Playfair-salaus

Yksinkertaiset substituutiosalaukset, kuten Caesar-salaus, salaavat yhden kirjaimen kerrallaan, joten ne ovat alttiita frekvenssianalyysille. Englannin kirjaimilla on ennustettavat esiintymistiheydet: E on yleisin, sitä seuraavat T, A, O ja niin edelleen.

Playfair-salaus salaa yksittäisten kirjainten sijaan kirjainpareja eli digrafeja. Tämä kasvattaa mahdollisten bigrammien määrää huomattavasti ja tasoittaa frekvenssianalyysin tuloksia.

Playfair-salauksessa käytetään kirjainruudukkoa, jota kutsutaan avainruudukoksi. Sen 25 soluun sijoitetaan aakkosten kaikki 26 kirjainta siten, että I ja J yhdistetään samaan soluun.

Avainruudukko muodostetaan kirjoittamalla ensin avainsana ilman toistuvia kirjaimia ja täyttämällä sitten jäljelle jäävät aakkosten kirjaimet järjestyksessä. Avainsana määrää koko järjestyksen.

Jos avainsana on "MONARCHY", poistakaa toistuvat kirjaimet: M-O-N-A-R-C-H-Y. Täyttäkää 5×5-ruudukko rivi riviltä: MONAR / CHYBE / DFGIK / LPQST / UVWXZ.

Jäljelle jäävät kirjaimet B, D, E, F, G, I, K, L, P, Q, S, T, U, V, W, X ja Z lisätään avainsanan kirjainten jälkeen järjestyksessä niin, että I ja J jakavat saman solun.

Ennen salaamista selväteksti jaetaan digrafeiksi eli kirjainpareiksi. Jos pari sisältää saman kirjaimen kahdesti, niiden väliin lisätään X. Esimerkiksi "BALLOON" muuttuu muotoon "BA LX LO ON".

Jos viestissä on pariton määrä kirjaimia, loppuun lisätään X. Tämä esikäsittely varmistaa, että Playfair-salauksen sääntöjä voidaan aina soveltaa ongelmitta.

Jos parin molemmat kirjaimet ovat samalla rivillä avainruudukossa, kumpikin korvataan heti oikealla olevalla kirjaimella. Riviä kierretään niin, että viimeistä kirjainta seuraa rivin ensimmäinen kirjain.

Esimerkiksi MONARCHY-matriisissa salattaessa paria "AR" molemmat kirjaimet ovat rivillä 1. A korvataan R:llä ja R C:llä. Salatekstipariksi saadaan "RC".

Jos parin molemmat kirjaimet ovat samassa sarakkeessa, kumpikin korvataan välittömästi alapuolella olevalla kirjaimella. Saraketta kierretään niin, että alinta kirjainta seuraa sarakkeen ylin kirjain.

Tämä sääntö toimii symmetrisesti: jos "MB" olisi samassa sarakkeessa, M korvattaisiin siinä sarakkeessa sen alapuolella olevalla kirjaimella. Sarakkeita kierretään samalla tavalla kuin rivejä.

Jos kaksi kirjainta muodostavat avainruudukossa suorakulmion, kumpikin kirjain korvataan saman rivin toisessa kulmassa olevalla kirjaimella.

Tämä on yleisin tapaus. Jos salataan "MU", etsikää M ja U ruudukosta. M on rivillä 1 sarakkeessa 1 ja U rivillä 5 sarakkeessa 1. Ne muodostavat suorakulmion. M korvataan U:n sarakkeessa rivillä 1 olevalla kirjaimella, ja U korvataan M:n sarakkeessa rivillä 5 olevalla kirjaimella.

Kun salataan "HIDE THE GOLD", poistakaa välilyönnit ja muodostakaa digrafit: HI DE TH EG OL DX. Soveltakaa jokaiseen pariin avainruudukon avulla tilanteeseen sopivaa sääntöä: saman rivin, saman sarakkeen tai suorakulmion sääntöä.

Jokainen pari salataan itsenäisesti. Tuloksena on joukko salatekstin digrafeja, jotka on purettava samalla avainruudukolla selvätekstin palauttamiseksi.

Vaikka Playfair on vahvempi kuin yksinkertainen substituutiosalaus, se on silti altis kryptanalyysille. Digrafien frekvenssianalyysi on mahdollista: englannissa "TH", "HE", "IN" ja "ER" ovat yleisimpiä bigrammeja.

Jos hyökkääjällä on riittävästi salatekstiä, hän voi muodostaa salatuista digrafeista frekvenssitaulukon ja verrata sitä englannin digrafien odotettuihin esiintymistiheyksiin avainruudukon päättelemiseksi.

Charles Wheatstone keksi Playfair-salauksen vuonna 1854, mutta Baron Playfair teki siitä tunnetun, minkä vuoksi se sai nimensä. Britannian armeija käytti sitä laajasti ensimmäisessä maailmansodassa kenttäviestintään.

Se valittiin, koska sitä oli riittävän helppo käyttää ilman mekaanisia laitteita mutta se suojasi taktista viestintää riittävän tehokkaasti. Australian joukot käyttivät sitä myös toisessa maailmansodassa, jolloin japanilaiset kryptanalyytikot mursivat sen.

Playfair-salauksen purkamisessa käytetään samaa avainruudukkoa ja samoja kolmea sääntöä, mutta käänteisesti. Saman rivin pareissa siirrytään oikealle siirtymisen sijaan vasemmalle. Saman sarakkeen pareissa siirrytään alas siirtymisen sijaan ylös. Suorakulmioparien sääntö on sama kuin salauksessa.

Purkamisen jälkeen täytteenä käytetyt X-kirjaimet on poistettava: X:n erottamat kaksoiskirjaimet yhdistetään ja lopussa oleva X poistetaan. Tämä palautusvaihe tarvitaan alkuperäisen viestin palauttamiseksi.

Playfair salaa digrafit avainsanasta johdetulla 5×5-avainruudukolla. Sen kolme sääntöä käsittelevät saman rivin, saman sarakkeen ja suorakulmion tapaukset. Se on huomattavasti vahvempi kuin yksinkertainen substituutiosalaus, koska digrafien esiintymistiheyksiä on paljon vaikeampi hyödyntää.

Nerokkuudestaan huolimatta Playfairin mursivat ensimmäisen maailmansodan ajan kryptanalyytikot. Se on edelleen tärkeä vaihe kehityksessä, joka johti yksinkertaisista salauksista polyalfabeettisiin salauksiin ja lopulta nykyaikaisiin salausmenetelmiin.