密码学
前段时间上映了一部电影叫，悬崖之上，不知道大家有没有看，它主要讲的是一群特工，在执行一项秘密行动的故事，在执行任务的过程中，需要传递情报，经常会用密码，俗话说，君不密，则失臣，臣不密，则失身，已事不密则害成，换句话说，如果没有机密，就会有危险，孙子兵法里也说，知己知彼，百战不殆，说明在战争中，没有比刺探别人的情报，我们回顾历史，有多少权力争权和战争，背后就有多少秘密，密码学，就是这样诞生的，我们也经常在电影电视上看到过很多加密方法，但我估计你可能不知道它背后的原理，今天我们就聊一聊，密码的前世今生。
什么是密码
虽然现在我们这么称呼，其实在古代，人们是先研究了密，然后再去研究码，密码的历史非常久远，刚开始是从秘密书信开始，人们的想法就是，先把信里的内容给藏起来，据文献记载，在公元前5世纪，希腊和波斯之间正在打仗，希腊这边呢，为了去送信，会把信写在木板上，然后在上面涂上一层腊，收信人拿到之后，把腊刮掉，就能看到信上的字，还有一种方法，是把信史的头发剃光，把信写在头皮上，等信史的头发长出来之后，然后再去送信，到了之后再把头发给剃了，这种直接掩盖信息的方法，叫做隐匿法，这种方法很常见，现在还有在使用，比如，在电影上经常看到的，用隐形墨水写信，或者把信放在胶囊吞到肚子里等等，这种方法能被用了这么久，说明这个方法很管用，但是，这个方法它也有很大的缺点，就是如果敌人非常认真找的话，情报就容易暴露，于是，人们就在研究，就是说，有没有另外一种可能，就算敌人找到了信，但还是看不懂写的是什么，顺着这个思路，各种密码就出现了，密码刚开始呢，出现了很多种方法，但是原理只有两个，一种是移位法，另一种是替代法，什么是移位法，就是把想要说的那个字母，向后移动一位，比如，你想要写A,你就写成B，想写B，你就写成C，依次类推，就敌人看到信之后，也看不懂上面的意思，但是如果说能找到这里的规律，也就被破译了，这种方法，最早是由凯撒大帝发明的，所以移位式加密，也叫凯撒加密法，另一种替代法，就是先将字母随意搭配，再用配好的字母替代原来的字母，比如我们可以指定用A代表V，B代表T等等，就是说替代的规则是人提前定好的，所以更加灵活，也更难破解。
凯撒密码
这两种方法虽然很好用，但是它都有本质上的弱点，就是这些拼出来的字母，每一个出现的频率是不一样的，比如在英文里头，字母A和E会经常出现，所以不管哪个方法，只要是用一套加密方案，那么只要统计字母出现的频率。就能找到破解的方向，于是人们又在这两个方法的基础上，发明了一套新的加密方法，这个方法是由一个叫维吉尼亚的法国外交官发明的，所以叫做维吉尼亚加密法，这个方法最大的特点，是它给每个字母都设了一套加密方法，一个字母有26套方案，通讯的双方需要提前约定好一组数字，这样就知道哪个字母用哪一套方案了，维吉尼亚加密法确实提高的密码的安全性，但是用起来有点麻烦，在手工计算的时代，并没有被广泛的应用。
二战德国恩尼格玛密码机
恩尼格玛密码机
直到机械时代才算真正使用上，在两次世界大战中，对加密的技术需求非常强烈，一方面因为机械的出现，提高了效率，另一方面因为战争的需要，也让加密的场合就越来越多，比如，在战争中，会使用大量的无线电通讯，但是，因为双方都能截获这些信号，所以就需要加密，在第二次世界大战中，德国发明了一种叫恩尼格玛的密码机，因此出现了密码学历史上最著名的密码攻防战，就是英国的密码专家，攻破德国恩尼格玛密码机，恩尼格玛是一种机械电子加密机，也是第一个量产的加密机器，它的样子有点像打字机，有键盘有显示装置，内部是机械和电子零件，操作员每敲一下字母，经过电子和机械的转换，就会出现一个对应的字母，这就是加密之后的密码，听起来似乎没什么特别，但是它最牛的是，它的核心叫编码器，编码器的核心是齿轮，每敲一次，齿轮就旋转一格，齿轮只要一转，内部的线路连接就会发生变化，加密的结果就会不一样，早期的恩尼格玛齿轮只有6格，也就是只有6套加密方法，后来，齿轮增加到26格，但是感觉还不够用，就又增加了一个同样的齿轮，就是26乘26，也就是676套算法，这样的密码机也是仅仅够商业使用，德国军方的密码机是8个齿轮，这8个齿轮有多少套加密方案呢，这个数字可能你都想象不到，它有2000多亿套加密算法，这是什么概念呢，我们知道，最新的大英百科全书，也只有6000多万个单词，咱们就算它每个单词平均有10字母，也就是说我们把每个单词打上300遍，也用不完全部的加密方法。
恩尼格玛密码机内部结构
