Инструмент шифра Виженера

Пошаговая идея

Возьмем открытый текст ATTACKATDAWN и ключевое слово LEMON. Повторяйте ключевое слово снизу, пока оно не покроет открытый текст, а затем сложите две буквы посимвольно (A=0, B=1, …, Z=25) по модулю 26.

Чтение зеленой строки дает зашифрованный текст LXFOPVEFRNHR. Буква ключа L сдвигает A на 11 позиций (A→L), E сдвигает T на 4 позиции (T→X) и так далее. Одна и так же буква открытого текста A появляется трижды, но шифруется в три разные буквы (L, O, E) — в этом и заключается свойство многоалфавитности и причина, по которой Виженер побеждает частотный анализ отдельных букв.

Математика в одну строку

Пронумеруем алфавит от A=0 до Z=25. Пусть \( p_i \) — это i-я буква открытого текста, а \( k_i \) — соответствующая буква ключа (ключевое слово циклически повторяется, поэтому \( k_i = K_{i \bmod n} \), где \( n \) — длина ключа). Тогда:

Шифрование: \( c_i = (p_i + k_i) \bmod 26 \)  ·  Дешифрование: \( p_i = (c_i - k_i) \bmod 26 \)

Для варианта Beaufort одна и та же формула \( c_i = (k_i - p_i) \bmod 26 \) подходит для обоих направлений. Для варианта Autokey ключ принимает вид \( k_1, k_2, \dots, k_n, p_1, p_2, \dots \) — сам открытый текст расширяет ключ, как только ключевое слово заканчивается.

Объяснение трех вариантов

Tabula Recta (Квадрат Виженера)

Классический способ применения Виженера заключается в поиске каждой буквы в таблице 26×26, где строка r представляет собой алфавит, повернутый на r позиций. Найдите строку буквы ключа, найдите столбец буквы открытого текста — ячейка на пересечении и будет буквой зашифрованного текста. Для дешифрования найдите строку ключа, просмотрите ее до буквы зашифрованного текста, а затем прочитайте заголовок столбца.

Метка строки = буква ключа. Заголовок столбца = буква открытого текста. Содержимое ячейки = буква зашифрованного текста. Пример: строка L, столбец A → L. Строка E, столбец T → X.

Как использовать Инструмент Шифра Виженера

1. Вставьте ваш открытый текст (для шифрования) или зашифрованный текст (для дешифрования) в поле ввода. Живой поток выравнивания ключа справа покажет открытый текст, букву ключа и результирующую букву шифра, расположенные вертикально, так что посимвольный сдвиг будет очевиден с первого взгляда.
2. Введите ключевое слово в поле «Ключевое слово». Символы, не являющиеся буквами, удаляются автоматически. Наблюдайте, как оранжевая метка ключевого слова циклически меняется по мере обработки букв, а лупа «последней пары» увеличивает самую свежую тройку текст + ключ = шифр.
3. Выберите Режим (Шифровать или Расшифровать) и Вариант (Виженер, Autokey или Beaufort). Вариант Beaufort является самообратным, поэтому режим не меняет его результат.
4. Нажмите «Применить Виженера». Полный результат появится ниже с посимвольным следом сдвига, статистикой (длина ключа, период, покрытие), сквозным подтверждением и параллельной лабораторией шифров, сравнивающей все варианты на одном и том же вводе.
5. Используйте кнопки «Скопировать», чтобы забрать зашифрованный текст, оригинал или ключевое слово. Для дешифрования вставьте зашифрованный текст, переключите Режим на «Расшифровать» с тем же ключевым словом и нажмите кнопку еще раз.

Виженер против Цезаря, Атбаш и ROT13 — Краткая справка

Почему шифр Виженера называли «Le Chiffre Indéchiffrable»

На протяжении почти трех столетий после того, как Беллазо впервые опубликовал его в 1553 году, шифр Виженера считался невскрываемым. Одна буква открытого текста могла шифроваться в 26 различных букв зашифрованного текста в зависимости от ее позиции, поэтому предположение о плоской частотности, которое ломает шифр Цезаря (где английская E или русская О являются самыми частыми буквами), больше не работало. Чарльз Бэббидж взломал его в 1850-х годах, но не опубликовал результаты; Фридрих Казиски независимо опубликовал метод атаки в 1863 году. Ключевая идея: ключевое слово повторяется, поэтому одна и та же подстрока открытого текста в позициях, различающихся на число, кратное длине ключа, дает одинаковый зашифрованный текст. Найдите расстояние между повторяющимися триграммами, возьмите наибольший общий делитель, и вы получите главного кандидата на длину ключа. Как только длина ключа известна, шифр Виженера разлагается на n параллельных шифров Цезаря, каждый из которых поддается частотному анализу.

Метод Казиски — как сдается Виженер

1. Просканируйте зашифрованный текст на наличие повторяющихся 3-буквенных или 4-буквенных последовательностей.
2. Запишите расстояние между каждой парой повторений.
3. Возьмите наибольший общий делитель этих расстояний — длина ключа почти всегда делит этот НОД.
4. Разделите зашифрованный текст на n столбцов (каждая n-я буква). Каждый столбец представляет собой шифр Цезаря.
5. Для каждого столбца найдите сдвиг букв, который максимизирует индекс совпадений или соответствует частоте букв языка. Этот сдвиг и есть одна буква ключа.

Попробуйте быстрый пример «Уязвимость к Казиски», чтобы увидеть это в действии: ввод повторяет «The quick brown fox», а ключ состоит всего из 3 букв, поэтому одни и те же слова оба раза шифруются одинаково — яркий неоновый знак для аналитика, использующего метод Казиски.

