カオサイファー

カオサイファー^[1]は、ジョン・フランシス・バーンが1918年に発明し、1953年の自伝『沈黙の年月』で解説した暗号方式である。^{[2]バーンはカオサイファーは単純だが解読不可能であると信じていた。バーンは、メッセージを暗号化するために使用した機械は}葉巻の箱に収まるほどであると述べた。彼は、解読できる者に賞金を出すと申し出た。

バーンは、米国通信部隊と海軍に彼のシステムに興味を持ってもらおうとしましたが、失敗しました。長年にわたり、古典的な暗号解読法を学ぶ多くの学生がチャレンジ メッセージの解読を試みましたが、成功した人はいませんでした。90 年間、カオサイファー アルゴリズムは、ほんの一握りの人しか知らない厳重に守られた秘密でした。

2010年5月、バーンの義理の娘であるパトリシア・バーンは、カオサイファーに関連するすべての論文と遺物^{[3]を米国メリーランド州フォートミードにある}国立暗号博物館に寄贈しました。これにより、カオサイファーアルゴリズムが公開されました^{[4] 。}

バーンのカオサイファーの具体化では、システムは左ディスクと右ディスクと呼ばれる 2 つのディスクで構成され、それぞれの周囲には 26 個の同じサイズの取り外し可能なタブがあります。これらの取り外し可能なタブには、アルファベットの 26 文字 (つまり、A から Z) が事前に決められた順序で含まれています。各ディスクの周囲には、2 つのディスクを「かみ合わせる」または連結するためのスタッドがあります。かみ合わせると、1 つのディスクを一方向 (たとえば、時計回り) に回すと、もう 1 つのホイールが反対方向 (たとえば、反時計回り) に回転します。タブは取り外し可能なので、タブを周囲から取り外し、別のタブ ブロックを移動し、取り外されたタブを周囲の空きスペースに挿入できます。

ディスクはいつでも互いに噛み合うようにでき、片方のディスクを動かすともう片方のディスクが反対方向に動きます。同様に、噛み合ったディスクは噛み合わずに、もう片方のディスクを動かさずに回転させることができます。噛み合わせと噛み合わせ解除は、レバーを 2 つの位置のいずれかに配置することで実行できると考えられます。

上記の 2 つのディスクは、2 つのスピンドルで構成されるプラットフォーム上に配置されています。

各ディスクの周囲のプラットフォームには、「天頂」と「天底」と呼ばれる 2 つのマークがあります。天頂はアナログ時計の 12 時、天底は 6 時の位置に相当します。

古典的な形態では、Chaocipher システムは 2 つのアルファベットで構成され、右側のアルファベットは平文の文字を見つけるために使用され、もう一方の (「左側」の) アルファベットは対応する暗号文の文字を読み取るために使用されます。基礎となるアルゴリズムは、動的置換の概念^[5]に関連しており、入力された平文の文字が暗号化されるたびに 2 つのアルファベットがわずかに変更されます。これにより、暗号化が進むにつれて、非線形で高度に拡散したアルファベットが生まれます。

解読は暗号化と同じで、暗号文の文字は「左」のアルファベットに配置され、対応する平文の文字は「右」のアルファベットから読み取られます。

Chaocipherアルゴリズムの詳細な説明は^{[4]で公開されており、解読された平文[6]}やByrneの挑戦に対する解決策についても議論されている^{[7] 。}

左と右のディスクが与えられた場合、平文文字の暗号化は次の 5 つのステップで構成されます。

1. 左右のディスクが噛み合っていることを確認します。
2. プレーン（右）ディスクを回転させて、目的のプレーンテキスト文字を天頂位置にします。
3. 暗号ディスク（左）の天頂位置にある対応する暗号文の文字を読み取ります。
4. 左のディスクを並べ替えます。
5. 右のディスクを並べ替えます。

これらの 5 つのステップは、平文入力がなくなるまで継続的に実行されます。このプロセスを説明するために、図 1 に示すように、Byrne が使用したのと同じアルファベットとディスク設定を使用して、Byrne の証拠 1 の最初の平文文字を暗号化します。

文字「A」を暗号化するとします。平文（右）ディスクの周囲に「A」があることを確認します。図 2 で、平文の文字が強調表示されます。

ディスクが噛み合っている間に、右側のディスクを回転させて、平文の文字「A」を天頂に持ってきます (図 3)。左側 (暗号) のディスクがそれぞれ反対方向に回転することに注意してください。

暗号ディスク（左）の天頂位置にある文字は、暗号文の文字（つまり「C」）です。

この時点で、平文の文字を暗号文に暗号化する作業が完了しました。つまり、「A」(pt) は「C」(ct) に暗号化されました。

次の平文文字を暗号化する準備として、Chaocipher 独自の 2 つのディスクの並べ替えを実行する手順については、次のセクションを参照してください。

平文の文字とそれに対応する暗号文の文字がわかったので、次の平文の文字を暗号化する準備として、両方のディスク上のアルファベットを並べ替えます。

左ホイールのアルファベットを並べ替えるには、次の一般的な手順を実行します (図 4)。

1. 天頂-1 の位置 (つまり、天頂から反時計回りに 1 つ進んだ位置) にある文字タブを物理的に抽出し、ディスクのアルファベットから取り出して、一時的に空の「穴」を残します。
2. 天頂 2 の位置にあるすべての文字タブを (反時計回りに) 下方にシフトし、天底 (天頂 13) まで含めて、時計回りに 1 つずつ移動します。これにより、現在の「穴」が閉じられ、天底の位置に新しい「穴」が残ります。
3. 前に抽出した文字タブを空いている最下点の位置に挿入します。

