cifrado de sustitución

Los cifrados de sustitución más sencillos son el cifrado César y el cifrado Atbash . En ellos, se sustituyen letras individuales (lo que se conoce como sustitución simple ). Esto se puede demostrar escribiendo el alfabeto dos veces: una vez en orden normal y otra con las letras desplazadas o invertidas para representar el alfabeto cifrado (o alfabeto de sustitución).

El alfabeto de sustitución también puede reorganizarse de forma más compleja, en cuyo caso se denomina alfabeto mixto o alfabeto desordenado . Tradicionalmente, los alfabetos mixtos se crean escribiendo primero una palabra clave, eliminando las letras repetidas y luego escribiendo todas las letras restantes del alfabeto en el orden habitual.

Utilizando este sistema, la palabra clave " cebras " nos da los siguientes alfabetos:

Un mensaje

¡Huyan de inmediato! ¡Nos han descubierto!

cifra a

SIAA ZQ LKBA. VA ZOA RFPBLUAOAR!

Y la palabra clave " abuela " nos da los siguientes alfabetos:

El mismo mensaje

¡Huyan de inmediato! ¡Nos han descubierto!

cifra a

MCDD GS JIAD. WD GPD NHQAJVDPDN!

Por lo general, el texto cifrado se escribe en bloques de longitud fija, omitiendo la puntuación y los espacios; esto se hace para disimular los límites de las palabras en el texto plano y para ayudar a evitar errores de transmisión. Estos bloques se denominan «grupos», y a veces se proporciona un «número de grupos» como verificación adicional. A menudo se utilizan grupos de cinco letras, que datan de la época en que los mensajes se transmitían por telégrafo .

SIAAZ QLKBA VAZOA RFPBL UAOAR

Si la longitud del mensaje no es divisible por cinco, puede rellenarse al final con caracteres nulos . Estos pueden ser cualquier carácter que, al descifrarse, resulte en información sin sentido, de modo que el receptor pueda detectarlos fácilmente y descartarlos.

El alfabeto del texto cifrado a veces difiere del alfabeto del texto plano; por ejemplo, en el cifrado Pigpen , el texto cifrado consiste en un conjunto de símbolos derivados de una cuadrícula. Por ejemplo:

Sin embargo, estas características no afectan significativamente la seguridad del sistema; como mínimo, cualquier conjunto de símbolos extraños puede transcribirse de nuevo al alfabeto AZ y tratarse con normalidad.

En las listas y catálogos para vendedores, a veces se utiliza un cifrado muy sencillo para sustituir los dígitos numéricos por letras.

Ejemplos: MAT se usaría para representar 120, PAPR se usaría para 5256 y OFTK se usaría para 7803.

Una variante antiguamente común del cifrado por sustitución es el nomenclator . Nombrado en honor al funcionario público que anunciaba los títulos de los dignatarios visitantes, este cifrado utiliza una pequeña hoja de código que contiene tablas de sustitución de letras, sílabas y palabras, a veces homófonas, que normalmente convertían símbolos en números. Originalmente, la parte del código se limitaba a los nombres de personas importantes, de ahí el nombre del cifrado; en años posteriores, también abarcó muchas palabras comunes y nombres de lugares. Los símbolos para palabras completas ( palabras clave en la terminología moderna) y letras ( cifrado en la terminología moderna) no se distinguían en el texto cifrado. El Gran Cifrado de Rossignols , utilizado por el rey Luis XIV de Francia, fue un ejemplo.

Los nomenclatores fueron el material estándar de la correspondencia diplomática , el espionaje y las conspiraciones políticas avanzadas desde principios del siglo XV hasta finales del siglo XVIII; la mayoría de los conspiradores eran, y siguen siendo, menos sofisticados en criptografía. Si bien los criptoanalistas de inteligencia gubernamentales comenzaron a descifrar sistemáticamente los nomenclatores a mediados del siglo XVI, y existían sistemas superiores desde 1467, la respuesta habitual al criptoanálisis consistía simplemente en aumentar el tamaño de las tablas. A finales del siglo XVIII, cuando el sistema comenzaba a desaparecer, algunos nomenclatores contenían 50 000 símbolos.

Sin embargo, no todos los sistemas de nomenclatura fueron descifrados; hoy en día, el criptoanálisis de textos cifrados archivados sigue siendo un área fructífera de investigación histórica.

Un intento inicial de dificultar los ataques de análisis de frecuencia en cifrados de sustitución consistió en enmascarar las frecuencias de las letras del texto plano mediante homofonía . En estos cifrados, las letras del texto plano se corresponden con más de un símbolo del texto cifrado. Generalmente, los símbolos del texto plano de mayor frecuencia tienen más equivalentes que las letras de menor frecuencia. De esta forma, la distribución de frecuencias se aplana, lo que dificulta el análisis.

