cifrado Playfair

El cifrado Playfair , también conocido como cuadrado Playfair o cifrado Wheatstone-Playfair , es una técnica de cifrado simétrico manual y fue el primer cifrado de sustitución de digramas literales . El método fue inventado en 1854 por Charles Wheatstone , pero lleva el nombre de Lord Playfair por haber impulsado su uso.

La técnica cifra pares de letras ( bigramas o digramas ), en lugar de letras individuales como en el cifrado de sustitución simple y los sistemas de cifrado de Vigenère, mucho más complejos , que se utilizaban entonces. Por lo tanto, el cifrado Playfair es significativamente más difícil de descifrar, ya que el análisis de frecuencia utilizado para los cifrados de sustitución simple no funciona con él. El análisis de frecuencia de los bigramas es posible, pero considerablemente más difícil. Con 600 ^{[ 1 ]} posibles bigramas en lugar de los 26 posibles monogramas (símbolos individuales, generalmente letras en este contexto), se requiere un texto cifrado considerablemente más largo para que sea útil.

El cifrado Playfair fue el primer cifrado en encriptar pares de letras en la historia de la criptología. ^{[ 2 ]} Wheatstone inventó el cifrado para el secreto en la telegrafía , pero lleva el nombre de su amigo Lord Playfair , primer barón Playfair de St. Andrews, quien promovió su uso. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} La primera descripción registrada del cifrado Playfair se encuentra en un documento firmado por Wheatstone el 26 de marzo de 1854.

Inicialmente, el Ministerio de Asuntos Exteriores británico lo rechazó durante su desarrollo debido a su supuesta complejidad. Wheatstone se ofreció a demostrar que tres de cada cuatro niños de una escuela cercana podrían aprender a usarlo en 15 minutos, pero el subsecretario del Ministerio de Asuntos Exteriores respondió: «Eso es muy posible, pero jamás se lo enseñaría a los agregados». ^{[ 6 ]}

Sin embargo, posteriormente fue utilizado con fines tácticos por las fuerzas británicas en la Segunda Guerra Bóer y en la Primera Guerra Mundial , y con el mismo propósito por británicos y australianos durante la Segunda Guerra Mundial . ^{[ 4 ] [ 5 ]} Esto se debía a que Playfair es razonablemente rápido de usar y no requiere equipo especial: solo un lápiz y papel. Un escenario típico para el uso de Playfair era proteger secretos importantes pero no críticos durante el combate real, por ejemplo, el hecho de que un bombardeo de artillería con proyectiles de humo comenzaría en 30 minutos para cubrir el avance de los soldados hacia el siguiente objetivo. Para cuando los criptoanalistas enemigos pudieran descifrar dichos mensajes horas después, esa información les sería inútil porque ya no era relevante. ^{[ 7 ]}

Durante la Segunda Guerra Mundial, el Gobierno de Nueva Zelanda lo utilizó para comunicarse entre Nueva Zelanda , las Islas Chatham y los observadores costeros de las Islas del Pacífico. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Los observadores costeros establecidos por la Inteligencia de la Marina Real Australiana también utilizaron este cifrado. ^{[ 7 ]}

Playfair ya no es utilizado por las fuerzas militares debido a vulnerabilidades conocidas y a la invención de dispositivos de cifrado automatizados. Se le ha considerado inseguro desde antes de la Primera Guerra Mundial .

La primera solución publicada del cifrado Playfair fue descrita en un folleto de 19 páginas por el teniente Joseph O. Mauborgne , publicado en 1914. ^{[ 10 ]} William Friedman lo describió en 1942 como un sistema que ofrecía muy poca seguridad. ^{[ 11 ]}

El cifrado Playfair utiliza una tabla de 5 × 5 que contiene una palabra clave o frase . Memorizar la palabra clave y cuatro reglas sencillas era todo lo que se requería para crear la tabla de 5 × 5 y utilizar el cifrado.

Para generar la tabla de claves, primero se rellenan los espacios de la tabla (un cuadrado de Polibio modificado ) con las letras de la palabra clave (eliminando las letras repetidas), y luego se rellenan los espacios restantes con el resto de las letras del alfabeto en orden (normalmente omitiendo la "J" o la "Q" para que el alfabeto quepa; otras versiones colocan la "I" y la "J" en el mismo espacio). La clave se puede escribir en las filas superiores de la tabla, de izquierda a derecha, o siguiendo algún otro patrón, como una espiral que comienza en la esquina superior izquierda y termina en el centro. La palabra clave, junto con las convenciones para rellenar la tabla de 5x5, constituye la clave de cifrado.

