Криптографические методы и средства защиты информации

Исследовательская работа

 по информатике  и ИКТ на тему:

«Криптографические методы и средства защиты информации»

Выполнил: обучающийся группы №1 ПЛ №27

Муниров Л.М.

Проверила: Зиннатуллина Н.И.

Нефтекамск

2014 г.

Содержание

 Введение

1. История развития криптологии
2. Шифрование и расшифрование
1. Шифры и ключи
3. Симметричные алгоритмы шифрования
1. Перестановочные шифры
1. Простой столбцевой перестановочный шифр
2. Перестановочный шифр с ключевым словом
2. Подстановочные шифры
1. Шифр Цезаря
2. Аффинная криптосистема
3. Шифр Цезаря с ключевым словом
4. Метод полосок
5. Многоалфавитные системы
6. Шифр Виженера
4. Примеры

Заключение

Литература

Приложения

Введение

Проблема  защиты информации путем ее преобразования, исключающего ее прочтение посторонним  лицом, волновала человеческий ум с  давних времен. История криптографии − ровесница истории человеческого  языка. Более того, первоначально  письменность сама по себе была своеобразной криптографической системой, так как в древних обществах ею владели только избранные.

Еще 30 лет назад криптография использовалась почти исключительно для обеспечения безопасности военной и дипломатической связи, а также для целей разведывательной и контрразведывательной спецслужб. Вместе с тем начавшееся в 80-е годы бурное развитие информационных технологий и внедрение автоматизированных методов и средств обработки информации практически во все сферы деятельности людей привели к необходимости более широкого использования криптографических средств защиты информации. При этом использование таких средств невозможно без знания основных принципов, лежащих в основе их функционирования и определяющих возможности этих средств по защите информации.

Теперь, к началу XXI века, вследствие огромной популярности сети Internet технология шифрования и сопутствующие ей алгоритмы шифрования стали доступны массовому потребителю. В сетевом бизнесе для защиты безопасности финансовых сделок, сетевых услуг и потребительской информации основной упор делается на цифровые сертификаты и технологии шифрования как с открытым, так и с секретным ключами. Значение криптографии сегодня на самых различных уровнях трудно переоценить.

Криптография сегодня - это важнейшая часть всех информационных систем: от электронной почты до сотовой связи, от доступа к сети Internet до электронной наличности. Криптография обеспечивает подотчетность, прозрачность, точность и конфиденциальность. Она предотвращает попытки мошенничества в электронной коммерции и обеспечивает юридическую силу финансовых транзакций. Криптография помогает установить вашу личность, но и обеспечивает вам анонимность. Она мешает хулиганам испортить сервер и не позволяет конкурентам залезть в ваши конфиденциальные документы. А в будущем, по мере того как коммерция и коммуникации будут все теснее связываться с компьютерными сетями, криптография станет жизненно важной. Но присутствующие на рынке криптографические средства не обеспечивают того уровня защиты, который обещан в рекламе. Большинство продуктов разрабатывается и применяется отнюдь не в сотрудничестве с криптографами. Этим занимаются инженеры, для которых криптография - просто еще один компонент программы.

История развития криптологии

Проблема защиты информации была уже в древности. Так, первоначально письменность сама по себе была криптографической системой, потому что в древних обществах ею владели только избранные. С широким распространением письменности криптография стала формироваться как самостоятельная наука. Криптограммы (по-гречески - тайнописи) использовались для засекречивания важного сообщения от тех, кому оно не предназначалось. Уже знаменитый греческий историк Геродот (V век до н.э.) приводил примеры писем, понятных лишь для одного адресата. Спартанцы имели специальный механический прибор при помощи которого важные сообщения можно было писать особым способом, обеспечивающим сохранение тайны. Собственная секретная азбука была у Юлия Цезаря. В средние века и эпоху Возрождения над изобретением тайных шифров трудились многие выдающиеся люди, в том числе философ Фрэнсис Бэкон, математики Франсуа Виет, Джероламо Кардано, Джон Валлис.

С течением времени начали появляться по-настоящему сложные шифры. Один из них, связан с имением ученого аббата из Вюрцбурга Тритемиуса, которого к занятиям криптографией побуждало не только монастырское уединение, но и потребность сохранять от огласки некоторые духовные тайны. Различные хитроумные приемы кодирования применяли шифровальщики при папском дворе и дворах европейских королей. Вместе с искусством шифрования развивалось и искусство дешифровки, или криптоанализа.

