密码学

密码学

密码学是研究编制密码和破译密码的技术科学。研究密码变化的客观规律，应用于编制密码以保守通信秘密的，称为编码学；应用于破译密码以获取通信情报的，称为破译学，总称密码学。电报最早是由美国的摩尔斯在1844年发明的，故也被叫做摩尔斯电码。它由两种基本信号和不同的间隔时间组成：短促的点信号" ．"，读" 的 "（Di）；保持一定时间的长信号"—"，读"答 "（Da）。间隔时间：滴，1t；答,3t；滴答间,1t；字母间,3t；字间,5t。

基本简介

密码学（在西欧语文中，源于希腊语kryptós“隐藏的”，和gráphein“书写”）是研究如何隐密地传递信息的学科。在现代特别指对信息以及其传输的数学性研究，常被认为是数学和计算机科学的分支，和信息论也密切相关。著名的密码学者Ron Rivest解释道：“密码学是关于如何在敌人存在的环境中通讯”，自工程学的角度，这相当于密码学与纯数学的异同。密码学是信息安全等相关议题，如认证、访问控制的核心。密码学的首要目的是隐藏信息的涵义，并不是隐藏信息的存在。密码学也促进了计算机科学，特别是在于电脑与网络安全所使用的技术，如访问控制与信息的机密性。密码学已被应用在日常生活：包括自动柜员机的芯片卡、电脑使用者存取密码、电子商务等等。

密码是通信双方按约定的法则进行信息特殊变换的一种重要保密手段。依照这些法则，变明文为密文，称为加密变换；变密文为明文，称为脱密变换。密码在早期仅对文字或数码进行加、脱密变换，随着通信技术的发展，对语音、图像、数据等都可实施加、脱密变换。

发展历程

密码学（在西欧语文中，源于希腊语kryptós“隐

藏的”，和gráphein“书写”）是研究如何隐密地传递信息的学科。在现代特别指对信息以及其传输的数学性研究，常被认为是数学和计算机科学的分支，和信息论也密切相关。著名的密码学者Ron Rivest解释道：“密码学是关于如何在敌人存在的环境中通讯”，自工程学的角度，这相当于密码学与纯数学的异同。密码学是信息安全等相关议题，如认证、访问控制的核心。密码学的首要目的是隐藏信息的涵义，并不是隐藏信息的存在。密码学也促进了计算机科学，特别是在于电脑与网络安全所使用的技术，如访问控制与信息的机密性。密码学已被应用在日常生活：包括自动柜员机的芯片卡、电脑使用者存取密码、电子商务等等。

密码是通信双方按约定的法则进行信息特殊变换的一种重要保密手段。依照这些法则，变明文为密文，称为加密变换；变密文为明文，称为脱密变换。密码在早期仅对文字或数码进行加、脱密变换，随着通信技术的发展，对语音、图像、数据等都可实施加、脱密变换。

密码学是在编码与破译的斗争实践中逐步发展起来的，并随着先进科学技术的应用，已成为一门综合性的尖端技术科学。它与语言学、数学、电子学、声学、信息论、计算机科学等有着广泛而密切的联系。它的现实研究成果，特别是各国政府现用的密码编制及破译手段都具有高度的机密性。

进行明密变换的法则，称为密码的体制。指示这种变换的参数，称为密钥。它们是密码编制的重要组成部分。密码体制的基本类型可以分为四种：错乱－－按照规定的图形和线路，改变明文字母或数码等的位置成为密文；代替－－用一个或多个代替表将明文字母或数码等代替为密文；密本－－用预先编定的字母或数字密码组，代替一定的词组单词等变明文为密文；加乱－－用有限元素组成的一串序列作为乱数，按规定的算法，同明文序列相结合变成密文。以上四种密码体制，既可单独使用，也可混合使用 ，以编制出各种复杂度很高的实用密码。

20世纪70年代以来，一些学者提出了公开密钥体制，即运用单向函数的数学原理，以实现加、脱密密钥的分离。加密密钥是公开的，脱密密钥是保密的。这种新的密码体制，引起了密码学界的广泛注意和探讨。

利用文字和密码的规律，在一定条件下，采取各种技术手段，通过对截取密文的分析，以求得明文，还原密码编制，即破译密码。破译不同强度的密码，对条件的要求也不相同，甚至很不相同。

理论基础

在通信过程中，待加密的信息称为明文，已被加密的信息称为密文，仅有收、发双方知道的信息称为密钥。在密钥控制下，由明文变到密文的过程叫加密，其逆过程叫脱密或解密。在密码系统中，除合法用户外，还有非法的截收者，他们试图通过各种办法窃取机密（又称为被动攻击)或窜改消息（又称为主动攻击）。

对于给定的明文m和密钥k，加密变换Ek将明文变为密文c=f(m，k)=Ek(m)，在接收端，利用脱密密钥k1，（有时k=k1，）完成脱密操作，将密文c恢复成原来的明文m=Dk1(c)。一个安全的密码体制应该满足：①非法截收者很难从密文C中推断出明文m；②加密和脱密算法应该相当简便，而且适用于所有密钥空间；③密码的保密强度只依赖于密钥；④合法接收者能够检验和证实消息的完整性和真实性；⑤消息的发送者无法否认其所发出的消息，同时也不能伪造别人的合法消息；⑥必要时可由仲裁机构进行公断。

