Қарапайым ауыстырып қою шифрлары

Қарапайым ауыстырып қою шифрлары мәтіндегі әріптер тобын қабылданған ауыстырып қою кілтіне сәйкес үнемі қайтадан құрады.. Тарихтан осындай шифрларды қолмен шифрлеу үшін қолданған мысалдарын көптеп келтіруге болады. Көбінесе арнайы таблицалар пайдаланылды, олар қарапайым шифрлейтін процедураларды (кілттерді) келтіретін, соларға сәйкес мәліметтегі әріптер ауыстырылып беріліп отыратын. Мұндай таблицаларда кілт ретінде таблицалар размерлері, фразалар қолданылатын немесе таблицаның басқа да ерекшеліктері қолданылатын.

Қарапайым ауыстырып қою шифрының мысалы ретінде 2 суретте келтірілген

ЮСТАС АЛЕКСУ ВСТРЕЧАЙТЕ СВЯЗНОГО

ЮАУЕЕ НСЛВЧ СОТЕС АВГАК ТИЯОС СРТЗЬ

Сурет 2. Қарапайым ауыстырп қою шифры

2 суретте берілгендей «ЮСТАС АЛЕКСУ ВСТРЕЧАЙТЕ СВЯНОГО» мәліметін шифрлау үшін таблица түрінде жазу қажет, мысалы 5 жолдан 6 бағаннан тұратын таблица түрінде жазу қажет. Мәлімет мәтіні баған бойынша бос орындарды елемей жаылады. Егер ақырғы баған толық болмаса, кез- келген әріптермен толтырылады. Шифрленген мәтінді алу үшін алынған мәтін солдан оңға қарай жол бойымен оқылып, топтармен жазылады, мысалы, 5 цифрдан. Ақырғы процедураның шифрлеу процесіне қатысы жоқ және тек мағынасы жоқ мәтінді жазуға ыңғайлы болуы үшін алынады./чтобы было удобнее аписывать текст, лишенный всякого смысла/. Осындай мәтінді расшифрлеу үшін кілтті білу қажет, яғни, таблицадағы жолдар мен бағандар санын немесе басқаша айтқанда оның размерін білу қажет.

Төменде жоғарыда көрсетілгенге ұқсас, бірақ іс жүзінде қолдануға қолайлы шифрлеу әдісі беріледі. Оның айырмашылығы, таблица колонкалары кілтті сөз, фраза немесе ұзындығы таблица жолының ұзындығындай сан жинау арқылы ауыстырылады. Шифрленетін мәтін тізбектеліп жолмен кілтті сөздің символдары астына жазылады, сөздер қайталанбауы керек. Кілтті есте сақтауды жеңілдету үшін кілтті сөзді пайдаланады, оның әріптері алфавиттегі орналасу тәртіптері бойынша номерленіп, ауыстыру ережесін құрады. Шифрленген мәтінді, егер кілті цифрлы болса, кілттегі әріптердің орналасу тізбегі ретімен немесе сандардың қалыпты тізбегі ретінде колонкалармен жазады. Қарапайым ауыстыру шифрын қолданып шифрлеу процесі 3 суретте көрсетілген. Мысалы келесі ақпараттық мәліметті шифрлеу қажет болды дейік:

«ЗАСЕДАНИЕ СОСТОИТСЯ ЗАВТРА ЮСТАС».

3 Сурет. Қарапайым ауыстыру шифры

Ары қарай, 245 136 кілтін пайдалана отырып, ашық мәтіндегі әріптерді ауыстыру қолданылады. Мысалы, кілттегі алғашқы цифра -2 жаңа блоктағы шифрленген мәтінде бірінші әріп ашық мәтіндегі екінші әріп болатындығын көрсетеді, кілт шифрындағы екінші сан -4 шифротекстегі екінші әріп – ол ашық мәтін блогындағы төртінші әріп екендігін көрсетеді тағы басқа... ең соңында, барлық блоктарда ауыстыру орындаған соң шифрленген мәтін аламыз. Оны оқып шығып, мәтіннің мағынасының толық жойылғанын көре аламыз.

