中国地质大学
古典密码学介绍
课程名称：趣味密码学
教师姓名：刘勇
姓名：肖国栋
班级： 052098j-18
学号： 20091002670 专业：土木工程
所在院系：工程学院
日期： 2011 年 12 月
目录
前言 (1)
第一章古典密码学概念和意义 (3)
第二章古典密码学发展历史 (5)
第三章古典密码学内容及分类 (8)
第一节代换密码 (9)
第二节置换密码 (11)
第四章几种典型的古典密码 (13)
第一节滚筒密码和掩格密 (13)
第二节棋盘密码 (14)
第三节移位代换密码 (15)
第四节 Playfair密码 (15)
第五节圆盘密码 (18)
第六节维吉尼亚密码 (19)
参考文献 (20)
前言
随着科学技术的迅猛发展，人们对信息安全和保密的重要性认识不断提高，在信息安全中起着举足轻重作用的密码学也就成为信息安全中不可或缺的重要部分。密码学的研究前景十分广阔，这个总是秘而不宣的重要角色，在未来发展中将起到不可估量的作用。1985年Koblitz和Miller提出将椭圆曲线用于公钥密码体制，他们第一次用椭圆曲线成功地实现了已有的一些公钥密码算法包括Differ-Hellman算法。现在椭圆曲线密码体制不仅是一个重要的理论研究领域，而且已经作为民用信息安全技术走向产业化。在信息技术领域的保密通信、数字签名、秘密共享、消息认证、密钥管理，人工智能密码学，量子密码学，安全电子商务系统，电子现金系统，电子选举系统，电子招投标系统，电子彩票系统等，密码学都在发挥着不为人知的作用。
而古典密码学则是在密码学发展中占据着举足重轻的地位。
本文将针对古典密码学进行简单的介绍，而让人们更加向往密码学这个神奇的世界。本文的目标是帮助人们认
识和理解古典密码学。
第一章主要介绍古典密码学的概念：什么是古典密码学及其有什么特点？除此之外，对研究古典密码学的意义也进行了一定的介绍；第二章则是讲述古典密码学在密码学发展进程中的历史；第三章对古典密码学内容作了阐述，并对古典密码的分类作了分类：代换密码和置换密码；第四章则是对几种典型的古典密码进行介绍，并举出一些例子，以加深人们对古典密码的认识。
本论文对我自己是一种初步尝试，涉及的专业性的知识可能认识不够，加上水平所限，不可避免存在疏漏和不足，忘老师与予批评指正。
第一章
古典密码学概念和意义
古典密码概念：
在计算机出现以前，密码学的算法主要是通过字符之间代替或易位实现的，我们称这些密码体制为古典密码。古典密码学主要是指20世纪40年代之前的密码编码和密码分析技术，特别是1935年到1940年。这期间，由于军事、数学、通讯等相关技术的发展，特别是两次世界大战中对军事信息保密传递和破获敌方信息的需求，密码学得到了空前的发展，并广泛的用于军事情报部门的决策其中包括：易位密码、代替密码（单表代替密码、多表代替密码等）。
这些密码算法大都十分简单，现在已经很少在实际应用中使用了。由于密码学是涉及数学、通讯、计算机等相关学科的知识，就我们现有的知识水平而言，只能初步研究古典密码学的基本原理和方法。但是对古典密码学的研究，对于理解、构造和分析现代实用的密码都是很有帮助的。
古典密码学意义：
由于古典密码学是密码学的分支，所以它具有密码通用的功能
和作用。
密码是通信双方按约定的法则进行信息特殊变换的一种重要保
密手段。依照这些法则，变明文为密文，称为加密变换；变密文为
明文，称为脱密变换。密码在早期仅对文字或数码进行加、脱密变换，随着通信技术的发展，对语音、图像、数据等都可实施加、脱
密变换。
密码学是在编码与破译的斗争实践中逐步发展起来的，并随着先进科学技术的应用，已成为一门综合性的尖端技术科学。它与语言学、数学、电子学、声学、信息论、计算机科学等有着广泛而密切的联系。它的现实研究成果，特别是各国政府现用的密码编制及破译手段都具有高度的机密性。
例如在希特勒一上台时，德国就试验并使用了一种命名为“谜”的密码机，“谜”型机能产生220亿种不同的密钥组合，假如一个人日夜不停地工作，每分钟测试一种密钥的话，需要约 4.2万年才能将所有的密钥可能组合试完，希特勒完全相信了这种密码机的安全性。然而，英国获知了“谜”型机的密码原理，完成了一部针对“谜”型机的绰号叫“炸弹”的密码破译机，每秒钟可处理2000个字符，它几乎可以破译截获德国的所有情报。后来又研制出一种每
秒钟可处理5000个字符的“巨人”型密码破译机并投入使用，至此同盟国几乎掌握了德国纳粹的绝大多数军事秘密和机密，而德国军方却对此一无所知；太平洋战争中，美军成功破译了日本海军的密码机，读懂了日本舰队司令官山本五十六发给各指挥官的命令，在中途岛彻底击溃了日本海军，击毙了山本五十六，导致了太平洋战争的决定性转折。
因此，我们可以说，密码学为战争的胜利立了大功。在当今密码学不仅用于国家军事安全上，人们已经将重点更多的集中在实际应用，在你的生活就有很多密码，例如为了防止别人查阅你文件，你可以将你的文件加密；为了防止窃取你钱物，你在银行账户上设置密码，等等。随着科技的发展和信息保密的需求，密码学的应用将融入了你的日常生活。
