Как расшифровать зашифрованный текст
Классический криптоанализ
На протяжении многих веков люди придумывали хитроумные способы сокрытия информации — шифры, в то время как другие люди придумывали еще более хитроумные способы вскрытия информации — методы взлома.
В этом топике я хочу кратко пройтись по наиболее известным классическим методам шифрования и описать технику взлома каждого из них.
Шифр Цезаря
Самый легкий и один из самых известных классических шифров — шифр Цезаря отлично подойдет на роль аперитива.
Шифр Цезаря относится к группе так называемых одноалфавитных шифров подстановки. При использовании шифров этой группы «каждый символ открытого текста заменяется на некоторый, фиксированный при данном ключе символ того же алфавита» wiki.
Способы выбора ключей могут быть различны. В шифре Цезаря ключом служит произвольное число k, выбранное в интервале от 1 до 25. Каждая буква открытого текста заменяется буквой, стоящей на k знаков дальше нее в алфавите. К примеру, пусть ключом будет число 3. Тогда буква A английского алфавита будет заменена буквой D, буква B — буквой E и так далее.
Для наглядности зашифруем слово HABRAHABR шифром Цезаря с ключом k=7. Построим таблицу подстановок:
| a | b | c | d | e | f | g | h | i | j | k | l | m | n | o | p | q | r | s | t | u | v | w | x | y | z |
| h | i | j | k | l | m | n | o | p | q | r | s | t | u | v | w | x | y | z | a | b | c | d | e | f | g |
И заменив каждую букву в тексте получим: C(‘HABRAHABR’, 7) = ‘OHIYHOHIY’.
При расшифровке каждая буква заменяется буквой, стоящей в алфавите на k знаков раньше: D(‘OHIYHOHIY’, 7) = ‘HABRAHABR’.
Криптоанализ шифра Цезаря
Малое пространство ключей (всего 25 вариантов) делает брут-форс самым эффективным и простым вариантом атаки.
Для вскрытия необходимо каждую букву шифртекста заменить буквой, стоящей на один знак левее в алфавите. Если в результате этого не удалось получить читаемое сообщение, то необходимо повторить действие, но уже сместив буквы на два знака левее. И так далее, пока в результате не получится читаемый текст.
Аффиный шифр
Рассмотрим немного более интересный одноалфавитный шифр подстановки под названием аффиный шифр. Он тоже реализует простую подстановку, но обеспечивает немного большее пространство ключей по сравнению с шифром Цезаря. В аффинном шифре каждой букве алфавита размера m ставится в соответствие число из диапазона 0… m-1. Затем при помощи специальной формулы, вычисляется новое число, которое заменит старое в шифртексте.
Процесс шифрования можно описать следующей формулой:
,
где x — номер шифруемой буквы в алфавите; m — размер алфавита; a, b — ключ шифрования.
Для расшифровки вычисляется другая функция:
,
С учетом этого ограничения вычислим пространство ключей аффиного шифра на примере английского алфавита. Так как английский алфавит содержит 26 букв, то в качестве a может быть выбрано только взаимно простое с 26 число. Таких чисел всего двенадцать: 1, 3, 5, 7, 9, 11, 15, 17, 19, 21, 23 и 25. Число b в свою очередь может принимать любое значение в интервале от 0 до 25, что в итоге дает нам 12*26 = 312 вариантов возможных ключей.
Криптоанализ аффиного шифра
Очевидно, что и в случае аффиного шифра простейшим способом взлома оказывается перебор всех возможных ключей. Но в результате перебора получится 312 различных текстов. Проанализировать такое количество сообщений можно и в ручную, но лучше автоматизировать этот процесс, используя такую характеристику как частота появления букв.
Давно известно, что буквы в естественных языках распределены не равномерно. К примеру, частоты появления букв английского языка в текстах имеют следующие значения:
Т.е. в английском тексте наиболее встречающимися буквами будут E, T, A. В то время как самыми редкими буквами являются J, Q, Z. Следовательно, посчитав частоту появления каждой буквы в тексте мы можем определить насколько частотная характеристика текста соответствует английскому языку.
Для этого необходимо вычислить значение:
,
где ni — частота i-й буквы алфавита в естественном языке. И fi — частота i-й буквы в шифртексте.