並べ替え手順を実行する前に、左側のディスクは図 4a の図のようになるはずです。

手順（1）を実行して、天頂1の位置にある文字（つまり「P」）を抽出し、その位置に一時的な「穴」を残します（図4b）。

ステップ（2）では、天頂2（「E」）から天底（「O」）まで、反時計回りにすべての文字をシフトし、シーケンス（「EDQRSTIXYLMO」）を完全なブロックとして時計回りに1つずつ移動します（図4c）。

最後のステップ (3) では、抽出した文字 (「P」) をアルファベットの最下点の位置に挿入します。これで左側が並べ替えられ、図 4d のようになります。

右のディスクの並べ替えは左のディスクの並べ替えと似ていますが、小さいながらも重要な違いがあります。一般的な手順は次のとおりです (図 5)。

1. 2 つのディスクを外し、右側のディスクを反時計回りに 1 つ回転させ (つまり、天頂にある現在の文字が天頂 1 の位置に回転する)、2 つのディスクを再度噛み合わせます。
2. 天頂 + 2 (つまり、天頂から時計回りに 2 つ進んだ位置) にある文字タブを物理的に抽出し、ディスクのアルファベットから取り出して、一時的に埋められていない「穴」を残します。
3. 天頂 + 3 の位置にあるすべての文字タブを、天底 (天頂 + 13) まで、一斉に反時計回りに 1 つずつスライドさせてシフトします。これにより、現在の「穴」が閉じられ、天底の位置に新しい「穴」が残ります。
4. 前に抽出した文字タブを空いている最下点の位置に挿入します。

例を使用して、右側のディスクで上記の手順を実行してみましょう。右側のディスクは、図 5a の図のようになります。この構成では、天頂の文字は「A」です。

ステップ（1）では、まず2つのディスクを外します。これにより、左のディスクを動かさずに右のディスクを回転させることができます（次の手順を参照）。次に、ディスクを反時計回りに1つ回転させて、文字「Y」を天頂位置に移動します（図5b）。最後に、2つのディスクを再度噛み合わせます。

ステップ（2）では、ディスクから天頂+2の位置（「N」）にある文字タブを抽出し、一時的に「穴」を残します（図5c）。

ステップ（3）では、11個の文字タブを天頂+3から天頂+13（つまり「BQDSEFGHLWI」）まで反時計回りに1つずつスライドします。これにより、天頂-2の「穴」が閉じられ、天底に新しい「穴」が開きます（図5d）。

最後のステップ（4）では、前に取り出した文字タブ（「N」）をディスクの最下点の位置に挿入します。これで右側のディスクの並べ替えが完了し、図5eのようになります。

ディスクを再度噛み合わせると、システムは次の平文文字を暗号化する準備が整います (図 6)。

Chaocipher で暗号化されたメッセージの解読は、暗号化に使用される手順と同じです。唯一の違いは、解読者が左側 (暗号) ディスクで既知の暗号文の文字を見つけ、右側 (平文) ディスクから平文の文字を読み取ることです。暗号化と解読では、左側/右側のディスクの並べ替えは同じです。

1952年から1956年までアメリカ暗号協会のニュースレター「The Cryptogram」の編集者を務めたヘンリー・E・ランゲン^[8]は次のように述べている。「彼は、この機械は2つの回転するディスクを持ち、アルファベットが周囲に完全に無秩序に配列されたタイプライターのような構造になっていると説明しました。[...] たった2つのディスクしか使用していないのに、平文のメッセージがこのように完全に無秩序になる理由が私には少しわかりません。」^[9]

ジョン・F・バーンは自伝的著書『沈黙の年月』でカオサイファーのチャレンジメッセージを紹介したが、そのシステムの仕組みについては一度も説明していない。チャレンジメッセージに挑戦する者は、システムに関する知識がないまま挑戦しなければならなかった。

2010年までに、少なくとも3人がその仕組みを知っていました。バーンの息子ジョンと、 1990年にジョンが基礎となる方法を教えたCryptologiaの編集者2人（ルー・クルーとサイファー・デヴァース）です。^[10]

2009年8月、モシェ・ルービンはバーンの義理の娘パトリシア・バーン（旧姓ニューウェイ）を発見した。彼女は2010年5月に義父のカオ暗号の遺物と書類を国立暗号博物館に寄贈した。^[11]

• ジョン・F・バーンのカオ暗号の解明：歴史的・技術的評価、モシェ・ルービン著、Cryptologia、第35巻、第4号、2011年10月
• Esa Peuha 著「Chaocipher Exhibits 2 & 3 の解読」(PDF)。2014 年 4 月 23 日閲覧。
• Chaocipher 展示 5: Cryptologia の 1990 年のチャレンジの歴史、分析、および解決、Jeff Calof、Jeff Hill、Moshe Rubin 著、Cryptologia、第 38 巻、第 1 号、2014 年 1 月、1 ～ 25 ページ

• Chaocipher Clearing House - Chaocipher の作業のための基本的なリソースと分析
• 暗号フォーラム - Chaocipher の議論と分析
• Chaocipher の解読 - Chaocipher の仕組みの図解と解読の説明 展示 1
• 興味深い暗号とそれを解くためのコンピューター手法 - Chaocipher のレビュー。
• 有名な未解決のコードと暗号 - チャオ暗号を含む未解決のコードと暗号に特化した Elonka Dunin のサイト。2014 年 4 月 23 日閲覧