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什么是密码学

  随着区块链的火爆,密码学也日渐风靡。那么究竟什么是密码学?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。

  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)。

  密码学专业术语

  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。


密码学的技术应用

  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。

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  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。

  从技术角度来说,密码学的技术应用主要体现在以下几个方面:

  1. 数位签章(Digital Signature):

  这是以密码学的方法,根据EDI讯息的内容和发信有该把私钥,任何人都无法产生该签名,因此比手写式的签名安全许多。收信人则以发信人的公钥进行数位签章的验证。

  2. 数位信封(Digital Envelope):

  这是以密码学的方法,用收信人的公钥对某些机密资料进行加密,收信人收到后再用自己的私钥解密而读取机密资料。除了拥有该私钥的人之外, 任何人即使拿到该加密过的讯息都无法解密,就好像那些资料是用一个牢固的信封装好,除了收信人之外,没有人能拆开该信封。

  3. 安全回条:

  收信人依据讯息内容计算所得到的回覆资料,再以收信人的私钥进行数位签章后送回发信人,一方面确保收信人收到的讯息内容正确无误, 另一方面也使收信人不能否认已经收到原讯息。

  4. 安全认证:

  每个人在产生自己的公钥之后,向某一公信的安全认证中心申请注册,由认证中心负责签发凭证(Certificate),以保证个人身份与公钥的对应性与正确性。


密码学的编写方法

  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。密码学的编写方法主要包括移位式和加密两种。

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  密码学的编写方法:移位式

  移位式(Transposition cipher)是密码学的编写方法之一,它是将字母顺序重新排列,例如‘help me’变成‘ehpl em’;与替代式(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)。 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。

  密码学的编写方法:加密

  加密是密码学的另一个编写方法,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。