cryptography
Caesar-Chiffre

Einführung

Einführung

Die Caesar-Chiffre ist eine klassische Verschlüsselungsmethode. Es funktioniert, indem die Zeichen um einen bestimmten Betrag verschoben werden. Wenn wir beispielsweise eine Verschiebung von 3 wählen, wird A zu D und E zu H.

Der folgende Text wurde mit einer 23-Schicht verschlüsselt.

THE QUICK BROWN FOX JUMPS OVER THE LAZY DOG
QEB NRFZH YOLTK CLU GRJMP LSBO QEB IXWV ALD

Python-Implementierung

Der ASCII-Weg

Dadurch werden die Zeichen verschoben, es ist jedoch egal, ob das neue Zeichen kein Buchstabe ist. Dies ist gut, wenn Sie Satzzeichen oder Sonderzeichen verwenden möchten, aber Sie erhalten Buchstaben nicht unbedingt nur als Ausgabe. Zum Beispiel wechselt "z" 3-fach zu "}".

def ceasar(text, shift):
    output = ""
    for c in text:
        output += chr(ord(c) + shift)
    return output

ROT13

ROT13 ist ein Spezialfall der Caesar-Chiffre mit 13 Schichten. Nur Buchstaben werden geändert, Leerzeichen und Sonderzeichen bleiben unverändert.

Interessant ist, dass ROT13 eine reziproke Chiffre ist: Wenn Sie ROT13 zweimal anwenden, erhalten Sie die erste Eingabe. In der Tat ist 2 * 13 = 26 die Anzahl der Buchstaben im Alphabet.

Da ROT13 keinen Schlüssel als Eingabeparameter hat, wird er häufig eher als Kodierungsalgorithmus oder genauer als Verschleierungsalgorithmus und nicht als Chiffre angesehen.

ROT13 macht es nur schwer, Nachrichten direkt zu lesen, und wird daher häufig für anstößige Nachrichten oder Wortspiele verwendet. Es bietet keine rechnerische Sicherheit.

Eine Java-Implementierung für Caesar Cipher

Implementierung der Caesar-Chiffre.

• Diese Implementierung führt die Verschiebungsoperation nur für Groß- und Kleinbuchstaben durch und behält die anderen Zeichen (wie z. B. Leerzeichen) bei.
• Die Caesar-Chiffre ist nach aktuellen Standards nicht sicher.
• Das folgende Beispiel dient nur zur Veranschaulichung!
• Referenz: [ https://en.wikipedia.org/wiki/Caesar_cipher?

package com.example.so.cipher;

/**
 * Implementation of the Caesar cipher.
 * <p>
 * <ul>
 * <li>This implementation performs the shift operation only on upper and lower
 * case alphabets and retains the other characters (such as space as-is).</li>
 * <li>The Caesar cipher is not secure as per current standards.</li>
 * <li>Below example is for illustrative purposes only !</li>
 * <li>Reference: https://en.wikipedia.org/wiki/Caesar_cipher</li>
 * </ul>
 * </p>
 * 
 * @author Ravindra HV
 * @author Maarten Bodewes (beautification only)
 * @since 2016-11-21
 * @version 0.3
 *
 */
public class CaesarCipher {

    public static final char START_LOWER_CASE_ALPHABET = 'a'; // ASCII-97
    public static final char END_LOWER_CASE_ALPHABET = 'z';   // ASCII-122

    public static final char START_UPPER_CASE_ALPHABET = 'A'; // ASCII-65
    public static final char END_UPPER_CASE_ALPHABET = 'Z';   // ASCII-90
    
    public static final int ALPHABET_SIZE = 'Z' - 'A' + 1;    // 26 of course

    /**
     * Performs a single encrypt followed by a single decrypt of the Caesar
     * cipher, prints out the intermediate values and finally validates
     * that the decrypted plaintext is identical to the original plaintext.
     * 
     * <p>
     * This method outputs the following:
     * 
     * <pre>
     * Plaintext  : The quick brown fox jumps over the lazy dog
     * Ciphertext : Qeb nrfzh yoltk clu grjmp lsbo qeb ixwv ald
     * Decrypted  : The quick brown fox jumps over the lazy dog
     * Successful decryption: true
     * </pre>
     * </p>
     * 
     * @param args (ignored)
     */
    public static void main(String[] args) {

        int shift = 23;
        String plainText = "The quick brown fox jumps over the lazy dog";
        
        System.out.println("Plaintext  : " + plainText);
 
