Substitutionsalgorithmus (Verschiebeschiffren)

Julius Caesar (100 bis 44 vor Christus) verwendete eine einfache Chiffrierung. Er versetzte einen Geheimtextbuchstaben um 3 Stellen nach links oder um 23 Stellen nach rechts. Eine einzige Randbedingung, daß nicht zwei verschiedene Zeichen durch ein gleiches ersetzt werden dürfen, sollte dabei beachtet werden. Sonst wird die Dechiffrierung des Chiffretextes nicht mehr eindeutig.

Klartext: a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z

Geheimtext: D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C

In diesem Fall setzte er also D für A ein. Zur Übersetzung braucht man nur die darüberstehenden Klartextbuchstaben abzulesen. Das heißt, D steht für a, E für b und so weiter. Der Schlüssel dieser Chiffrierung ist 3. Es muß aber nicht sein, daß die Verschiebung um 3 Stellen stattfindet wie in unserem Beispiel. Man kann das Alphabet um beliebige Anzahl von Stellen verschieben. Zur Vereinfachung der Chiffrierung hatte bereits 1470 Leon Battista Alberti (1404 bis 1472) eine Maschine erfunden, die das Verschlüsseln mechanisiert. Diese Chiffriermaschine sieht wie folgt aus:

Eine Chiffriermaschine

Die Maschine hat insgesamt zwei Scheiben. Die innere Scheibe ist gegenüber der äußeren verdrehbar, so daß man die gewünschte Verschiebechiffre einstellen kann.

Chiffrierzylinder und Rotormaschinen

In diesem Jahrhundert haben Rotormaschinen eine Sonderrolle nicht nur im militärischen Bereich sondern auch in der Kryptanalyse gespielt. Bevor wir von der bedeutesten Rotormaschine, der Enigma, sprechen, gehen wir kurz auf ihren Vorläufer, den Chiffrierzylinder, ein.

Chiffrierzylinder

Der Chiffrierzylinder sieht wie folgt aus:

Der Chiffrierzylinder besteht aus mehreren Scheiben, auf deren Ränder permutierte Alphabete eingraviert sind. Die Reihenfolge der Alphabete ist nicht wichtig und jede Scheibe hat eine andere Permutation. In der Abbildung hat der Chiffrierzylinder 6 Scheiben. Das heißt, jede Zeile enthält 6 Geheimtextzeichen. Der Schlüssel besteht in der Anordnung der Scheiben (hier 6! Möglichkeiten).

Die bekannten Chiffriergeräte, deren Konstruktion auf den Chiffrierzylinder beruhen, sind die M-94 der US Army und das CSP-642 der Japaner. Die M-94 war von 1922 bis 1943 im Einsatz. Sie bestand aus 25 Aluminiumzylindern, bei denen nicht nur die Anordnung der Scheiben geheim war, sondern auch ihre Auswahl aus einer größeren Menge.

Rotormaschinen

Die Rotormaschinen wurden um 1920 von mehreren Erfindern zum Patent angemeldet. Hier ist es nicht wichtig, die Namen der Erfinder zu nennen, sondern der Aufbau und die Funktionalität der Rotormaschinen stehen im Vordergrund. Nun gehen wir auf die Konstruktion der Rotormaschinen ein, die als elektromechanische Verschlüsselungsgeräte gelten.

Auf den gegenüberliegenden Kreisflächen einer dicken, elektrisch isolierenden Scheibe (auch Walze oder Rotor genannt) sind ringförmig je 26 Schleifkontakte, die den Buchstaben des Alphabets entsprechen, angebracht. Jeder Kontakt auf der linken Seite der Scheibe ist mit genau einem auf der rechten verbunden. Das entspricht einer Substitution. Die Kontaktflächen der beiden Seiten werden nun von 26 Schleifkontakten abgegriffen. Durch die Anlegung einer Spannung an einen der linken Schleifkontakten kann eines von 26 Lämpchen zum Leuchten gebracht werden, da die Schleifkontakte auf der rechten Seite mit den auf linken verbunden sind.

Dreht man die Scheibe nach jedem Zeichen um einen Schritt weiter, erkennt man eine polyalphabetische Substitution mit der Periode 26 und das erinnert uns an die Vigenère-Chiffrierung. Was ist dann, wenn wir statt einer Scheibe mehrere solcher Scheiben nebeneinander verwenden? Die Scheiben sind miteinander verdrahtet, und zwar sind zwischen je zwei Scheiben Schleifkontakte angebracht. Die Verdrahtung (bedeutet Substitution) zwischen den Scheiben funktioniert wie folgt: die Schleifkontakte verbinden eine rechte Kontaktfläche der linken Scheibe mit der gegenüberliegenden linken Kontaktfläche der rechten Scheibe. Durch den solchen Aufbau wird die Kryptanalyse stark erschwert, weil die Substitutionen, die in den einzelnen Scheiben fest verdrahtet sind, jedesmal unterschiedlich sind.

Die obere Walze ist die Walze I. Man sieht die Rändelscheibe und das Zahnrad, über das die Scheibe während des Verschlüsselns gedreht werden kann.

Die untere Walze ist die Walze VIII. Sie liegt so, daß die sechsundzwanzig runden Kontaktflächen zusammen mit den Buchstaben auf dem Einstellring erkennbar sind.

Date: 2015-12-24; view: 987