Шифровальная электромеханическая машина "Энигма" была изобретена и запатентована немецким инженером Артуром Шребиусом вскоре после окончания первой мировой войны. Потом она претерпела несколько модификаций, не меняющих по сути принцип ее работы. Этот электромеханический аппарат состоял из клавиатуры, как у пишущей машинки, системы роторов и проводов, которая тщательно "перемешивала" сообщение, набираемое на клавиатуре. Это делалось благодаря тому, что хаотичные соединения проводов проходили через роторы, которые вращались при вводе информации и добавляли в шифровку свою долю хаоса. После "перемешивания каждой буквы сообщения в роторах и проводах на второй панели "Энигмы" загоралась одна из 26 лампочек, указывая как зашифровалась очередная буква. Обычный текст превращался в буквенную белиберду, расшифровать которую было практически невозможно. По оценкам криптоаналитиков, общее число возможных ключей к шифру "Энигмы" превышало 1092. Первоначально шифромашина применялась немецкими банками и считалась абсолютно надежной.

Но к 1935 году, когда началась стремительная милитаризация Германии, немцы начали использовать "Энигму" на флоте, в сухопутной армии и авиации, а также в военной разведке. В странах, опасавшихся немецкого нашествия, начали проводиться работы по автоматическому поиску ключей к шифрам "Энигмы". Польские аналитики создали в этих целях электромеханическое устройство "Бомба", которое после падения Польши во второй мировой войне попало в руки английских математиков.

Секретные шифры являются неотъемлемой частью многих детективных романов. Писатель-романтик Эдгар По, в своем романе "Золотой жук" в художественной форме изложил простейшие приемы шифрования и расшифовки сообщений. Эдгар По относился к проблеме расшифрования оптимистически, вложи в уста своего героя следующую фразу: "...едва ли разуму человека дано загадать такую загадку, которую разум его собрата, направленный должным образом, не смог бы раскрыть. Прямо скажу, если текст зашифрован без грубых ошибок и документ в приличной сохранности, я больше ни в чем не нуждаюсь; последующие трудности для меня просто не существуют." Столетие спустя это высказывание было опровергнуто Клодом Шенноном - ученым, заложившим основы теории информации. Шеннон показал, как можно построить криптограмму, которая не поддается никакой расшифровке, если не известен ключ.

В настоящее время проблемой защиты информации путем ее преобразования занимается криптология (криптос- тайный, логос - наука (слово) (греч.)). Криптология разделяется на два направления - криптографию и криптоанализ. Цели этих направлений прямо противоположны.

Криптография занимается поиском и исследованием методов преобразования информации с целью скрытия ее содержания.

Сфера интересов криптоанализа - исследование возможности расшифровывания информации без знания ключей.

Криптология — «особая» область исследований. О достижениях этой науки все чаще сообщают не только научные, но и научно-популярные журналы и обычная пресса. За рубежом в последние годы наблюдается небывалый бум в области криптологии. Это связано с тем, что ее достижения стали применяться не только в узких ведомственных кругах, но и в жизни миллионов граждан.

Широкое внедрение вычислительных систем привело к тому, что они становятся привлекательными для различного рода информационных нападений. Это облегчается тем, что информация оказалась лишенной своего физического воплощения, как было ранее (например, текст написан на бумаге и подписан автором). Отсутствие такого физического воплощения, сопряженное с невозможностью аутентификации его автора, открыло путь к различного рода нарушениям. В связи с этим появилась необходимость не только в обеспечении конфиденциальности, но и в обеспечении контроля подлинности и целостности информации. Кроме того, рост ценности информации и информатизация общества ставят вопросы разграничения доступа к информации (например, если пользователь не оплатил работу с базой знаний) и вопросы защиты от компьютерного терроризма. На сегодняшний день такая защита осуществляется эффективно с использованием средств криптографии.

Криптосхемой или криптоалгоритмом будем называть собственно алгоритм шифрования, имитозащиты, и других криптографических функций.

Криптографическим протоколом будем называть набор правил и процедур, определяющий использование криптоалгоритма.

Криптосистема представляет собой совокупность криптосхемы, протоколов и процедур управления ключами, включая изготовление и распространение. Эти определения не претендуют на строгость и не позволяют провести четкую границу между криптоалгоритмом и протоколом.

Шифрование и расшифрование

Предположим, что отправитель хочет послать сообщение получателю. Более того, отправитель желает засекретить это сообщение, чтобы никто, кроме получателя, не смог его прочитать.

