Kỹ thuật thay thế (Substitution technique) là phương pháp mã hóa cổ điển nơi các ký tự hiện diện trong tin nhắn ban đầu được thay thế bằng các ký tự khác hoặc số hoặc bởi các ký hiệu. Nếu bản rõ (tin nhắn gốc) được coi là chuỗi bit, do đó kỹ thuật thay thế sẽ thay thế mẫu bit của bản rõ với mẫu bit của bản mã.
Có nhiều loại mật mã thay thế như sau:
- Mật mã Monoalphabetic (Monoalphabetic Cipher) - Trong mật mã thay thế monoalphabetic, một ký tự trong bản rõ luôn được khôi phục hoặc thay đổi thành cùng ký tự trong bản mã bất kể vị trí của nó trong văn bản.
Ví dụ, nếu chữ cái A trong bản rõ được thay thành G thì mọi lần xuất hiện của A trong bản rõ sẽ được khôi phục bởi G.
Plaintext: hello
Ciphertext: IFMMP
Đây là mật mã monoalphabetic vì cả hai 'l' đều được mã hóa thành 'M'.
- Mật mã Polyalphabetic (Polyalphabetic cipher) - Trong thay thế polyalphabetic, mỗi lần xuất hiện của ký tự trong bản rõ có thể có ký tự thay thế khác nhau trong bản mã.
Mối quan hệ giữa ký tự trong bản rõ và ký tự trong bản mã là một-nhiều. Ví dụ, chữ cái 'A' có thể được khôi phục bởi chữ cái 'C' và cùng chữ cái 'A' có thể được khôi phục bởi 'N' sau trong bản mã.
Trong mật mã polyalphabetic, tần suất chữ cái bản rõ không được phản ánh trong bản mã. Do đó, phá vỡ mật mã polyalphabetic phức tạp hơn monoalphabetic vì phân tích thống kê không thể được sử dụng trên nó.
Đặc điểm chính của mật mã thay thế polyalphabetic là:
- Cần một tập hợp các quy tắc thay thế monoalphabetic liên quan.
- Cần khóa quyết định quy tắc nào được dùng cho chuyển đổi nào.
- Có thể ẩn tần suất chữ cái của ngôn ngữ nền như Playfair Cipher, Vigenere Cipher, Hill Cipher.
- One-Time Pad (Mật mã một lần) - Mật mã one-time pad đề xuất độ dài khóa phải dài bằng bản rõ để tránh lặp lại khóa. Cùng với đó, khóa chỉ được sử dụng một lần để mã hóa và giải mã tin nhắn đơn lẻ sau đó khóa phải bị loại bỏ.
- Mật mã Caesar (Caesar Cipher) - Trong kỹ thuật thay thế này, để mã hóa bản rõ, mỗi chữ cái của bản rõ được khôi phục bởi chữ cái ba vị trí xa hơn nó và để giải mã bản mã, mỗi chữ cái của bản mã được khôi phục bởi chữ cái ba vị trí trước nó.
- Mật mã Playfair (Playfair Cipher) - Mật mã playfair còn được gọi là Playfair Square. Là kỹ thuật mật mã học dùng cho mã hóa thủ công thông tin. Sơ đồ này được phát triển bởi Charles Wheatstone năm 1854.
Mật mã Playfair được quân đội Anh sử dụng trong Chiến tranh Thế giới I và bởi Úc trong Chiến tranh Thế giới II. Điều này áp dụng vì mật mã Playfair hoàn toàn nhanh để sử dụng và không yêu cầu thiết bị đặc biệt nào để sử dụng.