Poziom: ocena 5.0 - zaawansowana kryptoanaliza rekonstrukcyjna, ataki na błędy procedur i modele Shannona

Zestaw 10 wysoce specjalistycznych zadań laboratoryjnych do wykonania w trakcie zajęć (90–100 minut).
Kierunek: Informatyka, semestr 7, przedmiot: Kryptologia.
Podstawa materiałowa: wykład część 2 (szyfrowanie konwencjonalne - techniki klasyczne).
Zadania do wykonania samodzielnego.

1. 01.Atak na ponowne użycie klucza w szyfrze jednorazowym (Two-Time Pad Crib Dragging) w Pythonie
2. 02.Kryptoanaliza procedury Enigmy z podwójnym szyfrowaniem klucza dziennego (metoda permutacji Rejewskiego)
3. 03.Badanie wady konstrukcyjnej reflektora Enigmy i rekonstrukcja tekstu metodą eliminacji kolizji (Crib Matching)
4. 04.Zaawansowane łamanie szyfru Vigenère metodą optymalizacji heurystycznej (Hill-Climbing) na bazie n-gramów
5. 05.Rekonstrukcja tekstu z nieregularnej transpozycji kolumnowej z użyciem macierzy przejść digramowych
6. 06.Pomiar i implementacja konfuzji i dyfuzji w modelu Shannona – konstrukcja sieci SPN w Pythonie
7. 07.Heurystyczna rekonstrukcja matrycy klucza szyfru Playfair metodą symulowanego wyżarzania
8. 08.Kryptoanaliza szyfru autokluczowego (Autokey Cipher) – likwidacja periodyczności i atak na nagłówek
9. 09.Detekcja i kryptoanaliza szyfru homofonicznego z wykorzystaniem algorytmu Sukhotina
10. 10.Podatność liniowego generatora kongruentnego (LCG) jako pseudolosowego OTP – atak ze znanym tekstem jawnym

Cel

Celem zadania jest praktyczne zaimplementowanie i przeprowadzenie ataku kryptoanalitycznego typu Two-Time Pad Crib Dragging. Student tworzy w języku Python w środowisku JSLinux program do przeciągania słów domniemanych (cribs) po sumie XOR dwóch szyfrogramów powstałych przy użyciu tego samego klucza jednorazowego. Program analizuje wyłaniające się fragmenty tekstu pod kątem reguł języka polskiego i krok po kroku rekonstruuje obie wiadomości jawne bez znajomości klucza.

Scenariusz – opis

W tym zadaniu wcielasz się w rolę kryptoanalityka badającego przypadek katastrofalnego błędu proceduralnego w szyfrze jednorazowym. Uruchamiasz przeglądarkę internetową, otwierasz konsolę JSLinux Alpine z interpreterem Python oraz narzędzie CyberChef. W pierwszym etapie przygotowujesz dwie różne wiadomości w języku polskim (M1 oraz M2) o długości 120 znaków każda, dotyczące konfiguracji sieci i bezpieczeństwa bazy danych. W konsoli JSLinux generujesz 120-bajtowy kryptograficznie bezpieczny klucz OTP za pomocą biblioteki secrets. Szyfrujesz obie wiadomości tym samym kluczem przy użyciu operacji XOR, uzyskując szyfrogramy C1 oraz C2.

Co ma wykonać student / grupa

Przykładowe kroki do wykonania jako sugestia

1. Uruchom środowisko JSLinux Alpine z interpreterem python3.
2. Otwórz serwis CyberChef w sąsiedniej karcie przeglądarki.
3. Sformułuj dwie wiadomości jawne w języku polskim M1 i M2 o identycznej długości 120 znaków.
4. W JSLinux napisz skrypt generujący 120-bajtowy klucz OTP modułem secrets i zaszyfruj M1 i M2.
5. Oblicz C_diff = bytes([ c1 ^ c2 for c1, c2 in zip(C1, C2)]) i zapisz do pliku c_diff.bin.
6. Stwórz skrypt crib_drag.py realizujący przeciąganie zadanego słowa po ciągu C_diff.
7. Zaimplementuj filtr leksykalny sprawdzający, czy uzyskane znaki należą do zbioru liter polskich i spacji.
8. Zdefiniuj bibliotekę 15 popularnych słów technicznych (cribs) i przetestuj ich dopasowanie.
9. Uruchom wyszukiwanie i zidentyfikuj pierwsze bezbłędne trafienie par słów w M1 i M2.
10. Wykorzystaj kontekst językowy do rozwinięcia słowa w M2 i odsłoń odpowiadający fragment M1.
11. Kontynuuj procedurę naprzemienną aż do odczytania obu pełnych komunikatów.
12. Wylicz odzyskany klucz: recovered_key = bytes([ c ^ m for c, m in zip(C1, M1)]).
13. Zweryfikuj tożsamość odzyskanego klucza z oryginalnym kluczem generowanym przez secrets.
14. W CyberChef przeprowadź weryfikację operacji XOR dla wybranego fragmentu obu szyfrogramów.
15. Wykonaj zrzuty ekranu kodu programu, wyników filtracji leksykalnej oraz odtworzonych tekstów.
16. Sformułuj wnioski techniczne omawiające podatność Two-Time Pad w protokołach telekomunikacyjnych.

Sugerowane wnioski i podsumowanie - co student ma osiągnąć

Sprawozdanie z realizacji zadania musi zawierać następujące kluczowe wnioski i osiągnięcia:

• W jaki sposób anihilacja klucza w operacji C1 XOR C2 umożliwia zastosowanie techniki crib dragging.
• Jakie kryteria leksykalne pozwalają automatycznie odsiać fałszywe dopasowania słów domniemanych.
• Dlaczego sukces ataku na jedną wiadomość natychmiastowo demaskuje treść drugiej wiadomości oraz sam klucz.
• Student potrafi wdrożyć i przeprowadzić kompletny atak crib dragging w języku Python na danych rzeczywistych.