Сообщение состоит из открытого текста. Процесс преобразования открытого текста с целью сделать непонятным его смысл для посторонних называется шифрованием. В результате шифрования сообщения получается шифр-текст. Процесс обратного преобразования шифр-текста в открытый текст называется расшифрованием.

Наука, которая учит, как следует поступать, чтобы сохранить содержание сообщений в тайне, называется криптографией. Людей, занимающихся криптографией, зовут криптографами. Криптоаналитики являются специалистами в области криптоанализа — науки о вскрытии шифров, которая отвечает на вопрос о том, как прочесть открытый текст, скрывающийся под шифрованным. Раздел науки, объединяющий криптографию и криптоанализ, именуется криптологией.

Обозначим открытый текст буквой Р (от английского слова plaintext). Это может быть текстовый файл, битовое изображение, оцифрованный звук— что угодно. Единственное ограничение связано с тем, что, поскольку, предметом изложения является компьютерная криптография, под Р понимается исключительно двоичные данные.

Шифртекст обозначается буквой С (от английского слова ciphertext) и также представляет собой двоичные данные. Объем полученного шифртекста иногда совпадает с объемом соответствующего открытого текста, а иногда превышает его. После зашифрования преобразованный открытый текст может быть передан по каналам компьютерной сети или сохранен в памяти компьютера.

Шифры и ключи

Криптографический алгоритм, также называемый шифром или алгоритмом шифрования, представляет собой математическую функцию, используемую для шифрования и расшифрования. Если быть более точным, таких функций две: одна применяется для шифрования, а другая — для расшифрования.

Когда надежность криптографического алгоритма обеспечивается за счет сохранения в тайне сути самого алгоритма, такой алгоритм шифрования называется ограниченным. Ограниченные алгоритмы представляют значительный интерес с точки зрения истории криптографии, однако совершенно непригодны при современных требованиях, предъявляемых к шифрованию. Ведь в этом случае каждая группа пользователей, желающих обмениваться секретными сообщениями, должна обзавестись своим оригинальным алгоритмом шифрования. Применение готового оборудования и стандартных программ исключено, поскольку тогда любой сможет приобрести это оборудование и эти программы и ознакомиться с заложенным в них алгоритмом шифрования. Придется разрабатывать собственный криптографический алгоритм, причем делать это надо будет каждый раз, когда кто-то из пользователей группы захочет ее покинуть или когда детали алгоритма случайно станут известны посторонним.

В современной криптографии эти проблемы решаются с помощью использования ключа, который обозначается буквой К (от английского слова key). Ключ должен выбираться среди значений, принадлежащих множеству, которое называется ключевым пространством. И функция шифрования Е, и функция расшифрования D зависят от ключа.

Некоторые алгоритмы шифрования используют различные ключи для шифрования и расшифрования. Это означает, что ключ шифрования К1 отличается от ключа расшифрования К2 .

Надежность алгоритма шифрования с использованием ключей достигается, за счет их надлежащего выбора и последующего хранения в строжайшем секрете. Это означает, что такой алгоритм не требуется держать в тайне. Можно организовать массовое производство криптографических средств, основу функционирования которых положен данный алгоритм. Знание криптографического алгоритма не позволит злоумышленнику прочесть зашифрованные сообщения, поскольку он не знает секретный ключ, использованный для их зашифрования.

Под криптосистемой понимается алгоритм шифрования, а также всевозможных ключей, открытых и шифрованных текстов.

Симметричные алгоритмы шифрования

Существуют две разновидности алгоритмов шифрования с использованием ключей — симметричные и с открытым ключом. Симметричным называют криптографический алгоритм, в котором ключ, используемый для шифрования сообщений, может быть получен из ключа расшифрования и наоборот. В большинстве симметричных алгоритмов применяют всего один ключ. Такие алгоритмы именуются одноключевыми, или алгоритмами с секретным ключом, и требуют, чтобы отправитель сообщений и их получатель условились о том, каким ключом они будут пользоваться. Надежность одноключевого алгоритма определяется выбором ключа, поскольку его значение дает возможность злоумышленнику без помех расшифровывать все перехваченные сообщения. Поэтому выбранный ключ следует хранить в тайне от посторонних.

Симметричные алгоритмы шифрования бывают двух видов. Одни из них обрабатывают открытый текст побитно. Они называются потоковыми алгоритмами, или потоковыми шифрами. Согласно другим, открытый текст разбивается на блоки, состоящие из нескольких бит. Такие алгоритмы называются блочными, или блочными шифрами. В современных компьютерных алгоритмах блочного шифрования обычно длина блока составляет 64 бита.

