Книга шифров .Тайная история шифров и их расшифровки - Саймон Сингх

Таблица 1 Таблица относительной частоты появления букв на основе отрывков, взятых из газет и романов; общее количество знаков в отрывках составляло 100 362 буквы. Таблица была составлена X. Бекером и Ф. Пайпером и впервые опубликована в «Системах шифрования: защита связи»

В 1969 году французский автор Жорж Перек написал 200-страничный роман «Исчезновение» («La Disparition»), в котором не было слов с буквой е. Вдвойне примечательно то, что английскому писателю-романисту и критику Гилберту Адэру удалось перевести «La Disparition» на английский язык, где по-прежнему, как и у Перека, буква е отсутствовала. Как ни удивительно, но перевод Адэра, под названием «А Void», является удобочитаемым (см. Приложение А). Если бы весь этот роман был зашифрован с помощью одноалфавитного шифра замены, то попытка дешифровать его оказалась бы безуспешной из-за полного отсутствия наиболее часто встречающейся буквы в английском алфавите.

Дав описание первого инструмента криптоанализа, я продолжу примером того, как частотный анализ применяется для дешифрования зашифрованного текста. Я старался не усеивать книгу примерами криптоанализа, но для частотного анализа я сделаю исключение. Частично потому, что частотный анализ не столь труден, как может показаться из его названия, а частично потому, что это основной криптоаналитический инструмент. Кроме того, последующий пример дает понимание принципа работы криптоаналитика. Хотя частотный анализ требует логического мышления, вы увидите, что необходимы также интуиция, гибкость ума и везение.

Предположим, что мы перехватили это зашифрованное сообщение. Задача состоит в том, чтобы дешифровать его. Мы знаем, что текст написан на английском языке и что он зашифрован с помощью одноалфавитного шифра замены, но мы ничего не знаем о ключе. Поиск всех возможных ключей практически невыполним, поэтому нам следует применить частотный анализ. Далее мы шаг за шагом будем выполнять криптоанализ зашифрованного текста, но если вы чувствуете уверенность в своих силах, то можете попытаться провести криптоанализ самостоятельно.

При виде такого зашифрованного текста любой криптоаналитик немедленно приступит к анализу частоты появления всех букв; его результат приведен в таблице 2. Нет ничего удивительного в том, что частотность букв различна. Вопрос заключается в том, можем ли мы на основе частотности букв установить, какой букве алфавита соответствует каждая из букв зашифрованного текста. Зашифрованный текст сравнительно короткий, поэтому мы не можем непосредственно применять частотный анализ. Было бы наивным предполагать, что наиболее часто встречающаяся в зашифрованном тексте буква О является и наиболее часто встречающейся буквой в английском языке — е или что восьмая по частоте появления в зашифрованном тексте буква Y соответствует восьмой по частоте появления в английском языке букве h. Бездумное применение частотного анализа приведет к появлению тарабарщины. Например, первое слово РС<2 будет расшифровано как аоv.

Таблица 2 Частотный анализ зашифрованного сообщения.

Начнем, однако, с того, что обратим внимание только на три буквы, которые в зашифрованном тексте появляются более тридцати раз: О, X и Р. Естественно предположить, что эти наиболее часто встречающиеся в зашифрованном тексте буквы представляют собой, по всей видимости, наиболее часто встречающиеся буквы английского алфавита, но не обязательно в том же порядке. Другими словами, мы не можем быть уверены, что О = е, X = t и Р = а, но мы можем сделать гипотетическое допущение, что:

О = е, t или а, X = е, t или а, Р = е, t или а.

