奧妙無窮的密碼學(xué)

何嘉晟

密碼學(xué)不僅是數(shù)學(xué)家的智慧結(jié)晶，還是網(wǎng)絡(luò)空間安全的關(guān)鍵基礎(chǔ)。密碼從哪里來？緣何產(chǎn)生？

密碼學(xué)有著數(shù)千年的發(fā)展史。自最初的替代法到如今的非對稱加密算法，它歷經(jīng)了古典密碼學(xué)、近代密碼學(xué)與現(xiàn)代密碼學(xué)三個階段。在戰(zhàn)爭年代，使用隱藏信息保護關(guān)鍵通信信息的情況較為普遍。比如，先用檸檬水將要隱藏的信息寫在紙上，干燥后，在紙上看不到任何信息。情報人員將紙放在火上小心烘烤，書寫內(nèi)容就顯現(xiàn)了。這些方法旨在保護重要信息不被他人知曉，但傳遞的信息易被破譯。之后，不易被破譯的古典密碼學(xué)應(yīng)運而生。

古典密碼作為最簡單的密碼加密類別，已不再被單獨作為加密算法使用，但它仍是現(xiàn)代許多密碼算法的基石。古典密碼分為移位密碼和替代密碼，其中替代密碼分為單表替換和多表替換。

密碼與編碼最大的區(qū)別是密碼多了密鑰這個關(guān)鍵信息。我們通常用“m”表示明文，“k”表示密鑰，“c”表示密文。在古典密碼中，移位密碼是最簡單、最基礎(chǔ)的一種密碼形式。通過密鑰來表示明文變換的位序以得到密文。

例如，要加密的明文是“WOAISONGHUAJIANG”，密鑰是“4132”。解密時，取密鑰位數(shù)以將“m”分切，“l(fā)en（k）= 4”，分為“WOAI、SONG、HUAJ、IANG”四個部分，然后按照密鑰“4132”的順序?qū)γ總€部分進行密鑰變化，就變成了“IWAO、GSNO、JHAU、GINA”，所以密文是“IWAOGSNOJHAUGINA”。

通過密文，似乎猜不出明文是什么意思。然而，這種簡單的加密算法可通過爆破和語義分析法破解。

替代密碼使用前會先建立替換表。加密時，依次通過查找替換表將明文替換為相應(yīng)的字符。明文密碼被一一替換后會生成無意義的字符串，即密文。替換密碼的破解關(guān)鍵是它的替換表。如果只有一種替換表，則稱為單表替代。如果存在多種替換表，則依次使用，稱為多表替換。

單表替代中比較典型的就是凱撒密碼，與凱撒密碼不同的是埃特巴什碼，其通過完全將字母表的位置鏡面對稱后進行加密，因此，自制的替換表不易被破解。例如，要加密 “WOIHJS”，在替換表中將“W”替換為“h”，將“O”替換為“a”，將“I”替換為“c”，將“H”替換為“k”，將“J”替換為“e”，將“S”替換為“r”，生成的密文為 “hacker”。在多表替代密碼中，棋盤密碼、維吉尼亞密碼、希爾密碼的爆破都有一定的難度。

工業(yè)時代，人們廣泛使用的是安全性更高、使用便利的近現(xiàn)代密碼。恩尼格瑪機是德國在第二次世界大戰(zhàn)期間使用的加密機，后來被英國破譯。恩尼格瑪機使用的加密方式本質(zhì)上是移位和替換，但由于密碼表的種類很多，很難破解，在第二次世界大戰(zhàn)期間被廣泛使用。

現(xiàn)代密碼分為分組密碼和序列密碼。所謂序列密碼，就是把明文的所有字符作為一個整體，然后把明文字符一一加密。例如，Virginia密碼和Vernam密碼都是序列密碼。一位明文被一位密鑰加密為一位密文，這就是序列密碼最顯著的特點。分組密碼是指先將明文分組，再將分組后的明文分組加密。數(shù)據(jù)包加密后的密文數(shù)據(jù)包長度等于明文數(shù)據(jù)包長度。

密碼學(xué)分為密碼編碼學(xué)和密碼分析學(xué)，密碼編碼學(xué)促進了更強大的分析方法的發(fā)展，而強大的分析方法促進了密碼編碼學(xué)更富有安全性的機制誕生。

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，計算機的計算速度越來越快，這為密碼分析提供了有力的支撐，因此，人們對密碼機制的安全性提出了更高的要求，這驅(qū)動著密碼學(xué)從業(yè)者不斷創(chuàng)新，保護網(wǎng)絡(luò)空間的安全。

信息安全中最薄弱的環(huán)節(jié)實際上是用戶本身。大部分安全事件的發(fā)生不是由于技術(shù)漏洞，而是人為疏忽。因此，我希望每個人都能關(guān)注密碼學(xué)，保護自己在網(wǎng)絡(luò)空間的安全。（指導(dǎo)老師：崔 歡 ?朱振棟）C8F02A6D-6A1F-4ED9-8A67-B69546848307