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        趣談古典密碼

        2024-12-31 00:00:00
        放學(xué)后 2024年21期
        關(guān)鍵詞:字母表斯巴達(dá)凱撒

        編者按:在上一期的文章里,我們一起學(xué)習(xí)了“神秘又巧妙的中國古代密碼”,它們展現(xiàn)了我們古人的聰明才智。不少讀者看了文章后,對(duì)“密碼學(xué)”產(chǎn)生了濃厚的興趣,還有同學(xué)寫信告訴放學(xué)君——他和同學(xué)之間寫小紙條,如果不想讓他人發(fā)現(xiàn)紙條里的小秘密,他們便會(huì)用一些特殊的符號(hào)代表特殊的意思。是的,這實(shí)際上就是密碼學(xué)的一種雛形——如果兩個(gè)人想通信,不想讓第三個(gè)人知道,就需要密碼學(xué)了。

        同學(xué)們,你知道嗎?在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前,人們?yōu)榱吮Wo(hù)信息不被他人獲取,很早就想到了一系列加密的方法。但由于當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平相對(duì)有限,所以這些密碼的設(shè)計(jì)通常都基于簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算、語言學(xué)規(guī)律或是物體的性質(zhì)特點(diǎn)等,優(yōu)點(diǎn)是容易理解和實(shí)現(xiàn),缺點(diǎn)是安全性較低,容易被破解。

        密碼是一種用來混淆的技術(shù),它希望將正常的、可識(shí)別的信息轉(zhuǎn)變?yōu)闊o法識(shí)別的信息。而密碼學(xué)作為一門既古老又新興的學(xué)科,它經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段,本期,讓我們把目光轉(zhuǎn)向其他文明,隨著歷史的足跡,一起看看他們的古典密碼設(shè)計(jì)吧。

        斯巴達(dá)密碼:一個(gè)和木棒有關(guān)的加密方法

        首先,我們來了解一下“斯巴達(dá)密碼”,它可以被理解為“木棒上的秘密”。據(jù)說,古代的斯巴達(dá)士兵使用一種特殊的木棒來加密信息,這種特殊的密碼棒就被稱為“斯巴達(dá)密碼棒”。斯巴達(dá)士兵在準(zhǔn)備傳遞信息前,先會(huì)把長條狀的羊皮紙繞在木棒上,然后在上面寫字。當(dāng)羊皮紙被解開后,上面的文字就會(huì)變得雜亂無章,難以閱讀。

        那么,怎么樣讀取正確的信息呢?答案是必須要用同樣的木棒以相同的方式纏繞羊皮紙,才能還原出原來的信息。

        想象一下:你有一根細(xì)細(xì)的木棒,上面纏著一條長長的紙帶。你在這條紙帶上逐行寫下你要傳遞給朋友的信息,例如:“明天早上九點(diǎn)半,我們一起在公園南門集合,然后開始秋游,請(qǐng)每個(gè)人帶好飲用水”。寫好之后,你把紙帶取下來。這時(shí)候,你會(huì)看到一些無序的信息。但當(dāng)你再次把紙帶纏回那根木棒上時(shí),這些文字才會(huì)重新排列成正確的順序。古希臘的斯巴達(dá)人就是這樣傳遞秘密消息的!

        從上面的例子中我們可以看出,斯巴達(dá)密碼是古代密碼學(xué)的一個(gè)有趣例子,它教會(huì)我們,即使在科技不發(fā)達(dá)的時(shí)代,人們也能想出聰明的辦法來保護(hù)自己的秘密。

        凱撒密碼:“字母表上的魔術(shù)”

        我們?cè)僖黄饋砜纯础皠P撒密碼”,它可以被理解為“字母表上的魔術(shù)”。我們先來認(rèn)識(shí)一位來自古代的大將軍——?jiǎng)P撒,他不僅是位勇敢的戰(zhàn)士,還是一位聰明的密碼發(fā)明家,他發(fā)明了一種叫做“凱撒密碼”的加密方法,用來保護(hù)他和其他將士之間的秘密信息。下面,我們就來一起探索這個(gè)神奇的凱撒密碼吧!

        凱撒密碼是一種非常有趣的加密方法,它就像是一個(gè)字母游戲。在這個(gè)游戲中,我們要把原來要傳遞信息內(nèi)容中的每個(gè)字母都換成字母表中的另一個(gè)字母,這樣別人就不知道我們真正的信息是什么了。

        想象一下,假如我們有一個(gè)秘密信息“HELLO WORLD”。凱撒密碼的秘密就在于,我們把這個(gè)信息里的每個(gè)字母都向前或者向后移動(dòng)幾個(gè)位置。比如說,我們決定把每個(gè)字母都向后移動(dòng)3個(gè)位置。那么,“H”就變成了“K”,“E”變成了“H”,“L”變成了“O”,“L”又變成了“O”,“O”變成了“R”,“W”變成了“Z”,“O”再次變成了“R”,“R”變成了“U”,“L”最后變成了“O”,“D”變成了“G”。所以,“HELLO WORLD”用凱撒密碼加密后就變成了“KHOOR ZRUOG”!