        String ciphertext = caesarCipherEncrypt(plainText, shift);
        System.out.println("Ciphertext : " + ciphertext);
        
        String decrypted = caesarCipherDecrypt(ciphertext, shift);
        System.out.println("Decrypted  : " + decrypted);
        System.out.println("Successful decryption: "
                + decrypted.equals(plainText));
    }

    public static String caesarCipherEncrypt(String plaintext, int shift) {
        return caesarCipher(plaintext, shift, true);
    }

    public static String caesarCipherDecrypt(String ciphertext, int shift) {
        return caesarCipher(ciphertext, shift, false);
    }

    private static String caesarCipher(
            String input, int shift, boolean encrypt) {

        // create an output buffer of the same size as the input
        StringBuilder output = new StringBuilder(input.length());

        for (int i = 0; i < input.length(); i++) {
            
            // get the next character
            char inputChar = input.charAt(i);
            
            // calculate the shift depending on whether to encrypt or decrypt
            int calculatedShift = (encrypt) ? shift : (ALPHABET_SIZE - shift);

            char startOfAlphabet;
            if ((inputChar >= START_LOWER_CASE_ALPHABET)
                    && (inputChar <= END_LOWER_CASE_ALPHABET)) {
                
                // process lower case
                startOfAlphabet = START_LOWER_CASE_ALPHABET;
            } else if ((inputChar >= START_UPPER_CASE_ALPHABET)
                    && (inputChar <= END_UPPER_CASE_ALPHABET)) {
                
                // process upper case
                startOfAlphabet = START_UPPER_CASE_ALPHABET;
            } else {
                
                // retain all other characters
                output.append(inputChar);
                
                // and continue with the next character
                continue;
            }                
                
            // index the input character in the alphabet with 0 as base
            int inputCharIndex =
                    inputChar - startOfAlphabet;

            // cipher / decipher operation (rotation uses remainder operation)
            int outputCharIndex =
                    (inputCharIndex + calculatedShift) % ALPHABET_SIZE;

            // convert the new index in the alphabet to an output character
            char outputChar =
                    (char) (outputCharIndex + startOfAlphabet);

            // add character to temporary-storage
            output.append(outputChar);
        }

        return output.toString();
    }
}

Programmausgabe:

Plaintext  : The quick brown fox jumps over the lazy dog
Ciphertext : Qeb nrfzh yoltk clu grjmp lsbo qeb ixwv ald
Decrypted  : The quick brown fox jumps over the lazy dog
Successful decryption: true

Python-Implementierung

Das folgende Codebeispiel implementiert die Caesar-Chiffre und zeigt die Eigenschaften der Chiffre.

Es behandelt sowohl alphanumerische Zeichen in Groß- als auch Kleinbuchstaben und lässt alle anderen Zeichen unverändert.

Die folgenden Eigenschaften der Caesar-Chiffre werden gezeigt:

• schwache Schlüssel;
• niedriger Schlüsselraum;
• die Tatsache, dass jeder Schlüssel einen wechselseitigen (inversen) Schlüssel hat;
• die Beziehung zu ROT13;

Es zeigt auch die folgenden generischen kryptographischen Begriffe:

• schwache Schlüssel;
• der Unterschied zwischen Verschleierung (ohne Schlüssel) und Verschlüsselung;
• brutal einen Schlüssel zwingen;
• die fehlende Integrität des Chiffretextes.

def caesarEncrypt(plaintext, shift):
    return caesarCipher(True, plaintext, shift)

def caesarDecrypt(ciphertext, shift):
    return caesarCipher(False, ciphertext, shift)

def caesarCipher(encrypt, text, shift):
    if not shift in range(0, 25):
        raise Exception('Key value out of range')

    output = ""
    for c in text:
        # only encrypt alphanumerical characters
        if c.isalpha():
            # we want to shift both upper- and lowercase characters
            ci = ord('A') if c.isupper() else ord('a')
            
