En criptografía, el cifrado por sustitución es un método de cifrado por el que unidades de texto plano son sustituidas con texto cifrado siguiendo un sistema regular; las "unidades" pueden ser una sola letra (el caso más común), pares de letras, tríos de letras, mezclas de lo anterior, entre otros. El receptor descifra el texto realizando la sustitución inversa.
Los cifrados por sustitución son comparables a los cifrados por transposición. En un cifrado por transposición, las unidades del texto plano son cambiadas usando una ordenación diferente y normalmente bastante compleja, pero las unidades en sí mismas no son modificadas. Por el contrario, en un cifrado por sustitución, las unidades del texto plano mantienen el mismo orden, lo que hace es sustituir las propias unidades del texto plano.
Existen diversos tipos de cifrados por sustitución. Si el cifrado opera sobre letras simples, se denomina cifrado por sustitución simple; si opera sobre grupos de letras se denomina, poligráfico. Se dice que un cifrado es monoalfabético si usa una sustitución fija para todo el mensaje, mientras que se dice que es polialfabético si usa diferentes sustituciones en diferentes momentos del mensaje. Un tipo especial de cifrado polialfabético son los homófonos, en los que una unidad del texto plano es sustituida por una de entre varias posibilidades existentes.
En los cifrados de sustitución simple un carácter en el texto original es reemplazado por un carácter determinado del alfabeto de sustitución. Es decir, se establecen parejas de caracteres donde el segundo elemento de la pareja establece el carácter que sustituye al primer elemento de la pareja.
A veces el sistema usa el mismo alfabeto para el texto en claro y para el texto cifrado. Esto permite aprovechar el orden definido por los alfabetos para así facilitar la descripción de los algoritmos, dándose así los llamados cifrados de alfabeto invertido y de alfabeto desplazado. Otras veces el orden no se utiliza y se dice que es un alfabeto mezclado o un alfabeto sin rango.
Se dice que un sistema de cifrado de sustitución simple es monoalfabético cuando cada carácter se sustituye siempre por un determinado carácter del alfabeto del texto cifrado. En este tipo de cifrados al alfabeto usado para el texto cifrado se le llama alfabeto de sustitución.
Si cada símbolo del texto en claro es sustituido por un símbolo distintos del texto cifrado y sea n el número de símbolos el número de símbolos del texto en claro, vemos que el posible número de sustituciones que se pueden definir es el número posible de permutaciones, es decir, n!.
Algunos ejemplos de este tipo de cifrado son:
El cifrado homofónico está diseñado especialmente para contrarrestar la principal herramienta de descifrado de las sustituciones monoalfabéticas, el análisis de frecuencias. Si el análisis de frecuencias se basa en que no todas las letras aparecen en igual proporción, la sustitución homofónica permite que las letras más comunes del alfabeto tengan varias posibilidades por las que puedan ser representadas. El método más sencillo de hacerlo es sustituir cada letra por una pareja de números (que irían desde 01, uno, hasta 00, cien) y asignar en función del porcentaje de aparición de las letras tantos números como tanto por ciento de aparición de la letra. En castellano, las letras A y E, las más habituales, apareceren en más del 10% de un texto normal.
Como ejemplos de cifrado homofónico se pueden citar el alfabeto que, para deeletrear, emplearon los hablantes de código navajo durante la Segunda Guerra Mundial que tenía tres formas distintas de decir las seis letras más frecuentes del idioma inglés, dos formas de decir las seis siguientes y una para las demás y el Método de cinta móvil que fue el Oficial del Ministerio de la Guerra español desde la década de 1890 hasta la Guerra Civil.
Sin embargo, esto no quiere decir que sea invulnerable, las letras tienen ciertas características que, aun con mayor dificultad, revelarían la correspondencia. A diferencia de los cifrados polialfabéticos, cada uno de los números del ejemplo anterior se correspondería con una única letra, no variando el significado de cada elemento del texto cifrado en su correspondencia con el texto claro.
Se dice que un sistema de cifrado de sustitución simple es polialfabético cuando cada carácter NO se sustituye siempre por el mismo carácter. Es decir, en el sistema hay implicados varios alfabetos y dependiendo de la circunstancias se aplicará uno u otro. Los distintos métodos se diferencian entre sí por la forma en que se definen los distintos alfabetos y por el método que se usa para saber en qué momento hay que usar cada uno.
Algunos ejemplos son:
En criptografía se denomina sustitución por bloques a la sustitución de los elementos del mensaje por grupos de los mismos ya sean dígrafos, trígrafos o más numerosos, o se trate de sílabas como en el Gran Cifrado de Luis XIV. Pertenecen a este grupo sistemas criptográficos como el cifrado de Playfair con sus múltiples variantes, los cifrados bífido y trífido de Félix Delastelle o el Cifrado Hill. Son, consecuentemente, más difíciles de descifrar que los métodos de sustitución simple pero suelen ser, también, más trabajosos de implementar. La mayoría de las cifras modernas, que requieren de elementos informáticos para su implementación, son cifras por bloques, o lo incorporan como un elemento de su algoritmo.
En cierto modo, actúan como cifrados monoalfabéticos, pero como codifican bloques homogéneos existen muchos más bloques de letras que letras y eso dificulta las técnicas de criptoanálisis. como regla general se puede fijar que el número de estos bloques es igual al número de signos de nuestro alfabeto elevado a la potencia del número de elementos por cada bloque. Hay, no obstante, excepciones, como en el cifrado de Playfair que no permite la repetición de elementos, por lo que el número es algo menor.
Algunos ejemplos de cifras de bloques son:
En criptografía se denomina nomenclátor a un método de sustitución en el que la mayor parte de los términos son sustituidos por alguno de los sistemas antes mencionados, pero los términos más importantes o frecuentes (por ejemplo los nombres de los destinatarios) son sustituidos por términos especiales. Es una especie de híbrido entre las cifras y los códigos. María Estuardo empleó un nomenclátor para sus comunicaciones secretas mientras era prisionera de Isabel I de Inglaterra.
Algunas cifras de sustitución presentan la propiedad del fraccionamiento, esto es, dividen los caracteres a cifrar en elementos distintos que pueden ser tratados (pudiendo perfectamente ser cifrados) por separado. Normalmente esto se logra por medio de un sistema de abscisas y ordenadas, pero no forzosamente. Algunas de las cifras que emplean esta propiedad son el Cuadrado de Polibio, la cifra de Trithemius, la cifra de Bacon, las variantes bífida y trífida de la cifra de Delastelle o la cifra ADFGVX alemana. Estas cifras pueden resultar muy poderosas si son combinadas con alguna clase de cifrado por transposición. Del mismo modo, los modernos sistemas criptográficos, al traducir las letras del alfabeto empleando el código ASCII cambian una letra por una sucesión de ceros y unos que pueden ser cifrados aparte y considerados individualmente.
Cuando se tratan las distintas partes de los caracteres como si fueran elementos completamente distintos, puede alcanzarse la difusión de Shannon o hacer que dos textos claros prácticamente idénticos den lugar a dos textos cifrados completamente distintos como ocurre con el cifrado Hill o con el cifrado IDEA.
Los ataques sobre este tipo de cifrados se suelen hacer por fuerza bruta (cuando hay un espacio reducido de claves), y por análisis de frecuencias. Los análisis de frecuencias pueden hacerse de forma directa (para cifrados monoalfabéticos) * o por el método Kasiski (para cifrados polialfabéticos).
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