第二章
古典密码学的发展历史
密码学的发展历程大致经历了三个阶段：古代加密方法、古典密码和近代密码。
1.古代加密方法（手工阶段）
源于应用的无穷需求总是推动技术发明和进步的直接动力。存于石刻或史书中的记载表明，许多古代文明，包括埃及人、希伯来人、亚述人都在实践中逐步发明了密码系统。从某种意义上说，战争是科学技术进步的催化剂。人类自从有了战争，就面临着通信安全的需求，密码技术源远流长。
古代加密方法大约起源于公元前440年出现在古希腊战争中的隐写术。当时为了安全传送军事情报，奴隶主剃光奴隶的头发，将情报写在奴隶的光头上，待头发长长后将奴隶送到另一个部落，再次剃光头发，原有的信息复现出来，从而实现这两个部落之间的秘密通信。
公元前400年，斯巴达人就发明了“塞塔式密码”，即把长条纸螺旋形地斜绕在一个多棱棒上，将文字沿棒的水平方向从左到右书写，写一个字旋转一下，写完一行再另起一行从左到右写，直到写完。解下来后，纸条上的文字消息杂乱无章、无法理解，这就是密文,但将它绕在另一个同等尺寸的棒子上后，就能看到原始的消息。这是最早的密码技术。
我国古代也早有以藏头诗、藏尾诗、漏格诗及绘画等形式，将要表达的真正意思或“密语”隐藏在诗文或画卷中特定位置的记载，一般人只注意诗或画的表面意境，而不会去注意或很难发现隐藏其
中的“话外之音”。比如：我画蓝江水悠悠，爱晚亭枫叶愁。秋月溶
溶照佛寺，香烟袅袅绕轻楼
2.古典密码（机械阶段）
古典密码的加密方法一般是文字置换，使用手工或机械变换的
方式实现。古典密码系统已经初步体现出近代密码系统的雏形，它
比古代加密方法复杂，其变化较小。古典密码的代表密码体制主要有：单表代替密码、多表代替密码及转轮密码。
3.近代密码（计算机阶段）
密码形成一门新的学科是在20世纪70年代，这是受计算机科学蓬勃发展刺激和推动的结果。快速电子计算机和现代数学方法一方面为加密技术提供了新的概念和工具，另一方面也给破译者提供了有力武器。计算机和电子学时代的到来给密码设计者带来了前所未有的自由，他们可以轻易地摆脱原先用铅笔和纸进行手工设计时易犯的错误，也不用再面对用电子机械方式实现的密码机的高额费用。总之，利用电子计算机可以设计出更为复杂的密码系统。
尽管古典密码体制受到当时历史条件的限制，没有涉及到非常高深或者复杂的理论，但在其慢长的发展演化过程中，已经充分表现出了现代密码学的两大基本思想-代替和换位，而且还将数学的方
法引入到密码分析和研究中。这为后来密码学成为系统的学科以及相关学科的发展奠定了坚实的基础，如计算机科学、复杂性理论等等。
可见古典密码学在密码学发展过程中扮演了不可磨灭的角色。
第三章
古典密码学内容及分类
密码学内容：
密码学(Cryptogra phy现代准确的术语为“密码编制学”，简称“编密学”，
与之相对的专门研究如何破解密码的学问称之为“密码分析学”。密码学是主要研究通信安全和保密的学科，他包括两个分支：密码编码学和密码分析学。密码编码学主要研究对信息进行变换，以保护信息在传递过程中不被敌方窃取、解读和利用的方法，而密码分析学则于密码编码学相反，它主要研究如何分析和破译密码。这两者之间既相互对立又相互促进。密码的基本思想是对机密信息
进行伪装。一个密码系统完成如下伪装：加密者对需要进行伪装机密信息（明文）进行伪装进行变换（加密变换），得到另外一种看起来似乎与原有信息不相关的表示（密文），如果合法者（接收者）获得了伪装后的信息，那么他可以通过事先约定的密钥，从得到的信息中分析得到原有的机密信息（解密变换），而如果不合法的用户（密码分析者）试图从这种伪装后信息中分析得到原有的机密信息，那么，要么这种分析过程根本是不可能的，要么代价过于巨大，以至于无法进行。
古典密码学分类：
古典密码有着悠久的历史，从古代一直到计算机出现以前，古典密码学主要有两大基本方法：
①代替密码：就是将明文的字符替换为密文中的另一种的字符，接收者只要对密文做反向替换就可以恢复出明文。
②置换密码(又称易位密码)：明文的字母保持相同，但顺序被打乱了。
第一节代换密码
代换密码（代替密码）就是明文中每一个字符被替换成密文中的另外一个字符，代替后的各字母保持原来位置。对密文进行逆替换就可恢复出明文。有四种类型的代替密码：
（1）单表代替密码：就是明文的一个字符用相应的一个密文字符代替。加密过程中是从明文字母表到密文字母表的一一映射。
（2）同音代替密码：它与简单代替密码系统相似，唯一的不同是单个字符明文可以映射成密文的几个字符之一，例如A可能对应于5、13、25或56，“B”可能对应于7、19、31或42，所以，同音代替的密文并不唯一。
（3）多字母组代替密码：字符块被成组加密，例如“ABA”可能对应于“RTQ”，ABB可能对应于“SLL”等。
（4）多表代替密码：由多个简单的代替密码构成，例如，可能有5个被使用的不同的简单代替密码，单独的一个字符用来改变明文的每个字符的位置。
