古典密碼學(xué)概述

1、計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)古典密碼學(xué)下面我們介紹古典密碼體制發(fā)展演化的過(guò)程。 1、古典加密方法 最為人們所熟悉的古典加密方法，莫過(guò)于隱寫(xiě)術(shù)。它通常將秘密消息隱藏于其它消息中，使真正的秘密通過(guò)一份無(wú)傷大雅的消息發(fā)送出去。隱寫(xiě)術(shù)分為兩種，語(yǔ)言隱寫(xiě)術(shù)和技術(shù)隱寫(xiě)術(shù)。技術(shù)方面的隱寫(xiě)比較容易想象：比如不可見(jiàn)的墨水,洋蔥法和牛奶法也被證明是普遍且有效的方法（只要在背面加熱或紫外線照射即可復(fù)現(xiàn)）。計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)古希臘的斯巴達(dá)人曾將軍事情報(bào)刻在普通的木板上，用石蠟填平，收信的一方只要用火烤熱木板，

2、融化石蠟后，就可以看到密信?？梢哉f(shuō)，人類早期使用的保密通信手段大多數(shù)屬于隱寫(xiě)而不是密碼。數(shù)字水印技術(shù)的基本思想就源于古代的隱寫(xiě)術(shù)。數(shù)字水?。―igital Watermark）技術(shù)是指用信號(hào)處理的方法在數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入隱蔽的標(biāo)記，這種標(biāo)記通常是不可見(jiàn)的，只有通過(guò)專用的檢測(cè)器或閱讀器才能提取。語(yǔ)言隱寫(xiě)術(shù)與密碼編碼學(xué)關(guān)系比較密切，它主要提供兩種類型的方法：符號(hào)碼和公開(kāi)代碼。 計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù) 符號(hào)碼是以可見(jiàn)的方式，如手寫(xiě)體字或圖形，隱藏秘密的書(shū)寫(xiě)。在書(shū)或報(bào)紙上標(biāo)記所選擇的字母，比如用點(diǎn)或短劃線，這比上述方法更容易被人懷疑，除非使用顯隱墨水，但此方法易于實(shí)

3、現(xiàn)。一種變形的應(yīng)用是降低所關(guān)心的字母，使其水平位置略低于其它字母，但這種降低幾乎讓人覺(jué)察不到。 一份秘密的信件或偽裝的消息要通過(guò)公開(kāi)信道傳送，需要雙方事前的約定，也就是需要一種公開(kāi)代碼。特定行業(yè)或社會(huì)階層經(jīng)常使用的語(yǔ)言，往往被稱為行話。一些乞丐、流浪漢及地痞流氓使用的語(yǔ)言還被稱為黑話，它們是這些社會(huì)群體的護(hù)身符。其實(shí)也是利用了偽裝，偽裝的秘密因此也稱為專門(mén)隱語(yǔ)。計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)代替密碼代替密碼就是將明文字母表中的每個(gè)字符替換為密文字母表中的字符。這里對(duì)應(yīng)密文字母可能是一個(gè)，也可能是多個(gè)。接收者對(duì)密文進(jìn)行逆向替換即可得到明文。代替密碼有五種表現(xiàn)形式： A.單表

4、代替即簡(jiǎn)單代替密碼或者稱為單字母代替，明文字母表中的一個(gè)字符對(duì)應(yīng)密文字母表中的一個(gè)字符。這是所有加密中最簡(jiǎn)單的方法。 B.多名碼代替就是將明文字母表中的字符映射為密文字母表中的多個(gè)字符。C.多音碼代替就是將多個(gè)明文字符代替為一個(gè)密文字符。D.多表代替就是使用了兩個(gè)或兩個(gè)以上的代替表。比如使用有5個(gè)簡(jiǎn)單代替表的代替密碼，明文的第一個(gè)字母用第一個(gè)代替表，第二個(gè)字母用第二個(gè)表，第三個(gè)字母用第三個(gè)表，以此類推，循環(huán)使用這五張代替表。著名的維吉尼亞密碼和博福特密碼均是多表代替密碼。 計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù) F.密本密本不同于代替表，一個(gè)密本可能是由大量代表字、片語(yǔ)、音節(jié)和字

