Lektion
Die Theorie — Substitutionschiffren: 26! Schlüssel, geknackt durch Buchstabenzählen
Eine Substitutionschiffre ersetzt jeden Buchstaben der Nachricht durch einen anderen, und zwar jedes Mal durch denselben. Der Schlüssel ist eine Permutation des Alphabets; folglich gibt es 26! ≈ 4,03 × 10²⁶ mögliche Schlüssel. Die Cäsar-Chiffre ist der Spezialfall, bei dem alle Buchstaben um dieselbe Anzahl an Stellen im Alphabet verschoben werden, was 25 Schlüssel übrig lässt. Eine Häufigkeitsanalyse greift beide Verfahren an, indem sie zählt, wie oft jeder Geheimtextbuchstabe vorkommt, und dies mit den typischen Häufigkeiten von Buchstaben in gewöhnlichen Texten vergleicht.
Was die einzelnen Symbole bedeuten
χ²- Chi-Quadrat: die Summe von (O − E)² / E über alle 26 Buchstaben. Je kleiner der Wert, desto eher gleicht die Entschlüsselung dem Englischen
O- wie oft ein Buchstabe in der geprüften Entschlüsselung vorkommt
E- wie oft er in einem gleich langen Text mit den Buchstabenanteilen aus The Dancing Men vorkommen müsste
- Setzt voraus
- Verschlüsselt werden ausschließlich die 26 Buchstaben. Leerzeichen und Satzzeichen bleiben unverändert erhalten und verraten so die Wortlängen – genau wie die tanzenden Männchen mit ihren Fahnen. „Englisch“ steht für die Buchstabenhäufigkeiten aus einer Holmes-Geschichte mit 39.859 Buchstaben. Die Nachrichten der Seite stammen aus einer anderen Geschichte, sodass kein Text mit sich selbst verglichen wird. Die Testläufe ziehen zufällige Abschnitte aus The Solitary Cyclist und reproduzierbare Schlüssel, sodass stets dieselben Zahlenwerte erscheinen.
Aufgabe vollständig gelöst
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Wo das Zählen aufhört und das Lesen beginnt 4 Schritte
Klick auf Subst., 600 Buchstaben. Wie lange bräuchte ein Computer, der eine Milliarde Schlüssel pro Sekunde testet, um alle durchzuprobieren? Knacke dann die Nachricht: Was verraten dir die reinen Häufigkeiten und was die häufigsten Wörter?
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Es gibt 26! = 403.291.461.126.605.635.584.000.000 Schlüssel, rund 4,03 × 10²⁶. Bei 10⁹ Schlüsseln pro Sekunde entspricht das 4,03 × 10¹⁷ Sekunden. Ein Jahr hat 3,16 × 10⁷ Sekunden; das ergibt 1,28 × 10¹⁰ Jahre: 12,8 Milliarden Jahre.
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Der häufigste Geheimtextbuchstabe ist I mit 80 von 600 Vorkommen (13,3 %). In The Dancing Men liegt das e bei 12,44 %; I steht also für e. Die nächsten drei, O, N und X, kommen 49-, 47- und 45-mal vor. Diese Werte liegen viel zu nah beieinander, um sie verlässlich zu ordnen. Eine reine Rangfolge ordnet ihnen t, a und o zu – alle drei falsch. Die Ergebnistabelle zeigt das Resultat: Eine Zuordnung rein nach Rang trifft nur 3 der 23 Buchstaben, magere 14,2 % des Textes.
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Nun zu den Wörtern. Die dreibuchstabigen Wörter OBJ und XDI kommen je fünfmal vor. XDI endet auf I, also e: Das legt the nahe, womit X für t steht und D für h. OBJ ist dann höchstwahrscheinlich and: O ist a, B ist n, J ist d. Das häufigste zweibuchstabige Wort, PK, taucht achtmal auf und passt zu of. XP kommt fünfmal vor und liest sich damit als to, was die bisherigen Treffer bestätigt.
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Trage diese acht Buchstaben in die Felder ein. e, t, h, a, n, d, o und f decken 321 der 600 Buchstaben ab, also 53,5 %. Die erste Zeile lautet nun f·o· the ·ea·· 1894 to 1901. Mehr lässt sich aus den Häufigkeiten nicht herausholen. Vor einer Jahreszahl ist f·o· so gut wie sicher from. Das liefert r und m – ab hier liest man einfach den Text.
Antwort
12,8 Milliarden Jahre, um jeden Schlüssel zu testen. Das reine Zählen liefert genau einen Buchstaben, das e; drei häufige Wörter steuern sieben weitere bei. Und diese acht Buchstaben entschlüsseln bereits 53,5 % der Nachricht.
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Lernpfad
Wie Chiffren gebrochen werden
Quellen (1)
- Both passages the page counts, and Holmes's words quoted in the second and third insights: Arthur Conan Doyle, "The Adventure of the Dancing Men" and "The Adventure of the Solitary Cyclist," in The Return of Sherlock Holmes. Project Gutenberg eBook #108.