Чем больше значение χ, тем больше вероятность того, что текст написан на естественном языке.
Таким образом, для взлома аффиного шифра достаточно перебрать 312 возможных ключей и вычислить значение χ для полученного в результате расшифровки текста. Текст, для которого значение χ окажется максимальным, с большой долей вероятности и является зашифрованным сообщением.
Разумеется следует учитывать, что метод не всегда работает с короткими сообщениями, в которых частотные характеристики могут сильно отличатся от характеристик естественного языка.
Шифр простой замены
Очередной шифр, относящийся к группе одноалфавитных шифров подстановки. Ключом шифра служит перемешанный произвольным образом алфавит. Например, ключом может быть следующая последовательность букв: XFQABOLYWJGPMRVIHUSDZKNTEC.
При шифровании каждая буква в тексте заменяется по следующему правилу. Первая буква алфавита замещается первой буквой ключа, вторая буква алфавита — второй буквой ключа и так далее. В нашем примере буква A будет заменена на X, буква B на F.
При расшифровке буква сперва ищется в ключе и затем заменяется буквой стоящей в алфавите на той же позиции.
Криптоанализ шифра простой замены
Шифр Полибия
Еще один шифр подстановки. Ключом шифра является квадрат размером 5*5 (для английского языка), содержащий все буквы алфавита, кроме J.
При шифровании каждая буква исходного текста замещается парой символов, представляющих номер строки и номер столбца, в которых расположена замещаемая буква. Буква a будет замещена в шифртексте парой BB, буква b — парой EB и так далее. Так как ключ не содержит букву J, перед шифрованием в исходном тексте J следует заменить на I.
Например, зашифруем слово HABRAHABR. C(‘HABRAHABR’) = ‘AB BB EB DA BB AB BB EB DA’.
Криптоанализ шифра Полибия
Шифр имеет большое пространство ключей (25! = 2 83 для английского языка). Однако единственное отличие квадрата Полибия от предыдущего шифра заключается в том, что буква исходного текста замещается двумя символами.
Поэтому для атаки можно использовать методику, применяемую при взломе шифра простой замены — поиск восхождением к вершине.
В качестве основного ключа выбирается случайный квадрат размером 5*5. В ходе каждой итерации ключ подвергается незначительным изменениям и проверяется насколько распределение триграмм в тексте, полученном в результате расшифровки, соответствует распределению в естественном языке.
Перестановочный шифр
Помимо шифров подстановки, широкое распространение также получили перестановочные шифры. В качестве примера опишем Шифр вертикальной перестановки.
В процессе шифрования сообщение записывается в виде таблицы. Количество колонок таблицы определяется размером ключа. Например, зашифруем сообщение WE ARE DISCOVERED. FLEE AT ONCE с помощью ключа 632415.
Так как ключ содержит 6 цифр дополним сообщение до длины кратной 6 произвольно выбранными буквами QKJEU и запишем сообщение в таблицу, содержащую 6 колонок, слева направо:
Для получения шифртекста выпишем каждую колонку из таблицы в порядке, определяемом ключом: EVLNE ACDTK ESEAQ ROFOJ DEECU WIREE.
При расшифровке текст записывается в таблицу по колонкам сверху вниз в порядке, определяемом ключом.
Криптоанализ перестановочного шифра
Лучшим способом атаки шифра вертикальной перестановки будет полный перебор всех возможных ключей малой длины (до 9 включительно — около 400 000 вариантов). В случае, если перебор не дал желаемых результатов, можно воспользоваться поиском восхождением к вершине.
Для каждого возможного значения длины осуществляется поиск наиболее правдоподобного ключа. Для оценки правдоподобности лучше использовать частоту появления триграмм. В результате возвращается ключ, обеспечивающий наиболее близкий к естественному языку текст расшифрованного сообщения.
Шифр Плейфера
Шифр Плейфера — подстановочный шифр, реализующий замену биграмм. Для шифрования необходим ключ, представляющий собой таблицу букв размером 5*5 (без буквы J).
Процесс шифрования сводится к поиску биграммы в таблице и замене ее на пару букв, образующих с исходной биграммой прямоугольник.