Para cifrar un mensaje, este se divide en digramas (grupos de 2 letras) de manera que, por ejemplo, "HelloWorld" se convierte en "HELLOWORLD". Estos digramas se sustituyen utilizando la tabla de claves. Dado que el cifrado requiere pares de letras, los mensajes con un número impar de caracteres suelen añadir una letra poco común, como la "X", para completar el digrama final. Las dos letras del digrama se consideran vértices opuestos de un rectángulo en la tabla de claves. Para realizar la sustitución, aplique las siguientes 4 reglas, en orden, a cada par de letras del texto plano:

1. Si ambas letras son iguales (o solo queda una), añade una "X" después de la primera. Cifra el nuevo par y continúa. Algunas variantes de Playfair usan "Q" en lugar de "X", pero cualquier letra, por muy poco común que sea como par repetido, servirá.
2. Si las letras aparecen en la misma fila de la tabla, sustitúyalas por las letras que se encuentran inmediatamente a su derecha (volviendo al lado izquierdo de la fila si una letra del par original estaba en el lado derecho de la fila).
3. Si las letras aparecen en la misma columna de la tabla, sustitúyalas por las letras que se encuentran inmediatamente debajo (si alguna letra del par original estaba en la parte inferior de la columna, continúe hasta la parte superior de la misma).
4. Si las letras no están en la misma fila o columna, sustitúyalas por las letras que sí se encuentren en la misma fila, pero en el otro par de esquinas del rectángulo definido por el par original. El orden es importante: la primera letra del par cifrado es la que se encuentra en la misma fila que la primera letra del par original.

Para descifrar, utilice la inversa (opuesta) de las dos reglas de desplazamiento, seleccionando la letra a la izquierda o hacia arriba según corresponda. La última regla permanece inalterada, ya que la transformación cambia las letras seleccionadas del rectángulo a la diagonal opuesta, y al repetir la transformación se devuelve la selección a su estado original. La primera regla solo se puede revertir eliminando las instancias adicionales de la letra de inserción elegida —generalmente "X" o "Q"— que no tengan sentido en el mensaje final.

Existen varias variaciones menores del cifrado Playfair original. ^{[ 12 ]}

Utilizando "ejemplo de Playfair" como clave (suponiendo que I y J son intercambiables), la tabla queda de la siguiente manera (letras omitidas en rojo):

El primer paso para cifrar el mensaje "esconder el oro en el tocón del árbol" es convertirlo en los pares de letras "HI DE TH EG OL DI NT HE TR EX ES TU MP" (donde la "X" nula se usa para separar las "E" repetidas). Luego:

Así, el mensaje "esconder el oro en el tocón del árbol" se convierte en "BM OD ZB XD NA BE KU DM UI XM MO UV IF", que puede reestructurarse como "BMODZ BXDNA BEKUD MUIXM MOUVI F" para facilitar la lectura del texto cifrado.

Supongamos que se desea cifrar el digrama OR. Existen cinco casos generales:

Al igual que la mayoría de los cifrados clásicos, el cifrado Playfair se puede descifrar fácilmente si se dispone de suficiente texto. Obtener la clave es relativamente sencillo si se conocen tanto el texto plano como el cifrado . Cuando solo se conoce el texto cifrado, el criptoanálisis por fuerza bruta implica buscar en el espacio de claves coincidencias entre la frecuencia de aparición de digramas (pares de letras) y la frecuencia de aparición conocida de digramas en el idioma supuesto del mensaje original. ^{[ 12 ]}

El criptoanálisis de Playfair es similar al de los cifrados de cuatro y dos cuadrados , aunque la relativa simplicidad del sistema Playfair facilita la identificación de posibles cadenas de texto plano. En particular, un dígrafo de Playfair y su inverso (por ejemplo, AB y BA) se descifran en el mismo patrón de letras en el texto plano (por ejemplo, RE y ER). En inglés, existen muchas palabras que contienen estos dígrafos inversos, como REceivER y DEpartED. Identificar dígrafos inversos cercanos en el texto cifrado y comparar el patrón con una lista de palabras conocidas en texto plano que lo contengan es una forma sencilla de generar posibles cadenas de texto plano con las que empezar a construir la clave.

Un enfoque diferente para abordar un cifrado Playfair es el método de ascenso de colina aleatorio . Este comienza con un cuadrado de letras aleatorio. Luego, se introducen cambios menores (por ejemplo, intercambiar letras, filas o reflejar todo el cuadrado) para ver si el texto plano candidato se asemeja más al texto plano estándar que antes del cambio (quizás comparando los digramas con una tabla de frecuencia conocida). Si se considera que el nuevo cuadrado es una mejora, se adopta y se modifica aún más para encontrar un candidato aún mejor. Finalmente, se encuentra el texto plano, o uno muy similar, que alcanza la puntuación máxima según el método de calificación elegido. Obviamente, esto supera la paciencia humana típica, pero las computadoras pueden adoptar este algoritmo para descifrar cifrados Playfair con una cantidad relativamente pequeña de texto.

Otro aspecto que distingue al cifrado Playfair de los cifrados de cuatro y dos cuadrados es que nunca contiene dígramas de dos letras, como EE. Si el texto cifrado no contiene dígramas de dos letras y su longitud es lo suficientemente grande como para que esto sea estadísticamente significativo, es muy probable que el método de cifrado sea Playfair.

