2.4 古典密码

古典密码（Classical Cipher）起始于古代终止于19世纪末，是现代密码的基础。当时生产力水平较低，普遍采用纸、笔或简单器械完成加密、解密操作，正是密码学发展史上手工加密阶段迅速发展的时期。虽然，古典密码由于安全性较低、效率低等多种缺陷已经退出了历史舞台，但古典密码对于密码学的研究却有着不可替代的作用。

古典密码受限于当时的环境，以语言学为基础对文字进行字符变化，也就是对字符加密，以达到信息加密的目的。古典加密算法最常用、最核心的两种加密技巧是移位和替代，这同样是对称加密算法最常用的方法。

❑ 移位密码（Transposition Cipher）：又称错位密码，即将字符的顺序重新排列。例如，将“1234567890”变成“3216549870”。这种加密算法看似简单，但却十分有效。如果不能领会其中的规律，很难辨别其内容的真正含义。

❑ 替代密码（Substitution Cipher）：又称置换密码，即将明文中的一组字符替代成其他的字符，形成密文。例如，“Encryption algorithm”变成“Fodszqujpo bmhpsjuin”（每个字母用下一个字母替代）。接收者对密文做反向替代就可以恢复明文。著名的凯撒密码就应用了替代式算法。

在古典加密时代，替代密码发展迅速，而且变得更加复杂，拥有众多分支，具体如下。

❑ 单表替代密码（Monoalphabetic Cipher）：又称简单替代密码。明文的一个字符用相应的一个密文字符代替。加密过程就是从明文字母表到密文字母表一一映射的过程。主要包括移位（shift）密码、乘数（multiplicative）密码、仿射（affine）密码、多项式（Polynomial）密码、密钥短语（Key Word）密码。

❑ 同音替代密码（Homophonic Substitution Cipher）：又称多名替代密码。与单表替代系统相似，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。电影《风语者》中，美军征召纳瓦霍人加入海军，训练他们使用纳瓦霍语言作为通信密码，这实际上就是应用了多名替代密码。

❑ 多表替代密码（Ployalphabetic Substitution Cipher）：明文中的字符映射到密文空间的字符还依赖于它在上下文中的位置。其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。弗吉尼亚（Vigenere）密码、博福特（Beaufort）密码、滚动密钥（running-key）密码、弗纳姆（Vernam）密码、转子机（rotor machine）密码均为多表替代密码。第二次世界大战中，德军用的转子加密机—Enigma，正是多表替代密码应用的典范。

❑ 多字母替代密码（Polygram Substitution Cipher）：明文中的字符被成组加密，例如“ABA”可能对应于“RTQ”，ABB可能对应于“SLL”等。希尔（Hill）密码、Playfair密码均为多字母替代密码。在第一次世界大战中英国就采用了这种密码。

不管是移位算法还是替代算法，终究脱离不开人类语言。针对该特点，通过对密文进行语义分析使得古典密码在破译上有章可循。例如，凯撒密码是单表替代密码，要破解凯撒密码，只要以语言学为基础，找出使用频度最高的字符，如' '（空格符）和 'e'，用ASCII码表示就是32和101，差值为69。如果明文中两个出现频率最高的字符的ASCII码相差69，那么加密后密文中相应出现频率最高的字符的ASCII码相差也一定是69。很显然，通过这样的分析方法，只要找出密文中与之对应的字符，计算偏移量—密钥，就可以破译密文，这就是著名的频度分析法。公元1578年，玛丽女王营救计划因密信被破解而以失败告终，当时使用的破解方法就是频度分析法。