            # if not encrypting, we're decrypting
            if encrypt:
                output += caesarEncryptCharacter(c, ci, shift)
            else:
                output += caesarDecryptCharacter(c, ci, shift)
        else:
            # leave other characters such as digits and spaces
            output += c
    return output

def caesarEncryptCharacter(plaintextCharacter, positionOfAlphabet, shift):
    # convert character to the (zero-based) index in the alphabet
    n = ord(plaintextCharacter) - positionOfAlphabet
    # perform the >positive< modular shift operation on the index
    # this always returns a value within the range [0, 25]
    # (note that 26 is the size of the western alphabet)
    x = (n + shift) % 26 # <- the magic happens here
    # convert the index back into a character
    ctc = chr(x + positionOfAlphabet)
    # return the result
    return ctc

def caesarDecryptCharacter(plaintextCharacter, positionOfAlphabet, shift):
    # convert character to the (zero-based) index in the alphabet 
    n = ord(plaintextCharacter) - positionOfAlphabet
    # perform the >negative< modular shift operation on the index
    x = (n - shift) % 26
    # convert the index back into a character
    ctc = chr(x + positionOfAlphabet)
    # return the result
    return ctc

def encryptDecrypt(): 
    print '--- Run normal encryption / decryption'
    plaintext = 'Hello world!'
    key = 3 # the original value for the Caesar cipher
    ciphertext = caesarEncrypt(plaintext, key)
    print ciphertext
    decryptedPlaintext = caesarDecrypt(ciphertext, key)
    print decryptedPlaintext
encryptDecrypt()

print '=== Now lets show some cryptographic properties of the Caesar cipher'

def withWeakKey():
    print '--- Encrypting plaintext with a weak key is not a good idea'
    plaintext = 'Hello world!'
    # This is the weakest key of all, it does nothing
    weakKey = 0
    ciphertext = caesarEncrypt(plaintext, weakKey)
    print ciphertext # just prints out the plaintext
withWeakKey();
    
def withoutDecrypt():
    print '--- Do we actually need caesarDecrypt at all?'
    plaintext = 'Hello world!'
    key = 3 # the original value for the Caesar cipher
    ciphertext = caesarEncrypt(plaintext, key)
    print ciphertext
    decryptionKey = 26 - key; # reciprocal value
    decryptedPlaintext = caesarEncrypt(ciphertext, decryptionKey)
    print decryptedPlaintext # performed decryption
withoutDecrypt()
    

def punnify():
    print '--- ROT 13 is the Caesar cipher with a given, reciprocal, weak key: 13'
    # The key is weak because double encryption will return the plaintext
    def rot13(pun):
        return caesarEncrypt(pun, 13)

    print 'Q: How many marketing people does it take to change a light bulb?' 
    obfuscated = 'N: V jvyy unir gb trg onpx gb lbh ba gung.'
    print obfuscated
    deobfuscated = rot13(obfuscated)
    print deobfuscated
    # We should not leak the pun, right? Lets obfuscate afterwards!
    obfuscatedAgain = rot13(deobfuscated)
    print obfuscatedAgain
punnify()

def bruteForceAndLength():
    print '--- Brute forcing is very easy as there are only 25 keys in the range [1..25]'
    # Note that AES-128 has 340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456 keys
    # and is therefore impossible to bruteforce (if the key is correctly generated)
    key = 10;
    plaintextToFind = 'Hello Maarten!'
    ciphertextToBruteForce = caesarEncrypt(plaintextToFind, key)
    for candidateKey in range(1, 25):
        bruteForcedPlaintext = caesarDecrypt(ciphertextToBruteForce, candidateKey)
        # lets assume the adversary knows 'Hello', but not the name
        if bruteForcedPlaintext.startswith('Hello'):
            print 'key value: ' + str(candidateKey) + ' gives : ' + bruteForcedPlaintext

    print '--- Length of plaintext usually not hidden'
    # Side channel attacks on ciphertext lengths are commonplace! Beware!
    if len(ciphertextToBruteForce) != len('Hello Stefan!'):
        print 'The name is not Stefan (but could be Stephan)'
bruteForceAndLength()

def manInTheMiddle():
    print '--- Ciphers are vulnerable to man-in-the-middle attacks'
    # Hint: do not directly use a cipher for transport security
    moneyTransfer = 'Give Maarten one euro'
    key = 1
    print moneyTransfer
    encryptedMoneyTransfer = caesarEncrypt(moneyTransfer, key)
    print encryptedMoneyTransfer
    # Man in the middle replaces third word with educated guess
    # (or tries different ciphertexts until success)
    encryptedMoneyTransferWords  = encryptedMoneyTransfer.split(' ');
    encryptedMoneyTransferWords[2] = 'ufo' # unidentified financial object
    modifiedEncryptedMoneyTransfer = ' '.join(encryptedMoneyTransferWords)
    print modifiedEncryptedMoneyTransfer
    decryptedMoneyTransfer = caesarDecrypt(modifiedEncryptedMoneyTransfer, key)
    print decryptedMoneyTransfer
manInTheMiddle()