华为专家讲区块链（一）| 探索密码学的世界

又是周一啦，讲个好消息~给大家讲解过eMTC、NB-IoT、轻量协议（专栏内容点击公众号菜单栏「知识专栏」查看）的华为全球培训中心物联网专家ICE青将继续解析区块链系列内容（系列内容将更新在公众号菜单栏）。
很多人的区块链启蒙都是从比特币开始的，但是区块链也好，比特币也好，都是密码学的身影。因此，ICE青第一部分先把密码学讲透，然后讲比特币，比特币的很多原理都跟区块链是通的，接着引入到区块链技术并深入讲解，最后是区块链应用，这样的顺序来给来给大家讲解，希望大家有收获。、

今天先来探索密码学的世界。
什么是密码？什么是密写？侦探小说里面出现过，柯南探案里也提到过，生活中也用到过，动动脑筋，我们就可以走进密码学的世界。

“ 密码术（cryptography也叫密码学）是关于用密码写明文和解密码密文的一门技术学科。翻开任何国家的历史，总能看到密码术或其他形式的密写技术在其中起着至关重要的作用。

在当今世界中，政府和情报人员仍然必须使用密码方法来传递信息，各个大国同样必须设立密码分析工作组，时时刻刻，夜以继日地工作，试图破解其他国家使用的密码。
”

一、密码学阶段划分

来看看密码学的发展阶段，从而对这个古老神秘而有趣的行当有一个初步的认识和了解。

密码学按照其对算法和密钥的保密程度大致可以分为如下三个阶段：

古典密码阶段（1949年前）：在这个阶段算法和密钥都是保密的，密钥空间较小，信息的安全性主要依赖与对加密和解密算法的保密。
对称密码阶段（1949-1975年）：在这之后就进入到了现代密码学阶段，和古典密码阶段的主要区别在于加密和解密算法无需保密，信息的安全性主要依赖于对密钥的保密。需要解决的主要问题是在不可信信道下的密钥传输问题。
公钥密码阶段（1976年-至今）：在此阶段，加密密钥（公钥）可以公开，仅仅对解密密钥（私钥）保密，基于一些数学难题确保很难通过公钥堆出私钥。

古典密码学（Classic cryptography）和现代密码学（Moderncryptography）主要差别在于计算机的使用。一般来说，古典密码学是基于字符的，而现代密码学是基于二进制位的。

古典密码学主要采用了两种加密技术：置换与代换。

置换是将明文中的字母重新排列，字母本身不变，但其位置改变，即位置转换。
代换密码是将明文中的字符替代成其他字符，即替代转换，若整个加密过程中每个字符采用同一张表替代，则为单表代换密码，类似的，若整个加密过程中每个字符采用不同的表替代，则为多表代换密码。

我们现在来看看这些有趣的密码术。

二、换位加密术
[h1]栅栏密码（Rail fence cipher）属于换位加密术的一种，即明文本身的字母不变，只是相互之间变换位置。[/h1][h1]
[/h1][h1]顾名思义，栅栏密码在加密时，将明文以蛇形依次错位写在一个假想的栅栏的每一行（rail）上，到达栅栏底部后折返向上，到达栅栏顶部后折返向下，如此反复直到所有明文结束。最后，将栅栏上的文字逐行依次取出即得到密文。[/h1][h1]
[/h1][h1]而解密时，根据栅栏高度计算出第一行栅栏的字母间隔，再将密文按此间隔及错位依次在每行上写下来，最后以蛇形重组即是明文。但更简单的方法，是直接根据栅栏高度及密文长度，画出明文的蛇形表格（栅栏高度为表格行数，密文长度为表格列数），再将密文逐行逐个填入蛇形的空格中。但对中文来说，栅栏密码的加密强度会大大减弱。
[/h1]

加密实例: 以4栏栅栏加密为例
明文：defend the east wall of the castle
去空格：defendtheeastwallofthecastle
分组：defe ndth eeas twal loft heca stle
填表格：4*28

密文：dttfsedhswotatfneaalhcleelee

曲路密码 (Curve Cipher)是一种换位密码，需要事先双方约定密钥(即曲路路径)。
加密实例:
约定密钥曲路路径：5 * 7
明文：The quick brown fox jumps over the lazy dog
填表：