Кілтті есте сақтауды жеңілдету үшін әдетте кілтті сөз қолданылады. Қазіргі жағдайда кілтті сөз мысалы ,– «КОРЕНЬ». Кілттің бірінші санына Е әрпі сәйкес келеді, себебі ол осы сөздегі барлық әріптердің ішінде алфавитте бірінші тұр, 2 санына – К әрпі сәйкескеледі т.б.

Бұл шифрдың негізгі кемшілігіне оның криптотұрақтылығының аздығы жатады. Шифрленген мәтінді көбейткішке салып, шифрлегенде қолданған кодталған сөздің ұзындығын жылдам табуға болады.

Жоғарыда шифрленген мәтіннің криптотұрақтылығын жоғарылату үшін оны тағы да қайта шифрлеуге болады. Шифрлеудің бұл әдісі қос ауыстыру деп аталады. Бұл әдіс келесідей орындалады. Алғашқы шифрлеуден кейін алынған мәтін басқа размерлі таблицаны пайдаланып екінші рет шифрленеді. (жол ұзындығы мен бағаналар басқаша таңдалады). Сонымен қатар бір таблицада жолдарын ауыстыруға, ал екіншісінде – бағаналарын. Таблицаны алғашқы мәтінмен әртүрлі әдіспен толтыруға болады:зигзаг түрінде, ирелендеген күйінде, спираль түрінде т.б.

Күрделі ауыстыру шифрларын қолдануда ашық мәтіннің символдары тек жол бойынша ғана емес, баған бойымен де ауыстырылады. Оны жоғарыда көрсетілген таблицаның (4 сурет) көмегімен жасау қолайлы. Таблицаға ашық алғашқы мәтінді жазамыз, және түрлі вариаттермен орындауға болады. Қазіргі жағдайда мәлімдемені солдан оңға қарй жазамыз. Таблицаның екі жағына кілтті сөзді және оның сандық эквивалентін жазамыз, соған сәйкес бағандардың орын тәртібін сандардың өсу реті бойынша ауыстырамыз. Осыдан соң, осы заң бойынша таблицадағы жолдарды ауыстырамыз. Шифрленген мәлімдеме таблицадағы мәтінді жол бойымен есептегенде шығады. Алынған шифромәтін мағынасынан айырылады. Екі рет ауыстыру варианттары көп және қолданылатын шифровалды таблицаның размеріне байланысты. (5 сурет). Бірақ үлкен размерлі таблицаны пайдалану да осы шифрді жеткілікті мөлшерде криптотұрақты жасай алмайды.

Тағы бір әдісте арнайы торлар /решетки/, трафареттер немесе палеталар /палеток/ қолданылып шифрленеді. Бұл әдіс шифрлеу үшін квадратты таблицаларды қолдануға арналған, олардың төрттен бір ұяшықтары /квадратиктері/кесілген және төрт айналымнан соң /после 4 поворотов/ түгел квадратты жабатындай етіп кесілген. Квадратты /ұяшықты сағат тілінің айналуы бойымен жіне сағат тіліне қарсы да айналдыруға болады.

Трафаретті таза қағазға саламыз да, сызып шығамыз және кесілген квадратиктерге /ұяшықтарға/ алғашқы мәтініміздің әріптерін жазамыз. Алғашқы төрт әріпті жазған соң трафаретті сағат тіліні сәйкес 90⁰ айналдырамыз /поворачиваем/ (ыңғайлы болу үшін трафаретте кілт-метка /ключ-метка/ бар). Тағы да 4 әріпті жазамыз да трафаретті айналдырамыз, және шифрленетін мәтініміз біткенше осылай орындалады. Трафаретті кез келген әріптермен толтыруымызға болады. Трафаретті алып тастаймыз және таблицаның мәтінің жолмен /построчно/ жазамыз, нәтижесінде қажетті шифромәтін аламыз.

