Foretag identisk klartekstkort til identisk krypteringstekst af en bogstavfrekvensanalyse, angreb mod en substitutionsciffer
Inden for den klassiske kryptografi, især når man analyserer substitutionscifre, er spørgsmålet om, hvorvidt identiske klartekst maps til identisk chiffertekst, vigtigt for at forstå effektiviteten og sårbarheden af disse kryptografiske metoder. En substitutionsciffer er en metode til indkodning, hvorved enheder af almindelig tekst erstattes med ciffertekst, i henhold til et fast system. Enhederne kan være enkeltbogstaver (de mest almindelige), bogstavpar, bogstavtripletter, blandinger af ovenstående og så videre. Modtageren afkoder teksten ved at udføre den omvendte substitution.
For at tage fat på kernen af spørgsmålet: I en substitutions-chiffer vil identiske klartekst-enheder faktisk kortlægges til identiske chiffertekst-enheder. Denne egenskab er iboende for designet af substitutionscifre og er en af de primære årsager til, at de er modtagelige for angreb med bogstavfrekvensanalyse.
Substitutionscifre og deres mekanisme
Substitutionscifre kan kategoriseres i to primære typer: monoalfabetiske og polyalfabetiske.
1. Monoalfabetiske substitutionscifre: I denne type chiffer erstattes hvert bogstav i klarteksten med et tilsvarende bogstav i chiffertekstalfabetet. Forholdet mellem almindelig tekst og chiffertekst er fast i hele beskeden. For eksempel, hvis 'A' erstattes med 'D', 'B' med 'E' og så videre, forbliver substitutionsmønsteret konsistent for hele meddelelsen. Derfor, hvis klarteksten indeholder flere forekomster af bogstavet 'A', vil hver instans blive krypteret til 'D'.
2. Polyalfabetiske substitutionscifre: Disse cifre bruger flere substitutionsalfabeter til at kryptere klarteksten. Et almindeligt eksempel er Vigenère-chifferet, hvor substitutionsmønsteret ændres baseret på bogstavets placering og et nøgleord. På trods af denne kompleksitet, inden for et enkelt substitutionsalfabet, er identiske klartekstenheder stadig knyttet til identiske chiffertekstenheder.
Brevfrekvensanalyseangreb
Et bogstavfrekvensanalyseangreb udnytter den forudsigelige karakter af monoalfabetiske substitutionscifre. På et givet sprog optræder visse bogstaver hyppigere end andre. For eksempel på engelsk er bogstavet 'E' det mest almindelige bogstav efterfulgt af 'T', 'A', 'O', 'I', 'N' osv. Når der bruges en substitutions-chiffer, er disse frekvenser mønstre er bevaret i chifferteksten.
Eksempel på frekvensanalyse:
Overvej en simpel monoalfabetisk substitutionschiffer, hvor:
– Klartekst: HELLO VERDEN
– Chiffertekst: KHOOR ZRUOG
Her kan substitutionsmønsteret være:
– H -> K
– E -> H
– L -> O
– O -> R
– W -> Z
– R -> U
– D -> G
Hvis en angriber opsnapper chifferteksten "KHOOR ZRUOG", kan de udføre frekvensanalyse ved at tælle forekomsterne af hvert bogstav. Antag, at den opsnappede chiffertekst er tilstrækkelig lang; angriberen vil bemærke, at 'O' forekommer hyppigere, hvilket kan tyde på, at 'O' svarer til et almindeligt bogstav i klarteksten, såsom 'L'. Ved at sammenligne frekvensfordelingen af chifferteksten med den kendte frekvensfordeling af almindeligtekstsproget, kan angriberen foretage kvalificerede gæt om erstatningerne.
Eksempel Scenario:
Antag en opsnappet chiffertekst: "XLMW MW XLMRO XLMW MW XLMRO".
