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Was ist eine “Cipher”?

Hast du jemals den Wunsch gehabt, eine geheime Nachricht an einen Freund zu schreiben, so dass sie von niemand anderem verstanden werden kann? Dann brauchst du eine Cipher, oder Chiffer auf Norwegisch! Eine Chiffer ist einfach eine Methode, die Klartext in “Code” umwandelt, indem Zeichen (oft Buchstaben) durch andere Zeichen ersetzt werden. Das Ergebnis sieht für diejenigen, die nicht wissen, wie der Code funktioniert, wie Unsinn aus. Der Sinn ist, dass nur diejenigen, die den Schlüssel (die Regel zum Ersetzen der Buchstaben) kennen, den Code wieder verständlich machen können. Mit anderen Worten: Chiffer ermöglichen geheime Nachrichten, sei es das Kinderspiel mit Geheimsprachen oder echte Spione, die verschlüsselte Nachrichten senden. 😄

Es gibt viele Arten von Chiffren – einige verwenden Zahlen, einige verwenden Symbole, und moderne Datenverschlüsselung verwendet sehr komplizierte Algorithmen. Diese komplizierten Algorithmen erfordern sehr komplizierte Mathematik, also können wir uns zuerst einige einfachere Algorithmen ansehen!

Monoalphabetische Chiffren

Lassen wir uns zunächst einige der einfachsten (und ältesten) Kodemethoden ansehen: monoalphabetische Chiffren.

Monoalphabetisch mag ein schwieriges Wort sein, aber wir können es aufteilen: “mono” bedeutet “eins”, und “alphabetisch” bezieht sich auf das Alphabet.

Also sind monoalphabetische Chiffren Codes, bei denen ein einzelnes “Kryptographie-Alphabet” für die gesamte Nachricht verwendet wird. Das bedeutet, dass jeder Buchstabe im ursprünglichen Text immer durch den gleichen Buchstaben durch die gesamte verschlüsselte Nachricht ersetzt wird.

Zum Beispiel, wenn Sie festgelegt haben, dass A durch X ersetzt werden soll, dann werden alle A-s im Text in X umgewandelt.

Cäsar-Chiffre

Das klassische Beispiel für ein monoalphabetisches Chiffre ist das Cäsar-Chiffre (benannt nach Julius Cäsar). Dies ist im Grunde eine Regel, alle Buchstaben im Alphabet um eine bestimmte Anzahl von Stellen zu “verschieben”. Angeblich verwendete Cäsar selbst eine Verschiebung um 3 Buchstaben in seinen geheimen Nachrichten. Es funktioniert so, dass A zu D wird, B zu E, C zu F und so weiter durch das Alphabet. (Wenn man über Z hinausgeht, beginnt man wieder bei A.) Eine Nachricht wie ABC würde somit mit Cäsars Methode zu DEF werden.

Wie das Caesar-Chiffre in der Praxis funktioniert:

• Wähle einen Schlüssel: Bestimme eine geheime Zahl (z.B. 3), die angibt, wie viele Stellen du jeden Buchstaben verschieben sollst.
• Ersetze jeden Buchstaben: Für jeden Buchstaben in der ursprünglichen Nachricht, finde den Buchstaben, der so viele Stellen danach im Alphabet liegt (für Schlüssel 3 wird A zu D, B zu E, usw. – denke daran, nach Z wieder zu A zurückzugehen, falls nötig). Eventuell kann man auch Ä, Ö und Å mitnehmen, aber das wird etwas komplizierter.
• Verschlüsselte Nachricht: Ersetze die Buchstaben und schreibe die neue Nachricht mit den „verschobenen“ Buchstaben. Zupp – du hast einen unleserlichen, geheimen Text, den nur diejenigen verstehen können, die den Schlüssel haben!
• Um zu entschlüsseln (also die Nachricht wieder lesbar zu machen), macht man einfach die umgekehrte Verschiebung. Wenn du den Schlüssel kennst (z.B. 3), dann ist es genauso einfach, die Nachricht zu lesen, indem du die Buchstaben 3 Schritte im Alphabet zurückbewegst.