5、母這些明文單元和數(shù)字密本組組成。如1563- baggage，1673-bomb，2675-catch，2784-custom，3645-decide to，4728-from then on等等。在某種意義上，密本就是一個(gè)龐大的代替表，其基本的明文單位是單詞和片語(yǔ)，字母和音節(jié)主要用來(lái)拼出密本中沒(méi)有的單詞。實(shí)際使用中，密本和代替表的區(qū)別還是比較明顯的，代替表是按照規(guī)則的明文長(zhǎng)度進(jìn)行操作的，而密本是按照可變長(zhǎng)度的明文組進(jìn)行操作的。密本的最早出現(xiàn)在1400年左右，后來(lái)大多應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。二戰(zhàn)中盟軍的商船密本，美國(guó)外交系統(tǒng)使用的GRAY密本就是典型的例子。計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技

6、技 術(shù)術(shù)換位密碼 在換位密碼中，明文字符集保持不變，只是字母的順序被打亂了。比如簡(jiǎn)單的縱行換位，就是將明文按照固定的寬度寫(xiě)在一張圖表紙上，然后按照垂直方向讀取密文。這種加密方法也可以按下面的方式解釋：明文分成長(zhǎng)為m個(gè)元素的塊，每塊按照n來(lái)排列。這意味著一個(gè)重復(fù)且寬度為m的單字母的多表加密過(guò)程，即分塊換位是整體單元的換位。簡(jiǎn)單的換位可用紙筆容易實(shí)現(xiàn)，而且比分塊換位出錯(cuò)的機(jī)會(huì)少。盡管它跑遍整個(gè)明文，但它并不比整體單元換位提供更多的密碼安全。 在第二次大世界中，德軍曾一度使用一種被稱為bchi的雙重縱行換位密碼，而且作為陸軍和海軍的應(yīng)急密碼，只不過(guò)密鑰字每天變換，并且在陸軍團(tuán)以下單位使用。此時(shí)英國(guó)人

7、早就能解讀消息了，兩個(gè)不同的密鑰字甚至三重縱行換位的使用也無(wú)濟(jì)于事。 計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)轉(zhuǎn)輪密碼隨著電動(dòng)打字機(jī)的使用，電動(dòng)密碼機(jī)開(kāi)始在保密通信中大顯身手。在第二次世界大戰(zhàn)中，轉(zhuǎn)輪密碼機(jī)的使用相當(dāng)普遍。它主要利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)和簡(jiǎn)單電子線路，有一個(gè)鍵盤(pán)和若干轉(zhuǎn)輪，實(shí)際上它是維吉尼亞密碼的一種實(shí)現(xiàn)。 每個(gè)轉(zhuǎn)輪由絕緣的圓形膠板組成，膠板正反兩面邊緣線上有金屬凸塊，每個(gè)金屬凸塊上標(biāo)有字母，字母的位置相互對(duì)齊。膠板正反兩面的字母用金屬連線接通，形成一個(gè)置換運(yùn)算。不同的轉(zhuǎn)輪固定在一個(gè)同心軸上，它們可以獨(dú)立自由轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)轉(zhuǎn)輪可選取一定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。例如，一個(gè)轉(zhuǎn)輪可能被導(dǎo)線連通以完成

8、用F代替A，用U 代替B，用L代替C等等。計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)凱撒密碼凱撒的輪盤(pán)是2000多年前Julius使用的一種和他的部隊(duì)加密通訊的一種加密手段。具體辦法是把26個(gè)羅馬字母按照字母表做成一個(gè)可以循環(huán)的輪盤(pán)，把原碼向左或者向右移動(dòng)若干個(gè)位置得到的代碼即為加密碼。移動(dòng)的位數(shù)N26不能等于26，否則原碼即為加密碼，失去了加密的意義。戰(zhàn)地指揮官在收到凱撒的加密文書(shū)以后，用事先確認(rèn)好的移動(dòng)位數(shù)N，并轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤(pán)，可以解密文件。例子：凱撒原文：I LOVE YOU，KEY=+3，那么凱撒密文就是L ORYH BRX，戰(zhàn)地指揮官只要用-3的KEY就可以解密出原文了，看到消息

9、，他一定會(huì)很高興的。因?yàn)榇朔N加密字母的模是26，公式為（原文+N）MOD(26)。N可正可負(fù)。正負(fù)代表不同的移動(dòng)方向。N應(yīng)該是保密的，僅僅限于凱撒本人與戰(zhàn)地指揮官知道。作為2000年前人類戰(zhàn)爭(zhēng)中首次出現(xiàn)的加密技術(shù)，雖然簡(jiǎn)單容易破解，但是在當(dāng)時(shí)的條件下應(yīng)該是有效的。計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)維吉尼亞 單一愷撒密碼的基礎(chǔ)上擴(kuò)展出多表密碼，公匙是一串字符串。也就是將愷撒的25加密表示 見(jiàn)下表： A愷撒公匙0 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z B愷撒公匙1 B C D E F G H I J K L M N

