密碼學(xué)
前段時(shí)間上映了一部電影叫，懸崖之上，不知道大家有沒(méi)有看，它主要講的是一群特工，在執(zhí)行一項(xiàng)秘密行動(dòng)的故事，在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，需要傳遞情報(bào)，經(jīng)常會(huì)用密碼，俗話說(shuō)，君不密，則失臣，臣不密，則失身，已事不密則害成，換句話說(shuō)，如果沒(méi)有機(jī)密，就會(huì)有危險(xiǎn)，孫子兵法里也說(shuō)，知己知彼，百戰(zhàn)不殆，說(shuō)明在戰(zhàn)爭(zhēng)中，沒(méi)有比刺探別人的情報(bào)，我們回顧歷史，有多少權(quán)力爭(zhēng)權(quán)和戰(zhàn)爭(zhēng)，背后就有多少秘密，密碼學(xué)，就是這樣誕生的，我們也經(jīng)常在電影電視上看到過(guò)很多加密方法，但我估計(jì)你可能不知道它背后的原理，今天我們就聊一聊，密碼的前世今生。
什么是密碼
雖然現(xiàn)在我們這么稱呼，其實(shí)在古代，人們是先研究了密，然后再去研究碼，密碼的歷史非常久遠(yuǎn)，剛開(kāi)始是從秘密書(shū)信開(kāi)始，人們的想法就是，先把信里的內(nèi)容給藏起來(lái)，據(jù)文獻(xiàn)記載，在公元前5世紀(jì)，希臘和波斯之間正在打仗，希臘這邊呢，為了去送信，會(huì)把信寫(xiě)在木板上，然后在上面涂上一層臘，收信人拿到之后，把臘刮掉，就能看到信上的字，還有一種方法，是把信史的頭發(fā)剃光，把信寫(xiě)在頭皮上，等信史的頭發(fā)長(zhǎng)出來(lái)之后，然后再去送信，到了之后再把頭發(fā)給剃了，這種直接掩蓋信息的方法，叫做隱匿法，這種方法很常見(jiàn)，現(xiàn)在還有在使用，比如，在電影上經(jīng)?？吹降模秒[形墨水寫(xiě)信，或者把信放在膠囊吞到肚子里等等，這種方法能被用了這么久，說(shuō)明這個(gè)方法很管用，但是，這個(gè)方法它也有很大的缺點(diǎn)，就是如果敵人非常認(rèn)真找的話，情報(bào)就容易暴露，于是，人們就在研究，就是說(shuō)，有沒(méi)有另外一種可能，就算敵人找到了信，但還是看不懂寫(xiě)的是什么，順著這個(gè)思路，各種密碼就出現(xiàn)了，密碼剛開(kāi)始呢，出現(xiàn)了很多種方法，但是原理只有兩個(gè)，一種是移位法，另一種是替代法，什么是移位法，就是把想要說(shuō)的那個(gè)字母，向后移動(dòng)一位，比如，你想要寫(xiě)A,你就寫(xiě)成B，想寫(xiě)B(tài)，你就寫(xiě)成C，依次類(lèi)推，就敵人看到信之后，也看不懂上面的意思，但是如果說(shuō)能找到這里的規(guī)律，也就被破譯了，這種方法，最早是由凱撒大帝發(fā)明的，所以移位式加密，也叫凱撒加密法，另一種替代法，就是先將字母隨意搭配，再用配好的字母替代原來(lái)的字母，比如我們可以指定用A代表V，B代表T等等，就是說(shuō)替代的規(guī)則是人提前定好的，所以更加靈活，也更難破解。
凱撒密碼
這兩種方法雖然很好用，但是它都有本質(zhì)上的弱點(diǎn)，就是這些拼出來(lái)的字母，每一個(gè)出現(xiàn)的頻率是不一樣的，比如在英文里頭，字母A和E會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)，所以不管哪個(gè)方法，只要是用一套加密方案，那么只要統(tǒng)計(jì)字母出現(xiàn)的頻率。就能找到破解的方向，于是人們又在這兩個(gè)方法的基礎(chǔ)上，發(fā)明了一套新的加密方法，這個(gè)方法是由一個(gè)叫維吉尼亞的法國(guó)外交官發(fā)明的，所以叫做維吉尼亞加密法，這個(gè)方法最大的特點(diǎn)，是它給每個(gè)字母都設(shè)了一套加密方法，一個(gè)字母有26套方案，通訊的雙方需要提前約定好一組數(shù)字，這樣就知道哪個(gè)字母用哪一套方案了，維吉尼亞加密法確實(shí)提高的密碼的安全性，但是用起來(lái)有點(diǎn)麻煩，在手工計(jì)算的時(shí)代，并沒(méi)有被廣泛的應(yīng)用。
