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为什么要研究混沌保密通信(一)? 精选

已有 12482 次阅读 2017-4-22 00:08 |个人分类:论文|系统分类:科普集锦|关键词:密码,保密通信,信息安全| 密码, 信息安全, 保密通信

     优胜劣汰是大自然法则。所有生物都要保命。

保命的方法有压迫、有恐吓,有弱肉强食,有虚张声势,当然还有欺骗——就是信息加密和解密。

据传,古希腊的不知谁发明了一种加密棒,见下图,将纸条(那时用羊皮当纸)缠在一个木棒上再写字,收到纸条的人找一根相同直径的棒子,再缠绕一遍,就能还原信息了。

但这种加密方法很容易解密。一旦知道了加密方法(棒子缠绕法),找些不同直径的棒子多试几遍就解密了。


         

1. 加密棒                      2 阳陵虎符【秦】

2300多年前,中国的皇帝为了防止军队被人假传圣旨调动,用青铜或黄金做成一分为二的令牌(虎符)。图2为秦朝时的杨陵虎符。“甲兵之符,右在皇帝,左在阳陵”,要调动军队时,皇帝将右一半交给钦差拿去,带兵将帅用手中的左一半扣合,能完整吻合的,说明来的钦差大体是真的。

但是,虎符也不保险。例如,《史记魏公子列传第十七》就记载,公元前257年,也就是2274年前,魏无忌就偷了他哥哥魏国国王的虎符,夺取了魏国大将晋鄙的军队。

不过,虎符包含的信息量太少,无法判断持虎符者带来的信息量(如调多少军队)。如大将军晋鄙尽管验明魏无忌带来的虎符没错,但觉得国家没有多大的事需要10万军队,“疑之,举手视公子(魏无忌)曰:今吾拥十万之众,屯于境上,国之重任,今单车来代之,何如哉?”弄得魏无忌没办法,只好让朱亥用四十斤的大铁锤敲死了晋鄙。

两千多年前,罗马帝国的奠基者,凯撒大帝(GaiusJulius Caesar,图3)在与法国打仗同时,也将自己的丰功伟绩写成《高卢战记》。在《高卢战记》第五卷里,凯撒用得意而隐晦的语言说自己派骑兵送一封给他的大将西塞罗,这封信即使被敌人截住也看不懂。敌人看不懂是因为凯撒发明了将字母置换的凯撒密码(见图5):每个字母按顺序都用其他的字母表示,如用D表示A,用E表示B…,这样,单词“by”就写成“eb

           

        3 凯撒大帝            4 凯撒著《高卢战记》,任炳湘译

   

  图5 凯撒密码的字母置换示意图               6 字母置换装置

   这种所有字母都按一个规律置换的加密方法过于简单,很容易通过分析字母出现的频率来破解。美国人Herbert Spencer Zim(1909–1994)写过许多关于大自然的书,特别是还写过一本Codes and Secret Writing密码和隐写术)。在这本书里,他说:英文字母出现的频率是不同的,频率最高的是字母E,频率最低的是字母Z,大体的顺序为E、T、A、O、N、……、Z;最常见的字母对是THHEAN等等,最常见的重叠字母是LLEESS……。这样,通过字母出现的频率就大体可以判断出你用哪个字母替换了字母E

       7 Herbert Spencer Zim          8 Codes and Secret Writing一书

200年前,美国第三任总统,《独立宣言》的起草者托马斯·杰弗逊发明了种基于圆盘的多表替换加密,被称之为杰弗逊圆盘(Jefferson disk)

           

    图9 两美元上面的杰斐逊总统头像                                                   图10 杰弗逊圆盘

杰弗逊圆盘有36片转轮,每片转轮的圆周边缘上刻有乱序的26个英文字母。使用时,发送者依次转动各片转轮,在同一行上呈现出要发送的信息,这时转轮上其他25行都是乱码。把任意一行乱码抄下来交给信使送到己方,己方只需转动同样的装置,让其中的一行显示出同样的乱码,那么其他25 行上必然有一行是发送的信息(明文)。

杰弗逊圆盘后来演变成美军的M-94圆柱形密码设备,该设备共有25个直径为35mm的铝制圆盘,外缘上刻有字母。该与打字机和电子设备相结合,一直用到二战时期。

但这种加密方式,在有了计算机以后,解密就是分分秒秒的事了。


11 美军M-94密码设备

同样在200年前,山西商人也发明了一种用汉字代表数字的加密方法(票号密押),使得异地存取款成为可能,也使得钱庄升级为票号。图10是日昇昌票号的密码本,看上去像是员工的工作守则,但实际上一个字代表一个数字,如“谨防假票冒取,勿忘细视书章”,12个字代表每年的12个月;“勘笑世情薄,天道最公平,昧心图自利,阴谋害他人,善恶总有报,到头必分明”,这30个字表示每月的30天。“赵氏连城壁,由来天下传”则代表110;“国宝流通”表示“万、仟、百、拾”。

当然,这种密押需要经常更换,才能维护其安全性。据说日升昌的密押更换过300余套,关键是:你就用这些字代表月、日和单位,别人也太好猜出来了——如果知道密押的话。

       

         图12日昇昌的票号密押                    13日昇昌旧址

100年前,德国人谢尔比乌斯(ArthurScherbius)发明出一种密码机,这个密码机不仅有个好名字:“谜”(Enigma,网上多直译为恩尼格玛),而且名副其实,“谜”在二次大战中为盟国带来巨大损失。

         

     图14谢尔比乌斯(1878.10.30–1929.5.13)              15Enigma密码机

谜”密码机一共有26个字母键,通过连接板及转盘,与键盘上方标示了26个字母的灯泡(就是显示器)相通。“谜”之所以难破之谜,是因为它3个或4转盘,当每按下键盘上的一个键时,转盘就自动转动一个位置。如,每次键入字母A,每次显示的字母都不一样(可能D,也可能是E),实现了同一个字母可以被不同的字母替换(这种方法被专家称之为复试变换,而不再像杰斐逊转盘,总用一个字母固定地替代另一个字母)。这样,字母频率分析法在这里就毫无用武之地了。

用“谜”密码机通讯时,收发双方预先约定三个转盘的方向,依次键入信息,把显示器上灯泡闪亮的字母依次记下来,再把记录下的字母用电报发出去。收信方收到电文后,用一台转盘转动顺序相同的密码机,依次键入收到的信号,显示器上自动显示出真是的信息来。

若对转盘和连接板初始的设定毫不知情,想暴力破解“谜”密码机加密的电报,就要尝试数以亿亿次的组合,手工破解是不可能了。因此,德军在装备“谜”密码机前的可行性评估中曾自信地写道:“即使敌人获取了一台同样的机器,它仍旧能够保证电文的保密性。”

    但,加密与解密永远是一种矛盾:现实世界中,没有无法破解的加密技术;而解密的成功又推动着加密技术的发展。



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