Buchstaben im Schlüsselquadrat ein Rechteck bilden, wird jeder Buchstabe durch den Buchstaben in derselben Zeile, aber an der anderen Ecke des Rechtecks ersetzt.

Dies ist der häufigste Fall. Wenn Sie "MU" verschlüsseln, suchen Sie M und U im Raster. M befindet sich in Zeile 1, Spalte 1, U in Zeile 5, Spalte 1. Sie bilden ein Rechteck. M wird durch den Buchstaben in Zeile 1 in der Spalte von U ersetzt, und U durch den Buchstaben in Zeile 5 in der Spalte von M.

Um "HIDE THE GOLD" zu verschlüsseln, entfernen Sie die Leerzeichen und bilden Sie Digraphen: HI DE TH EG OL DX. Wenden Sie mithilfe des Schlüsselquadrats auf jedes Paar die passende Regel an: dieselbe Zeile, dieselbe Spalte oder Rechteck.

Jedes Paar wird unabhängig verschlüsselt. Das Ergebnis ist eine Reihe von Chiffrat-Digraphen, die mit demselben Schlüsselquadrat entschlüsselt werden müssen, um den Klartext wiederherzustellen.

Obwohl Playfair stärker als eine einfache Substitution ist, bleibt die Chiffre anfällig für Kryptoanalyse. Eine Frequenzanalyse von Digraphen ist möglich: Im Englischen sind "TH", "HE", "IN" und "ER" die häufigsten Bigramme.

Ein Angreifer kann mit genügend Chiffrat eine Häufigkeitstabelle verschlüsselter Digraphen erstellen und sie mit den erwarteten Häufigkeiten englischer Digraphen vergleichen, um das Schlüsselquadrat abzuleiten.

Die Playfair-Chiffre wurde 1854 von Charles Wheatstone erfunden, aber von Baron Playfair bekannt gemacht – daher ihr Name. Die britische Armee setzte sie im Ersten Weltkrieg umfangreich für die Kommunikation im Felde ein.

Sie wurde bevorzugt, weil sie ohne mechanische Geräte einfach genug anzuwenden und zugleich stark genug war, um taktische Kommunikation zu schützen. Auch australische Truppen verwendeten sie im Zweiten Weltkrieg, wo sie von japanischen Kryptoanalytikern gebrochen wurde.

Bei der Entschlüsselung mit Playfair werden dasselbe Schlüsselquadrat und dieselben drei Regeln verwendet, jedoch in umgekehrter Richtung. Bei Paaren in derselben Zeile verschieben Sie nach links statt nach rechts. Bei Paaren in derselben Spalte verschieben Sie nach oben statt nach unten. Bei Rechteckpaaren ist die Regel mit der Verschlüsselung identisch.

Nach der Entschlüsselung müssen die X-Füllbuchstaben entfernt werden: Durch ein X getrennte doppelte Buchstaben werden zusammengeführt und ein abschließendes X wird entfernt. Dieser Rekonstruktionsschritt ist notwendig, um die ursprüngliche Nachricht wiederherzustellen.

Testen Sie Ihr Verständnis der Regeln der Playfair-Chiffre.

Playfair verschlüsselt Digraphen mithilfe eines 5x5-Schlüsselquadrats, das aus einem Schlüsselwort abgeleitet wird. Die drei Regeln behandeln Fälle mit derselben Zeile, derselben Spalte oder einem Rechteck. Die Chiffre ist deutlich stärker als eine einfache Substitution, weil sich Digraphenhäufigkeiten wesentlich schwerer ausnutzen lassen.

Trotz ihrer Raffinesse wurde Playfair von Kryptoanalytikern aus der Zeit des Ersten Weltkriegs gebrochen. Die Chiffre bleibt ein wichtiger Schritt in der Entwicklung von einfachen über polyalphabetische bis hin zu modernen Verschlüsselungsverfahren.