多字母代替密码是字母成组加密，在第一次世界大战中英国人就采用这种密码。字母成对加密。把Huffman编码用作密码，这是一种不安全的多字母代替密码。
多表代替密码。维吉尼亚密码是多表代替密码的例子。
多表代替密码有多个单字母密钥，每一个密钥被用来加密一个明文字母。第一个密钥加密明文的第一个字母，第二个密钥加密明文的第二个字母等等。在所有的密钥用完后，密钥又再循环使用，若有20个单个字母密钥，那么每隔20个字母的明文都被同一密钥加密，这叫做密码的周期。在经典密码学中，密码周期越长越难破译，使用计算机就能够轻易破译具有很长周期的代替密码。
凯撒密码就是单表代替密码，它的每一个明文字符都由其右边第3个（模26）字符代替（A由D代替，B由E代替,W由Z代替,X由A代替，Y由B代替，Z由C代替）。
单表代替密码是很容易破译的，因为它没有把明文的不同字母的出现频率掩盖起来。可以使用统计攻击。
第二节置换密码
置换密码，又称换位密码：明文的字母保持相同，但顺序被打乱了。
置换只不过是一个简单的换位，每个置换都可以用一个置换
矩阵Ek来表示。每个置换都有一个与之对应的逆置换Dk。置换密码的特点是仅有一个发送方和接受方知道的加密置换（用于加密）及对应的逆置换（用于解密）。它是对明文L长字母组中的字母
位置进行重新排列，而每个字母本身并不改变。
第四章
几种典型的古典密码
本章将对前面所叙述的内容进行举例说明。通过例子对古典密码学有更好的认识。
第一节滚桶密码和掩格密码
滚桶密码
在古代为了确保他们的通信的机密，先是有意识的使用一些简单的方法对信息来加密。如公元六年前的古希腊人通过使用一根叫scytale的棍子，将信息进行加密。送信人先将一张羊皮条绕棍子螺旋形卷起来（如图），然后把要写的信息按某种顺序写在上面，接着打开羊皮条卷，通过其他渠道将信送给收信人。如果不知道棍子的宽度（这里作为密匙）就是不容易解密里面的内容的，但是收信人可以根据事先和写信人的约定，用同样的scytale的棍子将书信解密。
掩格密码
16世纪米兰的物理学和数学家Cardano发明的掩格密码，可以事先设计好方格的开孔，将所要传递的信息和一些其他无关的符号
组合成无效的信息，使截获者难以分析出有效信息。
第二节棋盘密码
世界上最早的一种密码产生于公元前两世纪。是由一位希腊人提出的，人们称之为
棋盘密码，原因为该密码将26个字母放在5×5的方格里，i,j放在一个格子里，具体情
况如下表所示
1 2 3 4 5
1 a b c d e
2 f g h i,j k
3 l m n o p
4 q r s t u
5 v w x y z
这样，每个字母就对应了由两个数构成的字符αβ，α是该字母所在行的标号，β是列
标号。如c对应13，s对应43等。如果接收到密文为
43 15 13 45 42 15 32 15 43 43 11 22 15
则对应的明文即为secure message。
第三节移位代换密码
移位代换密码的典型代表就是凯撒密码。
凯撒（Caesar）密码
据记载在罗马帝国时期，凯撒大帝曾经设计过一种简单的移位密码，用于战时通信。这种加密方法就是将明文的字母按照字母顺序，往后依次递推相同的字母，就可以得到加密的密文，而解密的过程正好和加密的过程相反。
例如：明文 battle on Sunday 密文 wvoogz gi Npiyvt (将字母依次后移5位)
再例如如果我们令26个字母分别对应于整数01～26 则凯撒加密方法实际上是进行了一次数学取模为26的同余运算，即
其中m是明文对应的数据，c是与明文对应的密文数据，k是加密用的参数，也叫密钥。
比如：battle on Sunday对应数据序列为：020********* 1514 192114040125
若取密钥k为5时，得密文序列为： 070625251710 2019 240019090604
第四节ｐｌａｙｆａｉｒ密码Playfair密码（英文：Playfair cipher 或Playfair
square）是一种替换密码，1854年由查尔斯·惠斯通（Charles Wheatstone）的英国人发明。经莱昂·普莱费尔提倡在英国军地和政府使用。
它有一些不太明显的特征：密文的字母数一定是偶数；任意两个同组的字母都不会相同，如果出现这种字符必是
乱码和虚码。
它使用方便而且可以让频度分析法变成瞎子，在1854到1855年的克里米亚战争和1899年的布尔战争中有广泛
应用。但在1915年的一战中被破译了。
它依据一个5*5的正方形组成的密码表来编写，密
码表里排列有25个字母。如果一种语言字母超过25个，
可以去掉使用频率最少的一个。如，法语一般去掉w或k，德语则是把i和j合起来当成一个字母看待。英语中z使
用最少，可以去掉它。
在这个5*5的密码表中，共有5行5列字母。第一列（或第一行）是密钥,其余按照字母顺序。密钥是一个单
词或词组，若有重复字母，可将后面重复的字母去掉。当
然也要把使用频率最少的字母去掉。如：密钥是Live
如，依照上表，明文where there is life,there is hope.