二戰(zhàn)德國(guó)恩尼格瑪密碼機(jī)
恩尼格瑪密碼機(jī)
直到機(jī)械時(shí)代才算真正使用上，在兩次世界大戰(zhàn)中，對(duì)加密的技術(shù)需求非常強(qiáng)烈，一方面因?yàn)闄C(jī)械的出現(xiàn)，提高了效率，另一方面因?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)的需要，也讓加密的場(chǎng)合就越來(lái)越多，比如，在戰(zhàn)爭(zhēng)中，會(huì)使用大量的無(wú)線電通訊，但是，因?yàn)殡p方都能截獲這些信號(hào)，所以就需要加密，在第二次世界大戰(zhàn)中，德國(guó)發(fā)明了一種叫恩尼格瑪?shù)拿艽a機(jī)，因此出現(xiàn)了密碼學(xué)歷史上最著名的密碼攻防戰(zhàn)，就是英國(guó)的密碼專家，攻破德國(guó)恩尼格瑪密碼機(jī)，恩尼格瑪是一種機(jī)械電子加密機(jī)，也是第一個(gè)量產(chǎn)的加密機(jī)器，它的樣子有點(diǎn)像打字機(jī)，有鍵盤(pán)有顯示裝置，內(nèi)部是機(jī)械和電子零件，操作員每敲一下字母，經(jīng)過(guò)電子和機(jī)械的轉(zhuǎn)換，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)應(yīng)的字母，這就是加密之后的密碼，聽(tīng)起來(lái)似乎沒(méi)什么特別，但是它最牛的是，它的核心叫編碼器，編碼器的核心是齒輪，每敲一次，齒輪就旋轉(zhuǎn)一格，齒輪只要一轉(zhuǎn)，內(nèi)部的線路連接就會(huì)發(fā)生變化，加密的結(jié)果就會(huì)不一樣，早期的恩尼格瑪齒輪只有6格，也就是只有6套加密方法，后來(lái)，齒輪增加到26格，但是感覺(jué)還不夠用，就又增加了一個(gè)同樣的齒輪，就是26乘26，也就是676套算法，這樣的密碼機(jī)也是僅僅夠商業(yè)使用，德國(guó)軍方的密碼機(jī)是8個(gè)齒輪，這8個(gè)齒輪有多少套加密方案呢，這個(gè)數(shù)字可能你都想象不到，它有2000多億套加密算法，這是什么概念呢，我們知道，最新的大英百科全書(shū)，也只有6000多萬(wàn)個(gè)單詞，咱們就算它每個(gè)單詞平均有10字母，也就是說(shuō)我們把每個(gè)單詞打上300遍，也用不完全部的加密方法。
恩尼格瑪密碼機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)
從理論上講，這樣的機(jī)器幾乎是無(wú)法攻破的，所以，在戰(zhàn)爭(zhēng)中德軍大約裝備了三萬(wàn)臺(tái)這樣的機(jī)器，可見(jiàn)德國(guó)人對(duì)它的信任,恩尼格瑪密碼機(jī)它的原理，其實(shí)用的還是傳統(tǒng)的方法，移位法和替代法，只是大大提高了數(shù)量級(jí)，那英國(guó)的情報(bào)部門(mén)又是怎么破解的呢，其實(shí)它是由波蘭，法國(guó)和英國(guó)，這個(gè)三個(gè)國(guó)家合作完成的，先是通過(guò)間諜活動(dòng)和軍事襲擊，搞到軍方的恩尼格瑪密碼機(jī)，法國(guó)又弄來(lái)了它的使用說(shuō)明書(shū)，但是有了說(shuō)明書(shū)，也不能直接破譯，因?yàn)橛?000多億套方案，你根本不知道到底用的哪一套，當(dāng)初德軍就是假設(shè)如果敵人弄到了一模一樣的機(jī)器，也不能破解，這才批準(zhǔn)使用恩尼格瑪密碼機(jī)，波蘭的密碼學(xué)家，做了一些嘗試，能在一定程度上破解密碼，這給了英國(guó)很大的希望，于是開(kāi)始大量招募語(yǔ)言學(xué)家，科學(xué)家，還有數(shù)學(xué)家，組成了一支7000人的密碼破譯隊(duì)伍，這些學(xué)者每天24小時(shí)不停的做解密工