Классические шифры с симметричным ключом
При описании классических шифров исходим из следующих определений:
Зашифрованный текст можно подвергнуть криптоанализу с целью получения исходного текста, а также, возможно, установлению алгоритма шифрования и ключей.
Атаки разделяются на следующие виды.
Шифры подстановки. Моноалфавитные шифры
Аддитивный шифр
Описание. Шифр простой замены каждого символа исходного текста на символы с кодировкой сдвинутой относительно исходного текста на определенное значение. Другое название - шифр сдвига. Данный подход испльзован в шифре Цезаря.
Атаки. Атака грубой силы, а также статические методы позволяют определить ключ и содержание исходного текста.
Мультипликативные шифры
Описание. В шифре применяют умножение каждого символа исходного текста на установленный ключ. Для реализации расшифровки используют, соответственно, операцию деления.
Атаки. Атака грубой силы. Успешна реализация статистических методов.
Комбинированные шифры. Афинный шифр
Описание. Используется шифрование в два этапа - применение адитивного подхода, а затем использование мультипликативного подхода. Разумеется, аддитивный и мультипликативный шифры являются частным случаем афинного шифра.
Атаки. Атака грубой силы. Успешна реализация статистических методов.
Шифры подстановки. Многоалфавитные шифры
Автоключевой шифр
Описание. Для начала шифрования исходного текста выбирается ключ, после первого символа, ключ меняются в зависимости от символов исходного текста.
Атаки.Шифр скрывает статистику по появлению символов. Но, учитывая малое количество возможных первоначальных ключей легко поддается атаке грубой силой.
Шифр Плейфеера
Описание. Размещение всех символов текста в квадратной матрице. Матрица является ключом. Шифрование проходит по паре символов исходного текста.
Атаки. Атака грубой силы затруднена, но можно проанализировать частоту двухсимвольных вхождений, если есть предположение что используется именно данный алгоритм шифрования.
Шифр Виженера
Описание. Используется ключ длиной не более общего количества символов в алфавите. Шифрование происходит группами размером с длину ключа.
Атаки.Шифр не сохраняет частоту символов, но можно использовать следующий подход для атаки: определить длину отдельных фрагментов (длину ключа), затем подвергуть атаке отдельные блоки зашифрованного текста.
Шифр Хилла
Описание. Исходный текст разбивается на блоки, в качестве ключа выступает квадратная матрица размерности соответствующей размеру блока. Требование - ключевая матрица должна иметь мультипликативную инверсию, для последующего разшифрования.
Атаки. Шифр не сохраняет частоту использования символов, очень труден для атаки. Но шифр содержит ограниченное количество ключей, так как количество матриц с мультипликативной инверсией ограничено.
Одноразовый блокнот
Описание. Шифр использует уникальный случайно сгенерированный ключ для каждого символа. Сложность возникает с передачей ключа - коммерческое применение шифра затруднено.
Атаки. Расшифровать такой зашифрованный текст не имея ключа практически невозможно.
Роторный шифр
Описание. Шифр использует в качестве основы многоалфавитный шифр, каждый символ исходного текста связан особым образом с символом зашифрованного текста.
Атаки. Не сохраняет частоту употребления символов, стоек к атакам грубой силы.
Машина Энигма
Описание. Машина базируется на принципе роторных шифров.
Атаки. Машина взломана, принцип взлома - сочетание грубой силы и статистических методов анализа.
Шифры перестановки
Без использования ключа
Описание. Шифр базируется на том, что в зашифрованном тексте символ исходного текста меняет свое местоположение. Наиболее известный - шифр изгороди. Общая концепция - запись текста в определенном порядке (например по столбцам) и в определенном порядке передача этого текста.
Атаки. Шифр не изменяет частоту букв, поэтому для больших текстов может иметь смыл применение статистических методов исследования. В целом оправдано применение атаки грубой силы.
С использованием ключа
Описание. Исходный текст распределяется на группы (блоки), к каждому блоку применяется ключ, в соответствии с которым производится перестановка символов в каждом блоке.