Cel

Celem ćwiczenia jest zrekonstruowanie fundamentalnego przełomu matematycznego Mariana Rejewskiego z 1932 roku. Student bada procedurę podwójnego szyfrowania trójliterowego klucza depeszy stosowaną przez Niemców przed II wojną światową, generuje depesze w symulatorze Enigmy, tworzy w Pythonie program wyznaczający permutacje iloczynowe łączące znaki 1-4, 2-5 i 3-6, rozkłada je na cykle rozłączne i wykazuje, jak struktura cykli identyfikuje położenie bębnów bez znajomości łącznicy.

Scenariusz – opis

W tym zadaniu odtwarzasz jedno z największych osiągnięć w historii kryptologii – metodę permutacji Mariana Rejewskiego. Otwierasz w przeglądarce zaawansowany symulator maszyny Enigma oraz konsolę JSLinux z interpreterem Python. Zapoznajesz się z ówczesną niemiecką procedurą wojskową: operator wybierał klucz dzienny z książki kodów, a następnie wymyślał własny trójliterowy klucz depeszy (np. R-T-Z). Aby uniknąć błędów transmisji radiowej, operator szyfrował ten klucz depeszy dwukrotnie na ustawieniach klucza dziennego, przesyłając na początku depeszy sześcioliterowy nagłówek. Jeżeli klucz depeszy brzmiał RTZ, to szyfrowaniu podlegał ciąg RTZRTZ, dający 6 liter szyfrogramu l1, l2, l3, l4, l5, l6.

Co ma wykonać student / grupa

Przykładowe kroki do wykonania jako sugestia

1. Otwórz w przeglądarce symulator Enigmy oraz terminal JSLinux Alpine.
2. Skonfiguruj Enigmę: wirniki I-II-III, reflektor B, pozycję dzienną (np. D-A-N) oraz 6 par wtyków.
3. Zrozum procedurę podwójnego szyfrowania: klucz depeszy xyz szyfrowany jako xyzxyz.
4. Wygeneruj 30 nagłówków sześcioliterowych przy różnych kluczach depeszy i stałym kluczu dziennym.
5. Zapisz nagłówki w pliku depesze_rejewski.txt w JSLinux.
6. Stwórz plik rejewski_cycles.py w edytorze nano.
7. Zaimplementuj wczytywanie nagłówków i tworzenie grafu przejść dla par znaków (1, 4), (2, 5) oraz (3, 6).
8. Napisz funkcję rozkładającą permutację na rozłączne cykle permutacji.
9. Zaimplementuj formatowanie i sortowanie długości cykli (charakterystyka cykliczna). Każdą permutację wypisuj dwupoziomowo: najpierw pełne łańcuchy (np. A→F→W→A, długość 3), potem posortowaną listę długości (np. [10, 8, 5, 3]) - łańcuchy pozwalają zweryfikować poprawność kodu na pojedynczym nagłówku, a lista długości służy do porównania dwóch próbek przy dowodzie niezmienniczości względem łącznicy.
10. Uruchom program i odczytaj długości cykli dla permutacji AD, BE i CF.
11. Zmień konfigurację łącznicy kablowej w symulatorze (inne pary wtyków) przy zachowaniu tych samych wirników.
12. Wygeneruj drugą próbkę nagłówków i powtórz analizę w skrypcie.
13. Udowodnij tożsamość długości cykli w obu przypadkach (niezmiennik Rejewskiego).
14. Wyjaśnij, jak Biuro Szyfrów wykorzystało te charakterystyki do stworzenia katalogu kart i bomby kryptologicznej.
15. Wykonaj zrzuty ekranu symulatora i konsoli JSLinux z wypisanymi cyklami.
16. Sporządź raport laboratoryjny opisujący matematyczne tło przełomu Rejewskiego.

Sugerowane wnioski i podsumowanie - co student ma osiągnąć

Sprawozdanie z realizacji zadania musi zawierać następujące kluczowe wnioski i osiągnięcia:

• W jaki sposób niemiecki błąd proceduralny podwójnego przesyłania klucza stworzył relacje pomiędzy pozycjami 1-4, 2-5 i 3-6.
• Dlaczego twierdzenie o niezmienniczości cykli permutacji sprzężonych pozwoliło oddzielić bębny od łącznicy kablowej.
• W jaki sposób katalog charakterystyk cyklicznych doprowadził do powstania polskich bomb kryptologicznych.
• Student potrafi odtworzyć metodę Rejewskiego programistycznie i zinterpretować rozkład permutacji na cykle.

Cel

Celem zadania jest zbadanie fundamentalnej wady konstrukcyjnej reflektora Enigmy polegającej na niemożności zaszyfrowania litery w samą siebie. Student tworzy w języku Python program realizujący test dopasowania słowa prawdopodobnego (crib matching) w przechwyconym szyfrogramie wojskowym, odrzuca pozycje sprzeczne logicznie (zawierające kolizję identycznych znaków) i zawęża przestrzeń poszukiwań bębnów do pojedynczych pozycji, symulując założenia pracy Bomby Turinga w Bletchley Park.

