Jeffersonův disk - Jefferson disk

Jeffersonova disková šifra

Jefferson disk nebo kolečko nicka , jak ji Thomas Jefferson pojmenoval, také známý jako Bazeries válec , je šifra systém pomocí sady kol nebo kotoučů, z nichž každý má 26 písmen abecedy uspořádané kolem jeho okraje. Pořadí písmen je pro každý disk jiné a je obvykle zakódováno nějakým náhodným způsobem. Každý disk je označen jedinečným číslem. Otvor ve středu disků umožňuje jejich stohování na nápravu . Disky jsou vyjímatelné a lze je namontovat na nápravu v libovolném požadovaném pořadí. Pořadí disků je šifrovací klíč a odesílatel i příjemce musí uspořádat disky ve stejném předdefinovaném pořadí. Jeffersonovo zařízení mělo 36 disků. [Kahn, s. 194]

Jakmile jsou disky umístěny na nápravu v dohodnutém pořadí, odesílatel otáčí každý disk nahoru a dolů, dokud není v jedné řadě vyhlášena požadovaná zpráva. Poté může odesílatel zkopírovat libovolný řádek textu na disky jiný než ten, který obsahuje zprávu ve formátu prostého textu. Příjemce prostě musí uspořádat disky v dohodnutém pořadí, otočit disky tak, aby hláskovaly zašifrovanou zprávu na jednom řádku, a pak se dívat kolem řádků, dokud neuvidí zprávu ve formátu prostého textu, tj. Řádek, který není úplný blábol. Je extrémně malá šance, že by byly dvě čitelné zprávy, ale to lze rychle zkontrolovat kódováním osoby.

Poprvé vynalezl Thomas Jefferson v roce 1795, tato šifra se nestala známou a byla nezávisle vynalezena velitelem Etienne Bazeries , dobyvatelem Velké šifry , o století později. Systém byl používán armádou Spojených států od roku 1923 do roku 1942 jako M-94 .

Tento systém není považován za zabezpečený proti modernímu prolomení kódu, pokud se používá k šifrování více než jednoho řádku textu se stejným uspořádáním disků (tj. Pomocí stejného klíče). Viz Kryptoanalýza .

Úkon

K zašifrování zprávy Alice otočí disky, aby vytvořila zprávu ve formátu prostého textu podél jednoho „řádku“ hromady disků, a poté jako šifrový text vybere další řádek . Pro dešifrování zprávy Bob otáčí disky na svém válci a vytváří šifrový text podél řady. Je užitečné, když Alice i Bob znají posun řádku, ale není to opravdu nutné, protože Bob se může jednoduše podívat kolem válce a najít řádek, který dává smysl.

Například zjednodušený „hračkový“ válec Bazeries využívající pouze deset disků může být organizován, jak je uvedeno níže, přičemž každý disk je „rozbalen“ do řádku a každý označen určujícím číslem:

1: <ZWAXJGDLUBVIQHKYPNTCRMOSFE <
2: <KPBELNACZDTRXMJQOYHGVSFUWI <
3: <BDMAIZVRNSJUWFHTEQGYXPLOCK <
4: <RPLNDVHGFCUKTEBSXQYIZMJWAO <
5: <IHFRLABEUOTSGJVDKCPMNZQWXY <
6: <AMKGHIWPNYCJBFZDRUSLOQXVET <
7: <GWTHSPYBXIZULVKMRAFDCEONJQ <
8: <NOZUTWDCVRJLXKISEFAPMYGHBQ <
9: <XPLTDSRFHENYVUBMCQWAOIKZGJ <
10: <UDNAJFBOWTGVRSCZQKELMXYIHP <

Pokud je "klíč", sekvence disků pro tento válec Bazeries je

7,9,5,10,1,6,3,8,2,4

a Alice chce poslat Bobovi zprávu „ ustoupit hned “, přeuspořádá disky podle klíče a otočí každý disk, aby získal prostý text , který je zobrazen vlevo, pro lepší přehlednost přidány mezery:

7: <R AFDCE O NJQGWTHSPYBXIZULVKM <
9: <E NYVUB M CQWAOIKZGJXPLTDSRFH <
5: <T SGJVD K CPMNZQWXYIHFRLABEUO <
10: <R SCZQK E LMXYIHPUDNAJFBOWTGV <
1: <E ZWAXJ G DLUBVIQHKYPNTCRMOSF <
6: <A MKGHI W PNYCJBFZDRUSLOQXVET <
3: <T EQGYX P LOCKBDMAIZVRNSJUWFH <
8: <N OZUTW D CVRJLXKISEFAPMYGHBQ <
2: <O YHGVS F UWIKPBELNACZDTRXMJQ <
4: <W AORPL N DVHGFCUKTEBSXQYIZMJ <

Poté vybere šifrový text od šesté řady válce nahoru od prostého textu. Tento šifrový text je také zvýrazněn výše s mezerami a poskytuje:

OMKEGWPDFN

Když Bob získá šifrový text, přeuspořádá disky na svém válci na uspořádání klíčů, otočí disky, aby poskytl šifrový text, a poté přečte prostý text o šest řádků níže od šifrového textu, nebo jednoduše vyhledá nad válcem řádek, který dává smysl .