可先整理为：wh er et he re is li fe th er ei sh op
ex
然后密文为：kt yg wo ok gy nl hj of cm yg kg lm mb
wf
将密文变成大写，然后几个字母一组排列。
如5个一组就是KTYGW OOKGY NLHJO FCMYG KGLMM BWF
第五节圆盘密码
由于凯撒密码加密的方法很容易被截获者通过对密钥赋值（1～25）的方法破解，人们有进一步将其改善，只要将字母按照不同的顺序进行移动就可以提高破解的难度，增加信息的保密程度。如15世纪佛罗伦萨人Alberti发明圆盘密码就是这种典型的利用单表置换的方法加密的方法。如图在两个同心圆盘上，内盘按不同（杂乱）的顺序填好字母或数字，而外盘按照一定顺序填好字母或数字，转动圆盘就可以找到字母的置换方法，很方便的进行信息的加密与解密。凯撒密码与圆盘密码本质都是一样的，都属于单表置换，即一个明文字母对应的密文字母是确定的，截获者可以分析对字母出现的频率，对密码体制进行有效的攻击。
密码技术专题（二）—古典密码体制 ?1、密码体制的概念 o明文信源 o密文 o密钥与加密运算 o密码体制 ?2、古典密码体制的发展 o古典加密方法 o代替密码 o换位密码 o转轮密码 ?3、几种典型的古典密码体制 o CAESAR体制 o双字的Playfair体制 o维吉尼亚体制 o Hill体制 我们已经知道，一个密码体制由明文信源、密文、密钥与加密运算这四个基本要素构成，下面我们将进一步给出它们的数学模型。 1、明文信源 直观地讲，明文信源就是明文字母表或者明文字母。比如所有的英文字母、全部的中文字符就是典型的明文字母表。准确一点，明文信源还应当包含明文字母的概率分布。如果用X表示明文字母表，则它的元素x∈X则就是明文字母。在明文字母表中，不同的明文字母出现的频率往往是不同的，比如在26个英文字母中，一般来说字母“e”的频率最高；而在汉字中，可能是“的”字频率最高。 所以，一个明文信源记为S=[X,p(x)]，其中X为明文字母表，p(x)为明文字母x∈X 出现的概率，而且p(x)满足如下条件：对任何x∈X，p(x)≥0，且∑p(x)=1。 2、密文 密文由密文字母表Y和密文字母y∈Y组成，密文字母表一般是指密文可能使用的全部字母的集合，而y∈Y是它的元素。密文字母表可以与明文字母表相同，也可以不同。 3、密钥与加密运算 密钥用来从密码体制的一组加密运算中选择一个加密运算（或者称为加密步），密钥允许你按照以前制定的规则改变加密，比如每天，或每份报之后，或者每个
字符之后。通常，密钥的组织和编排须利于它们允许通过简单的规则产生单独的加密步。加密方法的组合复杂度取决于在此方法下密钥的数量。如果用K表示密钥空间，也就是选择加密步的参数集合，k∈K则称为一个密钥。 加密步就是明文字母表X到密文字母表Y的一个映射：E：X→Y，对每个x∈X。由于加密步并不是单一的，而是一族运算，因此我们就可以记为Ek=Ek(x)，其中x∈X，k∈K。除特殊的编码方法外，如多名码或多音码，对于每个k∈K，Ek(x)都是X到Y的1-1映射。 通常要求用户对密钥的选择是随机的，而且密钥的选择与明文无关。这样密钥的使用概率p(k),k∈K与明文的出现概率就是互相独立的。 4、密码体制 在明确了密码体制的几个组成要素的数学模型后，我们就可以给出一个密码体制的数学模型。我们定义S={X，Y，K，p(x,k)，Ek(x), x∈X，k∈K}为一个密码体制。实际上从运算的角度讲，密码体制包含加密系统和解密系统两部分。 如果一个密码体制设计完成，则相应的明文、密文、密钥之间的关系也就随之确定，用概率方法表示为：对任何x∈X，k∈K，y∈E(X)，p(x,y,k)=p(x,k)=p(x)p(k)。 密码技术的应用一直伴随着人类文化的发展，其古老甚至原始的方法奠定了现代密码学的基础。使用密码的目标就是使一份消息或记录对非授权的人是不可理解的。可能有人认为这很容易，但你必须考虑原定的接收方是否能解读消息。如果接收方是没有经验的，随便写个便条他也可能很长时间无法读懂。因此不一定要求加密和解密方法特别复杂，它必须适应使用它的人员的智力、知识及环境。下面我们介绍古典密体制发展演化的过程。 1、古典加密方法 最为人们所熟悉的古典加密方法，莫过于隐写术。它通常将秘密消息隐藏于其它消息中，使真正的秘密通过一份无伤大雅的消息发送出去。隐写术分为两种，语言隐写术和技术隐写术。技术方面的隐写比较容易想象：比如不可见的墨水,洋葱法和牛奶法也被证明是普遍且有效的方法（只要在背面加热或紫外线照射即可复现）。语言隐写术与密码编码学关系比较密切，它主要提供两种类型的方法：符号码和公开代码。 符号码是以可见的方式，如手写体字或图形，隐藏秘密的书写。在书或报纸上标记所选择的字母，比如用点或短划线，这比上述方法更容易被人怀疑，除非使用显隐墨水，但此方法易于实现。一种变形的应用是降低所关心的字母，使其水平位置略低于其它字母，但这种降低几乎让人觉察不到。 一份秘密的信件或伪装的消息要通过公开信道传送，需要双方事前的约定，也就是需要一种公开代码。这可能是保密技术的最古老形式，公开文献中经常可以看到。东方和远东的商人和赌徒在这方面有独到之处，他们非常熟练地掌握了手势