Scenariusz – opis

W tym ćwiczeniu analizujesz najważniejszą wadę konstrukcyjną Enigmy, która stała się fundamentem brytyjskiej Bomby Turinga w Bletchley Park. Uruchamiasz przeglądarkę internetową, otwierasz symulator Enigmy w serwisie CyberChef oraz emulator konsoli JSLinux. Reflektor (Umkehrwalze) zapewniał samoodwracalność maszyny, łącząc litery w 13 par, co jednak oznaczało, że prąd elektryczny nigdy nie mógł powrócić do tego samego klawisza. W rezultacie żadna litera tekstu jawnego nigdy, pod żadnym warunkiem, nie mogła zostać zaszyfrowana jako ta sama litera w szyfrogramie: E(x) != x. W symulatorze Enigmy konfigurujesz maszynę i szyfrujesz autentyczny meldunek pogodowy zaczynający się od niemieckiej frazy wojskowej, na przykład 'WETTERVORHERSAGE'.

Co ma wykonać student / grupa

Przykładowe kroki do wykonania jako sugestia

1. Otwórz w przeglądarce symulator Enigmy oraz terminal JSLinux Alpine.
2. Skonfiguruj Enigmę i zaszyfruj meldunek wojskowy zawierający frazę WETTERVORHERSAGE.
3. Zapisz otrzymany szyfrogram do pliku meldunek.txt w JSLinux.
4. Stwórz w JSLinux plik crib_matcher.py w języku Python.
5. Zaimplementuj funkcję sprawdzającą kolizje: has_collision( crib, cipher_slice).
6. Napisz pętlę przesuwającą słowo crib wzdłuż całego szyfrogramu z krokiem 1.
7. Zaimplementuj kolorowe lub tekstowe oznaczanie kolidujących liter w terminalu.
8. Zlicz liczbę pozycji odrzuconych oraz liczbę pozycji potencjalnie poprawnych.
9. Uruchom program: python3 crib_matcher.py i przeanalizuj wyjście konsoli.
10. Zidentyfikuj pozycję o zerowej liczbie kolizji odpowiadającą faktycznemu umiejscowieniu frazy.
11. Zweryfikuj, dlaczego żaden poprawny meldunek Enigmy nie może wygenerować kolizji.
12. Wyjaśnij powiązanie pomiędzy crib matchingiem a konstrukcją menu Bomby Turinga.
13. Przetestuj działanie programu dla innego słowa domniemanego (np. OBERKOMMANDO).
14. Wykonaj zrzuty ekranu symulatora oraz raportu z dopasowania wygenerowanego przez skrypt.
15. Sporządź tabelę zestawiającą pozycje, liczbę kolizji i status dopasowania.
16. Sformułuj wnioski kryptoanalityczne na temat wady konstrukcyjnej walca odwracającego.

Sugerowane wnioski i podsumowanie - co student ma osiągnąć

Sprawozdanie z realizacji zadania musi zawierać następujące kluczowe wnioski i osiągnięcia:

• Dlaczego właściwość braku punktów stałych E(x) != x stanowiła krytyczną lukę konstrukcyjną Enigmy.
• W jaki sposób technika dopasowywania cribs pozwala drastycznie zredukować przestrzeń poszukiwań tekstu jawnego.
• Jak zasada eliminacji sprzeczności umożliwiła Turingowi i Welchmanowi stworzenie Bomby w Bletchley Park.
• Student potrafi zaimplementować algorytm testowania kolizji w Pythonie i zidentyfikować pozycję frazy w szyfrogramie.

Cel

Celem zadania jest opanowanie nowoczesnych metod kryptoanalizy heurystycznej stosowanych do łamania szyfrów klasycznych bez polegania na metodzie Kasiskiego. Student implementuje w Pythonie w JSLinux algorytm wspinaczkowy (hill climbing), który wykorzystuje statystykę logarytmiczną tetragramów do oceny jakości odszyfrowanego tekstu, dokonuje losowych mutacji klucza i w pełni automatycznie odnajduje hasło szyfru Vigenère’a o dowolnej długości.

Scenariusz – opis

W tym zadaniu sięgasz po algorytmy optymalizacji sztucznej inteligencji w celu przełamania trudnych przypadków szyfru Vigenère’a. Uruchamiasz przeglądarkę internetową, otwierasz serwis CyberChef, narzędzie CrypTool-Online oraz konsolę JSLinux Alpine. W CyberChef przygotowujesz polski tekst techniczny o długości około 400 znaków i szyfrujesz go długim hasłem o długości 8 liter, na przykład 'DIAMENTY'. W tak krótkim tekście z długim kluczem metoda Kasiskiego często zawodzi z powodu braku powtarzających się sekwencji. Do rozwiązania problemu zastosujesz algorytm wspinaczkowy (hill climbing) sterowany funkcją oceny tetragramów (sekwencji 4 liter).

