รหัสลับคลาสสิก: Caesar, ROT13, Atbash และ Affine

ข้อความต้นฉบับ ข้อความเข้ารหัส และกุญแจ

ข้อความต้นฉบับคือ ข้อความตัวอักษรล้วน ส่วนเวอร์ชันที่ถูกสลับคือ ข้อความเข้ารหัส รหัสลับ คือกฎที่เปลี่ยนข้อความหนึ่งให้เป็นอีกข้อความหนึ่ง และ กุญแจ คือรายละเอียดลับที่ใช้เลือกวิธีสลับข้อความโดยเฉพาะ

แนวคิดที่ดีซึ่งมีมาตั้งแต่ยุค 1800s คือให้สมมติว่าศัตรูรู้วิธีการของรหัสลับ และมีเพียงกุญแจเท่านั้นที่เป็นความลับ ทุกอย่างต่อไปนี้ควรประเมินตามมาตรฐานนั้น: หากมีคนรู้ว่าคุณทำอะไร แต่ไม่รู้กุญแจของคุณ เขาจะยังอ่านข้อความของคุณได้หรือไม่?

การเลื่อนแบบ Caesar: เลื่อนตัวอักษรในอักษร

การเลื่อนแบบซีซาร์ จะเลื่อนตัวอักษรแต่ละตัวไปข้างหน้าตามจำนวนที่กำหนดไว้ตายตัว ใช้การเลื่อน 3 ตำแหน่ง โดยเขียน A เป็น D, B เป็น E และเมื่อถึง Z จะวนกลับไปเป็น C นักเขียนชาวโรมันชื่อซูเอโทนิอุสบันทึกไว้ว่า จูเลียส ซีซาร์ใช้วิธีนี้กับจดหมายทางทหาร

จำนวนตำแหน่งที่เลื่อนคือกุญแจ ใครก็ตามที่รู้จำนวนนี้ก็สามารถเลื่อนกลับได้ ปัญหาคือมีกุญแจให้ลองน้อยมาก โดยมีการเลื่อนที่ใช้ได้จริงเพียง 25 แบบ ผู้โจมตีจึงลองได้ทุกแบบ นี่คือการค้นหาแบบ ลองทุกความเป็นไปได้ ซึ่งใช้เวลาประมาณหนึ่งนาทีหากลองด้วยมือ และแทบไม่ต้องใช้เวลาเลยเมื่อทำบนคอมพิวเตอร์

ROT13

ROT13 กำหนดให้การเลื่อนแบบซีซาร์เลื่อนไป 13 ตำแหน่ง เนื่องจากตัวอักษรมีทั้งหมด 26 ตัว การเลื่อน 13 สองครั้งจะพากลับไปยังจุดเริ่มต้น การเข้ารหัสและการถอดรหัสจึงเป็นการดำเนินการแบบเดียวกัน ฟอรัมต่าง ๆ เคยใช้วิธีนี้เพื่อซ่อนเนื้อหาที่เปิดเผยเนื้อเรื่องสำคัญ เพราะมันช่วยป้องกันการเหลือบมองโดยไม่ได้ตั้งใจเท่านั้น ไม่ใช่เพราะมันปกป้องข้อมูลได้จริง

Atbash: ตัวอักษรที่สะท้อนเป็นเงา

Atbash เขียนตัวอักษรเรียงย้อนกลับไว้ข้างใต้ตัวเอง ดังนั้น A จับคู่กับ Z, B จับคู่กับ Y, C จับคู่กับ X และต่อไปเรื่อย ๆ วิธีนี้มาจากตัวอักษรฮีบรู และปรากฏอยู่ในคัมภีร์โบราณบางฉบับ

เช่นเดียวกับ ROT13 วิธีนี้ ไม่มีกุญแจเลย และย้อนกลับตัวเองได้: สะท้อนภาพสะท้อนอีกครั้งก็จะกลับมาเหมือนเดิม นั่นทำให้มันเป็นปริศนา ไม่ใช่กลอนล็อก เมื่อใครก็ตามมองเห็นรูปแบบแล้ว ข้อความทุกข้อความที่เคยเขียนด้วยวิธีนี้ก็จะถูกเปิดอ่านได้

รหัสลับ Affine: คูณแล้วเลื่อน

กำหนดให้ตัวอักษรแต่ละตัวมีจำนวน โดย A = 0 ไปจนถึง Z = 25 รหัสลับ affine จะนำจำนวนนั้นมาคูณด้วย a แล้วบวก b จากนั้นวนกลับเมื่อถึง 26:

E(x) = (a·x + b) mod 26

กำหนดให้ a = 1 แล้วคุณจะได้การเลื่อนแบบ Caesar ธรรมดา การคูณจะทำให้ตัวอักษรที่อยู่ใกล้กันกระจายห่างออกจากกันมากขึ้น จึงดูสับสนยิ่งกว่าเดิม

แต่ก็มีข้อจำกัด สำหรับการถอดรหัส ตัวอักษรรหัสลับแต่ละตัวต้องมาจากตัวอักษรต้นฉบับเพียงตัวเดียวเท่านั้น สิ่งนี้จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อ a ไม่มีตัวประกอบร่วมกับ 26 ดังนั้น a = 3 และ a = 5 จึงใช้ได้ แต่ a = 2 หรือ a = 13 ใช้ไม่ได้ เพราะจะทำให้ตัวอักษรสองตัวที่ต่างกันถูกส่งไปยังตำแหน่งเดียวกัน มีค่า a ที่อนุญาตเพียง 12 ค่า และเมื่อรวมกับค่า b 26 ค่า จะได้กุญแจทั้งหมด 312 แบบ ดีกว่า 25 แบบ แต่ก็ยังน้อยมากสำหรับคอมพิวเตอร์

การแทนที่ด้วยคีย์เวิร์ด: สับเปลี่ยนได้ทุกรูปแบบ

ทำไมต้องเลื่อนตัวอักษรทุกตัวตามกฎด้วย? การเข้ารหัสแบบแทนที่ ทำให้กุญแจเป็นชุดตัวอักษรใด ๆ ที่สลับลำดับได้ เพื่อให้จำชุดที่สลับแล้วได้ง่าย ให้เขียนคีย์เวิร์ดก่อน ลบตัวอักษรที่ซ้ำกัน แล้วเติมตัวอักษรที่ยังไม่ได้ใช้ตามลำดับ คีย์เวิร์ด ZEBRAS จะได้ชุดตัวอักษรกุญแจ ZEBRASCDFGHIJKLMNOPQTUVWXY ดังนั้น A จะกลายเป็น Z, B เป็น E, C เป็น B และตัวอื่น ๆ ก็เช่นเดียวกัน

จำนวนชุดที่สลับได้มี 26 แฟกทอเรียล หรือประมาณ 4 × 10²⁶ แบบ การลองทั้งหมดเป็นไปไม่ได้ จึงดูเหมือนว่าการเข้ารหัสแบบแทนที่จะแกะไม่ได้มานานหลายศตวรรษ แต่จริง ๆ แล้วไม่ใช่

ทำไมวิธีเหล่านี้จึงไม่ปลอดภัยในปัจจุบัน

การเข้ารหัสแบบแทนที่มีจุดอ่อนร้ายแรง: ตัวอักษรหนึ่งตัวจะกลายเป็นตัวอักษรเดิมเสมอ ดังนั้น รูปแบบ ของภาษาจึงยังคงอยู่ ในภาษาอังกฤษ E ปรากฏบ่อยที่สุด ตามด้วย T, A และ O ส่วน Q และ Z พบได้น้อย นักวิชาการในโลกอิสลามอธิบาย การวิเคราะห์ความถี่ ไว้ราวศตวรรษที่ 9: ให้นับตัวอักษรในข้อความที่เข้ารหัส จับคู่ตัวที่พบบ่อยที่สุดกับ E แล้วใช้รูปแบบของคำ (คำที่มีตัวอักษรเดียวอาจเป็น A หรือ I) เพื่อเติมส่วนที่เหลือ

ข้อความที่ยาวขึ้นจะให้สถิติที่แม่นยำกว่า ดังนั้นแม้จะมีจำนวนกุญแจที่เป็นไปได้มหาศาลก็ไม่ได้ช่วย การเข้ารหัสสมัยใหม่ถูกออกแบบให้ข้อความที่เข้ารหัสไม่แสดงรูปแบบเช่นนี้ และความปลอดภัยก็อาศัยกุญแจที่มีขนาดใหญ่เกินกว่าจะเดาได้ สำหรับสิ่งที่ต้องใช้จริง ให้ใช้เครื่องมือสมัยใหม่ที่ผ่านการทดสอบอย่างดี และอย่าสร้างวิธีของคุณเอง

สำรวจเรื่องนี้ในห้องทดลองได้อย่างไร

The Codes & Ciphers Lab gives you a cipher wheel you can turn, plus tools to count letters and test guesses. A good order through the free first world:

1. Start with The Caesar shift and try breaking one.
2. See self-inverse behaviour in ROT13, then Atbash.
3. Test which multipliers work in Affine: multiply, then shift.
4. Build a shuffled key in Keyword substitution.

This is a simplified teaching model of historical ciphers. It is meant to build intuition about keys and attacks, not to protect real messages.