科普漫谈 | 密码学发展简史：古典密码的起源（上）
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密码学主要分为两个阶段：
第一阶段 艺术时代（1949年前）
第二阶段 科学时代（1949-现在）
近代密码学（1949-1975）
现代密码学（1976-现在）
本期就走进密码学的第一阶段——艺术时代，古典密码和近代密码的两个传统密码时期都属于这个时代，本期我们会在两个时期中各挑选一部分密码进行分享。如果文章对你有用，欢迎大家收藏或者转发给有需要的人哦~
如果对相关的其他传统密码感兴趣的，也欢迎在评论区踊跃留言，我们会根据相关反馈进行相关的加更与知识扩展
一、古典密码学
在密码学发展史上，按照时间划分，1949年以前的密码算法都属于密码学的第一阶段，包含古典密码学和近代密码学。这一时期的密码是一种艺术，还不能叫科学。
◉起始时间：从古代到19世纪末，长达几千年
◉密码体制：纸、笔或者简单器械时间的代换及置换，是一种艺术（富有创造性的方式、方法）。
◉技术工具：手工
◉通信手段：信使
◉典型密码：滚筒密码、凯撒密码、维吉尼亚密码等。
古典密码学源自数千年前。最早在公元前1900 年左右的古埃及，就出现过使用特殊字符和简单替换式密码来保护信息。美索不达米亚平原上曾出土一个公元前1500年左右的泥板，其上记录了加密描述的陶器上釉工艺配方。
古希腊时期（公元前800 - 前146 年）还发明了通过物理手段来隐藏信息的“隐写术”，例如使用牛奶书写、用蜡覆盖文字等。后来在古罗马时期还出现了基于替换加密的凯撒密码，据称凯撒曾用此方法与其部下通信而得以命名。
古典密码主要分为代换密码和置换密码。
代换密码（Simple Substitution Cipher）：构造一个或多个密文字母表，然后用密文字母表中的字母或字母组来代替明文字母或字母组。各字母或字母组的相对位置不变，但其本身改变了。
置换密码（Permutation Cipher 或 Transposition Cipher）：又称换位密码。把明文中的字母重新排序，字母本身不变，但其位置改变了。
PS：这里这里列举3种经典密码详细介绍，感兴趣的读者可以自行搜索相关知识来了解其他古典密码的知识。
滚筒密码
滚筒密码相传发源于2400多年前的欧洲，当时，希腊两大城邦雅典和斯巴达为了争夺霸权，彼此带领着各自的盟国曾经进行了长达20多年的战争。一次偶然的机会，斯巴达抓获了一名前往波斯的雅典信使。信使身上有一条特殊的腰带。
然而斯巴达的统帅莱桑德无意间将腰带缠到一根木棍上的时候，发现这原来是一封雅典和波斯联络的密信。根据这个情报，莱桑德一方面假意和雅典和谈，另一方面发兵击败了波斯军队，然后杀个回马枪击败雅典，从而最终确立了斯巴达的霸权。
▲图片为滚筒密码腰带
滚筒密码的加密原理就是双方规定好木棍的直径，写信人把腰带绑在木棍上书写，在收信人收到信之后，只需要把腰带绑到相同规格的木棍上就能还原信的内容。
恺撒密码
大约在公元前50年，在罗马帝国扩张期间出现著名的恺撒（Caesar）大帝在作战时频繁使用，后人称之为“恺撒密码”。恺撒密码其实是一种非常简单的加密技术，但在当时的战争中发挥了极其重要的作用。
▲图片为凯撒密码的概述图
凯撒密码的的解密解密方式依赖于字母表的替换，核心要义是把字母表平移，加密解密双方约定一个小于26的数字，将字母表平移，比如当平移为3时，字母表就变成了
DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC
使用这个新的字母表对原来的字母替换即可，解密只需要按照相反的操作，把字母表反向移动相应的位数就可以解密原有的消息。
ADFGX / ADFGVX密码
ADFGX密码是1918年3月由德军上校Fritz Nebel发明的，是结合Polybius密码和置换密码的双重加密方案。A、D、F、G、X即Polybius方阵中的前5个字母。
明文：A T T A C K A T O N C E
经过Polybius变换：AF AD AD AF GF DX AF AD DF FX GF XF
下一步，利用一个移位密钥加密。假设密钥是“CARGO”，将之写在新格子的第一列。再将上一阶段的密码文一列一列写进新方格里。
C A R G O
A F A D A
D A F G F
D X A F A
D D F F X
G F X F X
最后，密钥按照字母表顺序“ACGOR”排序，再按照此顺序依次抄下每个字母下面的整列讯息，形成新密文。如：FAXDF ADDDG DGFFF AFAXX AFAFX
在实际应用中，移位密钥通常有两打字符那么长，且分解密钥和移位密钥都是每天更换的。
ADFGVX密码
ADFGVX密码则是在1918年6月，再加入一个字V扩充。变成以6×6格共36个字符加密。这使得所有英文字母（不再将I和J视为同一个字）以及数字0到9都可混合使用。这次增改是因为以原来的加密法发送含有大量数字的简短信息有问题。
很多古代密码的设计原则仍然有效；
不少古代密码术例如代称、隐语的应用一直延续到现代；
古典密码的设计和破解通常凭借灵感和技巧，充满了艺术性，绝对能称得上古人的智慧高峰。
其实不管是恺撒密码还是滚筒密码，都有很容易自身被破译的缺点，但如果将置换密码与代替密码二者组合起来，则可以在一定程度上使得变换更复杂。
Enigma密码机是二战时期的纳粹德国及其盟国，特别是德国军方所使用的一种高级机械加密系统。其外观和打字机有几分相似，主要分为键盘、灯盘、转子和插线板四部分。
其中键盘一共有26个字母键。键盘上方是标示了同样字母的26个小灯泡，当键盘上的某个键被按下时，和这个字母被加密后的密文字母所对应的小灯泡就亮了起来。这种加密方式在密码学上被称为“复式替换密码”。
Enigma密码机有多厉害呢？密码机内有三至四个机械转子，用于改变加密文字的电路信号。一个转子可以有26种排列方法，如果是三个转子，也就是26的3次方——17576种。同时三个转子间不同的相对位置顺序为6种，连接板可以使6对字母替换，两两交换6对字母的可能性为100391791500种。那么所有可能性相乘，一共能产生多少种可能呢？
约为1.06x10种！
一亿亿种可能性，用“暴力破解法”来破解几乎是不可能的。不过在1940年，英国军情六处在布莱切利买下了一个隐蔽的庄园，被后世称为：布莱切利园，在这里有将近1万人为破解恩尼格码机而忘我工作着。
历经一路大神的研究开发，加上图灵的天才设想，研制出了“炸弹机”。英国依靠BOMBE破解了德军最高指挥中心的代号为“谜(Enigma)”的通讯密码系统，赢得了主动，取得了二战的胜利。
好了，本期节目我们先聊到这里，下期开始，进入科学时代中的近代密码学。
关键词：香农、费斯妥
另外，如果大家对Enigma密码机的历史很感兴趣，可以在公众号后台回复【密码机】，如果大家对于Enigma密码机的兴趣高涨，我们将加更一期，详细聊聊硝烟中的艺术品——Enigma。
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排版 | 李福玲 图片 | 杨雅清
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