现代密码学所涉及的学科包括：信息论、概率论、数论、计算复杂性理论、近世代数、离散数学、代数几何学和数字逻辑等。

专业术语

密钥：分为加密密钥和解密密钥。

明文：没有进行加密，能够直接代表原文含义的信息。

密文：经过加密处理处理之后，隐藏原文含义的信息。

加密：将明文转换成密文的实施过程。

解密：将密文转换成明文的实施过程。

密码算法：密码系统采用的加密方法和解密方法，随着基于数学密码技术的发展，加密方法一般称为加密算法，解密方法一般称为解密算法。

直到现代以前，密码学几乎专指加密(encryption）算法：将普通信息（明文,plaintext）转换成难以理解的资料（密文,ciphertext）的过程；解密(decryption）算法则是其相反的过程：由密文转换回明文；加解密包含了这两种算法，一般加密即同时指称加密(encrypt或encipher）与解密(decrypt或decipher）的技术。

加解密的具体运作由两部分决定：一个是算法，另一个是密钥。密钥是一个用于加解密算法的秘密参数，通常只有通讯者拥有。历史上，密钥通常未经认证或完整性测试而被直接使用在密码机上。

密码协议（cryptographic protocol）是使用密码技术的通信协议（communication protocol）。近代密码学者多认为除了传统上的加解密算法，密码协议也一样重要，两者为密码学研究的两大课题。在英文中，cryptography和cryptology都可代表密码学，前者又称密码术。但更严谨地说，前者（cryptography）指密码技术的使用，而后者（cryptology）指研究密码的学科，包含密码术与密码分析。密码分析（cryptanalysis）是研究如何破解密码学的学科。但在实际使用中，通常都称密码学（英文通常称cryptography），而不具体区分其含义。

口语上，编码（code）常意指加密或隐藏信息的各种方法。然而，在密码学中，编码有更特定的意义：它意指以码字（code word）取代特定的明文。例如，以‘苹果派’（apple pie）替换‘拂晓攻击’（attack at dawn）。编码已经不再被使用在严谨的密码学，它在信息论或通讯原理上有更明确的意义。

在汉语口语中，电脑系统或网络使用的个人帐户口令（password）也常被以密码代称，虽然口令亦属密码学研究的范围，但学术上口令与密码学中所称的钥匙（key）并不相同，即使两者间常有密切的关连。

学科经历

其实在公元前，秘密书信已用于战争之中。西洋“史学之父”希罗多德（Herodotus）的《历史》（The Histories）当中记载了一些最早的秘密书信故事。公元前5世纪，希腊城邦为对抗奴役和侵略，与波斯发生多次冲突和战争。于公元前480年，波斯秘密结了强大的军队，准备对雅典（Athens）和斯巴达（Sparta）发动一次突袭。希腊人狄马拉图斯（Demaratus）在波斯的苏萨城（Susa）里看到了这次集结，便利用了一层蜡把木板上的字遮盖住，送往并告知了希腊人波斯的图谋。最后，波斯海军覆没于雅典附近的沙拉米斯湾（Salamis Bay）。

由于古时多数人并不识字，最早的秘密书写的形式只用到纸笔或等同物品，随着识字率提高，就开始需要真正的密码学了。最古典的两个加密技巧是：

置换（Transposition cipher）：将字母顺序重新排列，例如‘help me’变成‘ehpl em’。

替代（substitution cipher）：有系统地将一组字母换成其他字母或符号，例如‘fly at once’变成‘gmz bu podf’（每个字母用下一个字母取代）。

编写方法

移位式

移位式（Transposition cipher）：将字母顺序重新排列，例如‘help me’变成‘ehpl em’；与替代式（substitutioncipher）：有系统地将一组字母换成其他字母或符号，例如‘fly at once’变成‘gmz bu podf’（每个字母用下一个字母取代）。 这两种单纯的方式都不足以提供足够的机密性。凯撒密码是最经典的替代法，据传由古罗马帝国的皇帝凯撒所发明，用在与远方将领的通讯上，每个字母被往后位移三格字母所取代。

加密

加密旨在确保通讯的秘密性，例如间谍、军事将领、外交人员间的通讯，同时也有宗教上的应用。举例来说，早期基督徒使用密码学模糊他们写作的部份观点以避免遭受迫害。666或部分更早期的手稿上的616是新约基督经启示录所指的野兽的数字，常用来暗指专迫害基督徒的古罗马皇帝尼禄（Nero）。史上也有部份希伯来文密码的记载。古印度欲经中也提及爱侣可利用密码来通信。隐写术也出现在古代，希罗多德记载将信息刺青在奴隶的头皮上，较近代的隐写术使用隐形墨水、缩影术（microdots）或数字水印来隐藏信息。

宋曾公亮、丁度等编撰《武经总要》“字验”记载，北宋前期，在作战中曾用一首五言律诗的40个汉字，分别代表40种情况或要求，这种方式已具有了密本体制的特点。

1871年，由上海大北水线电报公司选用6899个汉字，代以四码数字，成为中国最初的商用明码本，同时也设计了由明码本改编为密本及进行加乱的方法。在此基础上，逐步发展为各种比较复杂的密码。

在欧洲，公元前405年，斯巴达的将领来山得使用了原始的错乱密码；公元前一世纪，古罗马皇帝凯撒曾使用有序的单表代替密码；之后逐步发展为密本、多表代替及加乱等各种密码体制。

二十世纪初，产生了最初的可以实用的机械式和电动式密码机，同时出现了商业密码机公司和市场。60年代后，电子密码机得到较快的发展和广泛的应用，使密码的发展进入了一个新的阶段。