Алмастыру шифры /шифры замены (подстановки) /

Алмастыру шифры ашық мәтіннің белгілерін басқа белгілермен немесе символдармен белгілі бір ережеге /кілтке/ сай алмастыру арқылы алынады. Осындай шифрлардың біреуімен көпшілігіміз бала кезден таныспыз. Мысалы, А. Конан-Дойлдың «Билеп тұрған адамдар» атты әңгімесінде мәтінді қалай шифрлеу және шифрды алмастыру арқылы қалай оқуға /расшифровывать/ болатындығы жазылған. Бұл шифрда алфавиттің әр әріпіне билеп тұрған адамның бейнесі сәйкес келеді. Осы шифрды пайдаланып, ашақ мәтінді шифрлеуге болады. Бұл шифрдың криптотұрақтылығы төмен, оны ешбір есептеу техникасын қолданбай-ақ оқуға болады.

Қазіргі заманғы шифрлерді іс жүзінде оқу мүмкін емес.

Аламастыру негізінде құрылатын шифрлеу шифроалфавит приципін –эквиваленттер тізімін /перечня эквивалентов/ қолданады. Егер шифрлеу үшін бір шифроалфавит қолданылса, шифр біралфавитті (моноалфавитті) деп аталады.

Екі немесе одан да көп алфавит қолданылса, шифр көпалфавитті (полиалфавиті) деп аталады.

Есептеу техникасын қолданып шифрлеудің жылдамдығын арттыру үшін мәтіндік ақпаратты санмен көрсету қолайлы, мәтіннің символдары бірнеше цифрлы эквиваленттермен алмастырылады немесе екі еселенген кодпен беріледі. Бұл жағдайда, шифрлеу кезінде, шифрленетін мәтіннің символдары кейбір арнайы тәртіппен (кілтпен), осы тәртіп гамма деп аталады. Алғашқы мәтінге кілтті, яғни гамманы салу екі түрлі тәсілмен орындалады.

Бірінші тәсілде алғашқы мәтіннің символдары сандық эквиваленттермен алмастырылады (мысалы, А-32, Б-27, В-22 және т.б), модуль К бойынша жиналады, К – алфавиттегі символдар саны, кілтімен (гаммасымен).

Екінші тәсілде алғашқы ашық мәтіннің символдары мен кілті (гаммасы) екі еселенген код түрінде көрсетіледі, артынан бір- бірімен 2 модуль бойынша жиналады. Бұл 6 суретте көрсетілген. Мысалға, «КРОНА» деген сөзді шифрлеу қажет, оның әрбір әрібінің екі еселенген код түрінде эквиваленті бар. Мысалы, 1001 деген кілтті (гамманы) қолданып, әріптердің екі еселенген кодтарымен 2 модуль бойынша оны қосамыз. /используя ключ, например, 1001, произведем его сложение по модулю 2 с двоичными кодами букв/. Нәтижесінде тек 0 мен 1 сандарынан тұратын тізбек алынады. Алғашқы мәтінді қалпына келтіру үшін кілттің 2 модулі және алынған шифр тізбегі бойынша кері есептейміз.

2 модуль бойынша қосып есептеудің орнына басқа да логикалық операцияларды қолдануға болады, мысалы, логикалық эквиваленттік ережесі бойынша. Бұл тәсіл бойынша шифрлеу көпалфавитті алмастыру әдісіне ұқсас, егер кілттің ұзындығы шифрленетін мәтіннің ұзындығынан артып кеткен жағдайда.

Біралфавитті шифрлар

Біралфавитті шифрдың мысалы ретінде Цезарь шифрын алуға болады, ашық мәтіннің әріптері латин алфавитіндегі төртінші әріппен алмастырылып отырған.

Мұндай шифрды ашып оқу үшін көптеген кілттерді қолданады, ол үшін әріптерді мағынасы анықталған мәтін алғанша алмастырып отырады.

