Playfair kód nebo Playfair čtverec je manuální symetrická šifrovací technika , která nejprve používala bigram nahrazení . Vynalezen v roce 1854 anglickým fyzikem Charlesem Wheatstonem , ale pojmenován po lordu Lyon Playfair , který významně přispěl k podpoře používání tohoto šifrovacího systému ve veřejné službě. Šifra zašifruje dvojice znaků (bigramy) namísto jednotlivých znaků, jako je tomu v substituční šifře a složitějších systémech Vigenèrovy šifry . Šifra Playfair je tedy odolnější vůči prasknutí než jednoduchá substituční šifra, protože její frekvenční analýza se stává komplikovanější . Lze to provést, ale ne pro symboly, ale pro bigramy. Protože existuje více možných bigramů než symbolů, je analýza mnohem pracnější a vyžaduje větší množství šifrovaného textu.
Přestože byla šifra Wheatstoneovým vynálezem, stala se známou jako šifra Playfair. Jeho první popis byl zaznamenán v dokumentu podepsaném Wheatstonem 26. března 1854 [1] . Wheatstoneův přítel lord Lyon Playfair doporučil tuto šifru pro použití nejvyššími státníky a vojenskými představiteli. Britské ministerstvo zahraničí však tento dokument odmítlo kvůli složitosti jeho vnímání. Když Wheatstone nabídl, že předvede, že tři ze čtyř chlapců v nedaleké škole by se mohli naučit používat tuto šifru za patnáct minut, náměstek ministra zahraničních věcí odpověděl: „ Je to velmi možné, ale tohoto atašé nikdy nenaučíte “ [2] .
Šifru takticky používala britská armáda ve druhé búrské válce a první světové válce a Australané a Němci během druhé světové války . Důvodem použití šifry Playfair bylo její snadné použití a absence potřeby dalšího speciálního vybavení. Hlavním účelem použití tohoto šifrovacího systému byla ochrana citlivých, ale neutajovaných informací během boje. V době, kdy nepřátelští kryptoanalytici zprávu prolomili, už jim informace byly k ničemu [1] [3] .
Použití šifry Playfair je v současné době nepraktické, protože moderní počítače mohou snadno prolomit šifru během několika sekund. První publikovaný algoritmus pro prolomení Playfairovy šifry byl popsán v roce 1914 v 19stránkové brožuře Josepha Mawburna3]4] [5] .
Šifra Playfair používá matici 5x5 (pro latinku, pro azbuku je nutné zvětšit velikost matice na 4x8) obsahující klíčové slovo nebo frázi. K vytvoření matice a použití šifry stačí zapamatovat si klíčové slovo a čtyři jednoduchá pravidla. Chcete-li sestavit klíčovou matici, musíte nejprve vyplnit prázdné buňky matice písmeny klíčového slova (bez zapisování opakovaných znaků), poté vyplnit zbývající buňky matice písmeny abecedy, které nejsou nalezené v klíčovém slově v pořadí (v anglických textech se znak „Q“ obvykle vynechává, aby se zmenšila abeceda, v jiných verzích jsou „I“ a „J“ spojeny do jedné buňky). Klíčové slovo může být zapsáno v horním řádku matice zleva doprava nebo ve spirále z levého horního rohu do středu. Klíčové slovo doplněné o abecedu tvoří matici 5x5 a je šifrovacím klíčem [6] [7] .
Aby bylo možné zašifrovat zprávu, je nutné ji rozdělit na bigramy (skupiny dvou znaků), například „Hello World“ se změní na „HE LL OW OR LD“ a najít tyto bigramy v tabulce. Dva bigramové symboly odpovídají rohům obdélníku v matici klíče. Určete vzájemné polohy rohů tohoto obdélníku. Poté podle následujících 4 pravidel [6] zašifrujeme dvojice znaků zdrojového textu:
Pro dešifrování je nutné použít inverzi těchto čtyř pravidel, vyhodit znaky "X" (nebo "Q"), pokud v původní zprávě nedávají smysl.
