Документация Engee
Notebook

Модель шифра подстановки

Открыть пример в Engee

Реализуем модель шифрования при помощи простой замены (моноалфавитный шифр).

Описание задачи

Шифры подстановки - еще один базовый блок современных систем шифрования. Его различные варианты применялись как в античности (шифр Цезаря, шифр простой замены), так и внутри реализаций самых современных алгоритмов, в качестве очередного этапа шифрования.

Шифр, который мы реализуем, называется шифром простой замены, и его работа сводится к созданию таблицы шифрования, в которой для каждой буквы открытого текста принята единственная буква шифротекста. Мы будем использовать только 33 символа - прописную часть символов кириллического алфавита (включая букву Ё).

Мы будем шифровать сообщения посимвольно, заменяя каждый символ на соответствующий ему символ шифротекста посредством таблицы подстановок.

Алфавит исходного сообщения состоит из 33 символов:

In [ ]: 
print( collect(1:33) )

[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33]

Шифр-алфавит должен содержать все эти символы, но в псевдослучайном порядке:

In [ ]: 
target_order = shuffle( Xoshiro(1), 1:33 );
print( target_order )

[16, 13, 10, 3, 2, 22, 26, 33, 5, 25, 31, 27, 14, 28, 7, 29, 30, 12, 11, 9, 23, 4, 17, 6, 20, 8, 24, 15, 21, 19, 1, 18, 32]

Чтобы использовать эту таблицу в обратном направлении, нам нужно будет применить сортировку:

In [ ]: 
print( sortperm( target_order ) )

[31, 5, 4, 22, 9, 24, 15, 26, 20, 3, 19, 18, 2, 13, 28, 1, 23, 32, 30, 25, 29, 6, 21, 27, 10, 7, 12, 14, 16, 17, 11, 33, 8]

Обратите внимание, что при обращении к команде shuffle мы каждый раз инициализируем генератор случайных чисел некоторым числом 1. Это позволяет нам из раза в раз получать один и тот же псевдослучайный порядок сортировки значений (одинаковый для блока шифрования и для блока расшифровки).

image.png

Такая модель осуществляет шифрование и расшифровку сообщения.

Блоки перестановки

Моделей операции Перестановки и Обратной перестановки созданы при помощи блоков LookupTableND, для удобства снабженных маской с элементами управления.

На лицевой стороне блока перестановки отражает две вещи:

  • число Seed, которым мы инициализируем генератор случайных чисел
  • является ли перестановка прямой или обратной

image.png

Параметры блока перестановки устанавливаются в настройках его маски.

Запуск модели

Запустим модель средствами программного управления:

In [ ]: 
# Загрузим модель, если она еще не открыта на холсте
if "substitution_cipher_model" ∉ getfield.(engee.get_all_models(), :name)
    engee.load( "$(@__DIR__)/substitution_cipher_model.engee");
end

model_data = engee.run( "substitution_cipher_model" );
In [ ]: 
source_message = collect(model_data["Сообщение"]).value
cipher_text = Int.(collect(model_data["Шифротекст"]).value)
received_message = Int.(collect(model_data["Расшифровка"]).value)

println( "Отправленное сообщение: ", source_message )
println( "Зашифрованное сообщение: ", cipher_text )
println( "Полученное сообщение: ", received_message )

Отправленное сообщение: [1, 2, 3, 4, 5, 1, 2, 3, 4, 5, 1]
Зашифрованное сообщение: [16, 13, 10, 3, 2, 16, 13, 10, 3, 2, 16]
Полученное сообщение: [1, 2, 3, 4, 5, 1, 2, 3, 4, 5, 1]
In [ ]: 
alphabet_dict = Dict( zip( 1:33, "абвгдеёжзиёклмнопрстуфхцчшщъыьэюя" ))
print( "Расшифрованное сообщение: ", join( [alphabet_dict[d] for d in received_message], "" ) )

Расшифрованное сообщение: абвгдабвгда

Поскольку в этой демонстрации сообщение передается по кругу, мы получили 11 букв, что может быть больше или меньше чем количество символов в исходном сообщении.

Заключение

Мы показали, как работает шифр подстановки на упрощенном примере, где сообщение отправляется в виде массива цифр, обозначающих позицию каждой буквы исходного сообщения в кириллическом алфавите (в нижнем регистре). Следующим шагом можно адаптировать модель для отправки по-байтовых сообщений, заменив код в блоках Подстановка и Обратная подстановка.

Блоки, использованные в примере