Co ma wykonać student / grupa

Przykładowe kroki do wykonania jako sugestia

1. Otwórz w przeglądarce serwis CyberChef oraz konsolę JSLinux Alpine.
2. Zaszyfruj w CyberChef tekst 400-znakowy z 8-literowym kluczem (np. DIAMENTY).
3. Zapisz szyfrogram w pliku vigenere_hard.txt w JSLinux.
4. Zdobądź moduł z tabelą logarytmów prawdopodobieństw tetragramów dla języka polskiego: użyj pliku tetragrams_pl.py z materiałów zajęć, a jeżeli go nie ma, zbuduj własny na podstawie najdłuższego dostępnego polskiego tekstu (minimum kilkadziesiąt tysięcy znaków, nie na podstawie samego szyfrogramu). Przed atakiem wykonaj test kontrolny modułu: fitness_score( tekst jawny) musi być wyraźnie wyższy niż fitness_score( losowy ciąg tej samej długości); jeżeli nie jest, moduł jest uszkodzony i atak nie ma sensu. Uwaga: korpusu nie poprawiasz w trakcie strojenia ataku - walczysz z algorytmem, nie z danymi.
5. Napisz funkcję oceny fitness_score( tekst), sumującą wagi czwórek liter.
6. Zaimplementuj algorytm Hill Climbing w pliku vigenere_hill_climber.py.
7. Zainicjuj klucz losowym ciągiem 8 liter i oblicz początkowy wynik punktowy.
8. Zaimplementuj pętlę 2000 iteracji z mutacją pojedynczej litery klucza.
9. Dodaj warunek akceptacji: if new_score > best_score: best_key = new_key.
10. Dodaj wyświetlanie postępów co 100 iteracji: numer kroku, aktualny klucz, score.
11. Uruchom program i zaobserwuj zbieżność do oryginalnego słowa DIAMENTY.
12. Przetestuj odporność algorytmu na utknięcie w lokalnym maksimum poprzez restart z nowego punktu.
13. Wprowadź szyfrogram do modułu analitycznego CrypTool-Online w celu walidacji.
14. Wykonaj zrzuty ekranu kodu skryptu oraz terminala z przebiegiem optymalizacji.
15. Sporządź wykres punktacji w funkcji liczby iteracji w sprawozdaniu.
16. Sformułuj wnioski wyjaśniające potęgę n-gramowych funkcji oceny w kryptoanalizie.

Sugerowane wnioski i podsumowanie - co student ma osiągnąć

Sprawozdanie z realizacji zadania musi zawierać następujące kluczowe wnioski i osiągnięcia:

• Dlaczego funkcja oceny oparta na n-gramach pozwala oceniać sensowność tekstu bez znajomości słownika wyrazów.
• W jaki sposób heurystyka wspinaczkowa przeszukuje gigantyczną przestrzeń kluczy w ułamku sekundy.
• Jakie ograniczenia niosą minima lokalne i jak techniki restartu zapobiegają fałszywym rozwiązaniom.
• Student potrafi zaimplementować algorytm Hill Climbing z n-gramową funkcją oceny w języku Python.

Cel

Celem zadania jest zmierzenie się z jednym z najtrudniejszych szyfrów klasycznych – nieregularną transpozycją kolumnową. Student analizuje matematyczną strukturę prostokąta o nierównych kolumnach, implementuje w Pythonie algorytm wyliczający dokładną długość każdej kolumny, a następnie tworzy program kryptoanalityczny, który na podstawie prawdopodobieństwa przejść dwuznakowych (macierzy digramów) automatycznie łączy kolumny w poprawny tekst jawny.

Scenariusz – opis

W tym zadaniu rozwiązujesz problem kryptoanalizy nieregularnej transpozycji kolumnowej, uważanej przez historyków za najtwardszy szyfr ręczny. Uruchamiasz przeglądarkę internetową, otwierasz serwis dCode Columnar Transposition oraz emulator konsoli JSLinux z Pythonem. W nieregularnej transpozycji długość tekstu nie dzieli się bez reszty przez długość klucza, co oznacza, że część kolumn posiada o jeden znak więcej niż pozostałe. Fakt ten całkowicie uniemożliwia proste cięcie szyfrogramu na równe bloki i dramatycznie utrudnia kryptoanalizę. W serwisie dCode przygotowujesz polski tekst techniczny liczący 73 znaki i szyfrujesz go kluczem o długości 6 liter (np. KOBRA).

Co ma wykonać student / grupa

Przykładowe kroki do wykonania jako sugestia

1. Otwórz stronę dcode.fr/columnar-transposition-cipher oraz konsolę JSLinux Alpine.
2. Przygotuj polski tekst jawny o długości niepodzielnej przez klucz (np. 73 znaki).
3. Zaszyfruj tekst w dCode nieregularną transpozycją z 6-literowym kluczem (np. KOBRA).
4. Zapisz szyfrogram w pliku irregular.txt w JSLinux.
5. Stwórz w JSLinux plik irregular_analyzer.py.
6. Zaimplementuj funkcję obliczającą liczbę kolumn długich i krótkich według szkieletu (przepisz 1:1 i tylko go użyj): base = L // K; n_long = L % K - pierwsze n_long kolumn ma długość base + 1, pozostałe base. Kontrola: dla L = 73 i K = 6 szkielet daje base = 12, n_long = 1 (jedna kolumna 13-znakowa, pięć kolumn 12-znakowych); jeżeli twój program twierdzi inaczej, błąd jest w cięciu szyfrogramu, nie w teorii.
7. Napisz kod dzielący szyfrogram na K wektorów kolumnowych o wyznaczonych długościach.
8. Zaimportuj tablicę logarytmów częstości digramów języka polskiego.
9. Zaimplementuj funkcję scoringową pair_score(col_A, col_B) sumującą wagi digramów w wierszach.
10. Oblicz macierz wag przejść pomiędzy wszystkimi parami kolumn K x K.
11. Zaimplementuj algorytm przeszukiwania permutacji kolumn w celu maksymalizacji łącznej sumy wag.
12. Uruchom skrypt w JSLinux: python3 irregular_analyzer.py irregular.txt.
13. Odczytaj zrekonstruowany porządek kolumn i odszyfrowany tekst jawny.
14. Potwierdź poprawność rekonstrukcji w narzędziu dCode.
15. Wykonaj zrzuty ekranu kodu źródłowego, macierzy powiązań i wyniku konsoli.
16. Opracuj raport dokumentujący matematyczne i lingwistyczne aspekty ataku na nieregularną transpozycję.