Monoalphabetische Chiffren sind eine fantastische Möglichkeit, das Prinzip der Verschlüsselung zu erlernen. Sie sind einfach und zeigen, wie wir eine einfache Regel (einen Schlüssel) verwenden können, um einen verständlichen Text in etwas Mystisches und Unerklärliches – und zurück – zu verwandeln. Also, das nächste Mal, wenn du einem Freund eine geheime Nachricht schicken möchtest, kannst du das Caesar-Chiffre verwenden! Vielleicht könnt ihr eure eigene Variante des Cäsars geheimen Alphabets erstellen? 🔐✨

Aufgaben

Forståelse av krav

• Les nøye: Gå gjennom alle kravdokumenter og spesifikasjoner.
• Spørsmål: Still spørsmål om uklarheter.
• Avklaring: Sørg for at du forstår hva som skal leveres.

Utvikling

• Planlegging: Lag en detaljert utviklingsplan.
• Koding: Skriv ren og effektiv kode.
• Testing: Utfør grundig testing av all kode.

Dokumentasjon

• Kommentarer: Legg til kommentarer i koden.
• Brukerhåndbok: Skriv en brukerveiledning.
• Teknisk dokumentasjon: Lag teknisk dokumentasjon.

Vedlikehold

• Feilretting: Rett feil raskt og effektivt.
• Oppdateringer: Implementer oppdateringer og forbedringer.
• Overvåking: Overvåk systemet for å sikre stabilitet.

Tidsfrister

• 15. mai 2024: Ferdigstillelse av kravspesifikasjon.
• 1. juni 2024: Ferdigstillelse av første versjon.
• 15. juni 2024: Godkjenning av første versjon.
• 30. juni 2024: Sluttleveranse.

Aufgaben

Verständnis der Anforderungen

• Gründliches Lesen: Gehen Sie alle Anforderungsdokumente und Spezifikationen durch.
• Fragen stellen: Stellen Sie Fragen bei Unklarheiten.
• Klärung: Stellen Sie sicher, dass Sie verstehen, was geliefert werden soll.

Entwicklung

• Planung: Erstellen Sie einen detaillierten Entwicklungsplan.
• Programmierung: Schreiben Sie sauberen und effizienten Code.
• Testen: Führen Sie gründliche Tests aller Codes durch.

Dokumentation

• Kommentare: Fügen Sie Kommentare im Code hinzu.
• Benutzerhandbuch: Schreiben Sie eine Benutzeranleitung.
• Technische Dokumentation: Erstellen Sie technische Dokumentation.

Wartung

• Fehlerbehebung: Beheben Sie Fehler schnell und effizient.
• Updates: Implementieren Sie Updates und Verbesserungen.
• Überwachung: Überwachen Sie das System, um die Stabilität zu gewährleisten.

Fristen

• 15. Mai 2024: Fertigstellung der Anforderungsspezifikation.
• 1. Juni 2024: Fertigstellung der ersten Version.
• 15. Juni 2024: Genehmigung der ersten Version.
• 30. Juni 2024: Endlieferung.

Aufgabe 1.1 - Caesar-Chiffre-Verschlüsselung

Jetzt sollen wir tatsächlich etwas Code schreiben! Wir beginnen einfach mit der Erstellung der Verschlüsselung, basierend auf der Theorie sollte dies recht unkompliziert sein.