密码学实验1古典密码算法 一(实验原理 古典密码算法历史上曾被广泛应用，大都比较简单，使用手工和机械操作来实现加密和解密。它的主要应用对象是文字信息，利用密码算法实现文字信息的加密和解密。下面介绍两种常见的具有代表性的古典密码算法，以帮助读者对密码算法建立一个初步的印象。 1( 替代密码 替代密码算法的原理是使用替代法进行加密，就是将明文中的字符用其它字符替代后形成密文。例如:明文字母 a、b、c、d ，用 D、E、F、G做对应替换后形成密文。 替代密码包括多种类型，如单表替代密码、多明码替代密码、多字母替代密码、多表替代密码等。下面我们介绍一种典型的单表替代密码，恺撒(caesar)密码，又叫循环移位密码。它的加密方法，就是将明文中的每个字母用此字符在字母表中后面第 k个字母替代。它的加密过程可以表示为下面的函数: E(m)=(m+k) mod n 其中:m 为明文字母在字母表中的位置数;n 为字母表中的字母个数;k 为密钥;E(m)为密文字母在字母表中对应的位置数。例如，对于明文字母 H，其在字母表中的位置数为 8，设 k=4，则按照上式计算出来的密文为 L: E(8) = (m+k) mod n = (8+4) mod 26 = 12 = L 2( 置换密码 置换密码算法的原理是不改变明文字符，只将字符在明文中的排列顺序改变，从而实现明文信息的加密。置换密码有时又称为换位密码。
矩阵换位法是实现置换密码的一种常用方法。它将明文中的字母按照给的顺序安排在一个矩阵中，然后用根据密钥提供的顺序重新组合矩阵中字母，从而形成密文。例如，明文为 attack begins at five，密钥为 cipher，将明文按照每行 6 列的形式排在矩阵中，形成如下形式: a t t a c k b e g i n s a t f i v e 根据密钥 cipher中各字母在字母表中出现的先后顺序，给定一个置换: 1 2 3 4 5 6 f = 1 4 5 3 2 6 3 列，根据上面的置换，将原有矩阵中的字母按照第 1 列，第 4 列，第 5 列，第第 2列，第 6 列的顺序排列，则有下面形式: a a c t t k b i n g e s a I v f t e 从而得到密文:abatgftetcnvaiikse 其解密的过程是根据密钥的字母数作为列数，将密文按照列、行的顺序写出，再根据由密钥给出的矩阵置换产生新的矩阵，从而恢复明文。二(实验目的通过编程实现替代密码算法和置换密码算法，加深对古典密码体制的了解，为深入学习密码学奠定基础。 三(实验环境 运行 windows 或 linux 操作系统的 PC 机，具有 gcc(linux)、VC(windows)等 C语言编译环境。
古典密码原理 古典密码原理是密码学领域中一门基础的密码学原理，初衷是为了保护通信内容的安全性，同时利用加密和解密的算法确保信息的保密性。古典密码原理主要基于替换和排列的思想，在古典密码学中，常见的加密技术有凯撒密码、栅栏密码和多表密码等。 凯撒密码是古典密码学中最早出现的一种密码算法。它使用了一种简单的替换技术，即将明文中的每个字母替换为字母表中的另一个字母。在凯撒密码中，字母表按字母顺序排列，密钥表示字母表中字母的偏移量。例如，若密钥为3，则明文中的字母A将被替换为字母D，字母B 将被替换为字母E，以此类推。凯撒密码的加解密算法简单易懂，但安全性较低，容易被破解。 栅栏密码是古典密码学中另一种常见的加密算法。它利用了一种排列技术，即将明文按照一定规则排列成栅栏形式，然后从上至下读取加密后的密文。在栅栏密码中，密钥表示栅栏的高度。例如，若密钥为3，则明文"HELLO WORLD"首先按照栅栏高度3排列如下： H . . . O . . . L . . . . . E . L . . O . . W . R . . . L . . . . . D . . . . 然后从上至下读取加密后的密文"HOEULRLDLOLDW"。栅栏密码的特点是简单明了，但加密 后的密文存在一定规律，易被破解。 多表密码是古典密码学中一种复杂的加密算法。它通过使用多个不同的替代字母表对明文进行加密，增加了密码分析者破译密文的难度。多表密码利用了一系列字母表在密码系统中的循环使用，使得同一个字母在不同情况下可能被替换为不同的字母。例如，一个使用三个不同的字母表的多表密码，明文中的字母A可能被替换为字母B、C或D，具体替换规则依赖于明文中 字母的位置和上下文环境。多表密码的复杂性使得破译者难以识别加密规则和找出明文与密文之间的关系。 古典密码学虽然有一些不足之处，但在密码学历史中扮演了重要角色，为现代密码学的发展奠定了基础。古典密码的主要目标是实现信息的保密性，确保加密后的密文只能被授权用户解读。然而，随着计算机技术的快速发展和密码分析方法的提升，古典密码的安全性变得不够可靠。为了提高密码系统的安全性，人们开发了更复杂、更安全的加密算法，如对称密钥加密算法和公钥加密算法等。这些现代密码算法利用了数学和计算机科学的原理，能够提供更高层次的安全性和可靠性。 总而言之，古典密码原理是密码学领域中最早出现的密码算法原理之一，它应用了替代和排列的技术。无论是凯撒密码、栅栏密码还是多表密码，它们都在一定程度上确保了信息的保密性。古典密码学的发展促使现代密码学的引入，现代密码学中的密码算法更加复杂、安全性更高。由此可见，古典密码原理在密码学领域中具有重要地位，它不仅为密码学的发展提供了基础，也为学者们带来了启示和思考。
