paper_and_pencil.tex

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% $Id: paper_and_pencil.tex 1205 2005-07-04 13:58:13Z koy $
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%             V E R S C H L U E S S E L U N G S V E R F A H R E N
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% First Editor: Christine St鰐zel, April 2004
% Update and corrections: B. Esslinger, June 2005
% corrected by C. Esslinger, June 2005 
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\section{Papier- und Bleistift-Verschl"usselungsverfahren}

\hypertarget{Kapitel_PaperandPencil}{}
\label{Kapitel_PaperandPencil}
(Christine St"otzel, April 2004)

Das folgende Kapitel bietet einen recht vollst"andigen "Uberblick "uber Papier- 
und Bleistiftverfahren\footnotemark
    \footnotetext{Jeweils mit Verweisen zu vertiefenden Informationen.}
    \index{Papier- und Bleistiftverfahren}.
Unter diesem Begriff lassen sich alle Verfahren zusammenfassen, die Menschen von
Hand anwenden k"onnen, um Nachrichten zu ver- und entschl"usseln.
Besonders popul"ar waren diese Verfahren f"ur Geheimdienste (und 
sind es immer noch), da ein Schreibblock und ein Stift - im 
Gegensatz zu elektronischen Hilfsmitteln - vollkommen unverd"achtig sind.

Die ersten Papier- und Bleistiftverfahren entstanden bereits vor rund 
3000 Jahren, aber auch w"ahrend des vergangenen Jahrhunderts kamen 
noch zahlreiche neue Methoden hinzu. Bei allen Papier- und 
Bleistiftverfahren handelt es sich um symmetrische
Verfahren\index{Verschl""usselung!symmetrisch}. Selbst in den 
"altesten Verschl"usselungsmethoden steckten schon die
grunds"atzlichen Konstruktionsprinzipien wie Transposition, 
Substitution, Blockbildung und deren Kombination. Daher
lohnt es sich vor allem aus didaktischen Gesichtspunkten, 
diese "`alten"' Verfahren genauer zu betrachten.

Erfolgreiche bzw. verbreiteter eingesetzte Verfahren mussten die gleichen 
Merkmale erf"ullen wie moderne Verfahren:
\begin{itemize}
\item Vollst"andige Beschreibung, klare Regeln, ja fast Standardisierung 
      (incl. der Sonderf"alle, dem Padding, etc.).
\item Gute Balance zwischen Sicherheit und Benutzbarkeit 
      (denn zu kompliziert zu bedienende Verfahren waren fehlertr"achtig
      oder unangemessen langsam).
\end{itemize}


\vskip +30 pt
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\subsection{Transposition}

Bei der Verschl"usselung durch Transposition\index{Transposition} 
bleiben die urspr"unglichen Zeichen der Nachricht erhalten,
nur ihre Anordnung wird ge"andert (Transposition = 
Vertauschung)\footnote{Ein anderer Begriff f"ur eine Transposition
ist Permutation\index{Permutation}.}.

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\subsubsection{Einf"uhrungs-Beispiele unterschiedlicher Transpositionsverfahren}

\begin{itemize}

\item {\bf Gartenzaun}\footnote{In CrypTool
   kann man dieses Verfahren "uber den Men"ueintrag {\bf Ver-/Entschl"usseln
   \textbackslash{} Symmetrisch (klassisch) \textbackslash{} Permutation} 
   abbilden: f"ur einen Gartenzaun mit 2 Zeilen gibt man als Schl"ussel "`B,A"'
   ein und l"asst ansonsten die Standardeinstellungen (nur 1 Permutation, in 
   der man zeilenweise ein- und spaltenweise ausliest). 
   Mit dem Schl"ussel "`A,B"' w"rde man man das Zick-zack-Muster unten so 
   beginnen, dass der 1. Buchstabe in der ersten statt in der 2. Zeile steht.}
   \cite{Singh2001}%
   : 
   Die Buchstaben des Klartextes werden abwechselnd in zwei (oder mehr) 
   Zeilen geschrieben, so dass ein Zickzack-Muster entsteht. 
   Dann werden die Zeichen zeilenweise nacheinander gelesen.\\
   Dieses Verfahren ist eher eine Kinderverschl"usselung.
	
