古典密碼學(xué)概述

1、計計 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)計計 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)展演化的過程。 1、古典加密方法 最為人們所熟悉的古典加密方法，莫過于隱寫術(shù)。它通常將秘密消息隱藏于其它消息中，使真正的秘密通過一份無傷大雅的消息發(fā)送出去。隱寫術(shù)分為兩種，語言隱寫術(shù)和技術(shù)隱寫術(shù)。技術(shù)方面的隱寫比較容易想象：比如不可見的墨水,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)）。計計 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，人類早期使用的保密通信手段大多數(shù)屬于隱寫而不是密碼。數(shù)字水印技術(shù)的基本思想就源于古代的隱寫術(shù)。數(shù)字水?。―igital Watermark）技術(shù)是指用信號處理的方法在數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入隱蔽的標(biāo)記，這種標(biāo)記通常是不可見的，只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取。語言隱寫術(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：符號碼和公開代碼。 計計 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù) 符號碼是以可見的方式，如手寫體字或圖形，隱藏秘密的書寫。在書或報紙上標(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察不到。 一份秘密的信件或偽裝的消息要通過公開信道傳送，需要雙方事前的約定，也就是需要一種公開代碼。特定行業(yè)或社會階層經(jīng)常使用的語言，往往被稱為行話。一些乞丐、流浪漢及地痞流氓使用的語言還被稱為黑話，它們是這些社會群體的護(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隱語。計計 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字符替換為密文字母表中的字符。這里對應(yīng)密文字母可能是一個，也可能是多個。接收者對密文進(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、代替即簡單代替密碼或者稱為單字母代替，明文字母表中的一個字符對應(yīng)密文字母表中的一個字符。這是所有加密中最簡單的方法。 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字符。C.多音碼代替就是將多個明文字符代替為一個密文字符。D.多表代替就是使用了兩個或兩個以上的代替表。比如使用有5個簡單代替表的代替密碼，明文的第一個字母用第一個代替表，第二個字母用第二個表，第三個字母用第三個表，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。 計計 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，一個密本可能是由大量代表字、片語、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，密本就是一個龐大的代替表，其基本的明文單位是單詞和片語，字母和音節(jié)主要用來拼出密本中沒有的單詞。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)則的明文長度進(jìn)行操作的，而密本是按照可變長度的明文組進(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，美國外交系統(tǒng)使用的GRAY密本就是典型的例子。計計 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。比如簡單的縱行換位，就是將明文按照固定的寬度寫在一張圖表紙上，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：明文分成長為m個元素的塊，每塊按照n來排列。這意味著一個重復(fù)且寬度為m的單字母的多表加密過程，即分塊換位是整體單元的換位。簡單的換位可用紙筆容易實(shí)現(xiàn)，而且比分塊換位出錯的機(jī)會少。盡管它跑遍整個明文，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，只不過密鑰字每天變換，并且在陸軍團(tuán)以下單位使用。此時英國人

7、早就能解讀消息了，兩個不同的密鑰字甚至三重縱行換位的使用也無濟(jì)于事。 計計 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)輪密碼隨著電動打字機(jī)的使用，電動密碼機(jī)開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)動和簡單電子線路，有一個鍵盤和若干轉(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，每個金屬凸塊上標(biāo)有字母，字母的位置相互對齊。膠板正反兩面的字母用金屬連線接通，形成一個置換運(yùn)算。不同的轉(zhuǎn)輪固定在一個同心軸上，它們可以獨(dú)立自由轉(zhuǎn)動，每個轉(zhuǎn)輪可選取一定的轉(zhuǎn)動速度。例如，一個轉(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。計計 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個羅馬字母按照字母表做成一個可以循環(huán)的輪盤，把原碼向左或者向右移動若干個位置得到的代碼即為加密碼。移動的位數(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以后，用事先確認(rèn)好的移動位數(shù)N，并轉(zhuǎn)動輪盤，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)爭中首次出現(xiàn)的加密技術(shù)，雖然簡單容易破解，但是在當(dāng)時的條件下應(yīng)該是有效的。計計 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)密鑰來決定用哪一行的密表來進(jìn)行替換，以此來

