情報セキュリティにおける多表式換字暗号（ポリアルファベット暗号）とは？

多表式換字暗号（ポリアルファベット暗号）とは、複数の換字アルファベットを用いた置換に基づく暗号方式の総称です。多表式換字暗号では、平文の各文字が、文中での位置に応じて異なる文字へと暗号化されます。各文字とその置換先の関係は一対一ではなく、一対多の関係になるのが大きな特徴です。

例えば、「a」という文字は、文章の冒頭では「d」に、中盤では「n」に暗号化されることがあります。多表式暗号には、元の言語の文字頻度を隠せるという重要な利点があります。そのため、攻撃者が個々の文字の出現頻度統計を利用して暗号文を解読することが非常に困難になります。

最初の多表式暗号：アルベルティ暗号

歴史上最初の多表式暗号は、1467年にイタリアの人文主義者レオン・バッティスタ・アルベルティが考案した「アルベルティ暗号」です。この暗号は、ランダムなアルファベットで平文を暗号化し、途中の任意の時点で別の混合アルファベットへ切り替えることができました。切り替えのタイミングは、暗号文中に大文字を挿入することで示されました。

この暗号を説明するために、アルベルティは「暗号円盤（シファーディスク）」と呼ばれる道具を用いました。これは、平文の文字と暗号文の文字の対応関係を視覚的に示す装置です。この暗号では、各暗号文の文字は、対応する平文の文字と、その文字がメッセージ内で占める位置の両方によって決定されます。

鍵ストリームによる暗号化の仕組み

「ポリアルファベット（多表式）」という名前が示すとおり、この方式は単一の鍵ではなく、複数の鍵を使用することで実現されます。つまり、鍵はサブキーのストリーム（系列）として構成され、各サブキーは、暗号化対象となる平文の文字の位置に何らかの形で依存します。

言い換えれば、鍵ストリーム k = (K₁, K₂, K₃ …) を用意し、K_i を使って平文の i 番目の文字を暗号文の i 番目の文字へ変換する必要があります。この種のアルゴリズムの中で最も有名で、かつ最もシンプルなのが「ヴィジュネル暗号」です。

代表的な多表式暗号：ヴィジュネル暗号

ヴィジュネル暗号は、多表式換字暗号の中でも最もシンプルで広く知られているアルゴリズムの一つです。この手法では、キーワードの各文字に基づいた複数のシーザー暗号を連続的に適用することで、アルファベットのテキストを暗号化します。

シーザー暗号との関係

シーザー暗号は、平文の各文字を、アルファベット上で一定の位置だけ右側にある文字へ置き換える古典的な暗号です。このシフトは26を法として（mod 26）実装されます。例えば、シフト量3のシーザー暗号では、AはDに、BはEに変換されます。

ヴィジュネル暗号は、異なるシフト値を持つ複数の単純な換字暗号を順番に組み合わせたものと言えます。この暗号では、キーワードが平文の長さに達するまで繰り返し使用されます。

ヴィジュネル表を使った暗号化の手順

暗号化は、ヴィジュネル表（ヴィジュネル正方形）と呼ばれる表を用いて行われます。まず、鍵の文字に対応する行を選び、次に平文の文字に対応する列を見つけます。そして、その行と列が交差する位置にある文字が、暗号文の文字となります。平文の残りの部分も、同様の手順で順次暗号化していきます。