Рассмотрим, в качестве примера следующую таблицу, образующую ключ шифра Плейфера:
Зашифруем пару ‘WN’. Буква W расположена в первой строке и первой колонке. А буква N находится во второй строке и третьей колонке. Эти буквы образуют прямоугольник с углами W-E-S-N. Следовательно, при шифровании биграмма WN преобразовывается в биграмму ES.
В случае, если буквы расположены в одной строке или колонке, результатом шифрования является биграмма расположенная на одну позицию правее/ниже. Например, биграмма NG преобразовывается в биграмму GP.
Криптоанализ шифра Плейфера
Так как ключ шифра Плейфера представляет собой таблицу, содержащую 25 букв английского алфавита, можно ошибочно предположить, что метод поиска восхождением к вершине — лучший способ взлома данного шифра. К сожалению, этот метод не будет работать. Достигнув определенного уровня соответствия текста, алгоритм застрянет в точке локального максимума и не сможет продолжить поиск.
Чтобы успешно взломать шифр Плейфера лучше воспользоваться алгоритмом имитации отжига.
Отличие алгоритма имитации отжига от поиска восхождением к вершине заключается в том, что последний на пути к правильному решению никогда не принимает в качестве возможного решения более слабые варианты. В то время как алгоритм имитации отжига периодически откатывается назад к менее вероятным решениям, что увеличивает шансы на конечный успех.
Суть алгоритма сводится к следующим действиям:
Для расчета коэффициентов, определяющих принадлежность текста к естественному языку лучше всего использовать частоты появления триграмм.
Шифр Виженера
Шифр Виженера относится к группе полиалфавитных шифров подстановки. Это значит, что в зависимости от ключа одна и та же буква открытого текста может быть зашифрована в разные символы. Такая техника шифрования скрывает все частотные характеристики текста и затрудняет криптоанализ.
Шифр Виженера представляет собой последовательность нескольких шифров Цезаря с различными ключами.
Продемонстрируем, в качестве примера, шифрование слова HABRAHABR с помощью ключа 123. Запишем ключ под исходным текстом, повторив его требуемое количество раз:
Цифры ключа определяют на сколько позиций необходимо сдвинуть букву в алфавите для получения шифртекста. Букву H необходимо сместить на одну позицию — в результате получается буква I, букву A на 2 позиции — буква C, и так далее. Осуществив все подстановки, получим в результате шифртекст: ICESCKBDU.
Криптоанализ шифра Виженера
Первая задача, стоящая при криптоанализе шифра Виженера заключается в нахождении длины, использованного при шифровании, ключа.
Для этого можно воспользоваться индексом совпадений.
Индекс совпадений — число, характеризующее вероятность того, что две произвольно выбранные из текста буквы окажутся одинаковы.
Для любого текста индекс совпадений вычисляется по формуле:
,
где fi — количество появлений i-й буквы алфавита в тексте, а n — количество букв в тексте.
Для английского языка индекс совпадений имеет значение 0.0667, в то время как для случайного набора букв этот показатель равен 0.038.
Более того, для текста зашифрованного с помощью одноалфавитной подстановки, индекс совпадений также равен 0.0667. Это объясняется тем, что количество различных букв в тексте остается неизменным.
Это свойство используется для нахождения длины ключа шифра Виженера. Из шифртекста по очереди выбираются каждая вторая буквы и для полученного текста считается индекс совпадений. Если результат примерно соответствует индексу совпадений естественного языка, значит длина ключа равна двум. В противном случае из шифртекста выбирается каждая третья буква и опять считается индекс совпадений. Процесс повторяется пока высокое значение индекса совпадений не укажет на длину ключа.
Успешность метода объясняется тем, что если длина ключа угадана верно, то выбранные буквы образуют шифртекст, зашифрованный простым шифром Цезаря. И индекс совпадений должен быть приблизительно соответствовать индексу совпадений естественного языка.
После того как длина ключа будет найдена взлом сводится к вскрытию нескольких шифров Цезаря. Для этого можно использовать способ, описанный в первом разделе данного топика.
Исходники всех вышеописанных шифров и атак на них можно посмотреть на GitHub.
Элементарные шифры на понятном языке
Все мы довольно часто слышим такие слова и словосочетания, как «шифрование данных», «секретные шифры», «криптозащита», «шифрование», но далеко не все понимают, о чем конкретно идет речь. В этом посте разберемся, что из себя представляет шифрование и рассмотрим элементарные шифры с тем расчетом, чтобы даже далекие от IT люди поняли суть этого явления.
