cryptography
Caesar cijfer

Invoering

Invoering

De Caesar-codering is een klassieke coderingsmethode. Het werkt door de personages een bepaalde hoeveelheid te verschuiven. Als we bijvoorbeeld een verschuiving van 3 kiezen, wordt A D en wordt E H.

De volgende tekst is gecodeerd met een 23-ploegendienst.

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

Python-implementatie

De ASCII-manier

Dit verschuift de tekens, maar maakt het niet uit als het nieuwe teken geen letter is. Dit is goed als u leestekens of speciale tekens wilt gebruiken, maar het geeft u niet noodzakelijkerwijs alleen letters als uitvoer. Bijvoorbeeld, "z" verschuift naar "}".

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

ROT13

ROT13 is een speciaal geval van Caesar-cijfer, met een 13-ploegendienst. Alleen letters worden gewijzigd, en spatie en speciale tekens blijven zoals ze zijn.

Wat interessant is, is dat ROT13 een wederzijds cijfer is: tweemaal toepassen van ROT13 geeft je de eerste invoer. Inderdaad, 2 * 13 = 26, het aantal letters in het alfabet.

Aangezien ROT13 geen sleutel als invoerparameter heeft, wordt het vaak meer gezien als een coderingsalgoritme of, meer specifiek, als een obfuscatie-algoritme in plaats van een codering.

ROT13 maakt het alleen moeilijk om berichten direct te lezen en wordt daarom vaak gebruikt voor aanstootgevende berichten of woordspelingen van grappen. Het biedt geen computerbeveiliging.

Een Java-implementatie voor Caesar Cipher

Implementatie van het Caesar-cijfer.

• Deze implementatie voert de shift-operatie alleen uit op hoofdletters en kleine letters en behoudt de andere tekens (zoals spatie).
• Het Caesar-cijfer is niet veilig volgens de huidige normen.
• Het onderstaande voorbeeld is alleen voor illustratieve doeleinden!
• Referentie: [ https://en.wikipedia.org/wiki/Caesar_cipheremoet(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();
    }
}

Programma-uitgang:

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-implementatie

Het volgende codevoorbeeld implementeert het Caesar-cijfer en toont de eigenschappen van het cijfer.

Het verwerkt zowel hoofdletters als kleine alfanumerieke tekens, waardoor alle andere tekens worden gelaten zoals ze waren.

De volgende eigenschappen van het Caesar-cijfer worden weergegeven:

• zwakke toetsen;
• ingehouden ruimte;
• het feit dat elke sleutel een wederkerige (omgekeerde) sleutel heeft;
• de relatie met ROT13;

het toont ook de volgende - meer generieke - cryptografische noties:

• zwakke toetsen;
• het verschil tussen obfuscation (zonder sleutel) en encryptie;
• bruut een sleutel forceren;
• de ontbrekende integriteit van de cijfertekst.

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()