Implementieren Sie die Verschlüsselung mit dem Caesar-Chiffre, indem Sie eine Funktion verwenden, die Text und eine Zahl als “Schlüssel” entgegennimmt, also wie viel das Alphabet rotiert werden soll.

def caesar_cipher(text, shift):
    result = ""
    for char in text:
        if char.isalpha():
        # finde heraus startpunkt basierend auf Groß- und Kleinschreibung
        start = ord('A') if char.isupper() else ord('a')
        # Die schwierige Shift-Berechnung
        result += chr((ord(char) - start + shift) % 26 + start)
    else:
        result += char
    return result

Aufgabe 1.2 - Caesar-Chiffre Entschlüsselung

Entschlüsselung ist lediglich die umgekehrte Berechnung der Verschlüsselung. Man subtrahiert den Offset anstatt ihn zu addieren.

def caesar_decrypt(text, shift):
    return caesar_cipher(text, 26 - shift)

Andere Monoalphabetische Chiffren/Ciphers (z.B. Atbash)

Es gibt auch andere monoalphabetische Chiffren! Eine der einfacheren ist die sogenannte “Atbash”-Chiffre.

Wie funktioniert Atbash?

Diese ist sehr einfach, anstatt einer Rotation werden Buchstaben dem umgekehrten Alphabet zugeordnet. Hier ist eine Tabelle, die die Zuordnung zeigt:

Aufgabe 1.3 - Atbash Chiffre Verschlüsselung und Entschlüsselung

Das Schöne am Atbash ist, dass da die Verschlüsselung eine 1:1-Transformation ist, die direkt in umgekehrter Richtung funktioniert. Das heißt, wenn Sie die Verschlüsselung erstellt haben, haben Sie auch automatisch die Entschlüsselung erstellt.

Wie kann dies in der Praxis umgesetzt werden?

Sie können entweder den Buchstaben in Bezug auf Z subtrahieren oder eine “Look-up” Tabelle erstellen. Das bedeutet also eine Tabelle oder ein Dictionary, das alle Buchstaben von a bis z und was sie werden sollen, enthält. Dies kann eine gute Lösung sein, wenn Sie eine andere Art von Verschlüsselung erstellen möchten.

letters = {
    'a': 'z'
    'b': 'y'
    'c': 'x'
    'd': 'w'
    # ... füge die restlichen Buchstaben weiter unten hinzu
}

Mit Hilfe dieser Tabelle können Sie Buchstabe für Buchstabe vorgehen, dann den Wert pro Buchstabe aus der Nachschlagetabelle abrufen und ihn ausgeben. Was müssen Sie für Groß- und Kleinbuchstaben tun?

Teil 2 - Kryptoanalyse von Monoalphabetischen Chiffren

In diesem Teil werdet ihr versuchen, einen Algorithmus zu erstellen, um eine Caesar-Chiffre zu “knacken”, also einen verschlüsselten Text zu nehmen und anschließend den ursprünglichen Text ohne Kenntnis des Schlüssels zu erhalten.

Dies kann einigermaßen manuell erfolgen, oder ihr könnt versuchen, eine einfache “Kryptoanalyse” anzuwenden. Dies ist ein Konzept, das wir später genauer betrachten werden, aber für jetzt werden wir uns nur eine der einfachsten Methoden ansehen: Frequenzanalyse (frequency analysis). Du kannst mehr über dieses Konzept hier lesen: Frequency Analysis oder hier Wikipedia - frequency analysis.

Diese Methode kann für mehr als nur Caesar-Chiffren verwendet werden, sie kann auch für komplexere Algorithmen verwendet werden, aber die Caesar-Chiffre ist so einfach, dass die Frequenzanalyse trivial ist.

In cryptanalysis, frequency analysis is the study of the frequency of letters or groups of letters in a ciphertext. The method is used as an aid to breaking classical ciphers.

Frequency analysis is based on the fact that, in any given stretch of written language, certain letters and combinations of letters occur with varying frequencies. Moreover, there is a characteristic distribution of letters that is roughly the same for almost all samples of that language. For instance, given a section of English language, E, T, A and O are the most common, while Z, Q, X and J are rare. Likewise, TH, ER, ON, and AN are the most common pairs of letters termed bigrams or digraphs), and SS, EE, TT, and FF are the most common repeats. The nonsense phrase ETAOIN SHRDLU represents the 12 most frequent letters in typical English language text.

