צופן החלפה

צפני החלפה (צפנים חד-אלפביתיים) מחליפים כל אות באות אחרת. המשמעות: כל אות מקורית מיוצגת על ידי אות אחת ויחידה בטקסט המוצפן.


אחד הצפנים העתיקים הוא צופן קיסר. בצופן זה כל אות מוזזת מספר מקומות קדימה בסדר האלפבית. לדוגמה, בקיסר ההיסט (ההיסט היא כמות ההזזה) הוא 3, אז א' מוחלפת בד', ט' בל', וש' ב'.

שיטה זו פשוטה. מי שמגלה את ההיסט יכול לפענח את כל ההודעות. ניתן להכליל את הרעיון ולהשתמש בכל היסט בין 1 ל-21. צופן כזה קורה לכינוי כללי "צופן הזזה". גם הוא קל לפיצוח, כי ניתן לבדוק ידנית את כל ההיסטים האפשריים.


כתב אלב"ם מחליף כל אות באות הנמצאת אחד-עשרה מקומות אחריה או לפניה. כלומר הסטה של 11 נובעת מחלוקת האלפבית לשתי חצאים. אפשר לשנות את מספר האותיות המוסטות.

במקורות עתיקים יש דוגמה לשינוי שם לפי אלב"ם: המילה "טבאל" הופכת ל"רמלא". השיטה מוזכרת גם בתלמוד הבבלי.


אם מריצים התאמה חופשית בין כל 22 אותיות האלפבית, מקבלים צופן החלפה כללי. מספר המפתחות האפשריים במקרה זה הוא עצום (22!). משמעות הדבר היא ששיטת הניסוי והטעייה אינה סבירה.

למרות שהאותיות אינן נשמרות, הצופן שומר על תכונות סטטיסטיות של השפה. למשל, באנגלית האות e היא הנפוצה ביותר. כאשר צופן החלפה הפך טקסט, האות הנפוצה ביותר בצופן כנראה מייצגת את ה-e. שימוש ב"ניתוח תדירויות" (ספירת כמות הופעות של אותיות) עוזר לפיצוח. גם מידת ההופעה של צמדים של אותיות (כמו "th" באנגלית) או כללים כמו q שבדרך כלל מלווה ב-u עוזרים לפענוח.

לפיצוח בדרך זו מניחים בדרך כלל שידועה השפה המקורית. הנחה זו סבירה בדרך כלל, ואם צריך ניתן לנסות פיצוח במספר שפות בו-זמנית.


כתב אתב"ש מחליף אות באות שמול האלפבית: א' בתור ת', ב' בתור ש' וכן הלאה. ירמיהו מזכיר דוגמאות כמו "ששך" ו"לב קמי" שהן שמות שהוצפנו באמצעות אתב"ש. שיטה זו מופיעה גם בתלמוד ומשתמשים בה גם במיסטיקה ובפיוטים.


צופני החלפה נחלקים לחד-אלפביתי (מפה אחת לכל ההודעה) ולרב-אלפביתי (מפתחות משתנים לאורך ההודעה). דוגמה לחד-אלפביתי היא צופן אффין (affine) על אלפבית של 26 אותיות: פונקציה מהצורה e_K(x)=(ax+b) mod 26. לדוגמה, עם a=3 ו-b=5 המילה "CAESAR" תהפוך ל"NHTJHG". צופן חד-אלפביתי משבש את תדירות האותיות הבודדות, אבל שומר על ההתפלגות הכוללת של השפה.

לצופן רב-אלפביתי יש וריאציות רבות: דיגרם (עבודה על זוגות אותיות), פוליגרם, צופן הומופוני, צופן וויגנר (שבו משתמשים באלפבית שונה לכל תו), ו"ספר-צופן" שבו המפתח הוא רצף אותיות מתוך ספר. מקרים מפורסמים כוללים את מברק צימרמן, שפענוחו שיחק תפקיד בכניסת ארצות הברית למלחמת העולם הראשונה, ואת צופן ורנם, שבו מחברים ביטים של המסר עם מפתח אקראי.


אם יודעים את נושא ההודעה, אפשר לחפש מלים אופייניות. מילים ארוכות או בעלות תבנית יחודית קלות יותר לאתר בתוך טקסט מוצפן. בדיקה של תבניות אותיות ותדירויות יכולה לאשר או לשלול הופעת מילה מסוימת.

בצפני החלפה מחליפים כל אות באות אחרת אחת. כל אות במקור מקבלת אות חדשה בטקסט המוצפן.


צופן קיסר הוא דוגמה ישנה. שם מזיזים כל אות כמה מקומות באלף-בית. בקיסר מזיזים שלוש אותיות. לדוגמה א' הופכת לד'. השיטה קלה לפתרון אם מנסים את כל ההזזות.


אלב"ם מחליף כל אות באות שמרוחקת ממנה 11 מקומות. זה קורה כי מחלקים את האלף-בית לשני חלקים שווים.


בגרסה הכללית כל אות מתאימה לכל אות אחרת. יש המון שילובים אפשריים, ולכן לא אפשרי לנסות את כולם.

עם זאת, אפשר למצוא רמזים בכמה אותיות חוזרות. לדוגמה באנגלית האות e חוזרת הרבה. אם באות מסוימת יש הכי הרבה חזרות, ייתכן שהיא מייצגת את ה-e. שיטה זו של ספירת הופעות של אותיות עוזרת לפתרון.


אתב"ש מחליף אותות בניגוד: א' במקום ת', ב' במקום ש' וכו'. יש שמצאו שירים ומילים ישנות שהוצפנו כך.


יש שני סוגים: אחד uses אותו מפתח לכל הטקסט (מונו-אלפביתי), והשני משנה מפתח במהלך הטקסט (רב-אלפביתי). יש דוגמאות כמו צופן וויגנר וצופן שמשתמש בספר כמפתח.


אם יודעים על מה המדובר, מחפשים מילים ארוכות ומיוחדות בטקסט. זה מקל למצוא אותן גם כשהן מוצפנות.