Хаошифр

Хаошифр ^[1] — метод шифрования, изобретенный Джоном Фрэнсисом Бирном в 1918 году и описанный в его автобиографической книге « Тихие годы» 1953 года . ^[2] Он считал, что Хаошифр прост, но нерушим. Бирн заявил, что машину, которую он использовал для шифрования своих сообщений, можно было поместить в коробку для сигар . Он предложил денежное вознаграждение тому, кто сможет решить эту задачу.

Бирн безуспешно пытался заинтересовать своей системой Корпус связи и ВМС США. Хотя многие студенты классического криптоанализа на протяжении многих лет пытались решить сложные сообщения, никому это не удалось. В течение 90 лет алгоритм Chaocipher оставался тщательно охраняемой тайной, известной лишь горстке людей.

В мае 2010 года невестка Бирна, Патрисия Бирн , пожертвовала все документы и артефакты, связанные с Хаошифром. ^[3] в Национальный криптологический музей в Ft. Мид, Мэриленд, США. Это привело к раскрытию алгоритма Chaocipher. ^[4]

Дизайн

В варианте Chaocipher, предложенном Бирном, система состоит из двух дисков, называемых левым и правым дисками, каждый из которых имеет 26 съемных выступов одинакового размера по периферии. Эти съемные вкладки содержат 26 букв алфавита (т. е. от А до Z) в некотором заранее установленном порядке. По окружности каждого диска расположены шпильки, которые позволяют двум дискам «взаимодействовать» или блокироваться. При включении поворот одного диска в одном направлении (например, по часовой стрелке) приведет к повороту другого колеса в противоположном направлении (например, против часовой стрелки). Вкладки являются съемными, то есть вкладку можно удалить с периферии, сдвинуть другой блок вкладок и вставить извлеченную вкладку в пустое место на периферии.

В любой момент диски могут сцепиться друг с другом так, что перемещение одного перемещает другой в противоположном направлении. Аналогично, зацепленные диски можно отключить, после чего один диск можно будет повернуть, не перемещая другой диск. Включение и выключение предположительно можно было бы осуществлять путем установки рычага в одно из двух положений.

Два упомянутых выше диска установлены на платформе, состоящей из двух шпинделей.

На платформе вокруг каждого диска расположены две отметки, известные как «зенит» и «надир». Зенит можно считать 12 часами аналоговых часов, а надир — 6 часами.

Операция

В своей классической форме система хаошифра состоит из двух алфавитов: правый алфавит используется для поиска буквы открытого текста, а другой («левый») алфавит используется для чтения соответствующей буквы зашифрованного текста. Базовый алгоритм связан с концепцией динамической замены. ^[5] при этом два алфавита слегка изменяются после шифрования каждой входной буквы открытого текста. По мере развития шифрования это приводит к появлению нелинейных и сильно разбросанных алфавитов.

Дешифрование идентично шифрованию: буква зашифрованного текста находится в «левом» алфавите, а соответствующая буква открытого текста считывается из «правого» алфавита.

Подробное описание алгоритма Chaocipher доступно. ^[4] а также обсуждения расшифрованных открытых текстов ^[6] и решение проблемы Бирна. ^[7]

Обзор процесса шифрования

Учитывая левый и правый диски, шифрование символа открытого текста состоит из пяти этапов:

Убедитесь, что левый и правый диски задействованы.
Вращайте простой (правый) диск, переводя нужную букву открытого текста в зенитное положение.
Прочтите соответствующую букву зашифрованного текста в зените на зашифрованном (левом) диске.
Перестановка левого диска.
Переставьте правильный диск.

Эти пять шагов выполняются непрерывно, пока ввод открытого текста не будет исчерпан. Чтобы проиллюстрировать процесс, мы зашифруем первую букву открытого текста из Приложения 1 Бирна, используя те же алфавиты и настройки диска, которые он использовал, как показано на рисунке 1.

Как зашифровать открытый текст

Найдите открытую букву

Предположим, мы хотим зашифровать букву «А». Найдите букву «А» на периферии диска с открытым текстом (справа). Вы можете увидеть букву открытого текста, выделенную на рисунке 2.

Пока диски задействованы, поверните правый диск, чтобы переместить букву «А» открытого текста в зенит (рис. 3). Обратите внимание, как левый (шифровый) диск вращается соответственно в противоположную сторону.

Буква в зените на зашифрованном (левом) диске — это буква нашего зашифрованного текста (т. е. «С»).

На этом этапе мы завершили шифрование буквы открытого текста в зашифрованный текст, т.е. «А» (pt) зашифровалось в «C» (ct).

В следующем разделе приведены инструкции по выполнению уникальной перестановки двух дисков Chaocipher при подготовке к шифрованию следующей буквы открытого текста.

Перестановка алфавитов

Теперь, когда буква открытого текста и соответствующая ей буква зашифрованного текста известны, приступайте к перестановке алфавитов на обоих дисках, готовясь к шифрованию следующей буквы открытого текста.