Předpokládejme, že je nutné zašifrovat bigram OR. Zvažte 4 případy:
| jeden)
* * * * *
* OYRZ
* * * * *
* * * * *
* * * * *
OR je nahrazeno YZ |
2)
* * O * *
** B **
* * * * *
** R **
* * Y * *
OR je nahrazeno BY |
3)
Z**O*
* * * * *
* * * * *
R**X*
* * * * *
OR je nahrazeno ZX |
čtyři)
* * * * *
* * * * *
YOZ*R
* * * * *
* * * * *
OR je nahrazeno ZY |
Zvažte následující příklad [8] . Nechť klíčové slovo je WHEATSON, pak dostaneme matici:
| W | H | E | A | T |
| S | Ó | N | B | C |
| D | F | G | já | K |
| L | M | P | Q | R |
| U | PROTI | X | Y | Z |
Zašifrujte zprávu „IDIOCIE ČASTO VYPADÁ JAKO INTELIGENCE“. Za tímto účelem rozdělíme zprávu na bigramy:
ID IO CY TE NL OO KS JAKO V TE LL IG EN CE
Protože sedmý digram obsahuje opakovaná písmena, je nutné mezi ně vložit X:
ID IO CY OF TE NL OX OK SL IK EI NT EL LI GE NC E
Aby se z posledního prvku stal bigram, musíte na konec přidat X:
ID IO CY OF TE NL OX OK SL IK EI NT EL LI GE NC EX
Nyní, použitím výše popsaných pravidel, zašifrujeme postupně každý bigram.
Text: ID IO CY OF TE NL OX OK SL IK EI NT EL LI GE NC EX
Soukromý text: KF FB BZ FM WA SP NV CF DU KD AG CE WP QD PN BS NE
Proto je zpráva „IDIOCIE ČASTO VYPADÁ JAKO INTELIGENCE“ převedena na „KFFBBZFMWASPNVCFDUKDAGCEWPQDPNBSNE“.
Stejně jako většina formálních šifrovacích šifer lze i šifru Playfair snadno prolomit, pokud je k dispozici dostatek textu. Získání klíče je poměrně jednoduché, pokud je znám šifrový a otevřený text. Když je znám pouze šifrový text, lze provést frekvenční analýzu , ale ne pro 26 možných znaků latinské abecedy, ale pro 25 ⋅ 24 = 600 možných bigramů (jedno z písmen a bigramy dvou stejných písmen jsou vyloučeny). Kryptanalytici analyzují shodu mezi frekvencí bigramů v šifrovém textu a známou frekvencí bigramů v jazyce, ve kterém je zpráva napsána [8] [9] .
Algoritmus pro prolomení šifry Playfair byl poprvé popsán v brožuře poručíkem Josephem O. Mowburnem v roce 1914 [3] [4] . Později, v roce 1939, byla kryptoanalýza šifry uvedena v knize " Cryptanalysis - a study of ciphers and their solution " od H. F. Gainese [9] . Podrobnější pokyny pro nalezení klíče pro šifru Playfair však lze nalézt v kapitole 7 „ Řešení polygrafických substitučních systémů “ v US Army Field Manual 34-40-2 .
Šifra Playfair je podobná šifre se dvěma čtverci , i když relativní jednoduchost šifrovacího systému Playfair usnadňuje identifikaci textu. Je pozoruhodné, že šifrovací diagram Playfair a jeho inverze (AB a BA) budou dešifrovány jako další digram a jeho inverze (RE a ER). V angličtině existuje mnoho slov, která obsahují takové inverzní diagramy, jako je REceivER a DEpartED. Identifikace blízko umístěných inverzních bigramů šifrového textu a jejich přiřazení v seznamu známých slov otevřeného textu je jedním snadným způsobem, jak vytvořit otevřený text a zahájit konstrukci klíče [8] .
Existuje další přístup ke kryptoanalýze šifry Playfair s názvem Random-restart hill climbing . Je založen na matici náhodných symbolů. Pomocí nejjednodušších iterací je matice náhodných znaků co nejblíže původní matici. Je zřejmé, že tato metoda je pro člověka příliš komplikovaná, ale počítače používající tento algoritmus mohou tuto šifru prolomit i s malým množstvím textu. Dalším rozlišovacím znakem Playfairovy šifry od dvoučtvercové šifry je, že nikdy neobsahuje digramy s opakovanými znaky (např. EE). Pokud v šifrovém textu nejsou žádné bigramy s opakovanými znaky a jeho délka je dostatečně velká, pak můžeme předpokládat, že původní text je zašifrován šifrou Playfair [3] .
Německá armáda, letectvo a policie používaly ve druhé světové válce dvojitý šifrovací systém Playfair jako šifru „střední třídy“. Přidali druhý čtverec, protože šifra Playfair byla prolomena během první světové války. Druhý symbol každého bigramu byl převzat z tohoto čtverce, bez použití klíčového slova a umístění symbolů v libovolném pořadí. Ale tato šifra byla také prolomena v Bletchley Park, protože Němci používali stejnou šablonu zprávy. Osm zpráv zašifrovaných dvojitou šifrou Playfair používalo čísla od jedné do dvanácti a to umožnilo poměrně snadno prolomit [1] [10] .
Později byly provedeny pokusy vylepšit šifru použitím matice 7x4 a přidáním znaků " * " a "#". Navzdory tomu, že se analýza šifry zkomplikovala, lze ji stále prolomit stejnými metodami jako původní [11] .