作，最終破譯成功是，著名的數(shù)學(xué)家艾倫圖靈，也是計(jì)算機(jī)科學(xué)的奠基人，電腦用的英偉達(dá)顯卡的那個(gè)圖靈架構(gòu)，就是以他的名字命名的，圖靈發(fā)現(xiàn)截獲的德國(guó)密碼里，有大量的規(guī)律，比如，像希特勒萬(wàn)歲這樣的句子就經(jīng)常出現(xiàn)，還有每天早上六點(diǎn)，德軍要發(fā)一份當(dāng)天的天氣預(yù)報(bào)，而且格式非常固定，比如，僅僅憑著經(jīng)驗(yàn)就判斷出天氣這個(gè)單詞，然后圖靈用出現(xiàn)頻率高的單詞，來(lái)進(jìn)行反推，但是我們前面說(shuō)過(guò)，這個(gè)機(jī)器它有2000多億種加密方式，最后圖靈也僅僅將范圍縮小到105萬(wàn)種，但是如果用手來(lái)算，它也是個(gè)天文數(shù)字，圖靈也專門(mén)為它設(shè)計(jì)了一種破譯的機(jī)器，這就是計(jì)算機(jī)最早的原型，它的代號(hào)叫做炸彈，炸彈的數(shù)量越多，破解的速度也就越快，最終他們制造了49個(gè)機(jī)器，最快只需要1個(gè)小時(shí)，就能破譯德軍的密碼，從這之后，英國(guó)扭轉(zhuǎn)了德國(guó)在歐洲的局勢(shì)。
納瓦霍密碼
納瓦霍人
當(dāng)然戰(zhàn)爭(zhēng)是一場(chǎng)博弈，你能截獲對(duì)方的情報(bào)，對(duì)方也能破解你的情報(bào)，在太平洋的戰(zhàn)場(chǎng)上，美軍就想，找到一種沒(méi)有規(guī)律可言的加密方法，于是就想到了用少數(shù)民族的語(yǔ)言直接當(dāng)作密碼，我們國(guó)家當(dāng)時(shí)在抗戰(zhàn)的時(shí)候，也用溫州話做過(guò)通訊，最早提出這種想法，是一位叫約翰斯頓的工程師，約翰斯頓是父親是一名傳教士，為了傳教，他生活在納瓦霍人的保留區(qū)，納瓦霍人是美國(guó)原住民其中的一個(gè)部落，本來(lái)數(shù)量就很少，約翰斯頓最極少的同時(shí)掌握英語(yǔ)的納瓦霍語(yǔ)的人，他明白納瓦霍語(yǔ)很少有人知道，別人根本就聽(tīng)不懂，軍方為了檢驗(yàn)它的保密性，美軍將納瓦霍語(yǔ)的信息交給了情報(bào)部門(mén)，讓他們當(dāng)成密碼來(lái)破譯，結(jié)果這些專家們，沒(méi)日沒(méi)夜地忙了三個(gè)星期，連一點(diǎn)頭緒都沒(méi)有，專家們甚至無(wú)法用文字來(lái)記錄，更不用說(shuō)破譯了，納瓦霍密碼成功通過(guò)了檢驗(yàn)，其實(shí)美國(guó)還有很多的原住民和語(yǔ)言，納瓦霍人因?yàn)槭怯泻屯饷娴娜私佑|過(guò)，所以說(shuō)，他的語(yǔ)言，很少有人會(huì)知道，它就是天然的加密語(yǔ)言，于是美軍招募了29名納瓦霍人，他們?yōu)閼?zhàn)爭(zhēng)做出了巨大的貢獻(xiàn)，而且還創(chuàng)造了一個(gè)歷史記錄，就是納瓦霍密碼是世界從沒(méi)有被破譯的密碼之一，美國(guó)為了紀(jì)念納瓦霍人為二戰(zhàn)作出的貢獻(xiàn)，還將每年的8月14日定為，納瓦霍密語(yǔ)通話員國(guó)定紀(jì)念日
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)時(shí)候密碼
到了現(xiàn)代，由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，密碼的加密方案，不管是從質(zhì)還是量，都達(dá)到質(zhì)的飛越，我們都知道計(jì)算機(jī)是二進(jìn)制，一切的信息都可以有O和1來(lái)表示，每個(gè)字母在計(jì)算機(jī)都是0和1的代碼，目前通用的代碼叫做美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼，每個(gè)字母都是由7個(gè)0.1，0.1的代碼組成，我們用計(jì)算機(jī)加密的時(shí)候，