   Klartext\footnote{Da als Alphabet nur die 26 Buchstaben verwendet werden, 
   schreiben wir den Klartext in Kleinbuchstaben und den Geheimtext in 
   Gro"sbuchstaben.}: ein beispiel zur transposition\\
\begin{table}[h]
\begin{center}
\begin{tabular}{r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}
                r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}
                r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}r@{\:}}
	  & i &   & b &   & i &   & p &   & e &   & z &   & r &   & 
            r &   & n &   & p &   & s &   & t &   & o &   \\
	e &   & n &   & e &   & s &   & i &   & l &   & u &   & t &
          & a &   & s &   & o &   & i &   & i &   & n 
\end{tabular}
\caption{Gartenzaun-Verschl"usselung}
\end{center}
\end{table}

   Geheimtext\footnote{Die Buchstaben des Klartextes sind hier -- wie 
   historisch "ublich -- in 5-er Bl"ocken gruppiert. Man k"onnte o.E.d.A.
   auch eine andere (konstante) Blockl"ange oder gar keine Trennung durch 
   Leerzeichen w"ahlen.}%
   : IBIPE ZRRNP STOEN ESILU TASOI IN\\


\item {\bf Skytale von Sparta}\footnote{%
   Das Ergebnis dieses Verschl"usselungsverfahrens entspricht dem einer 
   einfachen Spaltentransposition.  
   In CrypTool kann man dieses Verfahren "uber den Men"ueintrag {\bf 
   Ver-/Entschl"usseln \textbackslash{} Symmetrisch (klassisch) 
   \textbackslash{} Permutation} abbilden: bei der Skytale wird in der 
   Dialogbox nur die erste Permutation benutzt und man gibt bei z.B. 4 
   Kanten als Schl"ussel  "`1,2,3,4"'  ein. Dies w"are so, als w"urde man
   den Text in 4-er Bl"ocken waagrecht in eine Tabelle schreiben und 
   senkrecht auslesen. 
   Weil der Schl"ussel aufsteigend geordnet ist, bezeichnet man die Skytale
   auch als identische Permutation; weil das Schreiben und Auslesen nur 
   einmal durchgef"uhrt wird, als einfache (keine doppelte) Permutation.}
   \cite{Singh2001}%
   : 
   Dieses Verfahren wurde wahrscheinlich das erste Mal vor mehr als 600 v.Chr.
   benutzt und es wurde von dem griechischen Schriftsteller und Philosophen
   Plutarch (50-120 v.Chr.) zuerst beschrieben.\\
   Um einen Holzstab wird ein Streifen Papier o."a. gewickelt, worauf 
   zeilenweise der Klartext geschrieben wird. 
   Wickelt man den Streifen ab, h"alt man den Geheimtext in den H"anden.

\item {\bf Schablone} \cite{Goebel2003}: Sender und Empf"anger benutzen
   die gleiche Schablone. In deren L"ocher werden zeilenweise die
   Klartextzeichen geschrieben, die dann spaltenweise ausgelesen werden. 
   Bleibt Klartext "ubrig, wird der Vorgang wiederholt, unter Umst"anden 
   mit einer anderen Ausrichtung der Schablone\footnote{%
   Dieses Verfahren kann man nicht durch eine einfache Spaltentransposition
   darstellen.}.

\item {\bf Flei"sner-Schablone} \cite{Savard1999}: Die Flei"sner-Schablone
   wurde im Ersten Weltkrieg von deutschen Soldaten benutzt\footnote{%
   Erfunden wurde die Flei"sner-Schablone bereits 1881 von Eduard Flei"sner
   von Wostrowitz.\\
   Eine gute Visualisierung findet sich unter www.turning-grille.com.}%
   .
   Ein quadratisches Gitter dient als Schablone, wobei ein Viertel der 
   Felder L"ocher hat. Der erste Teil des Klartextes wird zeichenweise 
   durch die L"ocher auf ein Blatt Papier geschrieben, dann wird die
   Schablone um 90 Grad gedreht, und der zweite Teil des Textes wird
   auf das Papier geschrieben, usw. Die Kunst besteht in der richtigen 
   Wahl der L"ocher: Kein Feld auf dem Papier darf frei bleiben, es 
   darf aber auch keines doppelt beschriftet werden. Der Geheimtext 
   wird zeilenweise ausgelesen.