Dado que el alfabeto cifrado requiere más de 26 caracteres, se emplean diversas soluciones para crear alfabetos más extensos. Quizás la más sencilla sea utilizar un «alfabeto» de sustitución numérica. Otro método consiste en variaciones simples del alfabeto existente: mayúsculas, minúsculas, al revés, etc. De forma más artística, aunque no necesariamente más segura, algunos cifrados homófonos emplean alfabetos completamente inventados con símbolos extravagantes.

El cifrado de libro es un tipo de cifrado homofónico, como por ejemplo los cifrados Beale . Se trata de una historia de tesoros enterrados descrita entre 1819 y 1821 mediante un texto cifrado que se basaba en la Declaración de Independencia. En este caso, cada carácter del texto cifrado estaba representado por un número. El número se determinaba tomando el carácter del texto original y buscando una palabra en la Declaración de Independencia que comenzara con ese carácter, y utilizando la posición numérica de esa palabra en la Declaración de Independencia como la forma cifrada de esa letra. Dado que muchas palabras en la Declaración de Independencia comienzan con la misma letra, el cifrado de ese carácter podía ser cualquiera de los números asociados con las palabras de la Declaración de Independencia que comienzan con esa letra. Descifrar el carácter X del texto cifrado (que es un número) es tan sencillo como buscar la X-ésima palabra de la Declaración de Independencia y usar la primera letra de esa palabra como el carácter descifrado.

Otro cifrado homófono fue descrito por Stahl en 1973 ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} y fue uno de los primeros intentos de proporcionar seguridad informática a los sistemas de datos en las computadoras mediante el cifrado. Stahl construyó el cifrado de tal manera que el número de homófonos para un carácter dado era proporcional a la frecuencia de dicho carácter, lo que dificultaba mucho el análisis de frecuencia.

Francesco I Gonzaga , duque de Mantua , utilizó el ejemplo más antiguo conocido de un cifrado de sustitución homofónica en 1401 para su correspondencia con un tal Simone da Crema. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

María, reina de Escocia , mientras estuvo prisionera de Isabel I, durante los años de 1578 a 1584, utilizó cifrados homófonos con encriptación adicional mediante un nomenclator para prefijos, sufijos y nombres propios frecuentes al comunicarse con sus aliados, incluido Michel de Castelnau . ^{[ 7 ]}

La obra de Al-Qalqashandi (1355–1418), basada en la obra anterior de Ibn al-Durayhim (1312–1359), contenía la primera discusión publicada sobre la sustitución y transposición de cifrados, así como la primera descripción de un cifrado polialfabético, en el que a cada letra del texto plano se le asigna más de un sustituto. ^{[ 8 ]} Los cifrados de sustitución polialfabéticos fueron descritos posteriormente en 1467 por Leone Battista Alberti en forma de discos. Johannes Trithemius , en su libro Steganographia ( en griego antiguo , «escritura oculta»), introdujo la forma ahora más estándar de un tableau (véase más abajo; ca. 1500, pero no se publicó hasta mucho después). Una versión más sofisticada que utiliza alfabetos mixtos fue descrita en 1563 por Giovanni Battista della Porta en su libro De Furtivis Literarum Notis ( en latín , «Sobre los caracteres ocultos en la escritura»).

En un cifrado polialfabético, se utilizan varios alfabetos. Para facilitar el cifrado, todos los alfabetos se suelen escribir en una tabla grande , tradicionalmente llamada tableau . El tableau suele ser de 26×26, de modo que se dispone de 26 alfabetos completos para el texto cifrado. El método para completar el tableau y elegir el siguiente alfabeto define el cifrado polialfabético en cuestión. Todos estos cifrados son más fáciles de descifrar de lo que se creía, ya que los alfabetos de sustitución se repiten para textos planos suficientemente largos.

Uno de los más populares fue el de Blaise de Vigenère . Publicado por primera vez en 1585, se consideró indescifrable hasta 1863, y de hecho se le conocía comúnmente como le chiffre indéchiffrable ( en francés , "cifra indescifrable").

En el cifrado de Vigenère , la primera fila del tablero se completa con una copia del alfabeto del texto plano, y las filas sucesivas simplemente se desplazan una posición a la izquierda. (Este tablero simple se denomina tabula recta y corresponde matemáticamente a la suma de las letras del texto plano y la clave, módulo 26). A continuación, se utiliza una palabra clave para elegir el alfabeto del texto cifrado. Cada letra de la palabra clave se usa sucesivamente, y luego se repiten desde el principio. Así, si la palabra clave es «CAT», la primera letra del texto plano se cifra con la letra «C», la segunda con la «A», la tercera con la «T», la cuarta de nuevo con la «C», y así sucesivamente; o si la palabra clave es «RISE», la primera letra del texto plano se cifra con la letra «R», la segunda con la «I», la tercera con la «S», la cuarta con la «E», y así sucesivamente. En la práctica, las claves de Vigenère solían ser frases de varias palabras.