Прежде всего, разберемся в терминологии.
Шифрование – это такое преобразование исходного сообщения, которое не позволит всяким нехорошим людям прочитать данные, если они это сообщение перехватят. Делается это преобразование по специальным математическим и логическим алгоритмам, некоторые из которых мы рассмотрим ниже.
Исходное сообщение – это, собственно, то, что мы хотим зашифровать. Классический пример — текст.
Шифрованное сообщение – это сообщение, прошедшее процесс шифрования.
Шифр — это сам алгоритм, по которому мы преобразовываем сообщение.
Ключ — это компонент, на основе которого можно произвести шифрование или дешифрование.
Алфавит – это перечень всех возможных символов в исходном и зашифрованном сообщении. Включая цифры, знаки препинания, пробелы, отдельно строчные и заглавные буквы и т.д.
Теперь, когда мы говорим на более-менее одном языке, разберем простые шифры.
Шифр Атбаша
Самый-самый простой шифр. Его суть – переворот алфавита с ног на голову.
Например, есть у нас алфавит, который полностью соответствует обычной латинице.
Для реализации шифра Атбаша просто инвертируем его. «А» станет «Z», «B» превратится в «Y» и наоборот. На выходе получим такую картину:
И теперь пишем нужное сообшение на исходном алфавите и алфавите шифра
Исходное сообщение: I love habr
Зашифрованное: r olev szyi
Шифр Цезаря
Тут добавляется еще один параметр — примитивный ключ в виде числа от 1 до 25 (для латиницы). На практике, ключ будет от 4 до 10.
Опять же, для наглядности, возьмем латиницу
И теперь сместим вправо или влево каждую букву на ключевое число значений.
Например, ключ у нас будет 4 и смещение вправо.
Исходный алфавит: a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z
Зашифрованный: w x y z a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v
Пробуем написать сообщение:
Шифруем его и получаем следующий несвязный текст:
Шифр Вернама (XOR-шифр)
Простейший шифр на основе бинарной логики, который обладает абсолютной криптографической стойкостью. Без знания ключа, расшифровать его невозможно (доказано Клодом Шенноном).
Исходный алфавит — все та же латиница.
Сообщение разбиваем на отдельные символы и каждый символ представляем в бинарном виде.
Классики криптографии предлагают пятизначный код бодо для каждой буквы. Мы же попробуем изменить этот шифр для кодирования в 8 бит/символ на примере ASCII-таблицы. Каждую букву представим в виде бинарного кода.
Теперь вспомним курс электроники и элемент «Исключающее ИЛИ», также известный как XOR.
XOR принимает сигналы (0 или 1 каждый), проводит над ними логическую операцию и выдает один сигнал, исходя из входных значений.
Если все сигналы равны между собой (0-0 или 1-1 или 0-0-0 и т.д.), то на выходе получаем 0.
Если сигналы не равны (0-1 или 1-0 или 1-0-0 и т.д.), то на выходе получаем 1.
Теперь для шифровки сообщения, введем сам текст для шифровки и ключ такой же длины. Переведем каждую букву в ее бинарный код и выполним формулу сообщение XOR ключ
сообщение: LONDON
ключ: SYSTEM
Переведем их в бинарный код и выполним XOR:
В данном конкретном примере на месте результирующих символов мы увидим только пустое место, ведь все символы попали в первые 32 служебных символа. Однако, если перевести полученный результат в числа, то получим следующую картину:
С виду — совершенно несвязный набор чисел, но мы-то знаем.
Шифр кодового слова
Принцип шифрования примерно такой же, как у шифра цезаря. Только в этом случае мы сдвигаем алфавит не на определенное число позиций, а на кодовое слово.
Например, возьмем для разнообразия, кириллический алфавит.
Придумаем кодовое слово. Например, «Лукоморье». Выдернем из него все повторяющиеся символы. На выходе получаем слово «Лукомрье».
Теперь вписываем данное слово в начале алфавита, а остальные символы оставляем без изменений.
И теперь запишем любое сообщение и зашифруем его.
