Шифр Плейфера

Шифры простой подстановки, например шифр Цезаря, шифруют по одной букве за раз, поэтому уязвимы для частотного анализа. Частоты букв английского языка предсказуемы: чаще всего встречается E, затем T, A, O и так далее.

Шифр Плейфера шифрует пары букв (диграфы), а не отдельные буквы. Это значительно увеличивает количество возможных биграмм и сглаживает результаты частотного анализа.

В шифре Плейфера используется сетка 5×5 с буквами, называемая ключевым квадратом. Она содержит все 26 букв алфавита, при этом I и J объединены в одной клетке, поскольку всего клеток 25.

Чтобы создать ключевой квадрат, сначала записывают ключевое слово, удаляя повторы, а затем по порядку заполняют оставшиеся буквы алфавита. Ключевое слово определяет всю структуру квадрата.

Для ключевого слова "MONARCHY" удалите повторы: M-O-N-A-R-C-H-Y. Заполните сетку 5×5 построчно: MONAR / CHYBE / DFGIK / LPQST / UVWXZ.

Оставшиеся буквы B, D, E, F, G, I, K, L, P, Q, S, T, U, V, W, X, Z добавляются по порядку после букв ключевого слова, при этом I/J занимают одну клетку.

Перед шифрованием открытый текст разбивают на диграфы (пары букв). Если в паре встречаются одинаковые буквы, между ними вставляют X. Например, "BALLOON" превращается в "BA LX LO ON".

Если сообщение содержит нечётное число букв, в конец добавляют X. Такая предварительная обработка гарантирует, что правила шифра Плейфера всегда можно будет применить без проблем.

Если обе буквы пары находятся в одной строке ключевого квадрата, каждую из них заменяют буквой непосредственно справа, переходя от конца строки к её началу.

Например, в матрице MONARCHY при шифровании "AR" обе буквы находятся в строке 1. A заменяется на R, а R — на C. Пара шифротекста получается такой: "RC".

Если обе буквы пары находятся в одном столбце, каждую из них заменяют буквой непосредственно ниже, переходя от нижней части столбца к верхней.

Это правило работает симметрично: если бы "MB" находились в одном столбце, M была бы заменена буквой ниже неё в этом столбце. Столбцы зацикливаются так же, как строки.

Если две буквы образуют в ключевом квадрате прямоугольник, каждую букву заменяют буквой в той же строке, но в другом углу прямоугольника.

Это самый распространённый случай. При шифровании "MU" найдите M и U в сетке. M находится в строке 1, столбце 1, а U — в строке 5, столбце 1. Они образуют прямоугольник. M заменяется буквой из строки 1 и столбца U, а U — буквой из строки 5 и столбца M.

Чтобы зашифровать "HIDE THE GOLD", удалите пробелы и подготовьте диграфы: HI DE TH EG OL DX. Примените к каждой паре подходящее правило — одной строки, одного столбца или прямоугольника — используя ключевой квадрат.

Каждая пара шифруется независимо. В результате получается ряд диграфов шифротекста, которые необходимо расшифровать с помощью того же ключевого квадрата, чтобы восстановить открытый текст.

Хотя шифр Плейфера сильнее простой подстановки, он всё ещё уязвим для криптоанализа. Возможен частотный анализ диграфов: в английском языке "TH", "HE", "IN" и "ER" — самые распространённые биграммы.

Имея достаточно шифротекста, злоумышленник может составить таблицу частот зашифрованных диграфов и сравнить её с ожидаемыми частотами английских диграфов, чтобы вывести ключевой квадрат.

Шифр Плейфера был изобретён Чарльзом Уитстоном в 1854 году, но получил известность благодаря барону Плейферу, в честь которого и был назван. Британская армия широко использовала его в Первой мировой войне для связи в полевых условиях.

Его предпочитали, потому что им было достаточно легко пользоваться без механического оборудования, а его стойкости хватало для защиты тактических сообщений. Австралийские войска также применяли его во Второй мировой войне, когда японские криптоаналитики взломали этот шифр.

При расшифровании с помощью шифра Плейфера используются тот же ключевой квадрат и те же три правила, но в обратном направлении. Для пар из одной строки выполняется сдвиг влево, а не вправо. Для пар из одного столбца выполняется сдвиг вверх, а не вниз. Для пар-прямоугольников правило совпадает с правилом шифрования.

После расшифрования необходимо удалить добавленные буквы X: одинаковые буквы, разделённые X, объединяются, а конечная X удаляется. Этот этап восстановления необходим для получения исходного сообщения.

Проверьте, насколько хорошо Вы понимаете правила шифра Плейфера.

Шифр Плейфера шифрует диграфы с помощью ключевого квадрата 5×5, построенного на основе ключевого слова. Его три правила охватывают случаи одной строки, одного столбца и прямоугольника. Он значительно сильнее простой подстановки, поскольку частоты диграфов гораздо труднее использовать.

Несмотря на изобретательность, шифр Плейфера был взломан криптоаналитиками эпохи WWI. Он остаётся важным этапом перехода от простой подстановки к многоалфавитным шифрам и в конечном счёте к современному шифрованию.