En 1863, Friedrich Kasiski publicó un método (probablemente descubierto en secreto e independientemente antes de la Guerra de Crimea por Charles Babbage ) que permitía calcular la longitud de la palabra clave en un mensaje cifrado con el método de Vigenère. Una vez hecho esto, las letras del texto cifrado que habían sido cifradas con el mismo alfabeto podían seleccionarse y atacarse por separado como una serie de sustituciones simples semiindependientes, lo cual se complicaba por el hecho de que dentro de un mismo alfabeto las letras estaban separadas y no formaban palabras completas, pero se simplificaba por el hecho de que generalmente se había empleado una tabla recta .

Por lo tanto, incluso hoy en día, un cifrado tipo Vigenère debería ser teóricamente difícil de descifrar si se utilizan alfabetos mixtos en el tableau, si la palabra clave es aleatoria y si la longitud total del texto cifrado es menor que 27,67 veces la longitud de la palabra clave. ^{[ 9 ]} Estos requisitos rara vez se comprenden en la práctica, por lo que la seguridad de los mensajes cifrados con Vigenère suele ser menor de lo que podría haber sido.

Otros polialfabéticos notables incluyen:

• El cifrado de Gronsfeld. Es idéntico al de Vigenère, salvo que solo se utilizan 10 alfabetos, por lo que la "palabra clave" es numérica.
• El cifrado de Beaufort . Es prácticamente idéntico al de Vigenère, salvo que la tabla recta se sustituye por una tabla invertida, matemáticamente equivalente a texto cifrado = clave - texto plano. Esta operación es autoinversa , por lo que se utiliza la misma tabla tanto para el cifrado como para el descifrado.
• El cifrado de clave automática , que mezcla texto plano con una clave para evitar la periodicidad .
• El cifrado de clave continua , en el que la clave se hace muy larga utilizando un pasaje de un libro o texto similar.

Desde una perspectiva suficientemente abstracta, los cifradores de flujo modernos también pueden considerarse una forma de cifrado polialfabético en el que se ha puesto todo el empeño en hacer que la secuencia de claves sea lo más larga e impredecible posible.

En un cifrado de sustitución poligráfica, las letras del texto plano se sustituyen en grupos más grandes, en lugar de sustituirlas individualmente. La primera ventaja es que la distribución de frecuencias es mucho más plana que la de las letras individuales (aunque no es realmente plana en los idiomas reales; por ejemplo, «OS» es mucho más común que «RÑ» en español). En segundo lugar, el mayor número de símbolos requiere, en consecuencia, más texto cifrado para analizar productivamente las frecuencias de las letras.

Sustituir pares de letras requeriría un alfabeto de sustitución de 676 símbolos (${\displaystyle 26^{2}}$En la misma obra De Furtivis Literarum Notis mencionada anteriormente, della Porta propuso un sistema de este tipo, con un tablero de 20 x 20 (para las 20 letras del alfabeto italiano/latino que utilizaba) con 400 glifos únicos . Sin embargo, el sistema era poco práctico y probablemente nunca se utilizó.

El primer cifrado digráfico práctico (sustitución por pares) fue el llamado cifrado Playfair , inventado por Sir Charles Wheatstone en 1854. En este cifrado, una cuadrícula de 5 x 5 se llena con las letras de un alfabeto mixto (se combinan dos letras, generalmente I y J). Luego, se simula una sustitución digráfica tomando pares de letras como dos vértices de un rectángulo y usando los otros dos vértices como texto cifrado (véase el artículo principal sobre el cifrado Playfair para ver un diagrama). Se aplican reglas especiales para letras dobles y pares que caen en la misma fila o columna. El cifrado Playfair se utilizó militarmente desde la Guerra de los Bóers hasta la Segunda Guerra Mundial .

En 1901, Felix Delastelle introdujo otros sistemas poligráficos prácticos , entre ellos los cifrados bífido y de cuatro cuadrados (ambos digráficos) y el cifrado trífido (probablemente el primer cifrado trigráfico práctico).

