Шифр Цезаря: урок таємного письма, якому 2000 років

Трохи історії

Шифр Цезаря — один із найдавніших і найпростіших методів шифрування, які нам відомі, і має він відомого тезку. За свідченням римського історика Светонія, Юлій Цезар використовував цей шифр для захисту особистого та військового листування, зсуваючи кожну літеру алфавіту на фіксовану кількість позицій. Кажуть, що Цезар віддавав перевагу зсуву на три: А стає Г, Б стає Ґ і так далі, а наприкінці алфавіту відбувається «перехід по колу» — останні літери повертаються на початок.

Його небіж Август, як розповідають, застосовував подібний прийом зі зсувом на одну літеру. Оскільки мало хто з ворогів Риму взагалі вмів читати латину — не кажучи вже про те, щоб розпізнати її переплутану версію, — навіть такої скромної схеми вистачало, щоб зберегти повідомлення в таємниці на полі бою.

Цей шифр належить до сімейства так званих шифрів заміни, а конкретно версію зі зсувом іноді називають шифром зсуву або, у найзагальнішій обертальній формі, ROT-N. Можливо, ви вже знайомі з його найвідомішим нащадком: ROT13 — зсув на 13 позицій, який колись повсюдно використовували на ранніх інтернет-форумах, щоб приховувати спойлери та кінцівки жартів.

Чому він перестав бути надійним

За сучасними мірками шифр Цезаря практично не дає жодного захисту. Існує лише 25 можливих зсувів, тому зловмисник може просто перебрати їх усі — цей метод називають повним перебором (brute force) — і прочитати той варіант, який має сенс. Навіть без повного перебору його легко зламати за допомогою частотного аналізу: в українській (як і в англійській) мові деякі літери трапляються значно частіше за інші, тож найпоширеніша літера в шифротексті зазвичай і видає величину зсуву. Арабський учений аль-Кінді описав саме цю атаку понад тисячу років тому — і саме тому сьогодні цей шифр є поганим вибором для справжніх таємниць.

Чому він ідеальний для навчання

Саме ця слабкість робить шифр Цезаря чудовим навчальним інструментом. Це ідеальний вступ до криптографії та обчислювального мислення:

– Він відчутний. Будь-хто може зашифрувати слово вручну за кілька секунд, і це робить абстрактну ідею «шифрування» зрозумілою для новачка.
– Він навчає базових концепцій інформатики. Зсув літер — це природний вступ до модульної арифметики («перехід по колу» після останньої літери), кодування символів і простих циклів. Чудова вправа для початківців у програмуванні.
– Він прищеплює мислення зламувача кодів. Оскільки шифр можна зламати, учні можуть побути й у ролі атакувальника. Перебір усіх 25 зсувів або підрахунок частоти літер вчить, що безпека — це не лише про кмітливість, а й про те, наскільки важко щось зламати.
– Він пояснює «навіщо» сучасної криптографії. Побачивши, як швидко «падає» шифр із 25 ключами, учні розуміють, чому сучасні алгоритми покладаються на астрономічно великі простори ключів. Шифр Цезаря — це кадр «до» в історії сучасного шифрування.

Спробуйте самі

Найкращий спосіб зрозуміти шифр — погратися з ним. Я підготував невеликий інтерактивний інструмент для шифру Цезаря, яким можна скористатися прямо в браузері: введіть повідомлення, покрутіть зсув і спостерігайте, як текст шифрується та розшифровується в реальному часі:

Спробувати інструмент «Шифр Цезаря»

Зашифруйте записку другові, а потім киньте йому виклик — нехай спробує зламати її, не знаючи зсуву. Через дві тисячі років після Цезаря це досі напрочуд цікавий спосіб дізнатися, як зберігають таємниці — і як їх розкривають.