10、 O P Q R S T U V W X Y Z A C愷撒公匙2 C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B D愷撒公匙3 D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C E愷撒公匙4 E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D F愷撒公匙5 F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E G愷撒公匙6 G H I J K L M N O P Q R S T U

11、V W X Y Z A B C D E F H愷撒公匙7 H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G I愷撒公匙8 I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H J愷撒公匙9 J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I K愷撒公匙10 K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J L愷撒公匙11 L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B

12、 C D E F G H I J K M愷撒公匙12 M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L N愷撒公匙13 N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M O愷撒公匙14 O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N P愷撒公匙15 P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O Q愷撒公匙16 Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G

13、 H I J K L M N O P R愷撒公匙17 R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q S愷撒公匙18 S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R T愷撒公匙19 T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S U愷撒公匙20 U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T V愷撒公匙21 V W X Y Z A B C D E F G H I J K L

14、 M N O P Q R S T U W愷撒公匙22 W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V X愷撒公匙23 X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W Y愷撒公匙24 Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Z愷撒公匙25 Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y 維吉尼亞密碼引入了“密鑰”的概念，即根據(jù)密鑰來(lái)決定用哪一行的密表來(lái)進(jìn)行替換，以此來(lái)

15、對(duì)抗字頻統(tǒng)計(jì) 計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)例1福建話分為閩南話與閩北話兩種，閩北話以福州話為代表，閩南話以廈門(mén)話為代表，其他地區(qū)則介于這兩種口音之間，或者有變腔變調(diào)。莆田話就是這種難懂的語(yǔ)言之代表。不要說(shuō)外地人，就是其本省其他地區(qū)的人都難聽(tīng)懂。然而晦澀難懂的語(yǔ)言竟在戰(zhàn)場(chǎng)中立下汗馬功勞。 在對(duì)越自衛(wèi)反擊戰(zhàn)開(kāi)始時(shí)，通訊兵均用普通話傳遞密語(yǔ)，前沿?zé)o線通訊的訊號(hào)屢屢被越軍識(shí)破，越軍許多軍官均接受過(guò)解放軍軍事院校的培訓(xùn)，還有的都能講一口很標(biāo)準(zhǔn)的普通話，因而越軍早把老師的招數(shù)摸得一清二楚，什么暗語(yǔ)暗號(hào)均無(wú)法蒙住越軍。在這緊要關(guān)頭，司令部的參謀長(zhǎng)急壞了，更么更改成全新的密語(yǔ)，要么關(guān)閉

16、電臺(tái)，然而一切措施都來(lái)不及。所有參戰(zhàn)部隊(duì)的通訊語(yǔ)言都在一夜之間變成晦澀難懂的莆田話，嘰哩呱啦的，這下越南兵可真傻眼了，所有的訊號(hào)沒(méi)有一句聽(tīng)得懂了。我方知道這一情況后，立即決定發(fā)起總攻，于是馬上在當(dāng)晚部署了作戰(zhàn)計(jì)劃，一個(gè)連隊(duì)趁著夜色埋伏在了前方陣地。保證了總攻的順利進(jìn)行，為最后的勝利起到了關(guān)健的作用。計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)例2第一次世界大戰(zhàn)期間，法國(guó)諜報(bào)人員也曾破譯過(guò)許多奇特的密碼。但是，到1918年3月5日，他們截收到的德軍密電中翻來(lái)覆去都只是A、D、F、G、X五個(gè)字母。 原來(lái)，當(dāng)時(shí)的德軍參謀總長(zhǎng)魯?shù)堑婪驅(qū)④姺浅Ｖ匾曂蝗灰u擊的戰(zhàn)術(shù)效果，但這需要有一種新的密碼體制來(lái)

17、難倒法國(guó)的破譯專家，使他們無(wú)法知道德軍下一個(gè)進(jìn)攻目標(biāo)。這種密碼只需要五個(gè)字母：A、D、F、G、X，畫(huà)一個(gè)55的正方形，然后再在表中亳無(wú)規(guī)律地填入25個(gè)字母(i與j合而為一)，見(jiàn)下圖： ADFGX Anbxr u Dqokd v F ahsg f Gmzcl t XeijpyW 計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù) 這樣，拍發(fā)的一條信息就可編為如下的密碼：FX DD AG GF XA DG GX DD AG XA GX AG XA FA GX。其實(shí)，這種編碼實(shí)質(zhì)上是一個(gè)字母改用兩個(gè)字母代替，好比平面上點(diǎn)的坐標(biāo)表示法一樣，實(shí)在算不上多么難解的天書(shū)。 當(dāng)時(shí)德軍節(jié)節(jié)推進(jìn)，其前鋒部隊(duì)已經(jīng)

