Szyfr Ramsaya

Szyfr Ramsaya – szyfr opracowany przez radzieckich kryptologów w pierwszej połowie lat 30 XX wieku. W latach 1935–41 był używany przez radziecką siatkę szpiegowską w Japonii kierowaną przez Richarda Sorge. Ramsay był to kryptonim Sorgego, czasem używany do określenia całej siatki. W różnych nieco zmienionych wariantach szyfr ten był stosowany przez radzieckich szpiegów do początku lat 50.

Szyfrowanie

Wszystkie depesze siatki Sorgego były pisane w języku angielskim. Jako przykład użyjemy zdania: Wikipedia. The free encyclopedia.
Tekst był szyfrowany dwuetapowo – najpierw przy użyciu stałego dwuczęściowego klucza literowego, a następnie jednorazowego, niepowtarzalnego dla każdej depeszy, klucza numerycznego.

Szyfrowanie. Etap I

Klucz literowy składał się z dwóch części – słowa subway (wybranego przez samego Sorge) i zdania A sin to err (ang. Grzechem jest błądzić; zdanie to zawiera litery występujące najczęściej w języku angielskim). Najpierw należy stworzyć alfabet szyfrowy. W tym celu pisano słowo SUBWAY, a pod nim w kolejnych wierszach tabeli pozostałe litery alfabetu. Na końcu dodawano kropkę "." i znak "/ " (był on nazywany znakiem zmiany i służył do oznaczania fragmentów tekstu zawierających cyfry).

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

Teraz w kolumnach powstałej tabeli należy (zaczynając od lewej) odnaleźć i kolejno oznaczyć liczbami od 0 do 7 litery zdania-klucza A S I N T O E R (ostatnie R opuszczano). Kolejność liter w zdaniu-kluczu nie ma tu znaczenia, liczy się kolejność ich pojawiania się w kolumnach tabeli.

S = 0	U	B	W	A = 5	Y
C	D	E = 3	F	G	H
I = 1	J	K	L	M	N = 7
O = 2	P	Q	R = 4	T = 6	V
X	Z	.	/

Przy użyciu takiej tabeli tworzono rozbudowany wariant szachownicy Polibiusza – tzw. szachownicę z rozgałęzieniem. Pod pierwszym wierszem zawierającym cyfry 0–9 wpisywano litery zdania-klucza według kolejności nadanych im liczb. Komórki pod cyframi 8 i 9 pozostają puste. Cyfry te będą współrzędnymi dwóch pozostałych wierszy, do których wpisywano pozostałe litery i znaki z tabeli, odczytując je kolumnami od lewej.

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	S	I	O	E	R	A	T	N
8	C	X	U	D	J	P	Z	B	K	Q
9	.	W	F	L	/	G	M	Y	H	V

Posługując się powstałą tabelą szyfrujemy tekst-przykład przypisując kolejnym literom cyfry – współrzędne tych liter w tabeli:

W	I	K	I	P	E	D	I	A	.	T	H	E	F	R	E	E	E	N	C	Y	C	L	O	P	E	D	I	A	.
91	1	88	1	85	3	83	1	5	90	6	98	3	92	4	3	3	3	7	80	97	80	93	2	85	3	83	1	5	90

Jak widać, współrzędne większości liter i znaków są dwucyfrowe (wiersz+kolumna) ale dla liter ze zdania-klucza są to pojedyncze cyfry. Ponieważ te litery występują w języku angielskim z największą częstotliwością, pozwala to na znaczne skrócenie zaszyfrowanej depeszy. Stwarza to też dodatkowe utrudnienie dla kryptoanalityka. Po zakończeniu szyfrowania cyfry depeszy były grupowane po 5 i dalej przetwarzane w postaci takich grup. W ten sposób podział na jedno- i dwucyfrowe współrzędne był ukrywany.
Tekst zaszyfrowany wygląda teraz tak:

91188 18538 31590 69839 24333 78097 80932 85383 15905 – cyfra 5 została dodana, żeby wypełnić ostatnią grupę (mogły to być jakiekolwiek cyfry i dodawno ich tyle, ile brakowało do pełnej liczby 5 cyfr).

Cyfry szyfrowano w następujący sposób: wstawiano znak zmiany "/ ", następnie wpisywano cyfry (każdą dwukrotnie) i zamykano ten ciąg cyfr znowu znakiem zmiany. Np. liczba 2437 byłaby zaszyfrowana jako /22443377/.