Základ pro vojenské šifry

Válec Bazeries byl základem amerického šifrovacího stroje „ M-94 “, který byl představen v roce 1922 a odvozen z práce Parkera Hitta . V roce 1914 Hitt experimentoval se zařízením Bazeries a postavil jeden prototyp pomocí diapozitivů na dřevěném rámu, přičemž šifrovací abecedy byly vytištěny dvakrát za sebou na diapozitivy a další další pomocí dřevěných disků. Předal své experimenty do vedení velení Signálního sboru a v roce 1917 Joseph Mauborgne schéma vylepšil, přičemž konečným výsledkem byla M-94.

M-94 použil 25 hliníkových disků na vřetenu. To bylo používáno armádou , pobřežní stráží a divizí Radio Intelligence Federální komunikační komise až do začátku druhé světové války . Armáda přešla zpět k původnímu Hittovu schématu snímků pomocí šifrovacího stroje „ M-138-A “, který byl představen ve třicátých letech minulého století a během 2. světové války jej používalo americké námořnictvo a americké ministerstvo zahraničí . M-138-A představoval 100 proužků, z nichž 30 bylo vybráno pro použití v jedné šifrovací relaci. Bylo to značné zlepšení bezpečnosti ministerstva zahraničí , které během meziválečných let používalo směšně nejisté kódy, dokonce v jednom případě standardní komerční telegrafní kód. Daly se mnohem snáze zlomit.

Kryptoanalýza

Válec Bazeries byl v té době relativně silným systémem (ve srovnání s mnoha jinými používanými systémy) a Etienne Bazeries, kompetentní, ale velmi názorový muž, jej prý považoval za nerozluštitelný. Ve skutečnosti je jen stěží nedobytný a skupina prolomení kódu „ Pers ZS “ německého ministerstva zahraničí rozbila M-138-A v roce 1944. V té době však měli Američané v provozu mnohem sofistikovanější šifrovací systémy.

Francouzský kryptograf Gaetan de Viaris (aka markýz Gaetan Henri Leon Viarizio di Lesegno), který je známý jedním z prvních tiskových šifrovacích zařízení (1874), vyřešil válec Bazeries v roce 1893, takže údajná důvěra Bazeries v systém byla špatně umístěna .

Jednou hlavní slabinou válce Bazeries je, že posun od písmene prostého textu k písmenu šifrového textu pro šifrovací abecedu na každém disku bude úplně stejný. Ve výše uvedeném příkladu je tento posun šest písmen.

Předpokládejme, že kryptanalytik - řekněme Holmes - zachytil zjednodušený Bazeriesův válec popsaný ve výše uvedeném příkladu s deseti disky. To by mu nemělo stačit, aby s ním mohl dešifrovat zprávy, protože musí také znát klíč nebo uspořádání disků na válci. I u tohoto zjednodušeného válce Bazeries je počet možných permutací disků následující:

- což činí testování pokusů a omylů uspořádání disků naprosto nepraktickým pro ruční provádění; počítače by udělaly takový zlom téměř triviální pro 10 disků, ale ne pro 36 disků, které použil Jefferson, jako 36! ≈ 2138 .

Předpokládejme dále, že Holmes má postýlku . Předpokládejme například, že ví, že první blok prostého textu šifrovaný zjednodušeným cylindrem Bazeries je řetězec:

heilhitler

Pohodlně je to přesně deset písmen a lze to zašifrovat jediným průchodem pomocí zjednodušeného válce Bazeries. Odpovídající šifrový text je:

AZNCZEAPBH

Zbývající část zprávy je prozatím úplnou záhadou. Holmes však může pomocí této postýlky rozluštit všechny následující bloky zprávy.

Holmes netuší, který disk slouží k zašifrování toho kterého písmene, ale ví, že offset mezi písmeny prostého textu a písmem šifrového textu musí být stejný pro všech deset znaků. To mu dává způsob, jak proniknout do šifry seřazením znaků prostého textu a šifrovaného textu v postýlce; jejich formování do dvojic; určení offsetů pro písmena prostého textu a písmena šifrového textu pro každý disk; a poté hledání společného ofsetu v matici ofsetu.

