8.2. Klassik shifrlash usullari: o'rniga qo'yish va o'rin almashtirish

Zamonaviy shifrlash algoritmlarini tushunish uchun ularning qanday paydo bo'lganini bilish foydali, chunki eng murakkab hozirgi algoritmlar ham ikkita oddiy amalga tayanadi. Kriptografiya tarixini shartli ravishda to'rt bosqichga ajratish mumkin (8.1-jadval).

8.1-jadval. Kriptografiya taraqqiyotining asosiy bosqichlari (Ganiyev asosida).

Ushbu jadvaldan bir qonuniyat ko'rinadi: har bir bosqichda shifrlar oldingisidan bardoshliroq bo'lgan, biroq vaqt o'tishi bilan yangi tahlil usullari paydo bo'lib, avvalgi shifrlar ishonchini yo'qotgan. Enigma o'z davrida buzib bo'lmas deb hisoblangan edi, bugun esa uni oddiy shaxsiy kompyuter bir necha soniyada ochib beradi. Bu kriptografiyaning muhim xususiyatini ko'rsatadi: xavfsizlik doimiy emas, u hisoblash quvvati va tahlil usullariga nisbatan baholanadi.

Kriptografiyada ma'lumotni o'zgartirishning ikki asosiy usuli mavjud, ular zamonaviy algoritmlarning ham negizini tashkil etadi. Birinchisi o'rniga qo'yish (substitution), ya'ni almashtirish akslantirishidir. Bu usulda ochiq matndagi har bir belgi boshqa belgi bilan almashtiriladi, belgilarning o'rni esa o'zgarmaydi.

Eng mashhur misol Sezar shifri bo'lib, u Rim imperatori Yuliy Sezar nomi bilan bog'liq: rivoyatga ko'ra u Tsitseron bilan yozishmalarida shu usuldan foydalangan. Shifrlash qoidasi juda sodda: har bir harf alfavit bo'yicha ma'lum sondagi pozitsiyaga suriladi. Bu son shifrlash kaliti bo'lib xizmat qiladi. Kalit uchga teng bo'lsa, A harfi D ga, B harfi E ga aylanadi va hokazo; alfavit oxiriga yetganda hisob boshiga qaytadi (8.4-rasm).

Masalan, HELLO so'zi KHOOR ga aylanadi. Shifrni ochish uchun teskari amal bajariladi, ya'ni har bir harf uch pozitsiya orqaga suriladi. Sezar shifrining zaifligi shundaki, uning kalitlar to'plami juda kichik: lotin alfaviti uchun jami yigirma beshta variant mavjud, ularning barchasini qo'lda ham tez tekshirib chiqish mumkin. Bunday hujum barcha kalitlarni sinab ko'rish (brute force) deb ataladi.

Sezar shifri bir alfavitli o'rniga qo'yishga misol, chunki butun matn davomida bitta almashtirish jadvalidan foydalaniladi. Bunday shifrlarning yana bir jiddiy zaifligi bor: ular tildagi harflar chastotasini saqlab qoladi. Har bir tabiiy tilda ayrim harflar boshqalaridan ko'ra ko'proq uchraydi. Shifrmatnda eng ko'p takrorlangan belgi katta ehtimol bilan aynan shu ko'p uchraydigan harfga to'g'ri keladi. Shu tariqa kriptotahlilchi kalitni bilmasdan ham shifrni ocha oladi. Bu usul chastota tahlili deb ataladi.

Chastota tahliliga qarshi turish uchun ko'p alfavitli o'rniga qo'yish yaratilgan. Bunga eng mashhur misol Vijiner shifri bo'lib, unda surish qiymati harfdan harfga o'zgarib turadi: kalit sifatida so'z olinadi va uning har bir harfi navbatdagi belgi uchun o'z surishini belgilaydi. Natijada ochiq matndagi bir xil harf shifrmatnda turli belgilarga aylanadi va chastota qoliplari yo'qoladi. Ushbu shifr bir necha asr davomida buzilmas deb hisoblangan edi.

Ikkinchi asosiy usul o'rin almashtirish (permutation) akslantirishidir. Bu usulda belgilarning o'zi o'zgarmaydi, faqat ularning matndagi o'rni ma'lum qoida bo'yicha almashtiriladi. Ya'ni shifrmatnda ochiq matndagi barcha belgilar saqlanadi, biroq boshqa tartibda joylashadi (8.5-rasm).

Masalan, POSSIBLE so'zidagi belgilar o'rni ma'lum qoida bo'yicha almashtirilsa, SIPLOSBE shifrmatni hosil bo'ladi. Ushbu usulning o'ziga xos zaifligi shundaki, u harflar chastotasini butunlay saqlab qoladi: shifrmatnda ham ochiq matndagi harflar aynan o'sha miqdorda uchraydi. Shu sababli faqat o'rin almashtirishga asoslangan shifr ham yetarli darajada bardoshli emas.

Endi eng muhim xulosaga kelamiz. Har ikkala usul alohida olinganda zaif, biroq ularni ko'p marta, navbatma-navbat qo'llash kuchli shifr hosil qiladi. Aynan shu g'oya zamonaviy blokli shifrlarning asosini tashkil etadi: masalan, AES algoritmi ma'lumot bloki ustida o'rniga qo'yish va o'rin almashtirish amallarini bir necha bosqichda takrorlaydi. Har bir bosqich alohida oddiy, biroq ularning ketma-ketligi ochiq matn bilan shifrmatn o'rtasidagi har qanday statistik bog'liqlikni yo'qotadi. Shunday qilib, qadimgi Rim davridagi ikki sodda g'oya bugungi kunda ham kriptografiyaning negizi bo'lib qolmoqda.

Klassik davrning alohida o'rin egallaydigan usuli bir martali bloknot (one time pad) yoki Vernam shifri deb ataladi. U 1918-yilda taklif qilingan bo'lib, nazariy jihatdan mutlaqo buzib bo'lmaydigan yagona shifrlash usuli hisoblanadi. Uning qoidasi sodda: kalit tasodifiy tanlanadi, uzunligi xabar uzunligiga teng bo'ladi va har bir kalit faqat bir marta ishlatiladi. Shifrlash ochiq matn va kalit ustida XOR amalini bajarish orqali amalga oshiriladi.

Bu usulning matematik kuchi shundan iboratki, kalit haqiqatan tasodifiy bo'lsa, shifrmatn ochiq matn haqida hech qanday statistik ma'lumot bermaydi: istalgan shifrmatnga istalgan ochiq matn mos kelishi mumkin. Biroq amalda uni qo'llash juda qiyin. Birinchidan, kalit xabar bilan bir xil uzunlikda bo'lishi kerak, ya'ni bir gigabaytlik faylni shifrlash uchun bir gigabaytlik kalit zarur. Ikkinchidan, kalitni oldindan xavfsiz yetkazish kerak, bu esa asosiy muammoni hal qilmaydi, balki uni siljitadi. Uchinchidan, kalitni takroran ishlatish butun himoyani yo'q qiladi. Shu sabablarga ko'ra bir martali bloknot faqat alohida hollarda, masalan yuqori darajadagi davlat va harbiy aloqada qo'llanilgan.