网络安全攻防：密码技术之古典密码

文章来源：计算机与网络安全

1. 置换密码

置换密码就是把明文中的字母或数字重新排列，字母或数字本身不变，但其位置发生了改变，示例如下。

明文：this is transposition cipher

密文：rehp ic noitisopsnart sisiht

显然，本例是一种直接将明文按倒序排列的简单置换加密算法，可被直接分析。因此，我们可进一步将明文按某一顺序排成一个矩阵，然后按置换规则的顺序选出矩阵中的字母序列，最后按固定长度读取字母即形成密文，示例如下。

原始明文：this is transposition cipher

排成矩阵：

置换规则：按列读取

形成密文：tiao ii rhsnsopitsinh srptce

由此可以看出，改变矩阵的大小和置换规则可以得到不同形式的密码。通常，我们先选定一个词语作为密钥，去掉重复字母然后按字典顺序给密钥字母一个数字编号，就可以得到一组与密钥对应的数字序列，最后以此数字序列作为置换规则选出密文。

明文：this is transposition cipher

词语密钥：password

根据上述，我们可以得到数字序列：4167352

排成矩阵：

根据数字序列的置换规则，得到密文：hath ts iiphtripsocin iessor

其实，置换密码是一种通过变换矩阵大小选出的顺序组合，而密钥仅仅是便于记忆。因此，置换密码比较简单，经不起穷举攻击（穷举攻击无视顺序），但值得注意的是，如果把它与其他密码技术混合应用，也是可以得到相对安全且高效的密码。

2. 替代密码

替代密码的原理是使用替代法进行加密，就是将明文中的字符用其他字符替代后形成密文。例如，明文字母a、b、c、d，用D、E、F、G做对应替换后形成密文。

替代密码包括多种类型，如单表替代密码、多明码替代密码、多字母替代密码、多表替代密码等。下面我们介绍一种典型的单表替代密码，凯撒（Caesar）密码，又叫循环移位密码。它的加密方法就是将明文中的每个字母用此字符在字母表中后面第k个字母替代。它的加密过程可以表示为：

E(m)=(m+k)modn

其中，m为明文字母在字母表中的位置数；n为字母表中的字母个数；k为密钥；E(m)为密文字母在字母表中对应的位置数；modn为n的取模运算。

例如，对于明文字母 H，其在字母表中的位置数为 8，设k=4，则按照上式计算出来的密文为L。

E(8)=(m+k)modn=(8+4)mod 26=12=L

凯撒密码是一种典型的单表替代算法，由于对明文字母进行统一的偏移替代，因此密钥极易被穷举破解。为了提高破解难度，多表替代密码则是在加解密时使用了多个替换表，代表性算法有维吉尼亚密码（Virginia）、希尔（Hill）密码、一次一密钥密码、Playfair密码等。

下面简要介绍一下维吉尼亚密码。该密码体制有一个参数n，在加解密时，同样把英文字母映射为 0～25 的数字再进行运算，并按n个字母一组进行变换。明文空间、密文空间及密钥空间都是长度为n的英文字母串的集合，加密体制描述如下。

加密变换定义为：设密钥k=(k1,k2,…,kn),明文m=(m1,m2,…,mn),密文c=(c1,c2,…,cn)。

加密变换为：Ek(m)=(c1,c2,…,cn),其中，ci=(mi+ki)mod26，i=1,2,…,n。

解密变换为：Dk(c)=(m1,m2,…,mn),其中，mi=(ci-ki)mod26，i=1,2,…,n。

例如，对明文this is substitution cipher 进行替代加密。若采用凯撒密码，密钥K=1，则密文为uijt jt tvctujuvujpo djqifs；若采用维吉尼亚密码，密钥K=cipher，即K=(3,9,16,8,5,18)，则密文为vpxz mj ucqzxzvcipse eqeoii。

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