kluczowe pojęcia
wzory
kod
łamigłówki
Kryptografia

wprowadzenie
Jeśli chcesz wysłać tajną wiadomość do znajomego, jak możesz uniemożliwić jej przeczytanie innym? Jednym ze sposobów jest zaszyfrowanie wiadomości-to znaczy użycie tajnego kodu, który zna tylko Ty i twój znajomy. Wypróbuj tę czynność, aby dowiedzieć się, jak stworzyć własny „szyfr Cezara”, popularny rodzaj kodu, który jest łatwy do nauczenia.

Tło
Kryptografia to nauka pisania lub rozwiązywania tajnych kodów, które są używane do bezpiecznej komunikacji. Historycznie, kody były używane przez polityków, szpiegów i kraje w stanie wojny, aby zapobiec ich wrogom z wiedzą, co robią. Wiele najwcześniejszych kodów lub „szyfrów”, takich jak ten, który stworzysz w tym projekcie, było łatwych do ręcznego tworzenia. Teraz kryptografia jest niezbędna w informatyce, aby zapewnić bezpieczeństwo wszystkiego, od e-maili po informacje o kontach bankowych.

szyfr Cezara, nazwany na cześć cesarza rzymskiego Juliusza Cezara, jest jednym z najwcześniejszych i najbardziej znanych szyfrów. Jest to prosta forma „szyfru zastępczego”, w którym każdą literę alfabetu zastępuje się inną literą, przesuwając cały alfabet o określoną liczbę liter (zawijając do początku po dotarciu do końca). Na przykład, będzie to twój klucz i Kod, jeśli przesuniesz każdą literę o trzy spacje:

Plain: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
Cipher: XYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVW

tak więc, kiedy piszesz wiadomość, litera A zostaje zastąpiona X, B zostaje zastąpiona Y i tak dalej. Na przykład słowo „HELLO” brzmi:

Plain: HELLO
Cipher: EBIIL

aby odszyfrować wiadomość, musisz udostępnić „klucz” (numer 3) swojemu znajomemu. Następnie możesz wysyłać wiadomości, które są napisane w szyfrze, aby inni nie mogli ich odczytać!

materiały

• ołówek i papier
• co najmniej jedna inna osoba

przygotowanie

• wyjaśnij znajomemu koncepcję szyfru Cezara lub poproś o przeczytanie sekcji tła tej czynności.
• Zapisz alfabet od A do Z.
• Wybierz liczbę od 1 do 25. (Jeśli użyjesz 26, po prostu skończysz z oryginalnym alfabetem. Ten numer jest Twoim kluczem.

procedura

• Przesuń cały alfabet o wybrany numer i zapisz go poniżej oryginalnego alfabetu (jak pokazano powyżej).
• Wybierz wiadomość, aby napisać do znajomego. Najłatwiej zacząć od prostej wiadomości (takiej jak pojedyncze słowo lub fraza), zanim spróbujesz dłuższych zdań lub akapitów.
• Zapisz zakodowaną wiadomość używając przesuniętego alfabetu. Jeśli to pomoże, najpierw zapisz zwykłą wiadomość tekstową, a następnie Zakoduj ją jedną literą na raz(na przykład „cześć” powyżej). Upewnij się tylko, że kartka, którą dajesz przyjacielowi, ma tylko zakodowaną wiadomość!
• daj znajomemu zakodowaną wiadomość i powiedz mu klucz. Dlaczego myślisz, że nie chcesz zapisać klucza?
• sprawdź, czy Twój znajomy może odszyfrować Twoją wiadomość. Jeśli pomoże to przy pierwszej próbie, pozwól im działać wstecz, używając oryginalnego i przesuniętego alfabetu, który zapisałeś. Na przykładzie z tła, litera x staje się a; y staje się b; i tak dalej.
• spróbuj przełączyć i użyć innego klucza dla tych samych wiadomości. Czy któreś z nich jest łatwiejsze do złamania?
• Extra: spróbuj znaleźć trzecią osobę, która nie wie, co to jest szyfr Cezara. Czy mogą złamać twój kod, jeśli „przechwycą” Twoją wiadomość?
• Extra: a jeśli osoba, która przechwytuje Twoją wiadomość wie o szyfrach Cezara? Czy to ułatwia złamanie kodu? Ponieważ istnieje tylko 25 możliwych kluczy, szyfry Caesar są bardzo podatne na atak „brute force”, gdzie dekoder po prostu próbuje każdą możliwą kombinację liter. Może to wymagać trochę cierpliwości, jeśli człowiek to zrobi, ale w dzisiejszych czasach komputery mogą rozwikłać kod w ułamek sekundy, więc szyfry Cezara nie są uważane za bezpieczną metodę szyfrowania komunikacji elektronicznej.
• Extra: Innym sposobem na złamanie szyfru Caesara jest „analiza częstotliwości”, która opiera się na fakcie, że w naturalnej Angielskiej mowie i piśmie niektóre litery pojawiają się znacznie częściej niż inne. Na przykład litera E pojawia się częściej niż jakakolwiek inna, podczas gdy Z pojawia się najmniej często. (Jeśli kiedykolwiek grałeś w grę planszową Scrabble, możesz zauważyć, że określa to, ile punktów litery są warte!) Tak więc, na przykład, jeśli przeczytasz cały akapit i zauważysz, że litera D pojawia się częściej niż jakakolwiek inna, szanse są takie, że użył szyfru Cezara z przesunięciem 1 (tworząc E A D w kodzie). Ta technika będzie bardziej dokładna dla dłuższych bloków tekstu i bardzo niedokładna dla krótkich słów lub fraz, ponieważ istnieje wiele słów, które w ogóle nie zawierają E. Czy przyjaciel może napisać cały akapit za pomocą szyfru Caesar, a następnie spróbować go złamać za pomocą analizy częstotliwościowej?
• Extra: Jeśli planujesz używać szyfru Cezara do regularnej komunikacji, istnieje ryzyko, że w końcu ktoś odkryje Twój klucz. Możesz temu zapobiec, zmieniając klucz, na przykład używając nowego co tydzień. Jest to koncepcja podobna do okresowej zmiany haseł komputera.
• Extra: szyfr Cezara jest tylko jednym rodzajem szyfru zastępczego. Poszukaj innych typów szyfrów zastępczych i wypróbuj je. Czy są trudniejsze lub łatwiejsze w użyciu i pękaniu?

obserwacje i wyniki
gdy ty i twój przyjaciel zrozumiecie, jak używać szyfru Cezara, powinno być stosunkowo łatwo wysyłać do siebie zaszyfrowaną komunikację. Może to być zabawny sposób na przekazywanie tajnych wiadomości między przyjaciółmi. Jak wspomniano powyżej, chociaż szyfr Cezara stanowi świetne wprowadzenie do kryptografii, w erze komputerów nie jest już bezpiecznym sposobem wysyłania zaszyfrowanej komunikacji drogą elektroniczną.

Więcej do poznania
podstawy kryptografii: Szyfr Cezara, od Instructables
Kryptografia, od Learn Cryptography
haker haseł, od Scientific American
zajęcia naukowe dla wszystkich grup wiekowych!, od kumpli z nauki

ta działalność została stworzona we współpracy z kolegami z nauki