从理论上讲，这样的机器几乎是无法攻破的，所以，在战争中德军大约装备了三万台这样的机器，可见德国人对它的信任,恩尼格玛密码机它的原理，其实用的还是传统的方法，移位法和替代法，只是大大提高了数量级，那英国的情报部门又是怎么破解的呢，其实它是由波兰，法国和英国，这个三个国家合作完成的，先是通过间谍活动和军事袭击，搞到军方的恩尼格玛密码机，法国又弄来了它的使用说明书，但是有了说明书，也不能直接破译，因为有2000多亿套方案，你根本不知道到底用的哪一套，当初德军就是假设如果敌人弄到了一模一样的机器，也不能破解，这才批准使用恩尼格玛密码机，波兰的密码学家，做了一些尝试，能在一定程度上破解密码，这给了英国很大的希望，于是开始大量招募语言学家，科学家，还有数学家，组成了一支7000人的密码破译队伍，这些学者每天24小时不停的做解密工作，最终破译成功是，著名的数学家艾伦图灵，也是计算机科学的奠基人，电脑用的英伟达显卡的那个图灵架构，就是以他的名字命名的，图灵发现截获的德国密码里，有大量的规律，比如，像希特勒万岁这样的句子就经常出现，还有每天早上六点，德军要发一份当天的天气预报，而且格式非常固定，比如，仅仅凭着经验就判断出天气这个单词，然后图灵用出现频率高的单词，来进行反推，但是我们前面说过，这个机器它有2000多亿种加密方式，最后图灵也仅仅将范围缩小到105万种，但是如果用手来算，它也是个天文数字，图灵也专门为它设计了一种破译的机器，这就是计算机最早的原型，它的代号叫做炸弹，炸弹的数量越多，破解的速度也就越快，最终他们制造了49个机器，最快只需要1个小时，就能破译德军的密码，从这之后，英国扭转了德国在欧洲的局势。
纳瓦霍密码
纳瓦霍人
当然战争是一场博弈，你能截获对方的情报，对方也能破解你的情报，在太平洋的战场上，美军就想，找到一种没有规律可言的加密方法，于是就想到了用少数民族的语言直接当作密码，我们国家当时在抗战的时候，也用温州话做过通讯，最早提出这种想法，是一位叫约翰斯顿的工程师，约翰斯顿是父亲是一名传教士，为了传教，他生活在纳瓦霍人的保留区，纳瓦霍人是美国原住民其中的一个部落，本来数量就很少，约翰斯顿最极少的同时掌握英语的纳瓦霍语的人，他明白纳瓦霍语很少有人知道，别人根本就听不懂，军方为了检验它的保密性，美军将纳瓦霍语的信息交给了情报部门，让他们当成密码来破译，结果这些专家们，没日没夜地忙了三个星期，连一点头绪都没有，专家们甚至无法用文字来记录，更不用说破译了，纳瓦霍密码成功通过了检验，其实美国还有很多的原住民和语言，纳瓦霍人因为是有和外面的人接触过，所以说，他的语言，很少有人会知道，它就是天然的加密语言，于是美军招募了29名纳瓦霍人，他们为战争做出了巨大的贡献，而且还创造了一个历史记录，就是纳瓦霍密码是世界从没有被破译的密码之一，美国为了纪念纳瓦霍人为二战作出的贡献，还将每年的8月14日定为，纳瓦霍密语通话员国定纪念日
现代计算机时候密码
到了现代，由于计算机的出现，密码的加密方案，不管是从质还是量，都达到质的飞越，我们都知道计算机是二进制，一切的信息都可以有O和1来表示，每个字母在计算机都是0和1的代码，目前通用的代码叫做美国标准信息交换码，每个字母都是由7个0.1，0.1的代码组成，我们用计算机加密的时候，其实就是不同的0和1，计算机的出现，把语言数字化了，打破了语言规律的底层结构，数字化让密码学进入了新的时代，还有一个非常重要的变化就是，就是加密的过程不用再保密了，以前的加密方法，它都有要保密，不能让别人知道加密规则，可是现在，我们完全公开技术细节，这里加密最核心的原理叫分解制因数，这个技术很关键，什么意思呢，我们在学校都学过质数，所谓质数就是不能被其它数字整除的数字，举个例子，12能够被2.3.4.6整除，它就不是质数，13不能被整除，它就是质数，同样，23也是质数，如果我们将两个质数相乘，比如13乘23，得出299，这个很容易计算，但是如果问299是哪两个质数相乘的，这个就计算起来很困难，只能用笨方法一遍一遍地试，这个方法就叫分解制因数，结果只有我知道，这就是保密的钥匙，这套加密算法是由美国麻省理工的三位科学家发明，这三位科学家的首字母为RSA，所以这套算法被命名为RSA加密算法，可能有人觉得，这样的算法，麻烦是麻烦，但也不是太困难啊，其实一般在用RSA加密的时候，用的这个数字会非常的大，数字越大，分解它所需要的时间就越长，1977年，为了验证这个算法有多可靠，这三个科学家给杂志上投了一篇文章，解释了RSA加密算法的工作原理，还下一个挑战书，写了一串密码，然后给了一个129位的数字，这串数字就是公开的那把锁，悬赏100美元，邀请大家来破解，最终这个密码还是被破解了，但是它是怎么破解的呢，它是由600人组成的团队，他们借助了全球各地计算机，还动用了超级计算机，即使是这样，也花了整整17年的时间，成功破解了密码，这也证明了它的可靠性，如果是在战场上，17年后得到的情报，破解了也没啥用。
今天我们在用RSA算法的时候，使用的数一般都是300位以上，想分解这样一个数，需要把全球的计算机集中起来，一块工作上亿年才能破解，目前看来啊，RSA加密算法，是非常可靠的加密方式，所以它也被广泛应用在各种场合，比如我们使用的网银支付，网络和手机支付等等，背后都有使用这种算法。
其实讲到这，故事也就讲完了，虽然说现代社会，我们的加密方式非常可靠，但我们回顾密码学的历史，每一个时代都是加密和被破译的过程，魔高一尺，道高一丈，你会发现，这是一场永远都没有终结的拉锯战，现在已经有科学家，用量子计算机来破译RSA算法，所以并没有一劳永逸的加密手段，这将是一场没有终点的战争。