Қарапайым моноалфавитті алмастыруда мәтіндегі А алфавитіне жататын әрбір m₁ белгісі В шифромәтінге алфавитіне кіретін hi белгісімен алмастырылады. А мне В алфавит белгілерінің арасындағы ұқсастықтар кодталған таблица немесе теңдік /выражение/ арқылы беріледі. Мысалы, «Цезарь шифрын» қолданғанда А мен В алфавиті арасындағы байланысты келесі теңдікпен көрсетеді

F(h₁)=(F (m₁)+h)mod K,

мұнда К- алфавиттегі белгілер саны,

һ- жылжытудың тұрақты дәрежесі.

Осы қаралып отырған жағдайда алфавиттегі біркелкі символдардан тұратын әр белгіге оған сәйкес сан қойылады. Шифромәтінге көшу тұрақты һ санын қосу арқылы орындалады. Берілген тәсілмен шифрлеу алфавитті бекітілген һ позиция санына жылжытқанға тең.. Егер жылжыту һ=1 болса, мысалы орыс алфавиті үшін А әріпі Б әріпіне ауыстырылады, Б әрпі В әрпіне, Я әрпі А әрпіне және осылай кете береді (7 сурет).

Мысал ретінде жоғарыда көрсетілген ақпараттық мәліметті шифрлейміз.

ЗАСЕДАНИЕ СОСТОИТСЯ ЗАВТРА ЮСТАС

Шифрлеген соң жаңа мәлімет аламыз, ол келесі түрде жазылады :

ИБТЁЕБОЙЁ ТПТУПЙУТА ИБГУСБ ЯТУБТ

Мұндай шифрды сенімділігін арттыру үшін аралас алфавитті қолдануға болады (7 суретті қара). Аралас алфавитті қолданған соң мәлімет келесі түрге енеді:

ШЙПНЕЙПЗН ПЛПАЛЗАПЁ ШЙУАРЙ ЮПАЙП

7 сурет . бір алфавитті шифр мысалы

Дегенмен, әріптерді алмастырып қою мүмкіндігі алфавитте 33-ке тең болғанымен, моно алфавитті алмастыру шифрлары жоғары тұрақты емес және есептеу техникасы көмегімен жылдам ашылып оқылады.

Көп алфавитті шифрлар

Көп алфавитті алмастыру шифрларында шифрлеу үшін бірнеше араласқан алфавиттер қолданылады, шифрленетін мәліметтің әріптерін ауыстыру кезінде кезекпен қолданылады. Көп алфавитті шифрлерге Вижинер шифры, «Энигма» шифры, Джефферсон цилиндрі және тағы басқалар жатады. Вижинер шифрын қолдану, мысалы, келесідей. Көптеген , мысалыорыс алфавитінің 33 әріпі (циклдік жылжытулар) берілген алфавиттегі әріптерді бірінен соң бірін жылжыту арқылы құралады, жоғарыда көрсетілген Цезарь шифрына ұқсас. Бір таблицада жинақталған барлық алфавиттердің жиынтығы таблица Вижинер деп аталатын шифровалды таблица құрайды. Шифрлеу кезінде мұнда да кодталған сөз болады, оның әріптері ашық мәтіндегі сәйкес әріпті ауыстыруда қолданылатын нақты таңдалған алфавитті анықтайды. Шифрлеу процесі бұл жағдайда ашық мәтіндегі бір-біріне сәйкес әріптердің номерлерінің қосындысы және 33 модуль бойынша кілттелген сөз ретінде жазылуы мүмкін.

Шифрлеу мен шифрды ашып оқу процесін жеңілдету үшін арнайы шифрлеу линейкасы қолданылады, ол қозғалмалы және қозғалмайтын бөліктерден тұрады. Шифрлеу кезінде кілттелген сөздің әріпі, мысалы, біріншісі – К, қозғалмалы бөлігін жылжыту арқылы линейканың жылжымайтын бөлігіндегі А әріпіне қарсы қойылады. Бұл жағдайда оған сәйкес ашық мәтіннің линейкнаның қозғалмайтын бөлігінде шифромәтіннің сәйкес әріптері орналасады.

