Osnovni kriptografski algoritmi

Ova skripta pruža pregled klasičnih kriptografskih algoritama implementiranih u Pythonu. Namijenjena je informatičarima koji su upoznati s Pythonom, ali nemaju iskustva u području kriptografije. U ovoj skripti obrađuju se dvije glavne skupine algoritama:

Substitucijski algoritmi:
- Caesarov šifriranje: Svakoj poruci se primjenjuje fiksni pomak abecedom.
- Vigenèreov šifriranje: Koristi se ključ koji određuje pomak za svaki znak u poruci.
Transpozicijski algoritmi:
- Rail Fence šifra: Poruka se zapisuje u obliku cikličnog obrasca (željeznica), a zatim se čitaju redak po redak.
- Columnar šifra: Poruka se zapisuje u matricu, a zatim se čitaju stupci prema unaprijed određenom redoslijedu (ključu).

Također ćemo ukratko dotaknuti osnove kriptanalize klasičnih šifri, poput frekvencijske analize i brute-force pristupa, koji su važni alati za dešifriranje bez poznavanja tajnog ključa.

1. Uvod i Teorijski Pregled

1.1 Substitucijski Algoritmi

Caesarov algoritam:

Svakoj poruci se primjenjuje fiksni pomak (n).
Jednostavan za implementaciju, ali relativno lako razbijljiv brute-force metodom.

Vigenèreov algoritam:

Koristi se ključ (riječ ili niz znakova) čiji se znakovi ciklički primjenjuju kao pomaci.
Pruža veću sigurnost od Caesarove šifre, ali je podložan frekvencijskoj analizi.

1.2 Transpozicijski Algoritmi

Rail Fence šifra:

Poruka se “piše” u obliku cik-cak obrasca preko nekoliko “pruga” (redova).
Čitanjem redaka dobiva se šifrirani tekst.

Columnar (stupčasta) šifra:

Poruka se zapisuje u matricu širine definirane ključem.
Zatim se stupci čitaju u određenom redoslijedu kako bi se dobio šifrirani tekst.

1.3 Kriptanaliza

Frekvencijska analiza:

Analiza učestalosti pojavljivanja znakova u šifriranom tekstu.
Kod jezika s poznatom distribucijom znakova, ova metoda može otkriti moguće pomake ili ključeve.

Brute-force pristup:

Isprobavanje svih mogućih ključeva (npr. svih 26 pomaka u Caesarovoj šifri).
Jednostavan, ali zahtjevan kod složenijih algoritama.

2. Praktični Primjeri u Pythonu

2.1 Caesarov Šifriranje

def caesar_encrypt(plaintext, shift):
    encrypted = ""
    for char in plaintext:
        if char.isalpha():
            base = ord('A') if char.isupper() else ord('a')
            # Pomakni znak i vrati ga u abecedni raspon
            encrypted += chr((ord(char) - base + shift) % 26 + base)
        else:
            encrypted += char
    return encrypted

def caesar_decrypt(ciphertext, shift):
    return caesar_encrypt(ciphertext, -shift)

# Primjer korištenja:
poruka = "PozdravSvijete"
shift = 3
sifrirana = caesar_encrypt(poruka, shift)
desifrirana = caesar_decrypt(sifrirana, shift)

print("Originalna poruka:", poruka)
print("Sifrirana poruka (pomak =", shift, "):", sifrirana)
print("Desifrirana poruka:", desifrirana)

2.2 Vigenèreov Šifriranje

def vigenere_encrypt(plaintext, key):
    encrypted = ""
    key_index = 0
    for char in plaintext:
        if char.isalpha():
            base = ord('A') if char.isupper() else ord('a')
            shift = ord(key[key_index % len(key)].lower()) - ord('a')
            encrypted += chr((ord(char) - base + shift) % 26 + base)
            key_index += 1
        else:
            encrypted += char
    return encrypted

def vigenere_decrypt(ciphertext, key):
    decrypted = ""
    key_index = 0
    for char in ciphertext:
        if char.isalpha():
            base = ord('A') if char.isupper() else ord('a')
            shift = ord(key[key_index % len(key)].lower()) - ord('a')
            decrypted += chr((ord(char) - base - shift) % 26 + base)
            key_index += 1
        else:
            decrypted += char
    return decrypted

# Primjer korištenja:
poruka = "SkriptaKriptografije"
kljuc = "ključ"
sifrirana = vigenere_encrypt(poruka, kljuc)
desifrirana = vigenere_decrypt(sifrirana, kljuc)

print("Originalna poruka:", poruka)
print("Sifrirana poruka:", sifrirana)
print("Desifrirana poruka:", desifrirana)

2.3 Rail Fence Šifra

def rail_fence_encrypt(plaintext, num_rails):
    # Inicijaliziraj pruge kao prazan niz stringova
    rails = [''] * num_rails
    rail = 0
    direction = 1  # 1 = prema dolje, -1 = prema gore
    for char in plaintext:
        rails[rail] += char
        rail += direction
        if rail == 0 or rail == num_rails - 1:
            direction *= -1
    return ''.join(rails)

def rail_fence_decrypt(ciphertext, num_rails):
    # Prvo odredimo raspodjelu znakova po prugama
    rail_pattern = [None] * len(ciphertext)
    rail = 0
    direction = 1
    for i in range(len(ciphertext)):
        rail_pattern[i] = rail
        rail += direction
        if rail == 0 or rail == num_rails - 1:
            direction *= -1

    # Prebroji znakove u svakoj pruzi
    rail_counts = [rail_pattern.count(r) for r in range(num_rails)]
    rails = []
    index = 0
    for count in rail_counts:
        rails.append(list(ciphertext[index:index+count]))
        index += count

    # Sastavi originalni tekst
    plaintext = ""
    for r in rail_pattern:
        plaintext += rails[r].pop(0)
    return plaintext

# Primjer korištenja:
poruka = "KlasicanKriptografskiAlgoritam"
num_rails = 3
sifrirana = rail_fence_encrypt(poruka, num_rails)
desifrirana = rail_fence_decrypt(sifrirana, num_rails)

print("Originalna poruka:", poruka)
print("Sifrirana (Rail Fence):", sifrirana)
print("Desifrirana poruka:", desifrirana)

3. Zadaci za Samostalnu Vježbu

Zadatak: Implementacija Caesarove Šifre Napišite skriptu koja: Prima korisnički unos poruke i pomaka (n). Šifrira poruku koristeći Caesarov algoritam. Dešifrira šifriranu poruku i uspoređuje je s originalom.

Zadatak: Komunikacija između Skripti Kreirajte dvije odvojene skripte: Prva skripta šifrira poruku koristeći Vigenèreov algoritam i sprema šifrirani tekst u datoteku. Druga skripta učitava tu datoteku, dešifrira poruku koristeći isti ključ i ispisuje originalni tekst.

Zadatak: Automatska Dešifriranje Napravite program koji: Prima šifrirani tekst (pretpostavite da je šifriran Caesarovom šifrom). Primjenjuje brute-force pristup (ili frekvencijsku analizu kao dodatak) kako bi pronašao ispravan pomak i dešifrirao poruku. Opcionalno, implementirajte jednostavnu funkciju koja računa učestalost znakova u tekstu i pomaže u prepoznavanju ispravnog dešifriranog teksta.