Чтобы быть уверенным в своих дальнейших действиях и идентифицировать три чаще всего встречающихся буквы: О, X и Р, нам потребуется применить частотный анализ более тонким образом. Вместо простого подсчета частоты появления трех букв, мы можем проанализировать, как часто они появляются рядом с другими буквами. Например, появляется ли буква О перед или после некоторых других букв, или же она стремится стоять рядом только с некоторыми определенными буквами? Ответ на этот вопрос будет убедительно свидетельствовать, является ли буква О гласной или согласной. Если О является гласной, то она должна появляться перед и после большинства других букв, если же она представляет собой согласную, то она будет стремиться избегать соседства со множеством букв. Например, буква е может появиться перед и после практически любой другой буквы, в то время как буква t перед или после букв b, d, g, j, k, m, q и v встречается редко.

В нижеприведенной таблице показано, насколько часто каждая из трех чаще всего встречающихся в зашифрованном тексте букв: О, X и Р появляется перед или после каждой буквы. О, к примеру, появляется перед А в 1 случае, но никогда сразу после нее, поэтому в первой ячейке стоит 1. Буква О соседствует с большинством букв, и существует всего 7 букв, которых она совершенно избегает, что показано семью нулями в ряду О. Буква X общительна в не меньшей степени, так как она тоже стоит рядом с большинством букв и чурается только 8 из них. Однако буква Р гораздо менее дружелюбна. Она приветлива только к нескольким буквам и сторонится 15 из них. Это свидетельствует о том, что О и X являются гласными, а Р представляет собой согласную.

Теперь зададимся вопросом, каким гласным соответствуют О и X. Скорее всего, что они представляют собой е и а — две наиболее часто встречающиеся гласные в английском языке, но будет ли О = е и X = а, или же О = а, а X = е? Интересной особенностью в зашифрованном тексте является то, что сочетание ОО появляется дважды, а XX не попадается ни разу. Так как в открытом английском тексте сочетание букв ее встречается значительно чаще, чем аа, то, по всей видимости, О = е и X = а.

На данный момент мы с уверенностью определили две буквы в зашифрованном тексте. Наш вывод, что X = а, основан на том, что в зашифрованном тексте в некоторых позициях X стоит отдельным словом, а а — это одно из всего двух слов в английском языке, состоящих из одной буквы. В зашифрованном тексте есть еще одна отдельно стоящая буква, Y, и это означает, что она представляет собой второе однобуквенное английское слово — і. Поиск однобуквенных слов является стандартным криптоаналитическим приемом, и я включил его в список советов по криптоанализу в Приложении В. Этот прием срабатывает только потому, что в данном зашифрованном тексте между словами остались пробелы. Но зачастую криптографы удаляют все пробелы, чтобы затруднить противнику дешифрование сообщения.

Хотя у нас есть пробелы между словами, однако следующий прием сработает и там, где зашифрованный текст был преобразован в непрерывную строку символов. Данный прием позволит нам определить букву h после того, как мы нашли букву е. В английском языке буква h часто стоит перед буквой е (как, например, в the, then, they и т. п.), но очень редко после е. В нижеприведенной таблице показана частота появления буквы О, которая, как мы полагаем, является буквой е, перед и после всех других букв в зашифрованном тексте. На основе этой таблицы можно предположить, что В представляет собой букву h, потому что она появляется перед О в 9 случаях, но никогда не стоит после нее. Никакая другая буква в таблице не имеет такой асимметричной связи с О.

Каждая буква в английском языке характеризуется своими собственными, присущими только ей индивидуальными особенностями, среди которых частота ее появления и ее связь с другими буквами.

Именно эти индивидуальные особенности позволяют нам установить истинное значение буквы, даже когда она была скрыта с использованием шифра одноалфавитной замены.

Теперь мы уже гарантированно определили значение четырех букв: О = е, Х = а, Y = i и В = h и можем приступить к замене отдельных букв в зашифрованном тексте их эквивалентами для открытого текста. При замене я буду придерживаться следующего правила: буквы зашифрованного текста останутся прописными, а подставляемые буквы для открытого текста будут строчными. Это поможет нам отличить те буквы, которые нам еще только предстоит определить, от тех, значение которых мы уже установили.