奥妙无穷的密码学

◆吉林松花江中学高一（6）班 何嘉晟

密码学不仅是数学家的智慧结晶，还是网络空间安全的关键基础。密码从哪里来？缘何产生？

密码学有着数千年的发展史。自最初的替代法到如今的非对称加密算法，它历经了古典密码学、近代密码学与现代密码学三个阶段。在战争年代，使用隐藏信息保护关键通信信息的情况较为普遍。比如，先用柠檬水将要隐藏的信息写在纸上,干燥后，在纸上看不到任何信息。情报人员将纸放在火上小心烘烤，书写内容就显现了。这些方法旨在保护重要信息不被他人知晓，但传递的信息易被破译。之后，不易被破译的古典密码学应运而生。

古典密码作为最简单的密码加密类别，已不再被单独作为加密算法使用，但它仍是现代许多密码算法的基石。古典密码分为移位密码和替代密码，其中替代密码分为单表替换和多表替换。

密码与编码最大的区别是密码多了密钥这个关键信息。我们通常用“m”表示明文，“k”表示密钥，“c”表示密文。在古典密码中，移位密码是最简单、最基础的一种密码形式。通过密钥来表示明文变换的位序以得到密文。

例如，要加密的明文是“WOAISONGHUAJIANG”，密钥是“4132”。解密时，取密钥位数以将“m”分切，“len(k)= 4”， 分 为“WOAI、SONG、HUAJ、IANG”四个部分，然后按照密钥“4132”的顺序对每个部分进行密钥变化，就变成了“IWAO、GSNO、JHAU、GINA”，所以密文是“IWAOGSNOJHAUGINA”。

通过密文，似乎猜不出明文是什么意思。然而，这种简单的加密算法可通过爆破和语义分析法破解。

替代密码使用前会先建立替换表。加密时，依次通过查找替换表将明文替换为相应的字符。明文密码被一一替换后会生成无意义的字符串，即密文。替换密码的破解关键是它的替换表。如果只有一种替换表，则称为单表替代。如果存在多种替换表，则依次使用，称为多表替换。

单表替代中比较典型的就是凯撒密码，与凯撒密码不同的是埃特巴什码，其通过完全将字母表的位置镜面对称后进行加密，因此，自制的替换表不易被破解。例如，要加密 “WOIHJS”，在替换表中将“W”替换为“h”，将“O”替换为“a”，将“I”替换为“c”，将“H”替换为“k”，将“J”替换为“e”，将“S”替换为“r”，生成的密文为 “hacker”。在多表替代密码中，棋盘密码、维吉尼亚密码、希尔密码的爆破都有一定的难度。

工业时代，人们广泛使用的是安全性更高、使用便利的近现代密码。恩尼格玛机是德国在第二次世界大战期间使用的加密机，后来被英国破译。恩尼格玛机使用的加密方式本质上是移位和替换，但由于密码表的种类很多，很难破解，在第二次世界大战期间被广泛使用。

现代密码分为分组密码和序列密码。所谓序列密码，就是把明文的所有字符作为一个整体，然后把明文字符一一加密。例如，Virginia密码和Vernam密码都是序列密码。一位明文被一位密钥加密为一位密文，这就是序列密码最显著的特点。分组密码是指先将明文分组，再将分组后的明文分组加密。数据包加密后的密文数据包长度等于明文数据包长度。

密码学分为密码编码学和密码分析学，密码编码学促进了更强大的分析方法的发展，而强大的分析方法促进了密码编码学更富有安全性的机制诞生。

随着科学技术的进步，计算机的计算速度越来越快，这为密码分析提供了有力的支撑，因此，人们对密码机制的安全性提出了更高的要求，这驱动着密码学从业者不断创新，保护网络空间的安全。

信息安全中最薄弱的环节实际上是用户本身。大部分安全事件的发生不是由于技术漏洞，而是人为疏忽。因此，我希望每个人都能关注密码学，保护自己在网络空间的安全。