Szyfrowanie. Etap II

Tak zaszyfrowany tekst jest już dość trudny do odczytania, ale żeby zabezpieczyć go przed profesjonalnymi kryptoanalitykami przeprowadzano jeszcze jedno szyfrowanie, tym razem z użyciem jednorazowego klucza numerycznego. Jako źródła tego klucza siatka Ramsay używała "Rocznika statystycznego Rzeszy Niemieckiej" ("Statistischen Jahrbuch für das Deutsches Reich") z 1935 roku. Wybierano stronę, wiersz i kolumnę z tabeli i wypisywano wierszami potrzebną liczbę cyfr – identyczną, jak liczba cyfr w tekście zaszyfrowanym (spisywanie zaczynano od ostatniej cyfry z liczby znajdującej się w wybranej komórce). Dla każdej depeszy wybierano inne współrzędne miejsca, od którego wypisywano cyfry. W ten sposób klucz numeryczny był niepowtarzalny. Jako dodatkowe skomplikowanie szyfru przyjęto zasadę, że siatka Sorgego wypisywała kod numeryczny z pierwszej części rocznika, wydrukowanej na białych kartkach (zawierała dane o gospodarce Niemiec), a centrala w Moskwie szyfrując depesze do siatki – z drugiej części, wydrukowanej na zielonych kartkach (dane międzynarodowe).

Klucz numeryczny zapisywano pod wstępnie zaszyfrowanym tekstem i przeprowadzano tzw. dodawanie bez przeniesienia tj. opuszczano część dziesiętną wyniku zapisując tylko liczbę jedności. Dodawano pojedyncze pary cyfr, a nie całe grupy jako liczby.

szyfr wstępny		91188	18538	31590	69839	24333	78097	80932	85383	15905
klucz numeryczny	+	35635	51303	24932	10010	78191	12106	21169	41861	76147
szyfr ostateczny	=	26713	69831	55422	79849	92424	80193	01091	26144	81042

Pozostawało jeszcze umieszczenie w depeszy współrzędnych, według których odbiorca mógł znaleźć klucz numeryczny. Z numeru strony opuszczano liczbę setek, a dla wiersza przeznaczano dwie cyfry. Klucz mógł się znajdować np. na stronie 23, 123 lub 223. Odbiorca musiał znaleźć właściwą stronę metodą prób i błędów. Ułatwiał to fakt, że wszystkie depesze siatki Ramsay zaczynały się od formuły DAL (Dal było skrótem od Dalnyj Wostok – Daleki Wschód). Wystarczyło wypisać pięć cyfr klucza (DAL = 83593) i sprawdzić efekt rozszyfrowania pierwszej grupy depeszy. Dla kryptoanalityków było to kolejne utrudnienie, a dla szyfrującego zwiększało zakres możliwych do uzyskania kluczy numerycznych.

Załóżmy, że wybrano stronę 123 i 7 wiersz w 6 kolumnie. Współrzędne utworzą więc grupę 23076. Wysyłanie jej w takiej, jawnej postaci uznano za niebezpieczne. Wykonywano więc jeszcze jedno dodawanie bez przeniesienia – grupy opisującej współrzędne klucza, czwartej grupy szyfru licząc od początku i trzeciej od końca:

	23076
	79849
+	01091
=	93806

Powstałą grupę umieszczano na początku depeszy i całość nadawano przez radio do Moskwy (za pośrednictwem radiostacji położonej w okolicach Władywostoku).
93806 26713 69831 55422 79849 92424 80193 01091 26144 81042

Deszyfrowanie

Przy rozszyfrowywaniu stosuje się odejmowanie bez przeniesienia: jeżeli odjemna jest mniejsza od odjemnika – zwiększa się ją o 10.

Odbiorca depeszy najpierw oddzielał od niej pierwszą grupę, zawierającą współrzędne klucza numerycznego. Teraz poprzez odejmowanie bez przeniesienia tej grupy, trzeciej grupy od końca i czwartej od początku ustalał te współrzędne. Opisaną powyżej metodą prób i błędów sprawdzał, na której stronie Rocznika Statystycznego znajduje się początek klucza numerycznego, wypisywał całość klucza i (znowu odejmowaniem bez przeniesienia) przekształcał zaszyfrowaną depeszę w ciąg cyfr, który był już podstawą do odczytania tekstu jawnego przy pomocy szachownicy. Szachownicę odbiorca tworzył powtarzając etap I szyfrowania – potrzebne klucze były stałe i znane obu stronom.

Odporność na złamanie

Szyfr Ramsaya był połączeniem szyfru homofonicznego i szyfru z kluczem jednorazowym, co czyniło go bardzo odpornym na złamanie. Japońscy kryptoanalitycy nie zdołali odczytać żadnej z bardzo wielu przechwyconych depesz siatki Sorgego. Udało się to dopiero w 1941 roku, kiedy po rozbiciu siatki aresztowany razem z Sorgem szyfrant-radiotelegrafista – Max Clausen – wyjawił im algorytm szyfru.

Bibliografia

• David Kahn: Łamacze kodów. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2004. ISBN 83-204-2746-0. Brak numerów stron w książce
• Андрей Синельников: Шифры советской разведки. [dostęp 2016-03-18].
• Robert Guillain: Sorge. Warszawa: Książka i Wiedza, 1987. ISBN 83-05-11536-4. Brak numerów stron w książce