转位式密码与替换式密码

转位式密码与替换式密码

第一节转位式密码

转位式密码就是将明文做移位和重排加密，借由重新安排字母的顺序来隐藏信息，是一种比较简单的加密方式。单纯的转位式密码很容易被破解，因为频率分布与原始文字一样，所以这种加密方式很不安全。

第二节栅栏密码

所谓栅栏密码，就是把要加密的明文分成N个一组，然后把每组的第1个字连起来，形成一段无规律的话。不过栅栏密码本身有一个潜规则，就是组成栅栏的字母一般不会太多（一般不超过30个，也就是一、两句话）。

例如加密information，先将其分行：

i f r a i n

n o m t o

之后再合并：

ifrainnomto

这样就得到了密文ifrainnomto

解密的时候，我们先把密文从中间分开，变为两行：

i f r a i n

n o m t o

再按上下上下的顺序组合起来得到information。若是英文长句再分出空格即可。

有些栅栏密码并非只有2栏，这时需先观察字母数，如有30个字母，30可写成2×3×5、3×10、2×15的乘积，则可以依次尝试2栏、3栏、5栏……即可找出明文。

第三节列置换加密法

列置换加密法是一种比较复杂的加密方法，它是在行数固定的情况下，将明文一列一列地写成矩阵的结构，然后再一列一列写出之前，根据某种密钥将其重新排序。例如：

密钥：4 3 1 2 5 6 7

明文：a t t a c k p

o s t p o n e

d u n t i l t

w o a m x y z

密文：TTNAAPTMTSUOAODWCOIXKNLYPETZ

第四节替换式密码

替换式密码，又名取代加密法，是密码学中按规律把文字加密的一种方式。替换式密码中可以用不同的字母数为单元，例如每一个或两个字母为一单元。密文接收者解密时需用原加密方式解码才能获得原文本。由于英语中替换式密码会把26个字母拆开，使用替换式密码较为容易；相反，中文需要建立密码本，然后遂字替换。然而由于中文字极多，完全替换不合经济效益。而且中文中每个字由不同大小的字根来组字，较难转换，因此使用替换式密码的示例比较少。当以替换式密码与转位式密码相比较时，会发现转位式密码只是把明文中的单元的位置改变，而单元本身没有作出改变；相反，替换式密码只是把单元转换，但密文中单元的位置没有改变。

替换式密码亦有许多不同类型。如果每一个字母为一单元（或称元素）进行加密操作，就可以称之为“简易替换密码”（英语：simplesubstitution cipher）或“单表加密”（英

语：monoalphabeticcipher）又称为单字母替换加密；字母群体为单元的加密则称为“多表加密”（英语：polyalphabeticcipher）或“表格式加密”（英语：polygraphic）。单表加密只可在一个单元中使用同一种替换加密，而多表加密则可在一个单元使用不同的加密方式，明文单元映射到密文上可以有好几种可能性，反之亦然。

第五节凯撒密码

将替换密码用于军事用途的第一个文件记载是恺撒著的《高卢战记》。恺撒描述了他如何将密信送到正处在被围困、濒临投降的西塞罗。其中罗马字母被替换成希腊字母使得敌人根本无法看懂信息。

苏托尼厄斯在公元二世纪写的《恺撒传》中对恺撒用过的其中一种替换密码作了详细的描写。恺撒只是简单地把信息中的每一个字母用字母表中的该字母后的第三个字母代替。这种密码替换通常叫做恺撒移位密码，或简单的说，恺撒密码。

尽管苏托尼厄斯仅提到三个位置的恺撒移位，但显然从1到25个位置的移位我们都可以使用，因此，为了使密码有更高的安全性，单字母替换密码就出现了。

如：

明码表A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

密码表Q W E R T Y U I O P A S D F G H J K L Z X C V B N M

明文F O R E S T

密文Y G K T L Z

只需重排密码表二十六个字母的顺序，允许密码表是明码表的任意一种重排，密钥就会增加到四千亿亿亿多种，我们就有超过4×1027种密码表，破解就变得很困难。

但是，我们可以通过分析字母频度的差异暴力破解凯撒密码等单字母替换密码。9世纪

的科学家阿尔•金迪在《关于破译加密信息的手稿》对该技术做了最早的描述。

“如果我们知道一条加密信息所使用的语言，那么破译这条加密信息的方法就是找出同样的语言写的一篇其他文章，大约一页纸长，然后我们计算其中每个字母的出现频率。我们将频率最高的字母标为1号，频率排第2的标为2号，第三标为3号，依次类推，直到数完样品文章中所有字母。然后我们观察需要破译的密文，同样分类出所有的字母，找出频率最高的字母，并全部用样本文章中最高频率的字母替换。第二高频的字母用样本中2号代替，第三则用3号替换，直到密文中所有字母均已被样本中的字母替换。”

以英文为例，首先我们以一篇或几篇一定长度的普通文章，建立字母表中每个字母的频度表。例如下文：

UZQSOVUOHXMOPVGPOZPEVSGZWSZOPFPESXUDBMETSXAIZ

VUEPHZHMDZSHZOWSFPAPPDTSVPQUZWYMXUZUHSX

EPYEPOPDZSZUFPOMBZWPFUPZHMDJUDTMOHMQ

统计该文中每个字母出现的频率。

图2-1 文中每个字母出现的频率

将其对照通常情况下每个字母出现的频率即可破解。

图2-2 英文字母出现频率统计

经由两章表的对照，猜测P与Z就是e与t，猜测ZW就是th，而ZWP就是the，以此类推，边试边该，最后可得明文如下：

it was disclosed yesterday that several informal

but direct contacts have been made with political

representatives of the viet cong in moscow

虽然设密者后来针对频率分析技术对以前的设密方法做了些改进，比如说引进空符号等，目的是为了打破正常的字母出现频率。但是小的改进已经无法掩盖单字母替换法的巨大缺陷了。到16世纪，最好的密码破译师已经能够破译当时大多数的加密信息。