Sugerowane wnioski i podsumowanie - co student ma osiągnąć

Sprawozdanie z realizacji zadania musi zawierać następujące kluczowe wnioski i osiągnięcia:

• Dlaczego nieregularność długości kolumn stanowiła tak poważną barierę dla kryptoanalizy ręcznej.
• W jaki sposób macierz przejść digramowych pozwala ocenić prawdopodobieństwo sąsiedztwa kolumn.
• Jak pojęcie ścieżki w grafie permutacji łączy algebrę kombinatoryczną z lingwistyką komputerową.
• Student potrafi zaimplementować i przeprowadzić kryptoanalizę nieregularnej transpozycji kolumnowej w Pythonie.

Cel

Celem zadania jest praktyczne zrozumienie i pomiar dwóch fundamentalnych zasad nowoczesnej kryptografii zdefiniowanych przez Claude'a Shannona – konfuzji i dyfuzji. Student buduje w języku Python w JSLinux miniaturową 16-bitową sieć SPN (Substitution-Permutation Network) wykorzystującą 4-bitowe S-boxy i permutację bitową P-box, a następnie przeprowadza rygorystyczny pomiar efektu lawinowego (avalanche effect) po 1, 2, 3 i 4 rundach szyfrowania przy zmianie pojedynczego bitu tekstu jawnego.

Scenariusz – opis

W tym zadaniu przekraczasz granicę pomiędzy kryptografią klasyczną a nowoczesną, badając fundamenty teorii Claude'a Shannona z 1949 roku. Uruchamiasz przeglądarkę internetową, otwierasz konsolę JSLinux Alpine oraz narzędzie CyberChef. Shannon wykazał, że pojedyncze podstawienie daje wyłącznie konfuzję (zamazywanie relacji klucz-szyfrogram), a pojedyncze przestawienie daje wyłącznie dyfuzję (rozpraszanie statystyki tekstu jawnego). Dopiero wielokrotne, naprzemienne łączenie obu operacji w strukturze rundowej tworzy szyfr odporny na kryptoanalizę. W konsoli JSLinux tworzysz plik spn_cipher.py w języku Python.

Co ma wykonać student / grupa

Przykładowe kroki do wykonania jako sugestia

1. Uruchom środowisko JSLinux Alpine z interpreterem python3.
2. Przeanalizuj budowę 16-bitowej sieci SPN: 4 S-boxy po 4 bity, 16-bitowa permutacja P-box.
3. Stwórz w JSLinux plik spn_cipher.py w edytorze nano.
4. Zdefiniuj tabelę 4-bitowego S-boxa (np. 0xE, 0x4, 0xD, 0x1, 0x2, 0xF...).
5. Zaimplementuj permutację P-box rozpraszającą bity pomiędzy 4 S-boxami kolejnej rundy.
6. Napisz funkcję round_function( state, round_key, is_last_round).
7. Zaimplementuj pełne 4-rundowe szyfrowanie SPN z generatorem prostych podkluczy.
8. Napisz funkcję hamming_distance(v1, v2) liczącą liczbę różniących się bitów.
9. Stwórz pętlę testową dla 1000 losowych bloków 16-bitowych.
10. Dla każdego bloku odwróć 1 losowy bit i zmierz odległość Hamminga po rundzie 1, 2, 3 i 4.
11. Oblicz średnią liczbę zmienionych bitów oraz procent zmiany dla każdej rundy.
12. Przeprowadź eksperyment z wyłączoną permutacją P-box (sama konfuzja bez dyfuzji).
13. Porównaj wyniki obu wariantów i wykaż rolę P-boxa w propagacji zmian.
14. Wykonaj zrzuty ekranu kodu źródłowego oraz tabeli z wynikami pomiaru efektu lawinowego.
15. Sporządź wykres zależności efektu lawinowego od liczby rund w sprawozdaniu.
16. Sformułuj wnioski wyjaśniające, w jaki sposób konfuzja i dyfuzja Shannona dały początek szyfrom DES i AES.

Sugerowane wnioski i podsumowanie - co student ma osiągnąć

Sprawozdanie z realizacji zadania musi zawierać następujące kluczowe wnioski i osiągnięcia:

• Na czym polega matematyczna różnica pomiędzy konfuzją realizowaną przez S-box a dyfuzją realizowaną przez P-box.
• Dlaczego osiągnięcie 50% zmienionych bitów (efekt lawinowy) jest warunkiem koniecznym bezpieczeństwa szyfru blokowego.
• W jaki sposób wyłączenie warstwy permutacji bitowej uniemożliwia rozprzestrzenianie zmian na sąsiednie bloki.
• Student potrafi zaimplementować sieć SPN w Pythonie i ilościowo zmierzyć efekt lawinowy w warunkach laboratoryjnych.

Cel

Celem zadania jest przełamanie szyfru Playfair bez znajomości słowa kluczowego i bez słownika wyrazów za pomocą zaawansowanego algorytmu symulowanego wyżarzania (Simulated Annealing). Student implementuje w Pythonie w środowisku JSLinux algorytm probabilistyczny przeszukujący przestrzeń 25 silnia konfiguracji matrycy 5x5, definiuje operacje mutacji układu liter oraz funkcję oceny digramowej, doprowadzając do pełnej automatycznej rekonstrukcji matrycy i odszyfrowania wiadomości.

