密碼的秘密

公元前1500年，陶工用密碼隱藏他的上釉秘方；二戰(zhàn)時(shí)期，恩尼格碼加密機(jī)讓盟軍譯碼人員倍感頭疼；如今，密碼學(xué)正朝著量子系統(tǒng)前進(jìn)

秘密總是很吸引人，為了保護(hù)那脆弱的秘密，人們常常會使用密碼——密碼使機(jī)密的內(nèi)容難以被人偷看，防止秘密落入他人之手。

轉(zhuǎn)換密碼

密碼的世界籠罩著神秘，也充滿詭計(jì)、虛假情報(bào)和欺騙。那么，密碼究竟是何時(shí)產(chǎn)生的呢？

早在公元前1500年，一個(gè)陶工用密碼隱藏他的上釉秘方，他因此而成為人們已知的最早的編碼人。此后數(shù)千年，密碼越來越多地被用于戰(zhàn)爭之中。比如，古羅馬的凱撒大帝是威震世界的羅馬統(tǒng)帥，他為了避免軍令落入敵人手中而泄密，發(fā)明出一種密碼——?jiǎng)P撒碼。

第一次世界大戰(zhàn)時(shí)，使用化學(xué)手段加密的做法開始流行，用醋酸在生雞蛋的蛋殼上寫字，等字跡干透之后，蛋殼上就什么也看不到了。然后，再將雞蛋煮熟，剝掉蛋殼，字跡就透過蛋殼印在蛋白上面了。

到了二戰(zhàn)時(shí)期，最早的密碼機(jī)——輪子密碼機(jī)正式到來。它是由美國第三任總統(tǒng)托馬斯杰斐遜發(fā)明的，所以也叫“杰斐遜密碼機(jī)”。

相對于手工編碼，杰斐遜密碼機(jī)有點(diǎn)兒復(fù)雜，它的原理有點(diǎn)像套圈游戲，前提是加密和解密的輪子密碼機(jī)是一模一樣的。它由一根鐵軸和36個(gè)穿在軸上的木質(zhì)輪子組成，每個(gè)輪子的表面都有26個(gè)字母，而且字母的順序都不同，再給鐵軸加上螺帽，密碼機(jī)就搞定了。

發(fā)展到今天，除了應(yīng)用于戰(zhàn)爭外，密碼的使用也更是廣泛和頻繁，電腦和各種賬號的密碼，保證了你的信息安全，政府和間諜則使用各種密碼傳遞秘密情報(bào)。

簡單的密碼有兩種：一種是用別的符號、字母和數(shù)字代替其他字母的替代密碼；另一種是把字母用別的順序編寫的轉(zhuǎn)換密碼。我們常用的密碼主要是轉(zhuǎn)換密碼，比較早的轉(zhuǎn)換密碼有凱撒移位法，它的加密方式是將普通字母表向后移動(dòng)幾位。如圖01。

圖中的這種方法可以提供25種可能，想要破解也只要嘗試25次即可。為了增加譯碼的難度，可以在凱撒移位密碼里加入關(guān)鍵詞。首先，將關(guān)鍵詞放在字母表的開頭，然后按照順序完成字母表中剩余部分，從關(guān)鍵詞的最后一個(gè)字母開始，省略用過的字母。

比如以“l(fā)ook”為關(guān)鍵詞，把它放在密碼的字母表開頭，因?yàn)橐÷杂眠^的字母，“l(fā)ook”只能寫為“l(fā)ok”，并且后面的字母表中的“O”也要一并省去，即：

明碼表 ABCDEFGHIJKLMN密碼表 LOKLMNPQRSTUVW

這種密碼提供了超過N種的可能性，也許你會認(rèn)為這樣的一種密碼就可以很好地保護(hù)你的信息安全了。實(shí)際上，通過大量的統(tǒng)計(jì)，人們發(fā)現(xiàn)英語中有幾種字母出現(xiàn)的頻率比其他字母要高很多，這就給譯碼人員提供了一種強(qiáng)有力的武器——頻率分析法。凱撒移位法只是掩蓋了字母本身，并不能改變字母出現(xiàn)的頻率，這樣的密碼正好讓頻率分析法大顯身手。