In some ciphers, such properties of the natural language plaintext are preserved in the ciphertext, and these patterns have the potential to be exploited in a ciphertext-only attack.

xcrgneipcpanhxhugtfjtcrnpcpanhxhxhiwthijsnduiwtugtfjtcrnduatiitghdgvgdjehduatiitghxcprxewtgitmiiwtbtiwdsxhjhtsphpcpxsidqgtpzxcvraphhxrparxewtghugtfjtcrnpcpanhxhxhqphtsdciwtupriiwpixcpcnvxktchigtirwdulgxiitcapcvjpvtrtgipxcatiitghpcsrdbqxcpixdchduatiitghdrrjglxiwkpgnxcvugtfjtcrxthbdgtdktgiwtgtxhprwpgpritgxhixrsxhigxqjixdcduatiitghiwpixhgdjvwaniwthpbtudgpabdhipaahpbeathduiwpiapcvjpvttudgxchipcrtvxktcphtrixdcdutcvaxhwapcvjpvteapxcitmipgtegthtgktsxciwtrxewtgitmipcsiwthtepiitgchwpktiwteditcixpaidqttmeadxitsxcprxewtgitmidcanpiiprz

Aufgabe 2.1 - Erstellung einer Häufigkeitstabelle

In einer Python-Datei, erstellen Sie eine Häufigkeitstabelle der Buchstaben in der englischen Sprache. Sie können versuchen, diese selbst zu finden, aber wenn Sie das nicht möchten, verstehen wir das!

Wenn Sie es unbedingt selbst herausfinden möchten, können Sie wie in Aufgabe 2.2 vorgehen, aber mit einem sehr großen Text.

english_letter_frequency = {
    'E': 12.70, 
    'T': 9.06, 
    'A': 8.17, 
    'O': 7.51, 
    'I': 6.97, 
    'N': 6.75, 
    'S': 6.33, 
    'H': 6.09, 
    'R': 5.99, 
    'D': 4.25, 
    'L': 4.03, 
    'C': 2.78, 
    'U': 2.76, 
    'M': 2.41, 
    'W': 2.36, 
    'F': 2.23, 
    'G': 2.02, 
    'Y': 1.97, 
    'P': 1.93, 
    'B': 1.29, 
    'V': 0.98, 
    'K': 0.77, 
    'J': 0.15, 
    'X': 0.15, 
    'Q': 0.10, 
    'Z': 0.07
}

Aufgabe 2.2 - Zählen der Häufigkeit von Buchstaben in Text

Nun wollen wir einen Algorithmus erstellen, der die Häufigkeit von Buchstaben in einem gegebenen Text ermittelt.

Aufgabe 2.3 - Vergleichen der Häufigkeit eines Textes mit der tatsächlichen Häufigkeit

Wenn Sie die Häufigkeit aller Buchstaben in dem Text ermittelt haben, können Sie eine Funktion erstellen, die die “Distanz” findet. Hä? Was soll das bedeuten?!

Sie können sich die Häufigkeit von zum Beispiel E in dem Text als eine Zahl vorstellen. Sie können die “Distanz” dieser Zahl zur tatsächlichen Häufigkeit finden, die 12.70 ist. Zum Beispiel: Die Häufigkeit ist 9.63, was ist die Distanz? Die Distanz wird der absolute Wert (negative Zahlen werden positiv) zwischen diesen beiden Werten sein: \(12.70 - 9.63 = 3.07\).

Erstellen Sie eine Funktion, die jeden Buchstaben durchläuft und die Distanz findet. Addieren Sie dann alle Distanzen zu einer “totalen” Distanz.

Aufgabe 2.4 - “Knacken” eines Caesar-Chiffres

Jetzt sollen wir endlich alles zusammenfügen, was wir bisher gemacht haben! Jetzt sollen wir ein Caesar-Chiffer “knacken”.

Erstelle ein Programm, das ein Caesar-Chiffer “knackt”! Ohne Benutzer-Eingriff soll man eine verschlüsselte Zeichenkette eingeben können, um den entschlüsselten Text ohne einen Schlüssel zu erhalten.