Cipher cache #3 Mystery Cache

Playfairova šifra

Tuto šifru navrhl v březnu 1854 britský vědec Charles Wheatstone, šifra je ovšem pojmenována podle barona Lyona Playfaira, který se zasadil o její použití v praxi.
Wheatstone s touto šifrou zpočátku neměl úspěch. Při její demonstraci na britském ministerstvu zahraničí vzbuzovala pochybnosti její zdánlivá složitost a komplikovanost. Wheatstone nabídl, že během patnácti minut s touto šifrou naučí pracovat tři ze čtyr chlapců z blízké školy. „To je sice možné,“ reagoval tajemník ministra, „ale nikdy s ní nebudete schopen naučit pracovat naše attaché“.
Díky lobování barona Playfaira byla nakonec tato šifra přijata a prvního nasazení se dočkala během búrských válek. Použití této šifry není podmíněno žádným technickým vybavením a díky této jednoduchosti byla používána Brity i v první světové válce a pro šifrování důležitých, nikoliv však kritických informací i Němci a Australany ve druhé světové válce.

Dnes je Playfairova šifra považována za nespolehlivou, její prolomení hrubou silou je při použití počítače otázkou několika okamžiků a pro provedení tohoto typu útoku není potřeba ani žádný oslnivý výpočetní výkon – jako dostačující se uvádí např. procesor Intel 80386.


Jak Playfairova šifra vlastne funguje?

Playfairova šifra patří mezi symetrické, nebo též konvenční šifry, odesílatel a príjemce šifrované zprávy se nejdříve musí dohodnout na použitém šifrovacím klíči (tento ne zcela triviální problém vyrešil až příchod asymetrických šifrovacích algoritmů v osmdesátých letech dvacátého století, ale o tom zase někdy jindy).

Základem pro šifrování a dešifrování je vytvoření čtverce 5x5 polí, což omezuje počet použitých písmen na 25 (obvykle se vynechává písmeno J).

Před aplikací této šifry musíme zprávu upravit následujícím způsobem:

• nahradit všechna písmena J písmenem I
• rozepsat zprávu do dvojic písmen („bigramová šifra“)
• pokud se vedle sebe ocitnou dvě stejná písmena, vkládá se mezi ně písmeno X (nebo písmeno Z, prípadne Q, podle použité varianty)
• pokud je výsledný počet znaku lichý, na konec se přidá písmeno X (nebo písmeno Z ci Q, opět podle použité varianty)

Chceme-li tak například zašifrovat zprávu „HIDE THE CACHE IN THE TREE STUMP“ klíčem „PLAYFAIREXAMPLE“, postupujeme následovně:

• převedeme zprávu do tvaru pro šifrování:
  
  HI DE TH EC AC HE IN TH ET RE XE ST UM PX
  
  
• vytvoříme tabulku 5x5 znaků, do které se jako první vepisuje šifrovací klíc, ze kterého se odstraní všechny duplicitní znaky a zbytek tabulky se doplní zbývajícími znaky abecedy v abecedním pořadí. V případě našeho šifrovacího klíce tedy bude tabulka vypadat následovně:
  
  
  
  

  P	L	A	Y	F
  I	R	E	X	M
  B	C	D	G	H
  K	N	O	Q	S
  T	U	V	W	Z

  
  

Vlastní šifrovací proces je jednoduchý. Pokud se podíváme na tabulku a vyhledáme v ní jednotlivé dvojice písmen naší zprávy určené pro zašifrování, zjistíme, že tato písmena jsou v tabulce ve třech pozicích:

1. jsou ve stejném řádku,
2. jsou ve stejném sloupci
3. nebo spolu nesdílejí ani sloupec ani řádek

Pokud sdílejí stejný řádek, nahradíme je písmeny po jejich pravé straně. Je-li písmeno na konci řádky, použijeme písmeno na začátku řádky.
Pokud sdílejí stejný sloupec, nahradíme je písmeny pod nimi. Je-li písmeno na konci sloupce, použijeme písmeno ze začátku sloupce.
Pokud nesdílejí sloupec ani rádek, použijeme následující pravidlo:
Písmeno je nahrazeno písmenem nacházejícím se v průsečíku jeho vlastního rádku a sloupce. Pokud si představíme, že šifrovaná písmena vytvářejí uvnitř tabulky obdélník, použijeme písmena z opačného vrcholku obdélníku.

Výsledkem je šifrovaná zpráva v následujícím tvaru:

BM OD ZB RD LD DM RK ZB IV EX MX KZ ZR YI


CZ: Vyluštením následující Playfairovy šifry dostanete finální souřadnice:
EN: You'll obtain final coordinates if you successfully decrypt contiguous Playfair's cipher:

FC OI AT FD FI LO RP DB SU FT LY BD WT
WS TY ER OH YL KL FQ MY SX YO AY MT OQ
OH FD FI BH XG KH ER BA ER HM SU EH CH
OY AB FS LY LT HM SU EH CH OY KP GP SY
YO TA YL IT KL TA AL KL UG YS WH PT SM
MT YO AT SG ER HU QB BL KL HM QS YH YL
KL LH TA YL XS GP HY LY LO KP GP YH CH
OY IT KL TA AL KL YO FU YE PG OL YL LR
YH SM EN SN HU QB LY

CZ: Díky jednoduchému algoritmu je na Internetu volně k dispozici mnoho desítek implementací Playfairovy šifry. Se znalostí šifrovacího klíče, nechcete-li si tak vyzkoušet práci tehdejších šifrantů na vlastní kůži, může být vyluštení šifry otázkou několika málo vteřin.
Pro získání šifrovacího klíče této Playfairovy šifry proto budete muset nejdříve prolomit následující jednoduchou šifru:

EN: Because there is too many free available implementations Flayfair's cipher on Internet, key is protected by contiguous simple cipher:

IWOYI AOSDF ADPSY UEDYN ETDOL WAOTC TAUDO LUTRH TWURE

Můžete si samozřejmě vyzkoušet i roli kryptoanalytika a proti této šifře použít některou ze známých a účinných metod útoku.
Použití počítačového vybavení, jak již bylo zmíněno výše, tuto úlohu značne usnadňuje.