        同學(xué)們,請(qǐng)你們想一想,應(yīng)該怎么解密呢?

        是的,只要我們知道當(dāng)初加密時(shí)移動(dòng)了多少個(gè)位置,就可以反過來把字母移回去。比如上面的例子,我們知道移動(dòng)了3個(gè)位置,那么解密時(shí),我們就把每個(gè)字母都向前移動(dòng)3個(gè)位置。這樣,“K”就變成了“H”,“H”變成了“E”,“O”變成了“L”,“O”又變成了“L”,“R”變成了“O”,“Z”變成了“W”,“R”變成了“O”,“U”變成了“R”,“O”變成了“L”,“G”變回了“D”。于是,“KHOOR ZRUOG”就又變回了我們的秘密信息“HELLO WORLD”!同學(xué)們,你們是不是覺得凱撒密碼很有趣呢?因?yàn)樗粌H是一個(gè)字母游戲,還是一種保護(hù)秘密的聰明方法。

        不過,我還想請(qǐng)同學(xué)們想一想,這種保護(hù)密碼的方法能不能被破解呢?它的缺點(diǎn)是什么呢?

        維吉尼亞密碼:“給密碼加把鑰匙”

        相信大家已經(jīng)注意到:凱撒密碼的加密和解密過程都非常簡(jiǎn)單,只需要知道移動(dòng)的位置即可。由于所有字母都使用相同的方法移動(dòng),因此它可能被破解。

        那么,怎樣做才能更好地加密呢?

        有的同學(xué)可能已經(jīng)想到了:就是發(fā)明一種加密方式,它不再讓每個(gè)字母都移動(dòng)相同的位數(shù),而是移動(dòng)不同的位數(shù)。這就是歷史上的“維吉尼亞密碼”。

        維吉尼亞密碼不再讓每個(gè)字母都按照同一個(gè)固定的規(guī)則移動(dòng),而是使用了一個(gè)特別的“密碼鑰匙”,也就是一個(gè)單詞或短語,來改變你要發(fā)送的消息里的每一個(gè)字母。這個(gè)“密碼鑰匙”就被稱為“密鑰”。

        如果我們要加密一個(gè)信息,比如“HELLO”,然后我們可以設(shè)定一個(gè)密鑰,假設(shè)它是“KEY”。我們首先把密鑰寫在消息的上面,因?yàn)槊荑€比消息短,我們就重復(fù)寫。然后,我們用密鑰來幫助我們找到每個(gè)消息的密文字母,方法是看消息字母和密鑰字母在字母表里的位置,然后把它們加起來(如果加出來的位置超過了字母表的最后一個(gè)字母,就回到字母表的開頭繼續(xù)數(shù))。這樣,我們就可以一個(gè)個(gè)字母地加密,相同的字母可能就會(huì)被加密為不同的形式。

        當(dāng)然,如果我們知道密鑰,那么解密就很簡(jiǎn)單了,只需要用密鑰對(duì)應(yīng)的字母,按照加密的相反方向,把密文字母變回原來的消息字母。這個(gè)游戲不僅好玩,還能讓我們了解古代人們是如何傳遞秘密消息的?,F(xiàn)在,你們可以和朋友們一起玩這個(gè)游戲,看看誰能最快地加密和解密消息!

        回顧今天的探尋之旅,我們可以發(fā)現(xiàn),古典密碼主要分為兩類:一類是置換密碼,一類是代換密碼。置換密碼的特點(diǎn)是通過改變?cè)闹凶址奈恢脕韺?shí)現(xiàn)加密。通過將每個(gè)字符的位置按照一定的規(guī)則進(jìn)行調(diào)整,從而使得原始信息變得難以識(shí)別,斯巴達(dá)密碼其實(shí)就是一種置換密碼。代換密碼的特點(diǎn)是將原文中的字符替換成其他字符。最簡(jiǎn)單的一種形式是單字母替換密碼,例如,剛剛介紹的凱撒密碼,它通過將字母表中的每個(gè)字母向前或向后移動(dòng)固定的位數(shù)來實(shí)現(xiàn)替換。

        古典密碼在歷史上曾廣泛應(yīng)用于軍事、外交和其他需要保密通信的場(chǎng)合。然而,隨著密碼學(xué)的發(fā)展以及數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)步,古典密碼逐漸被現(xiàn)代密碼學(xué)所取代?,F(xiàn)代密碼學(xué)利用更復(fù)雜的算法和更強(qiáng)的加密技術(shù),提供了更高的安全性。雖然古典密碼在當(dāng)今的實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)被淘汰,但它們?nèi)匀皇敲艽a學(xué)領(lǐng)域的重要組成部分,對(duì)于理解密碼學(xué)的基本原理和歷史發(fā)展具有重要意義。

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