Scenariusz – opis

W tym zadaniu realizujesz jeden z najbardziej spektakularnych ataków kryptoanalitycznych – złamanie szyfru Playfair metodą symulowanego wyżarzania. Uruchamiasz przeglądarkę internetową, otwierasz serwis Cryptii, narzędzie Boxentriq oraz emulator konsoli JSLinux Alpine. Przestrzeń możliwych matryc 5 na 5 w szyfrze Playfair wynosi 25! (około 1.5 * 10^25), co całkowicie wyklucza przeszukiwanie siłowe brute force. Zwykły algorytm wspinaczkowy (Hill Climbing) łatwo grzęźnie w lokalnych maksimach z powodu skomplikowanej geometrii reguł Playfair. Rozwiązaniem jest symulowane wyżarzanie (Simulated Annealing), które z malejącym prawdopodobieństwem P = exp(Delta_score / T) akceptuje również rozwiązania chwilowo gorsze, uciekając z pułapek lokalnych.

Co ma wykonać student / grupa

Przykładowe kroki do wykonania jako sugestia

1. Otwórz w przeglądarce serwis Cryptii oraz konsolę JSLinux Alpine.
2. Zaszyfruj w Cryptii polski tekst 450-znakowy szyfrem Playfair z tajnym hasłem.
3. Zapisz szyfrogram w pliku playfair_challenge.txt w JSLinux.
4. Stwórz w JSLinux plik playfair_annealing.py w edytorze nano.
5. Zaimplementuj moduł deszyfrowania Playfair dla dowolnej matrycy 5x5 (zgodnie z regułami odwrotnymi).
6. Zaimportuj bazę logarytmicznych wag digramów i trigramów języka polskiego.
7. Napisz funkcję mutacji matrycy: swap_chars, swap_rows, swap_cols, reverse_matrix.
8. Zaimplementuj pętlę symulowanego wyżarzania z parametrami: T_start=20.0, T_min=0.05, alpha=0.995.
9. Zastosuj kryterium akceptacji Metropolisa: if math.exp((new_score - current_score)/T) > random.random().
10. Dodaj rejestrowanie najlepszego globalnego wyniku i najlepszej znalezionej matrycy.
11. Wykonaj minimum 3 niezależne restarty z nowej losowej matrycy; do raportu wpisz najlepszy wynik ze wszystkich restartów oraz numer restartu, w którym padł czytelny tekst. Pojedynczy przebieg bez restartu nie jest zaliczeniem - utknięcie w lokalnym maksimum to normalne zachowanie wyżarzania, a nie błąd implementacji.
12. Uruchom skrypt: python3 playfair_annealing.py playfair_challenge.txt.
13. Obserwuj spadek temperatury i dynamiczny wzrost czytelności tekstu w terminalu.
14. Odczytaj zrekonstruowany tekst jawny oraz strukturę matrycy 5x5.
15. Porównaj uzyskany wynik z oryginalnym tekstem jawnym i zidentyfikuj słowo kluczowe.
16. Wykonaj zrzuty ekranu kodu programu, panelu chłodzenia w konsoli oraz odtworzonej treści.
17. Opracuj raport dokumentujący zastosowanie metaheurystyk probabilistycznych w łamaniu szyfrów digramowych.

Sugerowane wnioski i podsumowanie - co student ma osiągnąć

Sprawozdanie z realizacji zadania musi zawierać następujące kluczowe wnioski i osiągnięcia:

• Dlaczego przestrzeń 25! matrycy Playfair nie stanowi bariery dla probabilistycznych algorytmów optymalizacyjnych.
• W jaki sposób kryterium Metropolisa umożliwia wyjście z lokalnych pułapek funkcji oceny tekstu.
• Jakie znaczenie ma odpowiedni dobór temperatury początkowej i tempa chłodzenia dla zbieżności algorytmu.
• Student potrafi zaimplementować symulowane wyżarzanie w Pythonie i z sukcesem odtworzyć matrycę klucza Playfair.

Cel

Celem zadania jest poznanie i przełamanie szyfru autokluczowego (Autokey Cipher), który powstał w celu wyeliminowania okresowości szyfru Vigenère’a. Student bada matematyczny mechanizm autoklucza, wykazuje eksperymentalnie nieskuteczność metody Kasiskiego i testu indeksu zbieżności, a następnie implementuje w Pythonie atak kaskadowy ze słowem domniemanym (crib-driven cascade attack), który po odgadnięciu pierwszego słowa odzyskuje cały tekst jawny litera po literze.

Scenariusz – opis

W tym zadaniu mierzysz się z rzeczywistym szyfrem Blaise'a de Vigenère’a z 1586 roku – szyfrem autokluczowym. Wbrew powszechnemu mitowi, Vigenère nie stworzył szyfru z krótkim powtarzanym hasłem, lecz genialny system autoklucza, w którym hasło używane jest tylko raz na początku, a resztę strumienia klucza tworzy sam tekst jawny. Uruchamiasz przeglądarkę internetową, otwierasz serwis dCode Autokey Cipher pod adresem dcode.fr/autokey-cipher oraz konsolę JSLinux Alpine. W serwisie dCode przygotowujesz polski tekst techniczny liczący 300 znaków i szyfrujesz go szyfrem autokluczowym z krótkim hasłem początkowym 'KLUCZ'. Zapisujesz otrzymany szyfrogram do pliku autokey_sample.txt w środowisku JSLinux.
Uwaga: w zależności od programu/systemu w jakim robisz zadanie trzeba ustalić alfabet w obszarze którego program prowadzi prace. Litera 'A', 'a', 'ą' mają różne kody, jeśli program wspiera tylko znaki ze standardowego zbioru ASCII to nie użyjesz np. 'ą' bo może być kodowany liczbą większą niż 255.