Из-за большой избыточности естественных языков в зашифрованное сообщение трудно внести осмысленные изменения, поэтому помимо защиты информации обеспечивается защита от навязывания ложных данных. Если же естественная избыточность недостаточна, то используется специальная контрольная комбинация - имитовставка.

Так как используется один ключ, то каждый из участников обмена может зашифровывать и дешифрировать сообщения, поэтому данная схема шифрования работает на взаимном доверии. Если его нет, то могут возникать различные коллизии, так как при возникновении какого-либо спора по поводу достоверности сообщения, независимый наблюдатель не может сказать кем из участников было отправлено сообщение.

Перестановочные шифры

Простой столбцевой перестановочный шифр

В данном виде шифра текст пишется на горизонтально разграфленном листе бумаги фиксированной ширины, а шифротекст считывается по вертикали. Дешифрирование заключается в записи шифротекста вертикально на листе разграфленной бумаги фиксированной ширины и затем считывании открытого текста горизонтально. Открытый текст: КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ ВИРУСОВ

Зашифрованный текст: КФЯЬЫУЛИ ЮХСАККТ ОСАОЕВВСЦМРИ ИИПНР

Перестановочный шифр с ключевым словом

Буквы открытого текста записываются в клетки прямоугольной таблицы по ее строчкам. Буквы ключевого слова пишутся над столбцами и указывают порядок этих столбцов (по возрастанию номеров букв в алфавите). Чтобы получить зашифрованный текст, надо выписывать буквы по столбцам с учетом их нумерации:

Открытый текст: Занимательная математика. Ключ: Шифр

Криптограмма: ЗМЛЯТТААЬ ЕИНТНММКИЕАААА

Ключевое слово (последовательность столбцов) известно адресату, который легко сможет расшифровать сообщение.

Так как символы криптотекста те же, что и в открытом тексте, то частотный анализ покажет, что каждая буква встречается приблизительно с той же частотой, что и обычно. Это дает криптоаналитику информацию о том, что это перестановочный шифр. Применение к криптотексту второго перестановочного фильтра значительно повысит безопасность. Существуют и еще более сложные перестановочные шифры, но с применением компьютера можно раскрыть почти все из них.

Хотя многие современные алгоритмы используют перестановку, с этим связана проблема использования большого объема памяти, а также иногда требуется работа с сообщениями определенного размера. Поэтому чаще используют подстановочные шифры.

Подстановочные шифры

В подстановочных шифрах буквы исходного сообщения заменяются на подстановки. Замены в криптотексте расположены в том же порядке, что и в оригинале. Если использование замен постоянно на протяжение всего текста, то криптосистема называется одноалфавитной (моноалфавитной). В многоалфавитных системах использование подстановок меняется в различных частях текста.

Шифр Цезаря

Юлий Цезарь повествует о посылке зашифрованного сообщения Цицерону. Используемая при этом система подстановок была одноалфавитной, но не являлась системой Цезаря: латинские буквы заменялись на греческие способом, который не был ясен из рассказа Цезаря. Информация о том, что Цезарь действительно использовал систему Цезаря, пришла от Светония.

В шифре Цезаря каждая буква замещается на букву, находящуюся k символами правее по модулю равному количеству букв в алфавите. (Согласно Светонию у Цезаря k=3 n=50)

Ck(j)=(j+k)(mod n),

n - количество букв в алфавите.

Очевидно, что обратной подстановкой является

Ck-1(j)=Сn-k=(j+n-k)(mod n).

Аффинная криптосистема

Обобщением системы Цезаря является аффинная криптосистема. Она определяется двум числами a и b, где , , n - как и раньше, является мощностью алфавита. Числа a и n должны быть взаимно просты. 
Соответствующими заменами являются:

Aa,b(j)=(a∙j+b)(mod n),

A-1a,b(j)=(j-b)∙a-1(mod n).

 
Обратную замену также можно получить, просто поменяв местами строки в таблице замен.

Взаимная простота a и n необходима для биективности отображения, в противном случае возможны отображения различных символов в один и неоднозначность дешифрирования.