Вижинер шифрының криптотұрақтылығын арттыруға ауыспалы кілт қолдануға болады, ол үшін мәліметті жіберуші мен оны алушыға алдын ала белгілі бір мәтін қолданылады.

Құрамды шифрлар. Тәжірибие жүзінде шифрлеудің криптотұрақтылығын арттыру үшін әдетте шифрлеудің екі жалпы принциптері қолданылады:шашыраты және араластыру. Шашырату принципіне ашық мәтіннің бір символының шифромәтіннің бірнеше кейде көптеген символдарына әсер етуін тарату жатады, ол ашық мәтіннің статистикалық қасиеттерін жасыруға мүмкіндік береді. Кілттегі бір символдың шифрограммадағы көп символдарға әсер ету принципі кілтті бөліктерге бөліп алып, ашып оқуды болдырмайды..

Құрамды шифрды қолдану шашыратып және араластырып шифрлеуде кең пайдаланылады. Бұл шифр негізіне қарапайым ауыстыру шифрлары мен алмастыру шифрларын бірге қолдану алынған, олардың әрқайсысы қосалқы шашырату мен араластыруға өз үлестерін қосады..

Блокты шифрлеуде кең қолдануына қарамастан оның келесі кемшіліктері бар:

• 
  Широмәтіндегі бір қате шамамен ашық мәтіннің жартысын бұзады
  
• 
  Ашық мәтіннің екі бірдей блоктарынан бірдей шифрленген мәтін алынады
  

Қазіргі шифрлау жүйесінде желілі шифрлау кең қолданылады. Блокты шифрлаудан ерекшелігі, криптосистемада үзіліссіз берілгендерді элементтері бойынша шифрлейді. Ашық мәтіннің әрбір символы шифрленеді, беріледі және басқа символдарға байланыссыз дешифрленеді. Басқа сөзбен айтқанда, ашық мәтіннің элементін шифрлеумен өзгерту бір элементтен екіншісіне ауысып отырады, ал блокты шифрлеу үшін әр блоктың шифрлеумен өзгертулері өзгеріссіз қалады. Кей жағдайда ашық мәтіннің символы шектелген символдар санымен шифрленуі мүмкін.

Тарихта алғашқы желілі шифр ретінде Вернам шифры болды, кілтті тізбек ретінде кездейсоқ гамма қолданылды. Сонымен бірге кілттің размері кілтті тізбектің ұзындығына тең болды. Шифрлеу мен шифрды ашып оқу принципі 8- суретте көрсетілген.

Вернам шифрының ерекше айырмашылығына әр қайсысы шифр болатын кілттік тізбектер гаммасын шифрлеу жатады. Бұл шифрды іс жүзінде іске асыру өте ұзын кілттік тізбектердің күрделілігі мен оларды сақтаудың ыңғайсыздығына байланысты қиынға соқты.

Желілі шифрларды қолдану ыңғайлы, оларды кілттік ретінде псевдокездейсоқ тізбектер /псевдослучайные последовательности (ПСП)/ (ПКТ) қолданылады, олар ПКТ (ПСП) генераторларымен құрылады. Бұл жағдайда құпия кілт /секретный кляч/ ПКТ генераторының бастапқы жағдайымен анықталады, ал оның размері ашық мәтіннің размерінен әлдеқайда кіші, сондықтан кілтті техникалық іске асыру, сақтау мен беруді жеңілдетеді.

Қазіргі кезде бір-бірінен ерекше айырмашылықтары бар, мысалы желілі шифрларды синхронизациялау әдісіне қарай көптеген түрлері бар желілі шифрлар қолданылады ; синхронды және өздігінен синхронизацияланатын деп бөлінеді./синхоннные и самосинхронизирующие/.