Перестановка левого колеса

Изменение алфавита левого колеса включает в себя следующие общие шаги (рис. 4):

Физически извлеките буквенную вкладку, найденную в позиции зенита-1 (т. е. на одну позицию против часовой стрелки после зенита), исключив ее из алфавита диска, временно оставив незаполненную «дыру».
Сдвиньте все буквы в положениях зенита-2 (продвигаясь против часовой стрелки) вниз до надира (зенита-13), включая их, перемещая их синхронно на одну позицию по часовой стрелке. Это закроет текущую «дыру», оставив новую «дыру» в надире.
Вставьте ранее извлеченную буквенную вкладку в пустое положение надира.

Перед выполнением шага перестановки левый диск должен выглядеть так, как показано на рисунке 4а.

Выполняя шаг (1), извлеките букву в позиции зенита-1 (т. е. «P»), оставив мгновенную «дыру» в этой позиции (рис. 4b).

Для шага (2) сдвиньте все буквы в последовательности против часовой стрелки, начиная с зенита-2 («E») вниз до надира («O») включительно, перемещая последовательность («EDQRSTIXYLMO») как полный блок на одну позицию. по часовой стрелке (рис. 4в).

На последнем шаге (3) вставьте извлеченную букву («P») обратно в алфавит в надирной позиции. Левая сторона теперь изменена и должна выглядеть так, как показано на рисунке 4d.

Перестановка правого колеса

Перестановка правого диска аналогична перестановке левого диска, с небольшими, но существенными отличиями. Он состоит из следующих общих этапов (рис. 5):

Отсоедините два диска, поверните правый диск на одну позицию против часовой стрелки (т. е. текущая буква в зените должна повернуться в положение зенит-1) и снова включите два диска.
Физически извлеките буквенную вкладку, которая теперь находится в позиции зенит+2 (т. е. на две позиции по часовой стрелке от зенита), исключив ее из алфавита диска, оставив временно незаполненную «дыру».
Сдвиньте все выступы с буквами в позициях зенит+3 вниз до надира (зенит+13), включая их, сдвинув их синхронно на одну позицию против часовой стрелки. Это закроет текущую «дыру», оставив новую «дыру» в надире.
Вставьте ранее извлеченную буквенную вкладку в пустое положение надира.

Давайте выполним описанные выше действия на правом диске на нашем примере. Правый диск должен выглядеть так, как показано на рисунке 5а. В этой конфигурации буква в зените — «А».

На этапе (1) сначала отсоедините два диска. Это позволяет вращать правый диск (см. следующий шаг), не перемещая левый диск. Затем поверните диск на одно положение против часовой стрелки, переместив букву «Y» в зенитное положение (рис. 5б). Наконец, повторно подключите два диска.

На этапе (2) извлеките язычок с буквой в положении зенит+2 («N») с диска, временно оставив «дырку» (рис. 5c).

На шаге (3) сдвиньте одиннадцать буквенных выступов от зенита+3 до зенита+13 (т. е. «BQDSEFGHLWI») на одно положение против часовой стрелки. Это закроет «дыру» в зените-2 и откроет новую «дыру» в надире (рис. 5d).

На последнем этапе ( 4) вставьте ранее извлеченную букву («N») обратно в диск в надирном положении. На этом перестановка правого диска завершена, и теперь он должен выглядеть так, как показано на рисунке 5e.

Повторное подключение дисков подготавливает систему к шифрованию следующей буквы открытого текста (рис. 6).

Как расшифровать зашифрованный текст

Расшифровка сообщения, зашифрованного Chaocipher, идентична шагам, используемым для шифрования. Единственное отличие состоит в том, что расшифровщик находит известную букву зашифрованного текста на левом (зашифрованном) диске, считывая букву открытого текста с правого (обычного) диска. Перестановка левого/правого диска идентична при шифровании и дешифровании.

Достопримечательности

Генри Э. Ланген обсудил Chaocipher с Джоном Ф. Бирном

Генри Э. Ланген, ^[8] редактор » Американской ассоциации криптограмм информационного бюллетеня « Криптограмма в период с 1952 по 1956 год сказал: «Он объяснил, что машина устроена чем-то вроде пишущей машинки с двумя вращающимися дисками с алфавитами, расположенными по периферии в полном беспорядке [ ...] Поскольку используются только два диска, я немного озадачен тем, как это может привести к такой полной хаотизации открытого текстового сообщения». ^[9]

Кто знал, как работает Хаошифр?

Хотя Джон Ф. Бирн представил сообщения о вызовах Chaocipher в своей автобиографической книге «Тихие годы», он никогда не описывал, как работает система. Любой, кто отвечал на вызовы, должен был делать это, не зная системы.