   In die Beispiel-Flei"sner-Schablone in der folgenden Tabelle k"onnen
   4 Mal je 16 Zeichen des Klartextes auf ein Blatt geschrieben werden:
\begin{table}[h]
\begin{center}
\begin{tabular}{|cccc|cccc|}
\hline 	
	O & - & - & - & - & O & - & - \\
	- & - & - & O & O & - & - & O \\
	- & - & - & O & - & - & O & - \\
	- & - & O & - & - & - & - & - \\
\hline 	
	- & - & - & - & O & - & - & - \\
	O & - & O & - & - & - & O & - \\
	- & O & - & - & - & - & - & O \\
	- & - & - & O & O & - & - & - \\
\hline
\end{tabular}  
\caption{Eine 8x8-Flei"sner-Schablone}
\end{center} 
\end{table}

\end{itemize}


%------------------------------------------------------------------------------
\subsubsection[Spalten- und Zeilentranspositionsverfahren]
    {Spalten- und Zeilentranspositionsverfahren\footnotemark}
    \footnotetext{%
Die meisten der folgenden Verfahren k"onnen in CrypTool\index{CrypTool}
mit dem Men"upunkt {\bf Ver-/Entschl"usseln \textbackslash{} 
Symmetrisch (klassisch) \textbackslash{} Permutation} abgebildet werden.}

\begin{itemize}

\item {\bf Einfache Spaltentransposition} \cite{Savard1999}: Zun"achst wird ein 
   Schl"usselwort bestimmt, das "uber die Spalten eines Gitters geschrieben wird.
   Dann schreibt man den zu verschl"usselnden Text zeilenweise in dieses Gitter.
   Die Spalten werden entsprechend des Auftretens der Buchstaben des 
   Schl"usselwortes im Alphabet durchnummeriert. In dieser Reihenfolge werden 
   nun auch die Spalten ausgelesen und so der Geheimtext gebildet\footnote{%
   Darstellung mit CrypTool: Eingabe eines Schl"ussels f"ur die 1. Permutation,
   zeilenweise einlesen, spaltenweise permutieren und auslesen.}.
	
   Klartext: ein beispiel zur transposition\\
\begin{table}[h]
\begin{center}
\begin{tabular}{|c|c|c|}
\hline
	K & E & Y \\
\hline
	e & i & n \\
	b & e & i \\
	s & p & i \\
	e & l & z \\
	u & r & t \\
	r & a & n \\
	s & p & o \\
	s & i & t \\
	i & o & n \\
\hline
\end{tabular}
\caption{Einfache Spaltentransposition}
\end{center}
\end{table}

   Transpositionsschl"ussel: K=2; E=1; Y=3. \\
   Geheimtext: IEPLR APIOE BSEUR SSINI IZTNO TN \\

\item {\bf AMSCO} \cite{ACA2002}: Die Klartextzeichen werden abwechselnd in 
   Einer- und Zweiergruppen in ein Gitter geschrieben.
   Dann erfolgt eine Vertauschung der Spalten, anschlie"send das Auslesen.

\item {\bf Doppelte Spaltentransposition} \cite{Savard1999}: Die doppelte 
   Spaltentransposition wurde h"aufig im Zweiten Weltkrieg und zu Zeiten des 
   Kalten Krieges angewendet. Dabei werden zwei Spaltentranspositionen 
   nacheinander durchgef"uhrt, f"ur die zweite Transposition wird ein neuer
   Schl"ussel benutzt\footnote{%
   Darstellung mit CrypTool: Eingabe eines Schl"ussels f"ur die 1. Permutation,
   zeilenweise einlesen, spaltenweise permutieren und auslesen.
   Eingabe eines (neuen) Schl"ussels f"ur die 2. Permutation, Ergebnis der
   1. Permutation zeilenweise einlesen, spaltenweise permutieren und auslesen.}
   .

\item {\bf Spaltentransposition, General Luigi Sacco} \cite{Savard1999}: Die 
   Spalten eines Gitters werden den Buchstaben des Schl"usselwortes entsprechend
   nummeriert. Der Klartext wird dann zeilenweise eingetragen, in der ersten
   Zeile bis zur Spalte mit der Nummer 1, in der zweiten Zeile bis zur Spalte
   mit der Nummer 2 usw. Das Auslesen erfolgt wiederum spaltenweise.

   Klartext: ein beispiel zur transposition\\
\begin{table}[h]
\begin{center}
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|}
\hline
	G & E & N & E & R & A & L\\
	4 & 2 & 6 & 3 & 7 & 1 & 5\\
\hline
	e & i & n & b & e & i &  \\
	s & p &   &   &   &   &  \\
	i & e & l & z &   &   &  \\
	u &   &   &   &   &   &  \\
	r & t & r & a & n & s & p\\
	o & s & i &   &   &   &  \\
	t & i & o & n &   &   &  \\
\hline
\end{tabular}
\caption{Spaltentransposition nach General Luigi Sacco}
\end{center}
\end{table}

   Geheimtext: ESIUR OTIPE TSINL RIOBZ ANENI SP\\


\item {\bf Spaltentransposition, Franz"osische Armee im Ersten Weltkrieg}
   \cite{Savard1999}: 
   Nach der Durch\-f"uhrung einer Spaltentransposition werden diagonale Reihen
   ausgelesen.