Un buen tutorial sobre cómo reconstruir la clave de un cifrado Playfair se encuentra en el capítulo 7, «Solución a sistemas de sustitución poligráfica», del Manual de Campo 34-40-2 , producido por el Ejército de los Estados Unidos. Otro criptoanálisis de un cifrado Playfair se puede encontrar en el capítulo XXI de Cryptanalysis / a study of ciphers and their solutions , de Helen Fouché Gaines . ^{[ 13 ]}

En el capítulo 28 de la novela de misterio de Dorothy L. Sayers de 1932, *Have His Carcase* , se realiza un análisis criptográfico detallado del sistema Playfair . En esta historia, se demuestra que un mensaje Playfair es criptográficamente débil, ya que el detective logra descifrar la clave completa con solo unas pocas conjeturas sobre el formato del mensaje (en este caso, que el mensaje comienza con el nombre de una ciudad seguido de una fecha). El libro de Sayers incluye una descripción detallada de la mecánica del cifrado Playfair, así como un análisis criptográfico manual paso a paso.

El Ejército, la Fuerza Aérea y la Policía alemanas utilizaron el cifrado Double Playfair como cifrado de grado medio en la Segunda Guerra Mundial, basado en el cifrado británico Playfair que habían descifrado al comienzo de la Primera Guerra Mundial. ^{[ 14 ]} Lo adaptaron introduciendo un segundo cuadrado del que se seleccionaba la segunda letra de cada bigrama y prescindieron de la palabra clave, colocando las letras en orden aleatorio. Pero dada la predilección alemana por los mensajes pro forma , fueron descifrados en Bletchley Park . Los mensajes iban precedidos de un número secuencial, y los números se escribían con letras. Como los números alemanes del 1 (eins) al 12 (zwölf) contienen todas las letras de los cuadrados Double Playfair excepto ocho, el tráfico pro forma era relativamente fácil de descifrar (Smith, páginas 74-75).

Los crucigramas crípticos temáticos avanzados , como The Listener Crossword (publicado en la edición del sábado del periódico británico The Times ), incorporan ocasionalmente cifrados Playfair. ^{[ 15 ]} Normalmente, se deben introducir entre cuatro y seis respuestas en la cuadrícula mediante un código, y la frase clave de Playfair tiene un significado temático para la solución final.

Este cifrado se presta bien a los crucigramas, ya que el texto original se obtiene resolviendo un conjunto de pistas, mientras que el texto cifrado se obtiene resolviendo otros. Los participantes pueden entonces construir la tabla de claves emparejando los digramas (a veces es posible adivinar la palabra clave, pero nunca es necesario).

El uso del cifrado Playfair se explica generalmente en el preámbulo del crucigrama. Esto nivela las condiciones para quienes no lo conocen. Sin embargo, la forma de usarlo es siempre la misma. El alfabeto de 25 letras siempre contiene la Q y tiene la I y la J coincidentes. La tabla de claves se completa siempre fila por fila.

• La novela de 1932, Have His Carcase, de Dorothy L. Sayers, ofrece un relato detallado del desciframiento de un código Playfair.
• La novela de suspense de la Segunda Guerra Mundial de 1940, El caballo de Troya, de Hammond Innes, oculta la fórmula de una nueva aleación metálica de alta resistencia utilizando el cifrado Playfair.
• En la película de 2007 , National Treasure: Book of Secrets , una pista de la búsqueda del tesoro está codificada como un cifrado Playfair.
• En el audiolibro de 2007, Rogue Angel : God of Thunder , se utiliza una pista del cifrado Playfair para enviar a Anja Creed a Venecia.
• En 2018, en la serie Blindspot (serie de televisión), temporada 4, episodio 01, se mencionó el cifrado durante el análisis de una pista.
• En la novela de 2020 York: El mapa de las estrellas (tercera parte de una trilogía para niños) de Laura Ruby , una pista para resolver el cifrado Morningstarr está encriptada utilizando el cifrado Playfair.
• En 2021, el cifrado Playfair sirve como recurso argumental en un episodio de la segunda temporada de Batwoman (serie de televisión) .
• En la novela S. , de 2013 , escrita por Doug Dorst y concebida por JJ Abrams , se descubre un cifrado Playfair en las notas a pie de página de la historia.

• Temas de criptografía

• Gaines, Helen Fouché (1956) [1939], Criptoanálisis / un estudio de cifrados y sus soluciones , Dover, ISBN 0-486-20097-3{{citation}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda )
• Smith, Michael. Estación X: Los descifradores de códigos de Bletchley Park (1998, Channel 4 Books/Macmillan, Londres) ISBN 0-7522-2189-2
• Kahn, David (1996), Los descifradores de códigos: La historia completa de la comunicación secreta desde la antigüedad hasta Internet , Scribner, ISBN 978-0684831305

• Cifrado y descifrado en línea de Playfair con JavaScript
• Extracto de algunas notas de clase sobre cifrados: Cifrados digráficos: Playfair
• Cifrado Playfair
• Implementación multiplataforma del cifrado Playfair
• Implementación en Javascript del cifrado Playfair
• Implementación del cifrado Playfair en Python y Streamlit