Получим в итоге следующий нечитаемый бред:
Шифр Плейфера
Классический шифр Плейфера предполагает в основе матрицу 5х5, заполненную символами латинского алфавита (i и j пишутся в одну клетку), кодовое слово и дальнейшую манипуляцию над ними.
Пусть кодовое слово у нас будет «HELLO».
Сначала поступаем как с предыдущим шифром, т.е. уберем повторы и запишем слово в начале алфавита.
Теперь возьмем любое сообщение. Например, «I LOVE HABR AND GITHUB».
Разобьем его на биграммы, т.е. на пары символов, не учитывая пробелы.
Если бы сообщение было из нечетного количества символов, или в биграмме были бы два одинаковых символа (LL, например), то на место недостающего или повторившегося символа ставится символ X.
Шифрование выполняется по нескольким несложным правилам:
1) Если символы биграммы находятся в матрице на одной строке — смещаем их вправо на одну позицию. Если символ был крайним в ряду — он становится первым.
Например, EH становится LE.
2) Если символы биграммы находятся в одном столбце, то они смещаются на одну позицию вниз. Если символ находился в самом низу столбца, то он принимает значение самого верхнего.
Например, если бы у нас была биграмма LX, то она стала бы DL.
3) Если символы не находятся ни на одной строке, ни на одном столбце, то строим прямоугольник, где наши символы — края диагонали. И меняем углы местами.
Например, биграмма RA.
По этим правилам, шифруем все сообщение.
Если убрать пробелы, то получим следующее зашифрованное сообщение:
Поздравляю. После прочтения этой статьи вы хотя бы примерно понимаете, что такое шифрование и знаете как использовать некоторые примитивные шифры и можете приступать к изучению несколько более сложных образцов шифров, о которых мы поговорим позднее.
Статистические техники криптоанализа
Введение
Криптоанализ — наука о том, как расшифровывать зашифрованную информацию, не имея в распоряжении ключа для расшифровки. Криптоанализом так же называется сам процесс дешифровки.
Чаще всего под криптоанализом понимается выяснение ключа шифрования, так как имея ключ криптоаналитик может расшифровать любое сообщение. Однако криптоанализ может заключаться и в анализе криптосистемы, а не только зашифрованного ею открытого сообщения, и включает также методы выявления уязвимости зашифровывающих алгоритмов.
Цель статистического криптоанализа — расшифровать конечное сообщение, используя вычисленную статистику. В этой статье представлен обзор нескольких методов статистического криптоанализа от самых простых, до используемых в современных взломах.
Частотный анализ
Простые шифры
Частотный анализ использует гипотезу о том, что символы или последовательности символов в тексте имеют некоторое вероятностное распределение, которое сохраняется при шифровании и дешифровании.
Этот метод один из самых простых и позволяет атаковать шифры простой замены, в которых символы в сообщении заменяются на другие согласно некоторому простому правилу соответствия.
Однако такой метод совершенно не работает, например, на шифрах перестановки. В них буквы или последовательности в сообщении просто меняются местами, но их количество всегда остается постоянным, как в анаграммах, поэтому ломаются все методы, основанные на вычислении частот появления символов.
Для полиалфавитных шифров — шифров, в которых циклически применяются простые шифры замены — подсчет символов так же не будет эффективен, поскольку для кодировки каждого символа используется разный алфавит. Число алфавитов и их распределение так же неизвестно.
Шифр Виженера
Один из наиболее известных примеров полиалфавитных шифров — шифр Виженера. Он довольно прост в понимании и построении, однако после его создания еще 300 лет не находилось способа взлома этого шифра.
Пусть исходный текст это: МИНДАЛЬВАНГОГ
Составляется таблица шифров Цезаря по числу букв в используемом алфавите. Так, в русском алфавите 33 буквы. Значит, таблица Виженера (квадрат Виженера) будет размером 33х33, каждая i-ая строчка в ней будет представлять собой алфавит, смещенный на i символов.
Выбирается ключевое слово. Например, МАСЛО. Символы в ключевом слове повторяются, пока длина не достигнет длины шифруемого текста: МАСЛОМАСЛОМАС.
Символы зашифрованного текста определяются по квадрату Виженера: столбец соответствует символу в исходном тексте, а строка — символу в ключе. Зашифрованное сообщение: ЩЙЯРПШЭФМЬРПХ.