古典密码和流密码的原理及应用 古典密码和流密码是密码学中常见的两种加密算法，它们都有各自的原理和应用。在 本文中，我们将从古典密码和流密码的基本原理、特点和应用进行介绍。 一、古典密码的原理及应用 1. 古典密码的原理 古典密码是指使用传统的加密技术来实现信息加密的方法，其基本原理是通过替换或 置换明文中的信息来隐藏其真实含义。古典密码包括凯撒密码、埃尼格玛密码等。 以凯撒密码为例，其原理是将明文按照一定的位移量进行移位，然后将移位后的字母 作为密文输出。比如将A替换成D，B替换成E，以此类推。这样即使密文被截获，也需要知道移位的位移量才能还原出明文。 2. 古典密码的应用 古典密码多用于古代的军事和外交领域，用来保护国家机密以及军事指令等重要信息。近年来，古典密码也被一些爱好者用来进行通信加密等娱乐用途。 1. 流密码的原理 流密码是一种利用伪随机数发生器生成密钥流，再用该密钥流与明文进行“异或”运 算得到密文的加密方法。其本质是一种通过伪随机数对明文进行混淆的加密技术。 对于流密码，其加密过程即将明文按位与密钥流进行异或操作，得到密文。解密时同 样将密文按位与密钥流进行异或操作，即可得到原来的明文。 2. 流密码的应用 流密码广泛应用于现代通信领域，特别是在无线通信和互联网通信中。流密码因为其 运算速度快、加密强度高和可扩展性强，在实际应用中得到了广泛的应用。 三、古典密码和流密码的特点比较 1. 安全性 古典密码由于使用的密钥空间较小，容易被暴力破解攻击。而流密码使用的密钥流是 一个伪随机数列，其安全性相对较高，因此在加密强度上有着明显的优势。 2. 速度
古典密码的加密和解密速度通常较快，特别是对于简单的置换密码。流密码的加密和解密速度也不慢，因为其基于异或操作，计算速度也相对较快。 3. 可拓展性 古典密码在使用新的密钥时需要重新构造密码表，而流密码在生成新的密钥流时只需要改变密钥生成算法的种子即可，因此在可扩展性上流密码拥有更大的优势。 1. 古典密码的应用场景 古典密码由于其简单易懂的加解密过程，通常应用在一些对加密强度要求不高的通信场景中，也适合一些爱好者用于进行加密通信。 总结 古典密码和流密码是密码学中常见的两种加密算法，它们都有各自的原理、特点和应用。古典密码以其简单易懂的加解密过程在一些对加密强度要求不高的通信场景中得到了应用。而流密码因为其高效的加密速度和强大的加密强度在现代通信系统中得到了广泛的应用。 随着信息技术的不断发展，加密技术也在不断提升，古典密码和流密码仍然是密码学中的重要组成部分，它们的应用将会更加广泛，保护通信安全的使命也将更加重要。
1、古典密码体制 简单代替密码（simple substitution cipher),又称单表密码（monoalphabetic cipher):明文的相同字符用相应的一个密文字符代替 多表密码（ployalphabetic cipher)：明文中的相同字符映射到密文空间的字符不唯一,有多个。 单表代替是密码学中最基础的一种加密方式。在加密时用一张自制字母表上的字母来代替明文上的字母（比如说A——Z，B——D）来达到加密。移位密码也属于单表代替，只不过比较有规律，相当于集体向前或向后。这种加密方法最容易被破解。破解方法为统计法。在英语中，最常用的字母为E，所以在密文中代替E 的字母出现的频率也最高，由此便可破解。 一般单表替代密码算法特点： ▲密钥空间K很大，|K|=26!=4×1026 ，破译者穷举搜索计算不可行，1微秒试一个密钥，遍历全部密钥需要1013 年。 ▲移位密码体制是替换密码体制的一个特例，它仅含26个置换做为密钥空间。密钥π不便记忆。 ▲针对一般替换密码密钥π不便记忆的问题，又衍生出了各种形式单表替代密码。 多表代替密码：由多个简单的代替密码构成，例如，可能有5个被使用的不同的简单代替密码，单独的一个字符用来改变明文的每个字符的位置。 多表替代密码的特点是使用了两个或两个以上的替代表。著名的维吉尼亚密码和Hill密码等均是多表替代密码。 2、对称密码体制 分组密码的一般设计原理 ?分组密码是将明文消息编码表示后的数字（简称明文数字）序列，划分成长度为n的组（可看成长度为n的矢量），每组分别在密钥的控制下变换成等长的输出数字（简称密文数字）序列， ?DES的操作模式是什么？ 上述5种操作模式均可。 ?AES的操作模式是什么？ 在AES的实际应用中，经常会选择CBC和CTR模式。更多的是选择CTR。
