Rechnernetze
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Chiffren mit einfacher Substitution

Die einfachste Substitutionschiffre ersetzt die Zeichen eines Klartexts durch jeweils einzelne neue Zeichen, die von den einzelnen Zeichen abhängen, nicht jedoch von Gruppen von Zeichen oder dem ganzen Klartext.

Das gezeigte Vorgehen wird als monoalphabetische Substitution oder einfache Substitution bezeichnet. Bei dem von C.J. Caesar benutzten Verfahren werden den 26 Buchstaben des lateinischen Alphabets die Zahlen 0, .., 25 zugeordnet. Als Schlüssel wählt man eine Zahl s > 1 und chiffriert jeden Buchstaben i des Klartextes durch

E(i) = (i + s)  mod 26.

Durch diese Kodierung mit s = 1 wird z.B. der Klartext 'Rechnernetze' in den Chiffretext 'Sfdiofsofuaf' überführt. Allerdings ist diese Chiffre sehr einfach zu brechen, da nur höchstens 25 verschiedene Möglichkeiten (s=1..25) durchprobiert werden müssen. Dieses ist somit keine sichere Chiffre.

Wird statt einer gleichmäßigen Verschiebung eine beliebige Permutation der Buchstaben des Alphabets verwendet, so erhält man eine wesentlich bessere Chiffre. Dazu ist zunächst eine entsprechende bijektive Abbildung auf den Zeichen des verwendeten Alphabets festzulegen.

ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
XGHIRJKVAEWZLMNBCOYPDQSTUF

Um sich die Permutation einfacher merken zu können, bzw. um bei verschiedenen Gelegenheiten nach dem gleichen Verfahren verschlüsseln zu können, lässt sich die Permutation durch ein Schlüsselwort bestimmen. In dem folgenden Beispiel wird das Schlüsselwort 'SUBSTITUTION' hingeschrieben, wobei alle mehrfachen Buchstaben weggelassen werden; anschließend werden die restlichen Buchstaben des Alphabets angehängt.

Beispiel für Monoalphabetische Substitution mit Schlüsselwort

Schlüsselwort: SUBSTITUTION

Klartext: VORLESUNG

H: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
C: SUBTIONACDEFGHJKLMPQRVWXYZ

Chiffretext: VJMFIPRHN

Da hier die letzten Zeichen des Alphabets auf gleiche abgebildet werden, lassen sich Variationen einführen, z.B. werden die restlichen Zeichen, die sich nicht aus dem Schlüsselwort ergeben, in umgekehrter Reihenfolge abgelegt:

Beispiel für Monoalphabetische Substitution mit Schlüsselwort

Schlüsselwort: SUBSTITUTION

Klartext: VORLESUNG

H: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
C: SUBTIONACDEFGZYXWVRQPMLKJH

Chiffretext: MYVFIRPZN

oder mit einer anderen Periode (z.B. im Abstand 2):

Beispiel für Monoalphabetische Substitution mit Schlüsselwort

Schlüsselwort: SUBSTITUTION

Klartext: VORLESUNG

H: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
C: SUBTIONACDEFGHRJVKWLXMYPZQ

Chiffretext: MYVFIRPZN

Chiffretexte, die nach diesem Verfahren gebildet wurden, sind leicht durch eine Häufigkeitsanalyse zu entschlüsseln. Dazu wird die relative Häufigkeit von Buchstaben in Texten der jeweiligen natürlichen Sprachen ermittelt und diese mit den Häufigkeiten der Buchstaben in den Chiffretexten verglichen. Hat man einige Buchstaben gefunden, so lassen sich andere durch die Annahme häufig vorkommender Buchstabenkombinationen (z.B. CH, EIN im deutschen, THE im englischen) finden. Durch weiteres Erraten und Ausprobieren sind solche Chiffren relativ einfach zu brechen. Um die Häufigkeitsverteilung in den Substitutionsverfahren stärker zu verschleiern, werden im folgenden spezielle Varianten der Substitutionschiffren vorgestellt.