Этот шифр действительно труднее взломать, однако выделяющиеся особенности у него все же есть. На выходе все же не получается добиться равномерного распределения символов (чего хотелось бы в идеале), а значит потенциальный злоумышленник может найти взаимосвязь между зашифрованным сообщением и ключом. Главная проблема в шифре Виженера — это повторение ключа.
Взлом этого шифра разбивается на два этапа:
Поиск длины ключа. Постепенно берутся различные образцы из текста: сначала сам текст, потом текст из каждой второй буквы, потом из каждой третьей и так далее. В некоторый момент можно будет отвергнуть гипотезу о равномерном распределении букв в таком тексте — тогда длина ключа считается найденной.
Взлом нескольких шифров Цезаря, которые уже легко взламываются.
Поиск длины ключа — самая нетривиальная здесь часть. Введем индекс совпадений сообщения m:
где n — количество символов в алфавите и
p_i — частота появления i-го символа в сообщении. Эмпирически были найдены индексы совпадений для текстов на разных языков. Оказывается, что индекс совпадений для абсолютно случайного текста гораздо ниже, чем для осмысленного текста. С помощью этой эвристики и находится длина ключа.
Другой вариант — применить критерий хи-квадрат для проверки гипотезы о распределении букв в сообщении. Тексты, получаемые выкидыванием некоторых символов, все равно остаются выборкой из соответствующего распределения. Тогда в критерии хи-квадрат вероятности появления символов можно выбрать используя частотные таблицы языка.
Статистические атаки насыщения
Не только простейшие шифры подвержены статистическим методам криптоанализа. Например, статистические атаки насыщения направлены на блочные шифры, которые в настоящее время широко использутся в криптографических протоколах. Проиллюстрировать принцип таких атак удобно на блочном шифре PRESENT.
PRESENT
Предложенная атака основывается на уязвимости шифра на этапе перемешивания. Как показано на изображении, из входных битов 5, 6, 9 и 10 s-блоков половина соединений идет в те же самые блоки. И это только один пример подобной слабости. Значит, фиксируя 16 битов на входе 5, 6, 9 и 10 s-блоков, можно определить 8 входных битов для этих блоков на следующем раунде.
Предполагая ключ на данном шаге, криптоаналитик может по выбранном распределению выбранных 8 битов на входе определить распределение тех же 8 битов на выходе. Проделав эту процедуру для каждого ключа, можно понять все возможные распределения выбранных 8 выходных битов 5, 6, 9 и 10 s-блоков на каждом слое, применяя алгоритм итеративно.
Когда криптоаналитик знает для каждого ключа, как распределены выбранные 8 битов на каждом слое, он может сравнить полученные распределения с теми, которые получаются в реальной системе. Для этого нужен доступ к алгоритму шифрования и большое количество текстов для шифрования. Из всех возможных ключей выбирается тот, который минимизирует расстояние между теоретическим и экспериментальным распределениями.
Линейный криптоанализ
Еще один метод взлома блочных шифров — линейный криптоанализ. Он является одним из самых распространенных подходов. Анализ основывается на построении соотношений между открытым текстом P, ключом K и зашифрованным сообщением C, а затем их использовании для нахождения ключа.
Соотношения в алгоритме — это уравнения следующего вида:
Вероятность выполнения этого соотношения для произвольно выбранных битов примерно равна 0.5. Цель линейного криптоанализа — найти такие наборы битов, что эта вероятность сильно отличается от 0.5 в одну или другую сторону. Вероятности подсчитываются путем полного перебора всех возможных значений входов для S-блока.
Ключ находится следующим образом:
Для каждого возможного набора битов ключа проверяется, на скольких парах текст-шифротекст выполняется найденное соотношением. Выбирается тот набор битов, для которого отклонение числа пар от половины всех пар наибольшее.
Линейный криптоанализ оказался очень мощным инструментом и может применять не только к блочным, но и к потоковым шифрам.
Заключение
В данной статье были рассмотрены наиболее известные техники статистического криптоанализа от простейшего частотного анализа до современных методов взлома блочных шифров. Сложность современных шифров все увеличивается, но статистика помогает найти в них уязвимости, поэтому методы криптоанализа все еще находят свое применение, несмотря на высказывания о его конце.