古典密码的实验报告 1. 引言 古典密码是一种古老的加密技术，用于在信息传递过程中保护敏感信息的安全性。它通过将明文转换成密文，从而使未经授权的个体无法理解信息的内容。本实验旨在介绍几种常见的古典密码算法，并通过实验验证其加密和解密的过程。 2. 凯撒密码 凯撒密码是最简单的古典密码之一，它通过将明文中的每个字母向前或向后移动固定的位置来加密信息。例如，当移动的位置为3时，明文中的字母A将被替换为D，字母B将被替换为E，以此类推。 2.1 加密过程 1.输入明文。 2.设置移动的位置。 3.对于明文中的每个字母，按照移动的位置将其替换为对应的字母。 4.得到密文。 2.2 解密过程 1.输入密文。 2.设置移动的位置。 3.对于密文中的每个字母，按照移动的位置将其替换为对应的字母。 4.得到明文。 3. 维吉尼亚密码 维吉尼亚密码是一种多表密码，它通过使用一系列凯撒密码表来加密信息。每个表中的移动位置逐个递增，这样可以更好地混淆明文的结构。 3.1 加密过程 1.输入明文。 2.输入密钥。 3.对于明文中的每个字母，找到对应的凯撒密码表。 4.根据对应的表和密钥，将明文中的字母替换为密文。 5.得到密文。
3.2 解密过程 1.输入密文。 2.输入密钥。 3.对于密文中的每个字母，找到对应的凯撒密码表。 4.根据对应的表和密钥，将密文中的字母替换为明文。 5.得到明文。 4. 培根密码 培根密码是古典密码中的另一种类型，它使用一系列相同长度的字母组成的密钥来加密信息。明文中的每个字母都将被替换为对应密钥中的字母。 4.1 加密过程 1.输入明文。 2.输入密钥。 3.对于明文中的每个字母，将其对应到密钥中的相应字母。 4.得到密文。 4.2 解密过程 1.输入密文。 2.输入密钥。 3.对于密文中的每个字母，将其对应到密钥中的相应字母。 4.得到明文。 5. 实验结果与讨论 在本实验中，我们使用了凯撒密码、维吉尼亚密码和培根密码进行加密和解密实验。通过对不同算法的测试，我们发现： 1.凯撒密码是最简单的古典密码之一，但由于移动位置的确定性，易受 到频率分析等攻击方式的威胁。 2.维吉尼亚密码通过使用多个凯撒密码表，增加了加密的复杂性，使得 破解变得更加困难。 3.培根密码使用一系列字母组成的密钥，对明文进行替换。它的安全性 依赖于密钥的保密性，但一旦密钥泄露，密码就会立即失效。 在实际应用中，古典密码由于其简单性和易于理解的特点，已经不再被广泛使用。相比之下，现代密码算法（如AES，RSA等）具有更高的安全性和更复杂的加
介绍密码学的发展历史 密码学的发展历程大致经历了三个阶段：古代加密方法、古典密码和近代密码。 1.古代加密方法（手工阶段） 源于应用的无穷需求总是推动技术发明和进步的直接动力。存于石刻或史书中的记载表明，许多古代文明，包括埃及人、希伯来人、亚述人都在实践中逐步发明了密码系统。从某种意义上说，战争是科学技术进步的催化剂。人类自从有了战争，就面临着通信安全的需求，密码技术源远流长。 古代加密方法大约起源于公元前440年出现在古希腊战争中的隐写术。当时为了安全传送军事情报，奴隶主剃光奴隶的头发，将情报写在奴隶的光头上，待头发长长后将奴隶送到另一个部落，再次剃光头发，原有的信息复现出来，从而实现这两个部落之间的秘密通信。 公元前400年，斯巴达人就发明了“塞塔式密码”，即把长条纸螺旋形地斜绕在一个多棱棒上，将文字沿棒的水平方向从左到右书写，写一个字旋转一下，写完一行再另起一行从左到右写，直到写完。解下来后，纸条上的文字消息杂乱无章、无法理解，这就是密文,但将它绕在另一个同等尺寸的棒子上后，就能看到原始的消息。这是最早的密码技术。 我国古代也早有以藏头诗、藏尾诗、漏格诗及绘画等形式，将要表达的真正意思或“密语”隐藏在诗文或画卷中特定位置的记载，一般人只注意诗或画的表面意境，而不会去注意或很难发现隐藏其中的“话外之音”。 比如：我画蓝江水悠悠，爱晚亭枫叶愁。秋月溶溶照佛寺，香烟袅袅绕轻楼 2.古典密码（机械阶段） 古典密码的加密方法一般是文字置换，使用手工或机械变换的方式实现。古典密码系统已经初步体现出近代密码系统的雏形，它比古代加密方法复杂，其变化较小。古典密码的代表密码体制主要有：单表代替密码、多表代替密码及转轮密码。 3.近代密码（计算机阶段） 密码形成一门新的学科是在20世纪70年代，这是受计算机科学蓬勃发展刺激和推动的结果。快速电子计算机和现代数学方法一方面为加密技术提供了新的概念和工具，另一方面也给破译者提供了有力武器。计算机和电子学时代的到来给密码设计者带来了前所未有的自由，他们可以轻易地摆脱原先用铅笔和纸进行手工设计时易犯的错误，也不用再面对用电子机械方式实现的密码机的高额费用。总之，利用电子计算机可以设计出更为复杂的密码系统
有意思的古典密码学问题 《有趣的古典密码学问题》 古典密码学是一个富有挑战性和趣味性的领域，令人着迷的问题层出不穷。它既展现了人类智慧的辉煌，又启发了现代密码学的发展。本文将介绍几个有趣的古典密码学问题。 首先，我们来讨论凯撒密码。凯撒密码采用了一种简单的替换方法，将字母表中的每个字母都按照一个固定的偏移量进行替换。问题是，既然密文中的字母都是替换过的，我们该如何破解这个密码呢？ 答案其实很简单，我们只需要使用暴力破解的方法。因为凯撒密码只有26种可能的偏移量， 我们可以尝试每一种偏移量，并根据结果来判断哪一种偏移量是正确的。这个方法虽然需要一定的时间和精力，但却是非常可行的。 接下来，我们来探讨维吉尼亚密码。维吉尼亚密码是一种更复杂的替换密码，它采用了多个不同的偏移量。这个密码的破解难度更高，因为我们不能再使用凯撒密码的暴力破解方法。 