加密回路：

密文：gesfcinphodtmwuqouryzejrehbxvalookT

列位移密码(Columnar Transposition Cipher)是一种比较简单，易于实现的换位密码，通过一个简单的规则将明文打乱混合成密文。

加密实例:
明文：defend the east wall of the castle
约定：5*6 不足的部分用x填充
密钥：GERMAN
加密列移位：

密文：nalcxehwttdttfseeleedsoaxfeahl

三、替换加密术
[h1]猪圈密码(Pigpen Cipher）或称九宫格密码、朱高密码、共济会密码或共济会员密码)，是一种以格子为基础的简单替代式密码。
[/h1]

加密实例:
明文字母对应密文：

明文：Everyone thinks will always be far

密文：

波利比奥斯方阵密码（Polybius Square Cipher或称波利比奥斯棋盘）是棋盘密码的一种，是利用波利比奥斯方阵进行加密的密码方式，产生于公元前两世纪的希腊，相传是世界上最早的一种密码。简单的来说就是把字母排列好，用坐标(行列)的形式表现出来。字母是密文，明文便是字母的坐标。

常见排布方式：

加密实例:
明文：Life is like an ice cream
密文：1342125142341342525111334231513124511123

夏多密码（曲折密码）是作者麦克斯韦·格兰特在中篇小说《死亡之链》塑造夏多这一英雄人物中所自创的密码。
明文字母对应密文：注意，字母表密钥的底部，列有四个附加符号1，2，3，4。四個图案很像钟表的指針，他们可以放在密文中的任何地方。每个附加符号指示，如何转动写有密文的纸张，再进行后续的加密或解密操作，直到出现另一个附加符号。可以把每个附加符号中的那根线看作是指示针，它指示了纸张的上端朝上，朝右，朝下，朝左。比如说：如果出现符号3，那么纸张就应该转动180度，使其上端朝下；符号2表示纸张上端朝右，依次类推。

明文：I AM IN DANGER.SEND HELP
密文：

培根密码(Baconian Cipher)是一种代换的单表密码，每个明文字母被一个由5字符组成的序列替换，最初的加密方式就是由’A’和’B’组成序列替换明文(所以你当然也可以用别的字母)，比如字母’D’替换成”aaabb”，以下转换表：

明文：hello
密文：AABBBAABAAABABBABABBABBBA

维吉尼亚密码(Vigenère Cipher)是在单一恺撒密码的基础上扩展出多表代换密码，根据密钥(当密钥长度小于明文长度时可以循环使用)来决定用哪一行的密表来进行替换，以此来对抗字频统计。
密表：

明文：I'm waiting for you in the future
密钥(循环使用，密钥越长相对破解难度越大)：helloworld
密文：P'qhlwpwejmscjcqwewoiqfhqfv

四、其他-机械密码

[h1]恩尼格码密码又称为转子机密码，Enigma加密和解密需要一台类似打字机的设备，设定初始位置之后，通过输入明文，设备经过加密输出密文。解密时通过机械装置的切换，实现逆过程解密操作，输入密文，输出明文。Enigma加密设备由一系列独立转动的圆柱体组成。每个圆柱体有26个输入引脚和26个输出引脚，其内部连线将每个输入引脚连接到一个相应的输出引脚。如下图：
[/h1]

当增加圆柱体的数量，可以得到更复杂的多字母替代算法。下图中的三个转子分别为快速转子，中速转子和慢速转子。每输入一个明文字母，快速转子动一格；快速转子转动够一周，中速转子转动一格；中速转子转动够一周，慢速转子转动一格，得到26×26×26种不同的替代字母，密码强度就会大大提高。尽管二战时期恩尼格玛密码机在加密方面有不足之处，但是经它加密的文件还是很难破译的，盟军能够破译它的密码是因为德军犯了其它一些大的错误（如加密员的失误、指示器步骤存在严重缺陷情报的泄露、机器或密码本被缴获等等）。

[h1]
[/h1]五、结束语
其实还有多种古典密码算法，我们就不一一叙述了。古典密码学在如今看来也是十分巧妙的，但随着计算机的诞生，这些被称为古典密码学的方法全部失效，因为它们根本抵挡不住计算机的穷举分析。现代密码学的思路跟古典密码学非常不同，它是先找出一个数学难题，然后把加密方法归结到这个难题，若解不出这个数学难题就破解不了他的密码。现代密码学更加引人入胜，我们下一期慢慢道来。