El cifrado Hill , inventado en 1929 por Lester S. Hill , es una sustitución poligráfica que puede combinar grupos de letras mucho más grandes simultáneamente utilizando álgebra lineal . Cada letra se trata como un dígito en base 26 : A = 0, B = 1, y así sucesivamente. (En una variación, se agregan 3 símbolos adicionales para hacer que la base sea prima ). Un bloque de n letras se considera entonces como un vector de n dimensiones y se multiplica por una matriz de n x n , módulo 26. Los componentes de la matriz son la clave y deben ser aleatorios siempre que la matriz sea invertible.${\displaystyle \mathbb {Z} _{26}^{n}}$(para asegurar que el descifrado sea posible). Una versión mecánica del cifrado Hill de dimensión 6 fue patentada en 1929. ^{[ 10 ]}

El cifrado de Hill es vulnerable a un ataque de texto plano conocido porque es completamente lineal , por lo que debe combinarse con algún paso no lineal para contrarrestar este ataque. La combinación de pasos difusivos lineales, débiles y cada vez más amplios, como en un cifrado de Hill, con pasos de sustitución no lineales, conduce finalmente a una red de sustitución-permutación (por ejemplo, un cifrado de Feistel ), por lo que es posible, desde esta perspectiva extrema, considerar los cifrados de bloques modernos como un tipo de sustitución poligráfica.

Entre la Primera Guerra Mundial y la popularización de las computadoras (para algunos gobiernos esto ocurrió aproximadamente en las décadas de 1950 o 1960; para otras organizaciones, una década o más tarde; para los particulares, no antes de 1975), se utilizaron ampliamente implementaciones mecánicas de cifrados de sustitución polialfabética. Varios inventores tuvieron ideas similares por la misma época, y las máquinas de cifrado de rotor fueron patentadas cuatro veces en 1919. La más importante de las máquinas resultantes fue la Enigma , especialmente en las versiones utilizadas por el ejército alemán a partir de 1930. Los Aliados también desarrollaron y utilizaron máquinas de rotor (por ejemplo, SIGABA y Typex ).

Todas estas máquinas eran similares en que la letra sustituida se elegía eléctricamente entre la enorme cantidad de combinaciones posibles resultantes de la rotación de varios discos de letras. Dado que uno o más de los discos giraban mecánicamente con cada letra del texto plano cifrado, la cantidad de alfabetos utilizados era astronómica. Sin embargo, las primeras versiones de estas máquinas eran vulnerables. William F. Friedman, del SIS del Ejército de los EE. UU . , descubrió vulnerabilidades en la máquina de rotores de Hebern , y Dillwyn Knox, de la Escuela de Códigos y Cifrado del Gobierno, resolvió versiones de la máquina Enigma (aquellas sin el "panel de conexiones") mucho antes del comienzo de la Segunda Guerra Mundial . El tráfico protegido por prácticamente todas las Enigma militares alemanas fue descifrado por criptoanalistas aliados, sobre todo los de Bletchley Park , comenzando con la variante del Ejército Alemán utilizada a principios de la década de 1930. Esta versión fue descifrada gracias a la brillante intuición matemática de Marian Rejewski en Polonia .

Hasta donde se sabe públicamente, ningún mensaje protegido por las máquinas SIGABA y Typex fue vulnerado durante el tiempo en que estos sistemas estuvieron en funcionamiento, ni en épocas cercanas a dicho período.

Un tipo de cifrado por sustitución, el cifrado de un solo uso , es único. Fue inventado cerca del final de la Primera Guerra Mundial por Gilbert Vernam y Joseph Mauborgne en Estados Unidos. Claude Shannon demostró matemáticamente su inquebrantable fortaleza , probablemente durante la Segunda Guerra Mundial ; su trabajo se publicó por primera vez a finales de la década de 1940. En su implementación más común, el cifrado de un solo uso puede considerarse un cifrado por sustitución solo desde una perspectiva particular; normalmente, la letra del texto plano se combina (no se sustituye) de alguna manera (por ejemplo, mediante la operación XOR ) con el carácter de la clave en esa posición.

En la mayoría de los casos, la clave de un solo uso resulta poco práctica, ya que requiere que el material de la clave sea tan largo como el texto plano, realmente aleatorio , utilizado una sola vez y mantenido en secreto para todos excepto para el remitente y el destinatario previsto. Cuando estas condiciones se incumplen, incluso mínimamente, la clave de un solo uso deja de ser inquebrantable. Los mensajes soviéticos de un solo uso enviados desde Estados Unidos durante un breve periodo de la Segunda Guerra Mundial utilizaron material de clave no aleatorio . A partir de finales de la década de 1940, los criptoanalistas estadounidenses lograron descifrar, total o parcialmente, unos pocos miles de mensajes de entre varios cientos de miles. (Véase el proyecto Venona ).

En una implementación mecánica, muy parecida a la del equipo Rockex , el teclado de un solo uso se utilizaba para los mensajes enviados a través de la línea directa Moscú - Washington , establecida tras la Crisis de los Misiles de Cuba .