\item {\bf Zeilentransposition} \cite{Savard1999}: Der Klartext wird in gleich 
   lange Bl"ocke zerlegt, was auch mit Hilfe eines Gitters erfolgen kann. Dann
   wird die Reihenfolge der Buchstaben bzw. der Spalten vertauscht. Da das 
   Auslesen zeilenweise erfolgt, wird nur jeweils innerhalb der Bl"ocke 
   permutiert\footnote{%
   Darstellung mit CrypTool: Eingabe eines Schl"ussels f"ur die 1. Permutation, 
   zeilenweise einlesen, spaltenweise permutieren und zeilenweise auslesen.}.

\end{itemize}
% Ende \subsubsection{Spalten- und Zeilentranspositionsverfahren}



%------------------------------------------------------------------------------
\subsubsection{Weitere Transpositionsverfahren}

\begin{itemize}

\item {\bf Geometrische Figuren} \cite{Goebel2003}: Einem bestimmten Muster
   folgend wird der Klartext in ein Gitter geschrieben (Schnecke, R"osselsprung
   o."a.), einem zweiten Muster folgend wird der Geheimtext ausgelesen.

\item {\bf Union Route Cipher} \cite{Goebel2003}: Die Union Route Cipher hat 
   ihren Ursprung im Amerikanischen B"urgerkrieg. Nicht die Buchstaben einer
   Nachricht werden umsortiert, sondern die W"orter. F"ur besonders pr"agnante 
   Namen und Bezeichnungen gibt es Codew"orter, die zusammen mit den Routen
   in einem Codebuch festgehalten werden. Eine Route bestimmt die Gr"o"se des
   Gitters, in das der Klartext eingetragen wird und das Muster, nach dem der
   Geheimtext ausgelesen wird. Zus"atzlich gibt es eine Anzahl von F"ullw"ortern.

\item {\bf Nihilist-Transposition} \cite{ACA2002}: Der Klartext wird in eine
   quadratische Matrix eingetragen, an deren Seiten jeweils der gleiche 
   Schl"ussel steht. Anhand dieses Schl"ussels werden sowohl die Zeilen als 
   auch die Spalten alphabetisch geordnet und der Inhalt der Matrix
   dementsprechend umsortiert. Der Geheimtext wird zeilenweise ausgelesen.

   Klartext: ein beispiel zur transposition\\
\begin{table}[h]
\begin{center}
\begin{tabular}{|c|ccccc||cc|ccccc|}
\hline
	  & K & A & T & Z & E &   &   & A & E & K & T & Z\\
\hline
	K & e & i & n & b & e &   & A & s & e & i & p & i\\
	A & i & s & p & i & e &   & E & s & i & o & i & t\\
	T & l & z & u & r & t &   & K & i & e & e & n & b\\
	Z & r & a & n & s & p &   & T & z & t & l & u & r\\
	E & o & s & i & t & i &   & Z & a & p & r & n & s\\
\hline
\end{tabular}
\caption[Nihilist-Transposition]{Nihilist-Transposition\footnotemark}
\end{center}
\end{table}

   Geheimtext: SEIPI SIOIT IEENB ZTLUR APRNS\\
   \footnotetext{%
   Der linke Block ist das Resultat nach dem Einlesen. Der rechte Block ist 
   das Resultat nach dem Vertauschen von Zeilen und Spalten.}


\item {\bf Cadenus} \cite{ACA2002}: Hierbei handelt es sich um eine 
   Spalten"-transposition, die zwei Schl"us"-sel"-worte benutzt.\\
   Das erste Schl"usselwort wird benutzt, um die Spalten zu vertauschen.\\
   Das zweite Schl"usselwort wird benutzt, um das Startzeichen jeder Spalte
   festzulegen: dieses zweite Schl"usselwort ist eine beliebige Permutation
   des benutzten Alphabets. Diese schreibt man links vor die erste Spalte.
   Jede Spalte wird dann vertikal so verschoben (wrap-around), dass sie mit dem
   Buchstaben beginnt, der in derjenigen Zeile, wo der Schl"usselbuchstabe des
   ersten Schl"usselwortes in dem zweiten Schl"usselwort zu finden ist.\\
   Der Geheimtext wird zeilenweise ausgelesen.