Holmes ví, že korespondence mezi těmito dvěma písmeny je následující:

  • h - A.
  • e - Z
  • i - N.
  • l - C
  • h - Z
  • i - E
  • t - A.
  • l - P
  • e - B
  • r - H

Nyní Holmes vezme disk 1, který má šifrovací abecedu:

1: <ZWAXJGDLUBVIQHKYPNTCRMOSFE <

První dvojice písmen je „h: A“ a Holmes počítá podél disku, aby určil, že offset mezi dvěma písmeny je 15. Druhý pár písmen je „e: Z“ a hned vidí, že offset je 1 . Pokračuje v tomto procesu pro každý pár písmen pro disk 1 a poté projde stejným postupem pro dalších devět disků a vytvoří následující tabulku: 

       h:A  e:Z  i:N  l:C  h:Z  i:E  t:A  l:P  e:B  r:H
       ________________________________________________
  1:    15    1    6   12   13   14   10    9   10   19
  2:    14    5    6    3   16    4   22   23   25    7
  3:    15   15    4    2   17   12   14   25   10    7
  4:    18    7   10    7   14   20   12   25    1    6
  5:     4   14   20   13   20    7   21   14   25   24
  6:    22   16    3   17   10   19    1   14   14   14
  7:    14   15   14    8    7   12   15   19   12   13
  8:    21   12   12   22    5    2   14    8    8   14
  9:    11   14   15   14   15   14   16   25    5    2
  10:    5   23    5   21   17   21   20    6   14   12

Když Holmes připravuje stůl, hodnota „14“ na něj rychle vyskočí jako na společný prvek a po dokončení stolu se ukáže, že je jediným společným prvkem. To je zjevně posunutí řádku od prostého textu k šifrovému textu. Pro přehlednost odstraní ostatní hodnoty: 

       h:A  e:Z  i:N  l:C  h:Z  i:E  t:A  l:P  e:B  r:H
       ________________________________________________
  1:     -    -    -    -    -   14    -    -    -    -
  2:    14    -    -    -    -    -    -    -    -    -
  3:     -    -    -    -    -    -   14    -    -    -
  4:     -    -    -    -   14    -    -    -    -    -
  5:     -   14    -    -    -    -    -   14    -    -
  6:     -    -    -    -    -    -    -   14   14   14
  7:    14    -   14    -    -    -    -    -    -    -
  8:     -    -    -    -    -    -   14    -    -   14
  9:     -   14    -   14    -   14    -    -    -    -
  10:    -    -    -    -    -    -    -    -   14    -

Nyní Holmes přeskupí disky tak, aby odrážely správné pořadí písmen na válci. To se provádí přeskupením řádků tabulky tak, aby se hodnota "14" objevila v každé buňce podél hlavní diagonály tabulky. V tomto případě neexistují žádné nejasnosti v uspořádání disků; ale pokud by došlo, malé testování následujících bloků šifrového textu by odhalilo správné pořadí. 

       h:A  e:Z  i:N  l:C  h:Z  i:E  t:A  l:P  e:B  r:H
       ________________________________________________
  2:    14    -    -    -    -    -    -    -    -    -
  5:     -   14    -    -    -    -    -   14    -    -
  7:    14    -   14    -    -    -    -    -    -    -
  9:     -   14    -   14    -   14    -    -    -    -
  4:     -    -    -    -   14    -    -    -    -    -
  1:     -    -    -    -    -   14    -    -    -    -
  3:     -    -    -    -    -    -   14    -    -    -
  6:     -    -    -    -    -    -    -   14   14   14
  10:    -    -    -    -    -    -    -    -   14    -
  8:     -    -    -    -    -    -   14    -    -   14

To dává klíč:

2,5,7,9,4,1,3,6,10,8

V reálném světě má válec Bazeries více disků (obvykle 20 nebo 30 než 10) a je méně pravděpodobné, že by existovala jediná postýlka, která by zasáhla celý válec. Přesto výše popsaný přístup stále funguje. I kdyby měl válec 30 disků a postýlka jen pět písmen, mohl Holmes sestavit tabulku ofsetů pro každý z 30 disků pro pět párů písmen a použít ji k zúžení možností pro offset a disky používá se do postýlky.

Holmes mohl postup zopakovat s několika nezávislými betlémy ve stejné zprávě, téměř jistě rychle vyrovnal offset a poskytl lepší znalosti o pořadí disků. Jakmile bude stanoven posun, pak Holmes bude mít to, co se rovnalo transpozici písmen, která nebyla určena pohráváním s postýlkami, a použil metody, jako je vícenásobné anagramování, aby to rozbil .

Prameny

externí odkazy

Disk Jefferson vytvořil Thomas Jefferson