其實(shí)就是不同的0和1，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，把語(yǔ)言數(shù)字化了，打破了語(yǔ)言規(guī)律的底層結(jié)構(gòu)，數(shù)字化讓密碼學(xué)進(jìn)入了新的時(shí)代，還有一個(gè)非常重要的變化就是，就是加密的過(guò)程不用再保密了，以前的加密方法，它都有要保密，不能讓別人知道加密規(guī)則，可是現(xiàn)在，我們完全公開(kāi)技術(shù)細(xì)節(jié)，這里加密最核心的原理叫分解制因數(shù)，這個(gè)技術(shù)很關(guān)鍵，什么意思呢，我們?cè)趯W(xué)校都學(xué)過(guò)質(zhì)數(shù)，所謂質(zhì)數(shù)就是不能被其它數(shù)字整除的數(shù)字，舉個(gè)例子，12能夠被2.3.4.6整除，它就不是質(zhì)數(shù)，13不能被整除，它就是質(zhì)數(shù)，同樣，23也是質(zhì)數(shù)，如果我們將兩個(gè)質(zhì)數(shù)相乘，比如13乘23，得出299，這個(gè)很容易計(jì)算，但是如果問(wèn)299是哪兩個(gè)質(zhì)數(shù)相乘的，這個(gè)就計(jì)算起來(lái)很困難，只能用笨方法一遍一遍地試，這個(gè)方法就叫分解制因數(shù)，結(jié)果只有我知道，這就是保密的鑰匙，這套加密算法是由美國(guó)麻省理工的三位科學(xué)家發(fā)明，這三位科學(xué)家的首字母為RSA，所以這套算法被命名為RSA加密算法，可能有人覺(jué)得，這樣的算法，麻煩是麻煩，但也不是太困難啊，其實(shí)一般在用RSA加密的時(shí)候，用的這個(gè)數(shù)字會(huì)非常的大，數(shù)字越大，分解它所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，1977年，為了驗(yàn)證這個(gè)算法有多可靠，這三個(gè)科學(xué)家給雜志上投了一篇文章，解釋了RSA加密算法的工作原理，還下一個(gè)挑戰(zhàn)書(shū)，寫(xiě)了一串密碼，然后給了一個(gè)129位的數(shù)字，這串?dāng)?shù)字就是公開(kāi)的那把鎖，懸賞100美元，邀請(qǐng)大家來(lái)破解，最終這個(gè)密碼還是被破解了，但是它是怎么破解的呢，它是由600人組成的團(tuán)隊(duì)，他們借助了全球各地計(jì)算機(jī)，還動(dòng)用了超級(jí)計(jì)算機(jī)，即使是這樣，也花了整整17年的時(shí)間，成功破解了密碼，這也證明了它的可靠性，如果是在戰(zhàn)場(chǎng)上，17年后得到的情報(bào)，破解了也沒(méi)啥用。
今天我們?cè)谟肦SA算法的時(shí)候，使用的數(shù)一般都是300位以上，想分解這樣一個(gè)數(shù)，需要把全球的計(jì)算機(jī)集中起來(lái)，一塊工作上億年才能破解，目前看來(lái)啊，RSA加密算法，是非?？煽康募用芊绞?，所以它也被廣泛應(yīng)用在各種場(chǎng)合，比如我們使用的網(wǎng)銀支付，網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)支付等等，背后都有使用這種算法。
其實(shí)講到這，故事也就講完了，雖然說(shuō)現(xiàn)代社會(huì)，我們的加密方式非?？煽?，但我們回顧密碼學(xué)的歷史，每一個(gè)時(shí)代都是加密和被破譯的過(guò)程，魔高一尺，道高一丈，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這是一場(chǎng)永遠(yuǎn)都沒(méi)有終結(jié)的拉鋸戰(zhàn)，現(xiàn)在已經(jīng)有科學(xué)家，用量子計(jì)算機(jī)來(lái)破譯RSA算法，所以并沒(méi)有一勞永逸的加密手段，這將是一場(chǎng)沒(méi)有終點(diǎn)的戰(zhàn)爭(zhēng)。