Co ma wykonać student / grupa

Przykładowe kroki do wykonania jako sugestia

1. Otwórz w przeglądarce stronę dcode.fr/autokey-cipher oraz konsolę JSLinux Alpine.
2. Przygotuj polski tekst jawny o długości minimum 300 znaków.
3. Zaszyfruj tekst w dCode szyfrem autokluczowym z hasłem początkowym (np. BAZA).
4. Zapisz szyfrogram w pliku autokey_sample.txt w JSLinux.
5. Uruchom test indeksu zbieżności Friedmana na szyfrogramie i potwierdź brak pików okresowości.
6. Uruchom test Kasiskiego i wykaż brak regularnych powtórzeń interwałowych.
7. Stwórz w JSLinux plik autokey_cascade.py w języku Python.
8. Zaimplementuj funkcję sprawdzającą kaskadę dla zadanego słowa początkowego (crib) i długości hasła L.
9. Napisz wzór odzyskiwania: P[i] = (C[ i] - P[i - L]) % 26.
10. Zaimplementuj filtr leksykalny weryfikujący czytelność kolejnych wyrazów kaskady.
11. Zbuduj pętlę testującą bibliotekę 20 popularnych słów otwarcia oraz długości L od 3 do 8. Bibliotekę zaczynaj od formuł kancelaryjnych i nagłówkowych (SZANOWNY, RAPORT, UWAGA, PROTOKOL, DECYZJA, MELDUNEK, WNIOSEK), nazw miesięcy i słów WSTEP / ROZDZIAL / ZALACZNIK; jeżeli żaden crib nie zapali kaskady, najpierw rozszerz bibliotekę o słownictwo z domniemanej tematyki depeszy, a dopiero potem wątp w poprawność kodu - chybiony crib blokuje cały atak dokładnie tak samo jak błąd programu.
12. Uruchom skrypt i zlokalizuj właściwe słowo inicjujące lawinowe odszyfrowanie.
13. Odczytaj pełną treść depeszy oraz pierwotne hasło startowe.
14. Zweryfikuj zgodność odzyskanego tekstu w serwisie dCode.
15. Wykonaj zrzuty ekranu kodu źródłowego, terminala z kaskadą oraz wyników testu IC.
16. Opracuj raport dokumentujący mechanizm autoklucza i analizę podatności łańcuchowej.

Sugerowane wnioski i podsumowanie - co student ma osiągnąć

Sprawozdanie z realizacji zadania musi zawierać następujące kluczowe wnioski i osiągnięcia:

• Dlaczego szyfr autokluczowy skutecznie eliminuje periodyczność i paraliżuje metody Kasiskiego i Friedmana.
• W jaki sposób zależność klucza od tekstu jawnego tworzy kaskadową podatność na atak ze znanym nagłówkiem.
• Jakie znaczenie ma błąd odgadnięcia pojedynczej litery dla załamania całej kaskady deszyfrującej.
• Student potrafi przeprowadzić atak kaskadowy na szyfr autokluczowy w języku Python i odzyskać pełną treść wiadomości.

Cel

Celem zadania jest zbadanie mechanizmu szyfru homofonicznego oraz przełamanie jego zabezpieczeń za pomocą zaawansowanego lingwistycznego algorytmu Sukhotina. Student implementuje w Pythonie szyfr homofoniczny spłaszczający histogram jednoliterowy do poziomu płaskiego rozkładu, weryfikuje nieskuteczność prostej analizy częstości, a następnie tworzy program realizujący algorytm Sukhotina, który na bazie symetrycznej macierzy sąsiedztwa digramów bezbłędnie identyfikuje samogłoski ukryte pod różnymi symbolami.

Scenariusz – opis

W tym zadaniu mierzysz się z szyfrem homofonicznym, zaprojektowanym w celu oszukania klasycznej analizy częstotliwości. W szyfrze homofonicznym rzadkie litery otrzymują jeden symbol szyfru, natomiast litery częste (np. samogłoski A, E, O, I) otrzymują wiele równoważnych symboli losowanych w trakcie szyfrowania. Dzięki temu histogram jednoliterowy szyfrogramu staje się idealnie płaski, uniemożliwiając rozpoznanie liter po słupkach frekwencji. Uruchamiasz przeglądarkę internetową, otwierasz serwis dCode Homophonic Substitution pod adresem dcode.fr/homophonic-cipher oraz konsolę JSLinux Alpine. W konsoli JSLinux tworzysz plik homophonic_system.py w języku Python.

Co ma wykonać student / grupa

Przykładowe kroki do wykonania jako sugestia

1. Otwórz w przeglądarce serwis dCode Homophonic Substitution oraz konsolę JSLinux Alpine.
2. Przygotuj polski tekst techniczny o długości minimum 600 znaków.
3. Zanim napiszesz kod, wykonaj na kartce mikro-przykład budujący intuicję macierzy Sukhotina: tekst ALAMAKOTA (zdanie ALA MA KOTA bez spacji), homofony A→{11, 12}, L→{21}, M→{22}, K→{23}, O→{31, 32}, T→{33}; zaszyfruj, losując homofon przy każdym wystąpieniu litery (np. 11 21 12 22 11 23 31 33 12), a potem wskaż, które pary symboli nigdy ze sobą nie sąsiadują - to unikanie samogłosek jest dokładnie tym, co algorytm wykrywa w dużej macierzy.
4. W JSLinux stwórz plik homophonic_system.py definiujący podział 100 liczb na litery polskie.
5. Zaimplementuj losowy wybór homofonu przy szyfrowaniu każdej litery.
6. Zaszyfruj tekst i wygeneruj wykres częstości symboli w konsoli lub CyberChef.
7. Potwierdź empirycznie skuteczne spłaszczenie histogramu jednoliterowego.
8. Stwórz w JSLinux plik sukhotin_vowels.py implementujący algorytm Sukhotina.
9. Zbuduj symetryczną macierz sąsiedztwa digramów 100x100 dla badanego tekstu.
10. Zaimplementuj obliczanie wag początkowych: sum(M[ x][y] for y in symbols).
11. Napisz pętlę iteracyjną wyłaniającą symbole samogłosek z aktualizacją wag.
12. Uruchom skrypt: python3 sukhotin_vowels.py szyfrogram_homofoniczny.txt.
13. Przeanalizuj wyodrębnioną grupę symboli i porównaj ją z rzeczywistymi homofonami samogłosek.
14. Oceń precyzję i czułość klasyfikacji algorytmu Sukhotina.
15. Wykorzystaj wzorzec samogłosek do odtworzenia pierwotnego tekstu jawnego.
16. Wykonaj zrzuty ekranu kodu, histogramu oraz macierzy sąsiedztwa w konsoli.
17. Opracuj raport laboratoryjny dokumentujący lingwistyczne techniki łamania homofonów.

