Parte 1 - Cifrado y Descifrado de Claves Monosilábicas

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¿Qué es un “Cifrado”?

¿Alguna vez has tenido ganas de escribir un mensaje secreto a un amigo para que nadie más pueda entenderlo? Entonces necesitas un Cifrado, o cifra en noruego. Una cifra no es sino un método que convierte el texto normal en “código” mediante la sustitución de caracteres (a menudo letras) por otros caracteres. El resultado parece tontería para quienes no saben cómo funciona el código. La idea es que solo aquellos que conocen la clave (la regla para intercambiar las letras) puedan volver a hacer comprensible el código. En otras palabras: los cifrados hacen posible los mensajes secretos, ya se trate del juego infantil con lenguaje secreto o de espías reales que envían mensajes cifrados. 😄

Existen muchos tipos de cifras; algunos usan números, otros utilizan símbolos y la criptografía moderna emplea algoritmos muy complejos. Estos algoritmos complicados requieren matemáticas muy avanzadas, así que primero podemos revisar algunos más simples.

Cifras monográficos

Veamos primero algunos de los métodos de codificación más simples (y antiguos): los cifrados monográficos.

Monográfico puede sonar como una palabra difícil, pero podemos descomponerla: mono significa “uno”, y alfabético tiene que ver con el alfabeto.

Es decir, los cifrados monográficos son códigos donde se utiliza un único «alfabeto de cifrado» para todo el mensaje. Esto significa que cada letra del texto original siempre se sustituye por la misma letra a lo largo de todo el mensaje cifrado.

Por ejemplo, si has decidido que la A debe cambiarse por la X, entonces todas las A en el texto se convierten en X.

Cifras de César

El ejemplo clásico de un cifrado monográfico es el cifra de César (nombrado así por Julio César). Básicamente, se trata de una regla para «desplazar» todas las letras un número determinado de posiciones a lo largo del alfabeto. Se dice que el propio César utilizaba un desplazamiento de 3 letras en sus mensajes secretos. Funciona de tal manera que la A pasa a ser D, la B pasa a ser E, la C pasa a ser F y así sucesivamente a través del alfabeto. (Cuando se supera la Z, se vuelve a empezar con la A.) Un mensaje como ABC pasaría entonces a ser DEF si usamos el método de César.

Cómo funciona el cifrado César en la práctica:

• Elige una clave: Decide un número secreto (por ejemplo, 3) que indique cuántos lugares debes mover cada letra.
• Reemplaza cada letra: Para cada letra del mensaje original, encuentra la letra que se encuentra tantos lugares después de ella en el alfabeto (para la clave 3, A se convierte en D, B en E, etc. – recuerda volver a A después de Z si es necesario). Opcionalmente, también puedes incluir Æ, Ø y Å, pero esto se vuelve un poco más complicado.
• Mensaje cifrado: Reemplaza las letras y escribe el nuevo mensaje con las letras “desplazadas”. ¡Voilà – tienes un texto ilegible y secreto que solo aquellos con la clave pueden entender!
• Para descifrar (es decir, volver a convertirlo en texto legible) simplemente se hace el desplazamiento inverso. Si conoces la clave (por ejemplo, 3), es igual de fácil leer el mensaje moviendo las letras 3 hacia atrás en el alfabeto.

Los cifrados monoalfabéticos son una forma fantástica de aprender el principio detrás del cifrado. Son sencillos y muestran cómo podemos usar una regla simple (una clave) para transformar un texto comprensible en algo misterioso e incomprensible, y viceversa. ¡Así que la próxima vez que quieras enviar a un amigo un mensaje secreto, puedes usar el cifrado de César! Quizás puedan crear su propia variante del alfabeto secreto de César. 🔐✨

Tareas

Tarea 1.1 - Cifrado de César: Cifrado

¡Ahora vamos a escribir código de verdad! Comenzaremos por lo básico creando la cifratura; según la teoría, debería ser bastante sencillo.

Implementa el cifrado con el Cifrado de César utilizando una función que reciba un texto y un número como «clave», es decir, cuántas posiciones debe rotarse el alfabeto.

def caesar_cipher(text, shift):
    result = ""
    for char in text:
        if char.isalpha():
        # determina el punto de inicio en función de mayúsculas y minúsculas
        start = ord('A') if char.isupper() else ord('a')
        # El cálculo difícil del desplazamiento
        result += chr((ord(char) - start + shift) % 26 + start)
    else:
        result += char
    return result

Tarea 1.2 - Descifrado del cifrado César

El descifrado es simplemente realizar la operación inversa a la de cifrado. Se resta el desplazamiento en lugar de sumarlo.

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

Otros cifrados monoalfabéticos (ej. Atbash)

¡También existen otros cifrados monoalfabéticos! Uno de los más sencillos es el llamado cifrado “Atbash”.

¿Cómo funciona Atbash?

Este es muy sencillo; en lugar de una rotación, las letras se mapean al alfabeto inverso. Aquí hay una tabla que muestra el mapeo:

Tarea 1.3 - Encriptación y Desencriptación de Cifrado Atbash

Lo bueno de Atbash es que, dado que el encriptado es una transformación de 1 a 1, funciona directamente en reversa. Es decir, si has creado el encriptado, también has creado, automáticamente, el desencriptado.