Атаки. Шифр не изменяет частоту букв, поэтому для больших текстов может иметь смыл применение статистических методов исследования. В целом оправдано применение атаки грубой силы.
Комбинированные
Описание. Объединение двух подходов: шифра перестановки без ключа и шифра перестановки с ключом. Сначала формируется таблица текста, затем производится шифрование по блокам текста и формируется новая таблица.
Атаки. Шифр не изменяет частоту букв, поэтому для больших текстов может иметь смыл применение статистических методов исследования. В целом оправдано применение атаки грубой силы.
С двойной перестановкой
Описание. В шифровании дважды реализуется алгоритм перестановки. Позволяет уменьшить возможную регулярность повторения символов и заметно усложнить применение статистических методов для криптоанализа.
Атаки. Возможны попытки использования статистических методов. Также подходит применение атаки грубой силы.
Шифры потока и блочные шифры
Современные шифры с симметричным ключом подразделяются на две группы: шифры потока и блочные шифры.
В шифрах потока процесс шифрования выполняется над каждым символом в конкретный момент времени. К шифрам потока можно отнести все моноалфавитные шифры, а также шифр Виженера.
В блочных шифрах исходный текст шифруется блоками определенного размера. Для этого используется один ключ для всего блока исходного текста. Шифры плейфеера и шифры Хилла типичные блочные шифры. В целом к блочным шифрам можно отнести многоалфавитные шифры.
- исходный текст - текстовое (или может быть какое-либо другое) сообщение, которое требуется зашифровать;
- ключ - набор значений, который используется для шифрования исходного текста;
- защифрованный текст - результат применения алгоритма шифрования и ключа к исходному тексту.
Зашифрованный текст можно подвергнуть криптоанализу с целью получения исходного текста, а также, возможно, установлению алгоритма шифрования и ключей.
Атаки разделяются на следующие виды.
- Атака только на зашифрованный текст - доступен только сам зашифрованный текст. Для этой атаки широко применяется метод грубой силы (метод исчерпывающего ключевого поиска), статичестическая атака (использования статистических методов повторяемости отдельных символов в языке), атака по образцу (повторение отдельных конструкций в зашифрованном тексте и их анализ).
- Атака со знанием исходного текста - предполагает наличие образцов исходного и зашифрованного текста, по которым можно определить алгоритм шифрования и ключи.
- Атака с выборкой исходного текста - полностью аналогичная атака, только предполагает, что пары исходного и зашифрованного текста изготовлены атакующим или лицом имеющим доступ к механизму шифрования.
- Атака с выборкой зашифрованного текста - аналогичная атака, только подразумевается, что есть некоторый зашифрованный текст и доступ к механизму расшифровки.
Шифры подстановки. Моноалфавитные шифры
Аддитивный шифр
Описание. Шифр простой замены каждого символа исходного текста на символы с кодировкой сдвинутой относительно исходного текста на определенное значение. Другое название - шифр сдвига. Данный подход испльзован в шифре Цезаря.
Атаки. Атака грубой силы, а также статические методы позволяют определить ключ и содержание исходного текста.
Мультипликативные шифры
Описание. В шифре применяют умножение каждого символа исходного текста на установленный ключ. Для реализации расшифровки используют, соответственно, операцию деления.
Атаки. Атака грубой силы. Успешна реализация статистических методов.
Комбинированные шифры. Афинный шифр
Описание. Используется шифрование в два этапа - применение адитивного подхода, а затем использование мультипликативного подхода. Разумеется, аддитивный и мультипликативный шифры являются частным случаем афинного шифра.
Атаки. Атака грубой силы. Успешна реализация статистических методов.
Шифры подстановки. Многоалфавитные шифры
Автоключевой шифр
Описание. Для начала шифрования исходного текста выбирается ключ, после первого символа, ключ меняются в зависимости от символов исходного текста.