为了破解维吉尼亚密码，我们需要借助频率分析的方法。我们知道，在任何一种语言中，某些字母的出现频率比其他字母高。通过对密文中的字母进行频率统计，我们可以找到最常见的字母，然后通过试错的方法来猜测密文中的偏移量。重复这个过程，直到我们找到了正确的偏移量，就可以解密整个消息了。 最后，我们介绍一种非常有趣的古典密码学问题，那就是埃尼格玛密码机。埃尼格玛密码机是德国在二战期间使用的一种机械密码机，它通过机械的方式实现字母的替换。这种密码机有多个旋转的转轮，每次按下一个字母的时候，这些转轮就会转动，产生一个新的替换字母。 埃尼格玛密码机的破解曾经被认为是不可能完成的任务，因为它的结构非常复杂，且每次按下一个字母时都会改变密码映射关系。然而，通过充分发挥人类智慧和数学分析的力量，波兰密码学家马里安·雷耶夫斯基和英国密码学家阿兰·图灵等人成功地破解了埃尼格玛密码机，为二 战盟军的胜利做出了巨大贡献。这是一个让人兴奋和激动的故事。 古典密码学的问题不仅仅是一堆无法解开的谜题，它们也代表着人类智慧的进步和思维的拓展。在现代密码学的发展中，我们依然可以从古典密码学的经典问题中汲取宝贵的启示。
古典密码学简介 古典密码学 爱伦坡所说：密码可破!人类的智慧不可能造成这样的密码，使得人类本身的才智即使运用得当也无法破开它! 一、密码学的发展历程 密码学在公元前400多年就早已经产生了，正如《破译者》一书中所说“人类使用密码的历史几乎与使用文字的时间一样长”。密码学的起源的确要追溯到人类刚刚出现，并且尝试去学习如何通信的时候，为了确保他们的通信的机密，最先是有意识的使用一些简单的方法来加密信息，通过一些（密码）象形文字相互传达信息。接着由于文字的出现和使用，确保通信的机密性就成为一种艺术，古代发明了不少加密信息和传达信息的方法。例如我国古代的烽火就是一种传递军情的方法，再如古代的兵符就是用来传达信息的密令。就连闯荡江湖的侠士，都有秘密的黑道行话，更何况是那些不堪忍受压迫义士在秘密起义前进行地下联络的暗语，这都促进了密码学的发展。 事实上，密码学真正成为科学是在19世纪末和20世纪初期，由于军事、数学、通讯等相关技术的发展，特别是两次世界大战中对军事信息保密传递和破获敌方信息的需求，密码学得到了空前的发展，并广泛的用于军事情报部门的决策。例如在希特勒一上台时，德国就试验并使用了一种命名为“谜”的密码机，“谜”型机能产生220亿种不同的密钥组合，假如一个人日夜不停地工作，每分钟测试一种密钥的话，需要约4.2万年才能将所有的密钥可能组合试完，希特勒完全相信了这种密码机的安全性。然而，英国获知了“谜”型机的密码原理，完成了一部针对“谜”型机的绰号叫“炸弹”的密码破译机，每秒钟可处理2000个字符，它几乎可以破译截获德国的所有情报。后来又研制出一种每秒钟可处理5000个字符的“巨人”型密码破译机并投入使用，至此同盟国几乎掌握了德国纳粹的绝大多数军事秘密和机密，而德国军方却对此一无所知；太平洋战争中，美军成功破译了日本海军的密码机，读懂了日本舰队司令官山本五十六发给各指挥官的命令，在中途岛彻底击溃了日本海军，击毙了山本五十六，导致了太平洋战争的决定性转折。因此，我们可以说，密码学为战争的胜利立了大功。在当今密码学不仅用于国家军事安全上，人们已经将重点更多的集中在实际应用，在你的生活就有很多密码，例如为了防止别人查阅你文件，你可以将你的文件加密；为了防止窃取你钱物，你在银行账户上设置密码，等等。随着科技的发展和信息保密的需求，密码学的应用将融入了你的日常生活。 二、密码学的基础知识 密码学(Cryptogra phy)在希腊文用Kruptos(hidden)+graphein(to write)表达，现代准确的术语为“密码编制学”，简称“编密学”， 与之相对的专门研究如何破解密码的学问称之为“密码分析学”。密码学是主要研究通信安全和保密的学科，他包括两个分支：密码编码学和密码分析学。密码编码学主要研究对信息进行变换，以保护信息在传递过程中不被敌方窃取、解读和利用的方法，而密码分析学则于密码编码学相反，它主要研究如何分析和破译密码。这两者之间既相互对立又相互促进。密码的基本思想是对机密信息进行伪装。一个密码系统完成如下伪装：加密者对需要进行伪装机密信息（明文）进行伪装进行变换（加密变换），得到另外一种看起来似乎与原有信息不相关的表示（密文），如果合法者（接收者）获得了伪装后的信息，那么他可以通过事先约定的密钥，从得到的信息中分析得到原有的机密信息（解密变换），而如果不合法的用户（密码分析者）试图从这种伪装后信息中分析得到原有的机密信息，那么，要么这种分析过程根本是不可能的，要么代价过于巨大，以至于无法进行。 在计算机出现以前，密码学的算法主要是通过字符之间代替或易位实现的，我们称这些密码体制为古典密码。其中包括：易位密码、代替密码（单表代替密码、多表代替密码等）。这些密码算法大都十分简单，现在已经很少在实际应用中使用了。由于密码学是涉及数学、通讯、计算机等相关学科的知识，就我们现有的知识水平而言，只能初步研究古典密码学的基本原理和方法。但是对古典密码学的研究，对于理解、构造和分析现代实用的密码都是很有帮助。以下介绍我们所研究的古典密码学。