Шифр Цезаря с ключевым словом

В данной разновидности шифра Цезаря ключ задается числом k,  и коротким ключевым словом или предложением. Выписывается алфавит, а под ним, начиная с k- й позиции, ключевое слово. Оставшиеся буквы записываются в алфавитном порядке после ключевого слова. В итоге мы получаем подстановку для каждой буквы. Требование, чтобы все буквы ключевого слова были различными не обязательно - можно записывать ключевое слово без повторения одинаковых букв. Количество ключей в системе Цезаря с

Метод полосок

Для шифра Цезаря имеется более простой способ расшифровки - так называемый метод полосок. На каждую полоску наносятся по порядку все буквы алфавита. В криптограмме берется некоторое слово. Полоски прикладываются друг к другу так, чтобы образовать данное слово. Двигаясь вдоль полосок находится осмысленное словосочетание, которое и служит расшифровкой данного слова, одновременно находится и величина сдвига.

Многоалфавитные системы

Полиалфавитные подстановочные шифры были изобретены Лином Баттистой (Lean Battista) в 1568 году. Основная идея многоалфавитных систем состоит в том, что на протяжении всего текста одна и та же буква может быть зашифрована по-разному. Т.е. замены для буквы выбираются из многих алфавитов в зависимости от положения в тексте. Это является хорошей защитой от простого подсчета частот, так как не существует единой маскировки для каждой буквы в криптотексте. В данных шифрах используются множественные однобуквенные ключи, каждый из которых используется для шифрования одного символа открытого текста. Первым ключом шифруется первый символ открытого текста, вторым - второй, и т.д. После использования всех ключей они повторяются циклически.

Шифр Виженера

Одной из старейших и наиболее известных многоалфавитных криптосистем является система Виженера, названная в честь французского криптографа Блейза Виженера(Vigenere). Этот метод был впервые опубликован в 1586 году. В данном шифре ключ задается набором из d букв. Такие наборы подписываются с повторением под сообщением, а, затем, полученную последовательность складывают с открытым текстом по модулю n (мощность алфавита). Т.е. получается следующая формула:

Vigd(mi)=(mi+ki mod d)(mod n)

 
Также букву шифротекста можно находить из следующей таблицы, как пересечение столбца, определяемого буквой открытого текста, и строки, определяемой буквой ключа:

А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я 
Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А 
В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б 
Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В 
Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г 
Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д 
Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е 
З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж 
И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З 
Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И 
К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й 
Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К 
М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л 
Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М 
О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н 
П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О 
Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П 
С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р 
Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С 
У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т 
Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У 
Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф 
Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х 
Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц 
Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч 
Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш 
Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ 
Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ 
Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы 
Э Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь 
Ю Я А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э 
Я А   Б  В   Г  Д    Е  Ж  З    И  Й   К    Л   М  Н   О    П  Р  С   Т У Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Щ   Ъ    Ы   Ь Э Ю

(Таблица Виженера для русского алфавита)

В частном случае, при d=1, получаем шифр Цезаря.

Примеры

Рассмотрим, как зашифровать сообщение методом замены (другими словами — методом подстановки). Вначале, используем шифр Цезаря. Предположим, что требуется зашифровать сообщение:

ГДЕ АББА

Как известно, циклический шифр Цезаря получается заменой каждой буквы открытого текста буквами этого же алфавита, расположенными впереди через определенное число позиций, например через три позиции. Циклическим он называется потому, что при выполнении замены вслед за последней буквой алфавита вновь следует первая буква алфавита. Запишем фрагменты русского алфавита и покажем, как выполняется шифрование.

В результате проведенного преобразования получится шифрограмма:  

ЁЖЗ ГДДГ

В данном случае ключом является величина сдвига (число позиций между буквами). Число ключей этого шифра невелико (оно равно числу букв алфавита). Не представляет труда вскрыть такую шифрограмму перебором всех возможных ключей.

Замена может осуществляться на символы другого алфавита и с более сложным ключом (алгоритмом замены). В результате такого шифрования получится криптограмма:

CDB EFFE

Рациональнее использованный в последнем случае ключ записать в виде таблицы:  

А Б В Г Д Е 

Е F А С D В

При шифровании буквы могут быть заменены числами (в простейшем случае порядковыми номерами букв в алфавите). Тогда наша шифровка будет выглядеть так:

4-5-6-1-2-2-1

Длинные сообщения, полученные методом одноалфавитной замены (другое название — шифр простой однобуквенной замены), раскрываются с помощью таблиц относительных частот. Для этого подсчитывается частота появления каждого символа, делится на общее число символов в шифрограмме. Затем с помощью таблицы относительных частот определяется, какая была сделана замена при шифровании.

Повысить криптостойкость позволяют многоалфавитные шифры замены (или шифры многозначной замены). При этом каждому символу открытого алфавита ставят в соответствие не один, а несколько символов шифровки.

Ниже приведен фрагмент многоалфавитного ключа замены.