nyckelbegrepp
mönster
kod
Pussel
kryptografi

introduktion
om du behöver skicka ett hemligt meddelande till en vän, hur kan du förhindra att andra läser det? Ett sätt är att kryptera meddelandet—det vill säga använd en hemlig kod som bara du och din vän vet. Prova den här aktiviteten för att lära dig hur du skapar din egen ”Caesar cipher”, en populär typ av kod som är lätt att lära sig.

bakgrund
kryptografi är studien av att skriva eller lösa hemliga koder som används för säker kommunikation. Historiskt har koder använts av politiker, spioner och länder i krig för att förhindra att deras fiender vet vad de håller på med. Många av de tidigaste koderna, eller ”chiffer”, som den du skapar i det här projektet var lätta att skapa för hand. Nu är kryptografi viktigt inom datavetenskap för att hålla allt från e-post till bankkontoinformation säker.

Caesar chiffer, uppkallad efter romerska kejsaren Julius Caesar är en av de tidigaste och mest kända chiffer. Det är en enkel form av en” substitution chiffer ” där du ersätter varje bokstav i alfabetet med en annan bokstav genom att flytta hela alfabetet ett visst antal bokstäver (linda runt till början när du når slutet). Detta skulle till exempel vara din nyckel och kod om du flyttar varje bokstav med tre mellanslag:

Plain: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
chiffer: XYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVW

så när du skriver ditt meddelande ersätts bokstaven A med X, B ersätts med Y och så vidare. Till exempel läser ordet ”hej”:

Plain: hej
chiffer: EBIIL

för att avkoda ditt meddelande måste du dela ”nyckeln” (nummer 3) med din vän. Därefter kan du skicka meddelanden som är skrivna i chiffer så att andra inte kan läsa dem!

material

• penna och papper
• minst en annan person

förberedelse

• förklara begreppet Caesar-chiffer till en vän eller låt dem läsa bakgrundsavsnittet i denna aktivitet.
• skriv ner alfabetet från A till Z.
• Välj ett nummer från 1 till 25. (Om du använder 26 kommer du bara att sluta med det ursprungliga alfabetet.) Detta nummer är din nyckel.

procedur

• Skift hela alfabetet med det nummer du valde och skriv ner det under ditt ursprungliga alfabet (som visas ovan).
• Välj ett meddelande att skriva till din vän. Det kan vara lättast att börja med ett enkelt meddelande (till exempel ett enda ord eller en fras) innan du försöker längre meningar eller stycken.
• skriv ner ditt kodade meddelande med ditt skiftade alfabet. Om det hjälper, skriv ner ditt vanliga textmeddelande först och koda det en bokstav i taget (till exempel ”Hej” exemplet ovan). Se bara till att papperet du ger din vän bara har det kodade meddelandet!
• ge din vän det kodade meddelandet och berätta för dem nyckeln. Varför tror du att du inte vill skriva ner nyckeln?
• se om din vän kan dekryptera ditt meddelande. Om det hjälper för första försöket, låt dem arbeta bakåt med de ursprungliga och skiftade alfabeterna du skrev ner. Med exemplet från bakgrunden blir bokstaven x a; y blir b; och så vidare.
• prova att byta och använda en annan nyckel för samma meddelanden. Ser antingen lättare ut att knäcka?
• Extra: försök hitta en tredje person som inte vet vad en Caesar-chiffer är. Kan de knäcka din kod om de ”avlyssnar” ditt meddelande?
• Extra: Vad händer om personen som avlyssnar ditt meddelande vet om Caesar ciphers? Gör det det lättare att knäcka koden? Eftersom det bara finns 25 möjliga nycklar är Caesar-chiffer mycket sårbara för en ”brute force” – attack, där avkodaren helt enkelt försöker varje möjlig kombination av bokstäver. Det kan ta lite tålamod om en människa gör det, men nuförtiden kan datorer riva upp koden på en bråkdel av en sekund, så Caesar-chiffer anses inte vara en säker metod för att kryptera elektronisk kommunikation.
• Extra: Ett annat sätt att knäcka Caesar-chifferet är ”frekvensanalys”, som bygger på det faktum att vissa bokstäver i naturligt engelska tal och skrift förekommer mycket oftare än andra. Till exempel visas bokstaven E oftare än någon annan medan Z visas minst ofta. (Om du någonsin har spelat brädspelet Scrabble, kanske du märker att detta avgör hur många poäng bokstäver är värda!) Så, till exempel, om du läser ett helt stycke och märker att bokstaven D visas oftare än någon annan, är oddsen att den använde en Caesar-chiffer med ett skift på 1 (vilket gör E A D i koden). Denna teknik kommer att vara mer exakt för längre textblock och mycket felaktig för korta ord eller fraser eftersom det finns gott om ord som inte innehåller E alls. Kan du få en vän att skriva ett helt stycke med en Caesar-chiffer och sedan försöka knäcka den med frekvensanalys?
• Extra: Om du planerar att använda Caesar chiffer för regelbunden kommunikation, en risk är att så småningom någon kommer att upptäcka din nyckel. Du kan hjälpa till att förhindra detta genom att ändra nyckeln, till exempel med en ny varje vecka. Detta är ett liknande koncept för att regelbundet ändra datorns lösenord.
• Extra: Caesar chiffer är bara en typ av substitution chiffer. Slå upp några andra typer av substitutions cifrar och prova dem. Är de svårare eller lättare att använda och spricka?

observationer och resultat
När du och din vän båda förstår hur man använder en Caesar-chiffer bör det vara relativt enkelt att skicka krypterad kommunikation till varandra. Detta kan vara ett roligt sätt att skicka hemliga meddelanden fram och tillbaka mellan vänner. Som diskuterats ovan är det dock, även om Caesar-chifferet ger en bra introduktion till kryptografi, i datoråldern är det inte längre ett säkert sätt att skicka krypterad kommunikation elektroniskt.

mer att utforska
grunderna i kryptografi: Caesar Cipher, från Instructables
Cryptography, från Learn Cryptography
Password Hacker, från Scientific American
Science aktiviteter för alla åldrar!, från Science Buddies

denna aktivitet kom till dig i samarbete med Science Buddies