Семейство атак Бэббиджа / Казиски / Фридмана

• Бэббидж (1850-е, не опубликовано). Обнаружил, что повторяющиеся паттерны выдают длину ключа.
• Казиски (1863). Опубликовал ту же идею: расстояние между повторениями кратно длине ключа.
• Фридман (1922). Ввел индекс совпадений (Index of Coincidence) — статистическую меру, которая при правильном разделении столбцов достигает пика на уровне ~0.067 (для английского) вместо случайных ~0.038.
• Современные компьютеры. Проверяют все длины ключей от 1 до 30, вычисляют индекс совпадений для каждого разделения столбцов, выбирают длину, разделение которой имеет самый высокий средний индекс. Затем проводят частотную атаку на каждый столбец. Общее время: миллисекунды.

Уведомление о безопасности

Шифр Виженера — это не современное шифрование. Ключевое слово из 5 букв взламывается методом Казиски за миллисекунды, а ключевое слово из 20 букв сдается за несколько секунд автоматизированного анализа. Даже Autokey, устраняющий слабость периодичности, уязвим для атак на основе известного открытого текста и атак на префикс ключевого слова по вероятным словам. Никогда не используйте шифр Виженера для защиты паролей, персональных данных, финансовой информации или чего-либо, что должно оставаться конфиденциальным. Для реальной защиты используйте AES-256, ChaCha20, RSA или libsodium. Относитесь к Виженеру как к способу скрыть текст — для головоломок, CTF, обучения и исторических демонстраций — но не для его защиты.

Советы для достижения наилучших результатов

• Для дешифрования вставьте зашифрованный текст, введите то же ключевое слово и переключите Режим на «Расшифровать». Один и тот же инструмент как шифрует, так и расшифровывает.
• Для варианта Beaufort режим не имеет значения — применение Бофорта дважды с одним и тем же ключом возвращает оригинал.
• Если вас интересуют только буквы (без пробелов и знаков препинания в выводе), снимите флажок «Сохранять исходный регистр» — ввод будет нормализован к ВЕРХНЕМУ регистру перед шифрованием, а вывод будет состоять только из заглавных букв.
• Пробелы и знаки препинания во вводе проходят без изменений. Чтобы скрыть границы слов от случайного читателя, удалите их самостоятельно перед вставкой.
• Используйте Лабораторию шифров, чтобы увидеть, как один и тот же ключ ведет себя во всех трех вариантах — Autokey обычно выдает результат, сильно отличающийся от классического Виженера после первых n букв, поскольку поток ключа меняется.

FAQ

Что такое шифр Виженера?

Шифр Виженера — это метод многоалфавитной подстановки, который сдвигает каждую букву открытого текста на определенное количество позиций, зависящее от повторяющегося ключевого слова. Если буква ключа — K (11-я буква), буква открытого текста сдвигается вперед на 10 позиций. Шифр был описан Джованом Баттистой Беллазо в 1553 году и позже ошибочно приписан Блезу де Виженеру, чье имя в итоге и закрепилось.

Чем Виженер отличается от Цезаря или Атбаш?

Шифр Цезаря использует один фиксированный сдвиг для каждой буквы — ключ Виженера из одной буквы полностью эквивалентен Цезарю. Виженер использует разный сдвиг для каждой позиции, взятый из повторяющегося ключевого слова — именно поэтому одна и та же буква открытого текста может шифроваться в несколько разных букв зашифрованного текста. Атбаш — это фиксированное отражение (A↔Z, B↔Y) без ключа. Виженера гораздо сложнее взломать с помощью частотного анализа отдельных букв, потому что ключ сглаживает частоты букв.

Безопасен ли шифр Виженера для реального шифрования?

Нет. Фридрих Казиски взломал шифр Виженера в 1863 году, воспользовавшись периодичностью повторяющегося ключевого слова. Современные компьютеры взламывают Виженера мгновенно, используя тест Фридмана (индекс совпадений) и метод Казиски. Используйте AES-256, ChaCha20 или libsodium для реальной защиты; Виженер предназначен для головоломок, CTF и обучения.

Что такое вариант Autokey?

Вариант Autokey (самоключ) расширяет ключевое слово, добавляя к нему сам открытый текст, поэтому поток ключа никогда не повторяется. Виженер предложил это в 1586 году, чтобы устранить ту самую слабость, которую позже использовал Казиски. Autokey гораздо сложнее взломать, чем классического Виженера, но он все еще уязвим для атак на основе известного открытого текста и атак на префикс ключевого слова по вероятным словам.

Что такое вариант Beaufort?

Шифр Бофорта использует операцию зашифрованный текст = (ключ − открытый текст) mod 26, что делает его обратным самому себе — повторное шифрование с тем же ключом возвращает оригинал. Он был назван в честь сэра Фрэнсиса Бофорта и лежал в основе Hagelin M-209, портативной механической шифровальной машины, использовавшейся армией США во Второй мировой войне.

Какой длины должно быть мое ключевое слово?

Чем длиннее, тем лучше. Ключ из одной буквы сводит шифр Виженера к шифру Цезаря. Короткий ключ (3–5 букв) взламывается методом Казиски за секунды. Ключ той же длины, что и сообщение, используемый только один раз, представляет собой одноразовый блокнот — доказуемо абсолютную стойкость. Для головоломок и обучения обычно выбирают ключевое слово из 6–12 букв.