18、到達(dá)離巴黎只有80公里的地方了。一個(gè)重大問(wèn)題擺在協(xié)約軍總部面前：魯?shù)堑婪驅(qū)④姷南乱粋€(gè)進(jìn)攻目標(biāo)在哪里?協(xié)約國(guó)應(yīng)該在哪里集結(jié)戰(zhàn)略后備隊(duì)呢?巴黎和整個(gè)法國(guó)的命運(yùn)在此一舉。 就在這緊急關(guān)頭，正在冥思苦想、試圖解密的法國(guó)密碼破譯專家喬治潘萬(wàn)發(fā)現(xiàn)，被截獲的德軍情報(bào)中忽然添加了一個(gè)新的字母“V”，一把破譯的鑰匙就這樣送到了法國(guó)人手中。喬治潘萬(wàn)猜到，增加一個(gè)字母就意味著基本坐標(biāo)方框已經(jīng)從55擴(kuò)大為66的正方形，而這一定是為了把數(shù)字09直接進(jìn)行編碼的需要。經(jīng)過(guò)鎮(zhèn)密的推理和無(wú)數(shù)次的試驗(yàn)，6月3日凌晨，潘萬(wàn)及其部下成功地破譯了僅僅幾小時(shí)以前截到的一份電報(bào)，它泄露了德軍下一步將進(jìn)攻巴黎北部貢比涅的計(jì)劃。協(xié)約軍總司令、

19、法國(guó)參謀總長(zhǎng)福煦元帥立即調(diào)動(dòng)他的后備隊(duì)進(jìn)駐貢比涅的陣地。德法兩軍的戰(zhàn)斗持續(xù)了五天，最后以德軍的失敗結(jié)束。魯?shù)堑婪蛟獾搅怂阶顕?yán)重的挫折，占領(lǐng)巴黎的野心被徹底粉碎了。 計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)小結(jié)盡管古典密碼體制受到當(dāng)時(shí)歷史條件的限制，沒(méi)有涉及到非常高深或者復(fù)雜的理論，但在其慢長(zhǎng)的發(fā)展演化過(guò)程中，已經(jīng)充分表現(xiàn)出了現(xiàn)代密碼學(xué)的兩大基本思想-代替和換位，而且還將數(shù)學(xué)的方法引入到密碼分析和研究中。這為后來(lái)密碼學(xué)成為系統(tǒng)的學(xué)科以及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，如計(jì)算機(jī)科學(xué)、復(fù)雜性理論等等。計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)Phaistos圓盤(pán)，一種直徑約

20、為160mm的Cretan-Mnoan粘土圓盤(pán)，始于公元前17世紀(jì)。表面有明顯字間空格的字母，至今還沒(méi)有破解。計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)二戰(zhàn)中美國(guó)陸軍和海軍使用的條形密碼設(shè)備M-138-T4。根據(jù)1914年P(guān)arker Hitt的提議而設(shè)計(jì)。25個(gè)可選取的紙條按照預(yù)先編排的順序編號(hào)和使用，主要用于低級(jí)的軍事通信。計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)Kryha密碼機(jī)大約在1926年由Alexander vo Kryha發(fā)明。這是一個(gè)多表加密設(shè)備，密鑰長(zhǎng)度為442，周期固定。一個(gè)由數(shù)量不等的齒的輪子引導(dǎo)密文輪不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安

21、全全 技技 術(shù)術(shù)哈格林（Hagelin）密碼機(jī)C-36，由Aktiebolaget Cryptoeknid Stockholm于1936年制造密鑰周期長(zhǎng)度為3,900,255。計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)M-209是哈格林對(duì)C-36改進(jìn)后的產(chǎn)品，由Smith-Corna負(fù)責(zé)為美國(guó)陸軍生產(chǎn)。它的密碼周期達(dá)到了101,105,950。計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)轉(zhuǎn)輪密碼機(jī)ENIGMA，由Arthur Scherbius于1919年發(fā)明，面板前有燈泡和插接板；4輪ENIGMA在1944年裝備德國(guó)海軍，據(jù)說(shuō)英國(guó)從1942年2月到12月都沒(méi)能解讀德國(guó)潛艇的信號(hào)。計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)英國(guó)的TYPEX打字密碼機(jī)，是德國(guó)3輪E