換字式暗号（かえじしきあんごう、Substitution cipher）、あるいは換字暗号（かえじあんごう）とは、平文を、1文字または数文字単位で別の文字や記号等に変換することで暗号文を作成する暗号である。文字の変換ではなく並べ替えによって平文を読めない状態にする転置式暗号と共に、古典暗号の代表的な暗号の一つであり、16世紀頃には換字式・転置式という分類がなされている。最も古い暗号の一つであるシーザー暗号は、最も単純な換字式暗号の一つであり、文字から文字に1文字単位で変換する方式（単純換字暗号）である。シーザー暗号の変換ルールは「3文字シフト」であった。しかし、9世紀頃にはこのような単純な暗号は、変換ルールが固定の1対1写像である限り、どのような変換であっても解読可能であることが知られていて、以来、暗号解読されないように、色々な改良が行われ、様々な換字式暗号が登場した。20世紀になって開発された機械式暗号であるエニグマ暗号も換字式暗号の一種である。さらに、現代のストリーム暗号も換字式暗号の一種であり、換字式暗号が改良され続けた結果、生まれたのがストリーム暗号であるとも言える。シーザー暗号は、1文字を別の1文字に変換する方式であるが、普通の文字に変換するのではなく単語や数字・記号・図形等に変換する暗号もあり、有名なものから無名なものまで数多くある。などがある。図形に変換する暗号として、コナン・ドイルの踊る人形（1903年）がよく知られているが、類似の換字表は1874年にも発表されている。新聞のクイズ欄にて換字式の暗号文を掲載することもあった。換字表には、モールス符号、アスキーコード、JISコードなどのように秘匿用途ではないものもあるが、戦時に表を取り替えて暗号として使用した例もあった。換字式暗号は初期には紙と鉛筆だけで暗号文を作成していた。変換ルールが複雑な場合や効率よく変換を行う目的で、変換表や円盤などが使われることもあった。ヴィジュネル方陣やアルベルティの暗号円盤などが知られている。(...stub)なお、"換字" はそのまま読むと"かんじ"となるが、"漢字"と同じ読みだと紛らわしい為、"かえじ"と読む慣わしがある。換字式暗号には、変換ルールの性質（1対1、1対多）や種類（単一固定、複数可変）、変換の単位（1文字か複数文字）などによって次ような分類がなされている。具体的な暗号方式の一覧は、主な暗号の分類と一覧を参照。換字式暗号は、として、として表現できる。#CI,#COを集合のサイズ、#keyを鍵の長さ、key[i]を鍵のi+1番目とする。シフト暗号は、CO=CI, KEY=[0..(#CI-1)], ci∈CI, co∈CO, key∈KEY, #key=1として、となる。シーザー暗号はシフト暗号の鍵が3の場合なので、である。アフィン暗号は、key={a,b}, aは#CIと互いに素な整数, bは任意の整数として、ヴィジュネル暗号は、key∈KEY^i, #key=i, reg=0 として、となる。ヴィジュネル暗号で#key=1の場合は、シフト暗号と同じになる。ボーフォート暗号 (Beaufort cipher) は、アルファベットを逆順に並べてからシフトする暗号で、となり、ENC_bとDEC_bは同じ手順で行えるという特徴がある。アフィン暗号をベースとした多表式暗号は、key={a,b}^i として、となり、シーザー暗号からボーフォート暗号までを含む暗号となる。ヴィジネルが考案した自己鍵暗号は2種あり、key∈KEY,#key=1,reg=keyとして、となる暗号である。ENC_v2は暗号文から鍵が直接判明するので暗号としては全く安全ではないが、鍵の生成方法としては過去のciの全てを次の鍵に影響させるという点で新しいアイデアであった。歴史については暗号史も参照。換字式暗号は、暗号文を平文に戻すには変換を逆に行えばよいため、変換ルールが特定されると暗号文も解読されてしまう。文字のシフトのような単純な変換ルールでは、ルール自体が容易に推測されてしまうため、より複雑なルールが作られた。数文字おきに文字を対応させた上でシフトしたり（アフィン変換）、鍵語を使った変換（鍵の重複文字を除いて並べ、他の文字をその後に並べる）などが考案された。しかし、固定の変換ルールでは平文の統計的性質が暗号文に残ってしまうため、頻度分析に対する安全性という点では無力であった。そこで、変換ルール自体を切り替えて使用することが考案された。それがヴィジュネル暗号などの多表式と呼ばれる方式である。その他、1文字単位ではなく、複数文字単位で変換したり、平文や暗号文自体を変換ルールにフィードバックすることも考案された。換字式暗号は、個々のアルゴリズムは大部分が解読されて使用されなくなったが、現代でもその子孫が姿を変えて生き残っている。多表式周期換字暗号がストリーム暗号とつながり、ワンタイムパッドとして連続鍵暗号が使用されている。また、綴字換字と転置式を組み合わせた方式は、換字-転字暗号 (Substition-Permutation cipher) と呼ばれ、IBMのホルスト・ファイステルが開発したLuciferに採用され、後にブロック暗号と呼ばれる暗号になった。単純換字もROT13など、容易に解読されても構わない用途では使用されている。一般的にアルゴリズムが公開された古典暗号は、安全ではないと考えるべきである。単純換字は、頻度分析によって解読可能である。同音換字は、文字単位の出現頻度を平均化できるため、単一文字での頻度分析は難しくなるが、2重音字 (digram) や3重音字 (trigram) での頻度分析で解読できる可能性がある。多表式であっても周期換字で、周期が短い場合には、一致反復率やカシスキー・テスト（頻度分析）などにより周期を特定した上で、頻度分析を行うと解読できる場合がある。連続鍵暗号で、乱数を鍵として、鍵の再使用をしないならば完全暗号となる。擬似乱数を使用したストリーム暗号では、頻度分析、線形攻撃、差分攻撃に打ち勝つことができる様アルゴリズムを複合したエニグマ（複合暗号機）もある。

出典:wikipedia