До 2010 года по крайней мере три человека знали, как это работает: сын Бирна Джон и двое редакторов Cryptologia , которым Джон доверил основной метод в 1990 году (то есть Лу Кру и Сайфер Дивурс). ^[10]

В августе 2009 года Моше Рубин нашел невестку Бирна Патрисию Бирн (урожденную Ньюэй), которая в мае 2010 года передала в дар артефакты и документы своего тестя Хаошифра Национальному криптологическому музею. ^[11]

Ссылки

^ Что такое хаошифр? , The Chaocipher Clearing House, получено 8 августа 2010 г.
^ Бирн, Дж. Ф. 1953. Тихие годы: автобиография с мемуарами Джеймса Джойса и нашей Ирландии. Нью-Йорк: Фаррар, Штраус и Янг (перепечатано в 1975 году издательством Octagon Books, подразделением Фаррара, Штрауса и Жиру).
↑ Chaocipher Machine и документы. Архивировано 22 июля 2010 г. в Национальном криптологическом музее Wayback Machine , получено 2 июля 2010 г.
^ Jump up to: ^а ^б Рубин, Моше (2 июля 2010 г.). «Раскрытие хаошифра: алгоритм» (PDF) . Проверено 3 июля 2010 г.
^ Шифр замены с псевдослучайным перетасовкой: объединитель динамической замены. Риттер, Т. 1990. Криптология. 14 (4): 289–303. Проверено 2 июля 2010 г.
^ Рубин, Моше (8 августа 2010 г.). «Раскрытие хаошифра: расшифровка экспоната № 1» (PDF) . Проверено 9 августа 2010 г.
^ Коуэн, Майк (декабрь 2010 г.). «Хаошифр: решение примеров 1 и 4» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 1 ноября 2016 г.
↑ Биографические данные Генри Э. Лангена , The Chaocipher Clearing House, получены 2 июля 2010 г.
^ Запись Лангена о Chaocipher в его личных мемуарах «Криптография - конфиденциально».
^ ?, ?. «Трагическая история Дж. Ф. Бирна». PurpleHunt.com. 1998. 17 августа 2007 г. Архивировано 7 августа 2007 г. в Wayback Machine.
^ NCM приобретает артефакты и документы Chaocipher.

Дальнейшее чтение

Раскрытие хаошифра Джона Ф. Бирна: историческая и техническая оценка Моше Рубина, Cryptologia, том 35, выпуск 4, октябрь 2011 г.
Расшифровка экспонатов 2 и 3 хаошифра Эсы Пейхи (PDF) . Проверено 23 апреля 2014 г.
Приложение 5 к хаошифру: история, анализ и решение проблемы Cryptologia 1990 года Джеффа Калофа, Джеффа Хилла и Моше Рубина, Cryptologia, том 38, выпуск 1, январь 2014 г., страницы 1–25

Внешние ссылки

Информационный центр Chaocipher — основные ресурсы и анализ для работы над Chaocipher.
Криптофорум - Обсуждение и анализ хаошифра
Взлом Chaocipher — визуальное описание того, как работает Chaocipher, и объяснение взлома. Приложение 1.
Интересные шифры и компьютерные методы решения - Обзор Chaocipher.
Знаменитые неразгаданные коды и шифры - сайт Илонки Дунина, посвященный неразгаданным кодам и шифрам, в том числе Chaocipher. Проверено 23 апреля 2014 г.

[1] Что такое хаошифр? , The Chaocipher Clearing House, получено 8 августа 2010 г.

[2] Бирн, Дж. Ф. 1953. Тихие годы: автобиография с мемуарами Джеймса Джойса и нашей Ирландии. Нью-Йорк: Фаррар, Штраус и Янг (перепечатано в 1975 году издательством Octagon Books, подразделением Фаррара, Штрауса и Жиру).

[3] Chaocipher Machine и документы. Архивировано 22 июля 2010 г. в Национальном криптологическом музее Wayback Machine , получено 2 июля 2010 г.

[Revealed-4] Jump up to: ^а ^б Рубин, Моше (2 июля 2010 г.). «Раскрытие хаошифра: алгоритм» (PDF) . Проверено 3 июля 2010 г.

[5] Шифр замены с псевдослучайным перетасовкой: объединитель динамической замены. Риттер, Т. 1990. Криптология. 14 (4): 289–303. Проверено 2 июля 2010 г.

[6] Рубин, Моше (8 августа 2010 г.). «Раскрытие хаошифра: расшифровка экспоната № 1» (PDF) . Проверено 9 августа 2010 г.

[7] Коуэн, Майк (декабрь 2010 г.). «Хаошифр: решение примеров 1 и 4» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 1 ноября 2016 г.

[8] Биографические данные Генри Э. Лангена , The Chaocipher Clearing House, получены 2 июля 2010 г.

[9] Запись Лангена о Chaocipher в его личных мемуарах «Криптография - конфиденциально».

[10] ?, ?. «Трагическая история Дж. Ф. Бирна». PurpleHunt.com. 1998. 17 августа 2007 г. Архивировано 7 августа 2007 г. в Wayback Machine.

[11] NCM приобретает артефакты и документы Chaocipher.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]