編碼機(jī)器——恩尼格瑪機(jī)

頻率分析一出現(xiàn)，編碼人員就開始尋找破壞頻率分析的方法。15世紀(jì)，一個(gè)叫利昂·巴提斯塔·艾伯提的人想出了使用兩個(gè)或更多字母表進(jìn)行加密的方法——多字母表替代體系。這種替代體系雖然可以阻止譯碼人員使用頻率分析法譯出密碼，但是在緊急情況下出錯(cuò)的幾率也非常高。為了更好地使用這種編碼方法，人們需要一種方便的編碼機(jī)器。二戰(zhàn)時(shí)期，讓盟軍譯碼人員倍感頭疼的恩尼格碼機(jī)就是其中的著名代表。

恩尼格碼加密法是利用電機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)多碼變換的，這種系統(tǒng)叫作回轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)?；剞D(zhuǎn)輪是一個(gè)圓盤，它的兩面都有電子接點(diǎn)，每個(gè)接點(diǎn)代表字母表中的一個(gè)字母?；剞D(zhuǎn)輪內(nèi)部有連接各接點(diǎn)的電線，這種連接方式定義了簡單單碼替換方式。數(shù)個(gè)這樣的回轉(zhuǎn)輪和一個(gè)反射器組合起來就構(gòu)成了強(qiáng)大的恩尼格碼加密機(jī)。

恩尼格瑪機(jī)密碼

01 凱撒移位密碼。

02 恩尼格碼機(jī)核心部分示意圖，圖中按下鍵盤b，顯示器上的D字母對應(yīng)的燈亮。

為了讓恩尼格碼變得無法破解，人們在恩尼格碼機(jī)上加入了一些其它元素：讓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來，可以互換的轉(zhuǎn)子，在機(jī)器前加入插接板或加入反射體。反射體的加入，使穿過三個(gè)轉(zhuǎn)子之后的電流并不直接流向顯示屏，而是沿著另一條叫作反射體的線路流動(dòng)，從轉(zhuǎn)子反方向流回來。

這個(gè)體系設(shè)計(jì)得很精細(xì)，讓電流總是能沿著不同的線路流回來。但是，這加入反射體后的恩尼格碼機(jī)無法讓被加密的字母變成它本身，正是這個(gè)看似不起眼的弱點(diǎn)卻成了破解它的關(guān)鍵。

想要解開恩尼格碼，就必須知道加密方的加密字母表，也就是轉(zhuǎn)子的設(shè)置。為了檢測那些可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)子位置，二戰(zhàn)時(shí)期盟軍設(shè)計(jì)了一種名叫“炸彈”的機(jī)器。為了解密，他們首先需要找到一個(gè)突破口，這并不容易，但是恩尼格碼不能加密為本身的特性幫助了他們。譯碼人員把普通詞放在密電上方，觀察是否有任何字母相同。如果有，譯碼人就試別的地方，如此反復(fù)直到試出正確位置。

直到20世紀(jì)70年代，恩尼格碼機(jī)解碼的秘密才公之于眾。而那時(shí)，世界各地都已開始使用計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)計(jì)算能力，讓那些經(jīng)典的加密方法全部失效。但是先哲的思想并未失效，而且密碼學(xué)也仍然在飛速發(fā)展，眼下它正朝著量子系統(tǒng)前進(jìn)。

一旦進(jìn)入這種新的世界，密碼學(xué)會發(fā)生什么變化，我們難以猜測。但可以預(yù)見的是，這一定不是密碼學(xué)故事的結(jié)束，而只是另一個(gè)新的開始。