趣談古典密碼

編者按：在上一期的文章里，我們一起學習了“神秘又巧妙的中國古代密碼”，它們展現了我們古人的聰明才智。不少讀者看了文章后，對“密碼學”產生了濃厚的興趣，還有同學寫信告訴放學君——他和同學之間寫小紙條，如果不想讓他人發現紙條里的小秘密，他們便會用一些特殊的符號代表特殊的意思。是的，這實際上就是密碼學的一種雛形——如果兩個人想通信，不想讓第三個人知道，就需要密碼學了。

同學們，你知道嗎？在計算機出現之前，人們為了保護信息不被他人獲取，很早就想到了一系列加密的方法。但由于當時的科學技術水平相對有限，所以這些密碼的設計通常都基于簡單的數學運算、語言學規律或是物體的性質特點等，優點是容易理解和實現，缺點是安全性較低，容易被破解。

密碼是一種用來混淆的技術，它希望將正常的、可識別的信息轉變為無法識別的信息。而密碼學作為一門既古老又新興的學科，它經歷了不同的發展階段，本期，讓我們把目光轉向其他文明，隨著歷史的足跡，一起看看他們的古典密碼設計吧。

斯巴達密碼：一個和木棒有關的加密方法

首先，我們來了解一下“斯巴達密碼”，它可以被理解為“木棒上的秘密”。據說，古代的斯巴達士兵使用一種特殊的木棒來加密信息，這種特殊的密碼棒就被稱為“斯巴達密碼棒”。斯巴達士兵在準備傳遞信息前，先會把長條狀的羊皮紙繞在木棒上，然后在上面寫字。當羊皮紙被解開后，上面的文字就會變得雜亂無章，難以閱讀。

那么，怎么樣讀取正確的信息呢？答案是必須要用同樣的木棒以相同的方式纏繞羊皮紙，才能還原出原來的信息。

想象一下：你有一根細細的木棒，上面纏著一條長長的紙帶。你在這條紙帶上逐行寫下你要傳遞給朋友的信息，例如：“明天早上九點半，我們一起在公園南門集合，然后開始秋游，請每個人帶好飲用水”。寫好之后，你把紙帶取下來。這時候，你會看到一些無序的信息。但當你再次把紙帶纏回那根木棒上時，這些文字才會重新排列成正確的順序。古希臘的斯巴達人就是這樣傳遞秘密消息的！

從上面的例子中我們可以看出，斯巴達密碼是古代密碼學的一個有趣例子，它教會我們，即使在科技不發達的時代，人們也能想出聰明的辦法來保護自己的秘密。

凱撒密碼：“字母表上的魔術”

我們再一起來看看“凱撒密碼”，它可以被理解為“字母表上的魔術”。我們先來認識一位來自古代的大將軍——凱撒，他不僅是位勇敢的戰士，還是一位聰明的密碼發明家，他發明了一種叫做“凱撒密碼”的加密方法，用來保護他和其他將士之間的秘密信息。下面，我們就來一起探索這個神奇的凱撒密碼吧！

凱撒密碼是一種非常有趣的加密方法，它就像是一個字母游戲。在這個游戲中，我們要把原來要傳遞信息內容中的每個字母都換成字母表中的另一個字母，這樣別人就不知道我們真正的信息是什么了。

想象一下，假如我們有一個秘密信息“HELLO WORLD”。凱撒密碼的秘密就在于，我們把這個信息里的每個字母都向前或者向后移動幾個位置。比如說，我們決定把每個字母都向后移動3個位置。那么，“H”就變成了“K”，“E”變成了“H”，“L”變成了“O”，“L”又變成了“O”，“O”變成了“R”，“W”變成了“Z”，“O”再次變成了“R”，“R”變成了“U”，“L”最后變成了“O”，“D”變成了“G”。所以，“HELLO WORLD”用凱撒密碼加密后就變成了“KHOOR ZRUOG”！

同學們，請你們想一想，應該怎么解密呢？

是的，只要我們知道當初加密時移動了多少個位置，就可以反過來把字母移回去。比如上面的例子，我們知道移動了3個位置，那么解密時，我們就把每個字母都向前移動3個位置。這樣，“K”就變成了“H”，“H”變成了“E”，“O”變成了“L”，“O”又變成了“L”，“R”變成了“O”，“Z”變成了“W”，“R”變成了“O”，“U”變成了“R”，“O”變成了“L”，“G”變回了“D”。于是，“KHOOR ZRUOG”就又變回了我們的秘密信息“HELLO WORLD”！同學們，你們是不是覺得凱撒密碼很有趣呢？因為它不僅是一個字母游戲，還是一種保護秘密的聰明方法。

不過，我還想請同學們想一想，這種保護密碼的方法能不能被破解呢？它的缺點是什么呢？

維吉尼亞密碼：“給密碼加把鑰匙”

相信大家已經注意到：凱撒密碼的加密和解密過程都非常簡單，只需要知道移動的位置即可。由于所有字母都使用相同的方法移動，因此它可能被破解。

那么，怎樣做才能更好地加密呢？

有的同學可能已經想到了：就是發明一種加密方式，它不再讓每個字母都移動相同的位數，而是移動不同的位數。這就是歷史上的“維吉尼亞密碼”。

維吉尼亞密碼不再讓每個字母都按照同一個固定的規則移動，而是使用了一個特別的“密碼鑰匙”，也就是一個單詞或短語，來改變你要發送的消息里的每一個字母。這個“密碼鑰匙”就被稱為“密鑰”。

如果我們要加密一個信息，比如“HELLO”，然后我們可以設定一個密鑰，假設它是“KEY”。我們首先把密鑰寫在消息的上面，因為密鑰比消息短，我們就重復寫。然后，我們用密鑰來幫助我們找到每個消息的密文字母，方法是看消息字母和密鑰字母在字母表里的位置，然后把它們加起來（如果加出來的位置超過了字母表的最后一個字母，就回到字母表的開頭繼續數）。這樣，我們就可以一個個字母地加密，相同的字母可能就會被加密為不同的形式。

當然，如果我們知道密鑰，那么解密就很簡單了，只需要用密鑰對應的字母，按照加密的相反方向，把密文字母變回原來的消息字母。這個游戲不僅好玩，還能讓我們了解古代人們是如何傳遞秘密消息的。現在，你們可以和朋友們一起玩這個游戲，看看誰能最快地加密和解密消息！

回顧今天的探尋之旅，我們可以發現，古典密碼主要分為兩類：一類是置換密碼，一類是代換密碼。置換密碼的特點是通過改變原文中字符的位置來實現加密。通過將每個字符的位置按照一定的規則進行調整，從而使得原始信息變得難以識別，斯巴達密碼其實就是一種置換密碼。代換密碼的特點是將原文中的字符替換成其他字符。最簡單的一種形式是單字母替換密碼，例如，剛剛介紹的凱撒密碼，它通過將字母表中的每個字母向前或向后移動固定的位數來實現替換。

古典密碼在歷史上曾廣泛應用于軍事、外交和其他需要保密通信的場合。然而，隨著密碼學的發展以及數學和計算機科學的進步，古典密碼逐漸被現代密碼學所取代。現代密碼學利用更復雜的算法和更強的加密技術，提供了更高的安全性。雖然古典密碼在當今的實際應用中已經被淘汰，但它們仍然是密碼學領域的重要組成部分，對于理解密碼學的基本原理和歷史發展具有重要意義。