1. Примеры полиграммных шифров Шифр Плейфера

Шифр Плейфера — ручная симметричная техника шифрования, в которой впервые использована замена биграмм. Изобретена в 1854 году Чарльзом Уитстоном, но названа именем Лорда Лайона Плейфера, который внедрил данный шифр в государственные службы Великобритании. Шифр предусматривает шифрование пар символов (биграмм) вместо одиночных символов, как в шифре подстановки и в более сложных системах шифрования Виженера. Шифр Плейфера использует матрицу 5х5 (для латинского алфавита, для кириллического алфавита необходимо увеличить размер матрицы до 4х8), ячейки которой заполнены смешанным алфавитом (в английских текстах обычно опускается символ «Q», чтобы уменьшить алфавит, в других версиях «I» и «J» объединяются в одну ячейку). Замена затем осуществляется путем представления биграмм, как два угла прямоугольника. Два другие угла в диаграмме используются для зашифровки. Шифр Плейфера использовался в тактических целях британскими вооруженными силами во Второй Англо-Бурской войне и в Первой мировой войне, а также австралийцами и немцами во время Второй мировой войны. Причиной использования шифра Плейфера было то, что он достаточно быстр в применении и не требует никакого специального оборудования.

Шифр Хилла

Шифр Хилла, изобретенный в 1929 году Лестером С. Хиллом, является полиграммным шифром, который может использовать большие группы с помощью линейной алгебры. Каждой букве сперва сопоставляется число. Для латинского алфавита часто используется простейшая схема: A = 0, B =1, ..., Z=25. Блок из n букв рассматривается как n-мерный вектор и умножается на n × n матрицу по модулю 26. Компоненты матрицы являются ключом, и должны быть случайными при условии, что матрица обратима. Матрица должна быть обратима, чтобы была возможна операция расшифрования. Шифр Хилла уязвим к атаке на основе открытых текстов, потому что в нем используются линейные операции. Поэтому, для увеличения криптостойкости, в него должны быть добавлены какие-либо нелинейные операции. Комбинирование линейных операций, как в шифре Хилла, и нелинейных шагов привело к созданию подстановочно-перестановочной сети (например, сеть Фейстеля). Поэтому с определенной точки зрения можно считать современные блочные шифры, как вид полиграммных шифров.

4. Полиалфавитные шифры

Дальнейшим продолжением шифров простой замены является многоалфавитные шифры. Абу Аль-Кинди в своих работах показал, что обычные моноалфавитные шифры довольно-таки просто поддаются частотному криптоанализу и первым предложил использовать многоалфавитные шифры. В Европе такие шифры были впервые описаны в 1467 году итальянским архитектором Леон Баттиста Альберти. В XVI веке немецкий аббат Иоганн Тритемий в своей книге “Стенография” представил схему полиалфавитного шифрования в виде таблицы. Более сложный вариант с использованием смешанных алфавитов был описан в 1563 году Джамбаттиста делла Порта в его книге “De Furtivis Literarum Notis” (лат. “Про скрытую значимость отдельных букв”). Последним словом в развитии полиалфавитных шифров можно считать роторные машины, примером которой можно считать немецкую машину Enigma, разработанная в 1917 г. Суть полиалфавитных шифров заключена в многократном применении различных шифров простой замены к определенному числу букв шифруемого текста. То есть к каждой букве по отдельности применяется один из шифров простой замены.