Ved at tælle hyppigheden af hvert bogstav kan vi finde:
– X: 6 gange
– L: 6 gange
– M: 6 gange
– W: 6 gange
– I: 3 gange
– R: 3 gange
– O: 3 gange
I betragtning af gentagelsen kan en analytiker udlede, at "XLMW" er et almindeligt ord. Hvis vi har mistanke om "XLMW" repræsenterer "THIS", kan vi begynde at kortlægge:
– X -> T
– L -> H
– M -> I
– W -> S
Ved at bruge denne delnøgle kan vi dekryptere dele af chifferteksten og forfine vores gæt, indtil hele beskeden er dekrypteret.
Sårbarhed og forsvarsmekanismer
Den primære sårbarhed ved monoalfabetiske substitutionscifre ligger i deres deterministiske karakter, hvor hvert almindeligt tekstbogstav er knyttet til et fast chiffertekstbogstav. Denne forudsigelighed gør dem modtagelige for frekvensanalyseangreb.
For at afbøde denne sårbarhed udviklede kryptografer polyalfabetiske cifre, som bruger flere substitutionsalfabeter til at forvirre frekvensanalyse. Vigenère-chifferet bruger for eksempel et nøgleord til at bestemme, hvilket substitutionsalfabet, der skal bruges, og ændrer derved kortlægningen af almindelige tekstbogstaver til chiffertekstbogstaver på forskellige positioner i teksten.
Eksempel på polyalfabetisk chiffer:
Overvej Vigenère-chifferet med søgeordet "KEY":
– Klartekst: ANGREP VED DAGEN
– Nøgleord: KEYKEY KEYKEY
– Chiffertekst: KXEYQK KY DQYN
Her er bogstavet 'A' i klartekst krypteret forskelligt afhængigt af dets placering:
– Først 'A' (med 'K' fra nøgleordet) -> K
– Andet 'A' (med 'E' fra nøgleordet) -> X
– Tredje 'A' (med 'Y' fra nøgleordet) -> E
Selvom det samme almindelige bogstav 'A' optræder flere gange, knyttes det til forskellige chiffertekstbogstaver (K, X, E) baseret på søgeordet. Denne variabilitet komplicerer frekvensanalyse, hvilket gør chifferen mere sikker.
I klassisk kryptografi er substitutionscifre fundamentale, men alligevel sårbare over for frekvensanalyseangreb på grund af deres deterministiske karakter. Identiske enheder i klartekst er knyttet til identiske chiffertekstenheder i monoalfabetiske substitutionscifre, hvilket gør dem modtagelige for sådanne angreb. Polyalfabetiske ciphers, selv om de er mere sikre, følger stadig princippet om, at inden for et enkelt substitutionsalfabet er identiske klartekst-enheder knyttet til identiske ciphertekst-enheder. Det er vigtigt at forstå disse principper for at forstå udviklingen af kryptografiske teknikker og de igangværende bestræbelser på at forbedre sikkerheden.
Andre seneste spørgsmål og svar vedr Grundlæggende om EITC/IS/CCF klassisk kryptografi:
- Blev offentlig-nøgle-kryptografi introduceret til brug i kryptering?
- Kaldes sættet af alle mulige nøgler i en bestemt kryptografisk protokol for nøglerummet i kryptografi?
- I en skiftchiffer, erstattes bogstaverne i slutningen af alfabetet med bogstaver fra begyndelsen af alfabetet i henhold til modulær aritmetik?
- Hvad bør en blokchiffer indeholde ifølge Shannon?
- Blev DES-protokollen introduceret for at forbedre sikkerheden i AES-kryptosystemer?
- Afhænger sikkerheden af blokchiffere af at kombinere forvirrings- og diffusionsoperationer mange gange?
- Skal krypterings- og dekrypteringsfunktionerne holdes hemmelige for at kryptografiprotokollen kan forblive sikker?
- Kan kryptanalyse bruges til at kommunikere sikkert over en usikker kommunikationskanal?
- Hører internet, GSM og trådløse netværk til de usikre kommunikationskanaler?
- Er en udtømmende nøglesøgning effektiv mod substitutionschiffere?
Se flere spørgsmål og svar i EITC/IS/CCF Classical Cryptography Fundamentals