Атаки.Шифр скрывает статистику по появлению символов. Но, учитывая малое количество возможных первоначальных ключей легко поддается атаке грубой силой.
Шифр Плейфеера
Описание. Размещение всех символов текста в квадратной матрице. Матрица является ключом. Шифрование проходит по паре символов исходного текста.
Атаки. Атака грубой силы затруднена, но можно проанализировать частоту двухсимвольных вхождений, если есть предположение что используется именно данный алгоритм шифрования.
Шифр Виженера
Описание. Используется ключ длиной не более общего количества символов в алфавите. Шифрование происходит группами размером с длину ключа.
Атаки.Шифр не сохраняет частоту символов, но можно использовать следующий подход для атаки: определить длину отдельных фрагментов (длину ключа), затем подвергуть атаке отдельные блоки зашифрованного текста.
Шифр Хилла
Описание. Исходный текст разбивается на блоки, в качестве ключа выступает квадратная матрица размерности соответствующей размеру блока. Требование - ключевая матрица должна иметь мультипликативную инверсию, для последующего разшифрования.
Атаки. Шифр не сохраняет частоту использования символов, очень труден для атаки. Но шифр содержит ограниченное количество ключей, так как количество матриц с мультипликативной инверсией ограничено.
Одноразовый блокнот
Описание. Шифр использует уникальный случайно сгенерированный ключ для каждого символа. Сложность возникает с передачей ключа - коммерческое применение шифра затруднено.
Атаки. Расшифровать такой зашифрованный текст не имея ключа практически невозможно.
Роторный шифр
Описание. Шифр использует в качестве основы многоалфавитный шифр, каждый символ исходного текста связан особым образом с символом зашифрованного текста.
Атаки. Не сохраняет частоту употребления символов, стоек к атакам грубой силы.
Машина Энигма
Описание. Машина базируется на принципе роторных шифров.
Атаки. Машина взломана, принцип взлома - сочетание грубой силы и статистических методов анализа.
Шифры перестановки
Без использования ключа
Описание. Шифр базируется на том, что в зашифрованном тексте символ исходного текста меняет свое местоположение. Наиболее известный - шифр изгороди. Общая концепция - запись текста в определенном порядке (например по столбцам) и в определенном порядке передача этого текста.
Атаки. Шифр не изменяет частоту букв, поэтому для больших текстов может иметь смыл применение статистических методов исследования. В целом оправдано применение атаки грубой силы.
С использованием ключа
Описание. Исходный текст распределяется на группы (блоки), к каждому блоку применяется ключ, в соответствии с которым производится перестановка символов в каждом блоке.
Атаки. Шифр не изменяет частоту букв, поэтому для больших текстов может иметь смыл применение статистических методов исследования. В целом оправдано применение атаки грубой силы.
Комбинированные
Описание. Объединение двух подходов: шифра перестановки без ключа и шифра перестановки с ключом. Сначала формируется таблица текста, затем производится шифрование по блокам текста и формируется новая таблица.
Атаки. Шифр не изменяет частоту букв, поэтому для больших текстов может иметь смыл применение статистических методов исследования. В целом оправдано применение атаки грубой силы.
С двойной перестановкой
Описание. В шифровании дважды реализуется алгоритм перестановки. Позволяет уменьшить возможную регулярность повторения символов и заметно усложнить применение статистических методов для криптоанализа.
Атаки. Возможны попытки использования статистических методов. Также подходит применение атаки грубой силы.
Шифры потока и блочные шифры
Современные шифры с симметричным ключом подразделяются на две группы: шифры потока и блочные шифры.
В шифрах потока процесс шифрования выполняется над каждым символом в конкретный момент времени. К шифрам потока можно отнести все моноалфавитные шифры, а также шифр Виженера.
В блочных шифрах исходный текст шифруется блоками определенного размера. Для этого используется один ключ для всего блока исходного текста. Шифры плейфеера и шифры Хилла типичные блочные шифры. В целом к блочным шифрам можно отнести многоалфавитные шифры.