为什么这套“古代密码学”方法在它诞生后的200多年时间里，几乎没有人用？

大家好，我是科学羊！这是第4季数学专栏之密码学05篇。

今天我们来谈谈第三代加密法的故事。

从上一篇我们就知道在概率论的光辉照耀下，曾经风靡一时的传统移位加密法显得力不从心。

面对这种情况，一种新的加密技术——维吉尼亚加密法——应运而生，它的设计初衷就是为了挑战和摆脱频率分析的束缚。

布莱斯·德·维吉尼亚

维吉尼亚加密法诞生于1586年，是法国外教官布莱斯·德·维吉尼亚做出来的。

采用这种加密策略后，字符的出现频率不再固定，为保密通信提供了更为坚固的保护。

然而，围绕这项发明的归属权，学界存在着激烈的争议。

德国炼金术士约翰尼斯在维吉尼亚之前四十多年就提出了含有该技术核心要素的表格法；

而在他之前，意大利的诗人莱昂也曾提出相似的思想。

这些纠葛表明，一个伟大发明的背后往往汇聚了多方面的智慧和努力，标志着某一领域已经达到了成熟的阶段。

所以说，密码学也是如此！

当然关于究竟是谁发明的其实不是我们此文关心的重点，重点问题是：他一个外交官怎么会对密码学研究那么深呢？

这里主要有两个原因：

1、工作需要，从16世纪起欧洲外交官频繁通信，怎么让信件更安全，自然是个重要问题。

2、数学是法国的国学，密码和数学关系紧密，所以法国人使用加密法的门槛比较低。

所以说，在那个时代，随着外交通信的频繁，如何保证信息的安全传递成了一个迫切的问题。同时，法国在数学领域的领先也为加密技术的发展提供了肥沃的土壤。

好，接下来我谈谈，第三代加密法究竟是如何解决第二代加密法的漏洞的。

显而易见，第二代加密法的替代法无论用什么字母来代替，最终都能被频率所瓦解！

而替代法的升级版就是——“多套符号加密法”。

就是用多个不同字母来代替同一个字母，比如：

原文的字母是A，从前只把它替换成F，现在把它替换成F或者G这两个。

那什么时候用F什么时候用G呢？可以自行规定，比如说，字母在奇数位时用F代替，字母在偶数位时用G代替。（当然这是自己规定的）

从前单套符号替代的时候，凡是文字中频率为7.63%的符号，差不多就代表A了。

但现在A由F和G混合在一起，7.63%的特征不再出现，哪个符号代表A就没人知道了，于是频率分析法暂时失效。

进入十八世纪，加密解密已经成为各国情报机构的标配技术，秘密的“黑房厅”随之诞生，成为邮政系统中的一个神秘环节，负责筛选和解读敏感信息。

但是，正如所有技术发展都会遇到的问题一样，早期的加密方法很快就被频率分析法所攻破。

为了应对这一挑战，更为复杂的加密方法应运而生，所谓道高一丈，魔高一丈！

维吉尼亚加密法就是这样一种方法，它不仅打破了字符频率的固定模式，还大大提升了加密的复杂度和安全性。

这种加密法采用了一个26×26的表格，利用多套替代法来加密信息，使得即使是同一字母，在不同位置也会被替换成不同的字符，极大地增加了破解的难度。

维吉尼亚密码表

如何加密？

假设要对单词“hello”进行加密，不再采用单一的加密方案，如过去可能只使用一种规则进行加密。

在旧有的方法中，可能仅需选择一个简单的规则，例如将每个字母向后移动8位，这样“hello”就会转变为“PMTTW”。

然而，目前的加密思路倾向于使用多重密码组合，意味着不能仅仅依赖单一的规则。

例如，可以规定对“hello”中的每个字母应用不同的加密套路：第一个字母采用第8套密码，第二个字母采用第12套，第三个字母用第5套，第四个字母用第9套，依此类推。

这种方法听起来相当复杂，因为它要求为每个字母指定一个特定的移位量，这无疑增加了加密过程的难度。

如果加密的仅仅是像“hello”这样的单词，这种方法尚可管理。

但对于一封完整的信件来说，需要为每个字母单独指定加密规则，这不仅使加密工作变得异常繁重，解密过程也同样复杂。

这可能要求编写一本详细的加密指南，以便接收方能够逐字母地恢复原文。这种加密手册的复杂性和篇幅可能远超原文本身，且必须以易于理解的方式撰写。

为了让收件人能够解密，必须将这本加密指南发送给他们。如果这本指南在传递过程中被拦截，那么加密的努力就等于白费，因为指南的内容使得任何拦截者都能轻易解读加密信息。

第三代的维吉尼亚加密法在真实使用时，人们事先规定每个字母用了哪套移位法时，并不是毫无规律的瞎指定，而是要约定一个规则，这个规则就叫作 “钥匙”。

钥匙最初只是一个单词，比如，像钥匙是yes，那怎么加密呢？

你看，yes的y是第25个字母，就代表加密时把原文第一个字母往后移25位；

yes的第二个字母e是字母表中第5个字母，就代表把原文的第二个字母往后移5位；

yes的第三个字母s在字母表中是第19个字母，就代表把原文第3个字母后移19位。

这样原文的前三个字母，就分别用了第25套、第5套、第19套替代法。

那原文第4个、第5个、第6个字母怎么解决呢？好办，就按刚刚的规则循环就好。

所以，正如天下没有免费的午餐，维吉尼亚加密法的高安全性也带来了操作的复杂性。

所以在它诞生后的200多年时间里，几乎没有人用。既然没人使用，自然200多年也就没有人破解。

直到1861年到1865年美国南北战争时期，维吉尼亚加密法才被广泛使用。

直到十九世纪中叶，随着科学技术的飞速发展，机械加密设备的出现使得维吉尼亚加密法的实用性大幅提升，这一加密技术终于在美国南北战争期间得到了广泛应用。

这一转变不仅是加密技术进步的象征，也是科学与技术相互促进、共同发展的一个缩影。

从维吉尼亚加密法的发展历程中，我们可以看到科学技术进步的重要性，以及在面对新挑战时，人类智慧的无限可能。

它教会我们，无论是在密码学还是其他领域，创新和适应都是推动发展的不竭动力。

好，今天就先这样啦，下篇继续～

科学羊🐏  2024/04/01

祝幸福~

参考文献

[1].https://www.dedao.cn/course/article?id=DAgOBQ46R1rnXRWd5KdLzGqEZ3aY7e

[2].卓克密码学课

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