¿Cómo se puede hacer esto en la práctica?

Puedes restar la letra con respecto a Z o crear una tabla de búsqueda (“Look-up”). Es decir, significa una tabla o diccionario que contiene todas las letras de la a a la z y lo que deben convertirse. Esta puede ser una buena solución si desean crear otro tipo de cifrado.

letters = {
    'a': 'z'
    'b': 'y'
    'c': 'x'
    'd': 'w'
    # ... agrega el resto de las letras hacia abajo
}

Con la ayuda de esta tabla puedes ir letra por letra, luego extraer el valor por letra de la tabla de referencia, y luego imprimirlo. ¿Qué debes hacer con las letras mayúsculas y minúsculas?

Parte 2 - Criptoanálisis de cifras monoalfabéticas

En esta parte deberán intentar crear un algoritmo para “romper” una cifra César, es decir, tomar un texto cifrado y luego obtener el texto original sin conocer la clave.

Esto se puede hacer casi manualmente o bien pueden intentar emplear un simple “criptoanálisis”. Este es un concepto que veremos con más detalle más adelante, pero por ahora solo observaremos uno de los métodos más sencillos: análisis de frecuencias (frequency analysis). Pueden leer más sobre este concepto aquí: Frequency Analysis o aquí Wikipedia - frequency analysis.

Este método se puede utilizar no solo en las cifras César, sino también en algoritmos más complejos; sin embargo, la cifra César es tan sencilla que el análisis de frecuencias resulta trivial.

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.

xcrgneipcpanhxhugtfjtcrnpcpanhxhxhiwthijsnduiwtugtfjtcrnduatiitghdgvgdjehduatiitghxcprxewtgitmiiwtbtiwdsxhjhtsphpcpxsidqgtpzxcvraphhxrparxewtghugtfjtcrnpcpanhxhxhqphtsdciwtupriiwpixcpcnvxktchigtirwdulgxiitcapcvjpvtrtgipxcatiitghpcsrdbqxcpixdchduatiitghdrrjglxiwkpgnxcvugtfjtcrxthbdgtdktgiwtgtxhprwpgpritgxhixrsxhigxqjixdcduatiitghiwpixhgdjvwaniwthpbtudgpabdhipaahpbeathduiwpiapcvjpvtudgxchipcrtvxktcphtrixdcdutcvaxhwapcvjpvttippcsdpgtiwtbdhirdbbdclwxatofmpcsypgtgpgtaxztlxhtiwtgdcpcspcpgtiwtbdhirdbbdcepxghduatiitghitgbtsqxvgpbhdgsxvgpewhpcshhttiipcsuupgtiwtbdhirdbbdcgtetpihiwtcdchtchtewgphttipdxchwgsajgtegthtcihiwtbdhiugtfjtciatiitghxcinexrpatcvaxhwapcvjpvtitmixchdbtrxewtghhjrwegdetgixthduiwtcpijgpaapcvjpvteapxcitmipgtegthtgktsxciwtrxewtgitmipcsiwthtepiitgchwpktiwteditcixpaidqttmeadxitsxcprxewtgitmidcanpiiprz

Ejercicio 2.1 - Crear una tabla de frecuencias

En un archivo Python, crea una tabla de frecuencia de las letras del idioma inglés. Puedes intentar encontrarla tú mismo, pero si no te apetece hacerlo, ¡lo entendemos perfectamente!

Si absolutamente deseas buscarla por tu cuenta, puedes hacer lo que se indica en el Ejercicio 2.2, pero aplicándolo a un texto muy extenso.

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
}

Ejercicio 2.2 - Contar la frecuencia de letras en un texto

Ahora vamos a crear un algoritmo que encuentre la frecuencia de las letras en un texto dado.

Tarea 2.3 - Comparar la frecuencia de un texto con la frecuencia real

Cuando hayas encontrado la frecuencia de todas las letras en el texto, puedes crear una función que encuentre la “distancia”. ¿Eh? ¿Qué se entiende por eso?

Puedes imaginarte que la frecuencia de, por ejemplo, E en el texto va a ser un número. Puedes encontrar la “distancia” que tiene con la frecuencia real, que es 12.70. Ejemplo: La frecuencia es 9.63, ¿cuál es la distancia? La distancia va a ser el valor absoluto (los números negativos se vuelven positivos) entre estos dos valores: \(12.70 - 9.63 = 3.07\).

Crea una función que recorra cada una de las letras y encuentre la distancia. Luego, suma todas las distancias a una “distancia” total.

Tarea 2.4 - “Romper” los cifrados de César

¡Ahora por fin vamos a unir todo lo que hemos hecho hasta ahora! Ahora vamos a “romper” un cifrado de César.

Crea un programa que “rompa” un cifrado de César ¡Sin intervención del usuario, debes poder introducir un texto cifrado y obtener el texto descifrado sin necesidad de una clave.