Sugerowane wnioski i podsumowanie - co student ma osiągnąć

Sprawozdanie z realizacji zadania musi zawierać następujące kluczowe wnioski i osiągnięcia:

• W jaki sposób rozpraszanie liter na wiele homofonów neutralizuje tradycyjną analizę częstotliwości jednoliterowej.
• Na jakiej uniwersalnej własności fonotaktycznej języka naturalnego opiera się algorytm Sukhotina.
• Dlaczego zbadanie powiązań dwuznakowych pozwala zidentyfikować klasę samogłosek mimo ukrycia tożsamości liter.
• Student potrafi zaimplementować szyfr homofoniczny oraz algorytm Sukhotina do detekcji samogłosek w Pythonie.

Cel

Celem zadania jest zbadanie fundamentalnej różnicy pomiędzy idealnym szyfrem jednorazowym (OTP) a naiwnym szyfrem strumieniowym opartym na generatorze pseudolosowym LCG. Student implementuje w Pythonie szyfr strumieniowy XOR zasilany generatorem LCG, przeprowadza atak typu Known-Plaintext Attack przy znajomości zaledwie kilku bajtów nagłówka depeszy, rozwiązuje algebraiczny układ równań wyznaczający stan i parametry generatora, a następnie odszyfrowuje całą resztę wiadomości bez znajomości klucza początkowego.

Scenariusz – opis

W ostatnim zadaniu zestawu badasz historyczną pułapkę, w którą wpadło wielu projektantów systemów łączności: próbę zastąpienia prawdziwego OTP generatorem pseudolosowym. Prawdziwy OTP wymaga klucza idealnie losowego o długości równej wiadomości, co stwarza gigantyczne problemy logistyczne. Inżynierowie próbowali przesyłać jedynie krótkie ziarno (seed), z którego algorytm LCG generował pseudolosowy ciąg kluczowy. Liniowy generator kongruentny (LCG) opisany jest wzorem rekurencyjnym: X_{n+1} = (a * X_n + c) mod m. Uruchamiasz przeglądarkę internetową, otwierasz konsolę JSLinux Alpine oraz serwis CyberChef.

Co ma wykonać student / grupa

Przykładowe kroki do wykonania jako sugestia

1. Uruchom środowisko JSLinux Alpine z interpreterem python3.
2. Przeanalizuj wzór matematyczny liniowego generatora kongruentnego LCG.
3. Stwórz w JSLinux plik lcg_cipher.py realizujący szyfrowanie XOR ze strumieniem LCG.
4. Skonfiguruj parametry: m=256, a=137, c=187, seed=42 i zaszyfruj tekst 200-znakowy.
5. Zapisz szyfrogram w pliku lcg_stream.bin.
6. Zdefiniuj założenie ataku: pierwsze 4 bajty tekstu jawnego są znane (np. 'POST').
7. Stwórz w JSLinux plik lcg_cracker.py w edytorze nano.
8. Wylicz pierwsze 4 stany generatora: X = [c ^ m for c, m in zip(C[:4], M_known)].
9. Sformułuj równanie dla mnożnika a: (X2 - X1) = a * (X1 - X0) mod 256.
10. Zaimplementuj rozwiązanie kongruencji i wyznacz parametr a.
11. Wylicz przyrost c = (X1 - a * X0) % 256.
12. Uruchom generator LCG ze stanu X[3] i wygeneruj brakujące 196 bajtów klucza.
13. Odszyfruj pozostałą część szyfrogramu: M_rest = C[4:] XOR Key_rest.
14. Wyświetl w terminalu odzyskane parametry a, c oraz pełny tekst jawny.
15. Wykonaj zrzuty ekranu kodu źródłowego oraz demonstracji ataku w konsoli.
16. Sformułuj raport laboratoryjny wyjaśniający kryteria bezpieczeństwa generatorów CSPRNG.

Sugerowane wnioski i podsumowanie - co student ma osiągnąć

Sprawozdanie z realizacji zadania musi zawierać następujące kluczowe wnioski i osiągnięcia:

• Dlaczego deterministyczny generator pseudolosowy LCG nie spełnia warunków twierdzenia Shannona o OTP.
• W jaki sposób znajomość zaledwie 4 bajtów tekstu jawnego pozwala odtworzyć pełny stan wewnętrzny LCG.
• Czym różni się statystyczna losowość (np. testy NIST) od kryptograficznej nieprzewidywalności (CSPRNG).
• Student potrafi przeprowadzić skuteczny Known-Plaintext Attack na generator LCG w języku Python.