15、對抗字頻統(tǒng)計 計計 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言之代表。不要說外地人，就是其本省其他地區(qū)的人都難聽懂。然而晦澀難懂的語言竟在戰(zhàn)場中立下汗馬功勞。 在對越自衛(wèi)反擊戰(zhàn)開始時，通訊兵均用普通話傳遞密語，前沿?zé)o線通訊的訊號屢屢被越軍識破，越軍許多軍官均接受過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，什么暗語暗號均無法蒙住越軍。在這緊要關(guān)頭，司令部的參謀長急壞了，更么更改成全新的密語，要么關(guān)閉

16、電臺，然而一切措施都來不及。所有參戰(zhàn)部隊(duì)的通訊語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，所有的訊號沒有一句聽得懂了。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)計劃，一個連隊(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。計計 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，法國諜報人員也曾破譯過許多奇特的密碼。但是，到1918年3月5日，他們截收到的德軍密電中翻來覆去都只是A、D、F、G、X五個字母。 原來，當(dāng)時的德軍參謀總長魯?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

17、難倒法國的破譯專家，使他們無法知道德軍下一個進(jìn)攻目標(biāo)。這種密碼只需要五個字母：A、D、F、G、X，畫一個55的正方形，然后再在表中亳無規(guī)律地填入25個字母(i與j合而為一)，見下圖： ADFGX Anbxr u Dqokd v F ahsg f Gmzcl t XeijpyW 計計 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)上是一個字母改用兩個字母代替，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。 當(dāng)時德軍節(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。一個重大問題擺在協(xié)約軍總部面前：魯?shù)堑婪驅(qū)④姷南乱粋€進(jìn)攻目標(biāo)在哪里?協(xié)約國應(yīng)該在哪里集結(jié)戰(zhàn)略后備隊(duì)呢?巴黎和整個法國的命運(yùn)在此一舉。 就在這緊急關(guān)頭，正在冥思苦想、試圖解密的法國密碼破譯專家喬治潘萬發(fā)現(xiàn)，被截獲的德軍情報中忽然添加了一個新的字母“V”，一把破譯的鑰匙就這樣送到了法國人手中。喬治潘萬猜到，增加一個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)過鎮(zhèn)密的推理和無數(shù)次的試驗(yàn)，6月3日凌晨，潘萬及其部下成功地破譯了僅僅幾小時以前截到的一份電報，它泄露了德軍下一步將進(jìn)攻巴黎北部貢比涅的計劃。協(xié)約軍總司令、

19、法國參謀總長福煦元帥立即調(diào)動他的后備隊(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。 計計 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)時歷史條件的限制，沒有涉及到非常高深或者復(fù)雜的理論，但在其慢長的發(fā)展演化過程中，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)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)，如計算機(jī)科學(xué)、復(fù)雜性理論等等。計計 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，一種直徑約

20、為160mm的Cretan-Mnoan粘土圓盤，始于公元前17世紀(jì)。表面有明顯字間空格的字母，至今還沒有破解。計計 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。25個可選取的紙條按照預(yù)先編排的順序編號和使用，主要用于低級的軍事通信。計計 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。這是一個多表加密設(shè)備，密鑰長度為442，周期固定。一個由數(shù)量不等的齒的輪子引導(dǎo)密文輪不規(guī)則運(yùn)動。計計 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年制造密鑰周期長度為3,900,255。計計 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C-36改進(jìn)后的產(chǎn)品，由Smith-Corna負(fù)責(zé)為美國陸軍生產(chǎn)。它的密碼周期達(dá)到了101,105,950。計計 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年裝備德國海軍，據(jù)說英國從1942年2月到12月都沒能解讀德國潛艇的信號。計計 算算 機(jī)機(jī) 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 安安 全全 技技 術(shù)術(shù)英國的TYPEX打字密碼機(jī)，是德國3輪E