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原来,每一位为心仪女生写“藏头诗”的男孩,都是隐藏的密码学家......

2021-11-10
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《脱口秀大会4》综艺里,“脱口秀届的鹿晗”徐志胜讲述高中时写了一首含情脉脉的藏头诗向自己心仪女孩子表白,却遭遇滑铁卢。

女孩并没有发现他这个巧妙的设计。还被朋友调侃说,他该藏的不是诗,是脸。


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笑归笑,闹归闹。不过在这个藏头诗背后,却让我们看到了一个青涩含蓄的少年,辗转反侧,寤寐思服,掩饰但又想要表达的小情愫,就像刚要抽芽的柳枝,又像将开未开的含羞草。


不知道你们有没有写过藏头诗,给女孩子,或者给男孩子。在这个不经意间的小操作中,你已经完成了一次“加密传输”的操作,不知不觉迈出了密码学家的第一步。


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说到密码学,本质上是为了保障信息传递的安全,将敏感消息进行隐藏。它涉及到很多数学基础,例如数论、群论等,也有很多方向,对称密码、非对称密码、可证明安全等。

作为大众科普类文章,咱先不讲概念,也不讲定义,太繁琐,太枯燥,这种工作自然有百度百科去做,咱们先来说说信息传递


比如古代的烽火台,发现敌情立马就点燃狼烟,信息迅速进行传递,这种信息传递是具有特殊意义的,大家都事先明确,只有发现敌情,才会点燃狼烟,当然,烽火戏诸侯的周幽王事件除外。其次,敌人也会明白狼烟的意思,那么在古代战争中,怎么样去隐藏我们要传递的信息呢?



隐写术


在某些狗血的古装电视剧里,可能会有如下情节,某大侠将一张白纸用火一烤,或者用水一泡,立马就浮现出了文字。或者在某个埋伏的密林里,嗷嗷叫两声,打个暗号,就明白彼此的意思。


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这两者是不同的,前者是对消息本身进行隐藏(学名隐写术,你写的表白藏头诗也是一个道理),而后者隐藏的是内容

大家体会一下,前者的消息是任何人都能看明白的,而后者是对某种协商好的命令进行了拟声化处理,这就有点加密的思想了。
 
在古代战争中传递信息,这两种方式倒也可行,但是安全性不高。隐写术写纸条容易被敌人缴获,就像你上课传纸条被老师逮住一样。聪明的你可能会想我在纸条内容写暗号不就行了嘛,这样老师就看不懂了。

巧了,艾伦·图灵也是这么想的,他就干过,给他的好基友在课上传纸条,被抓住老师也无可奈何。对于图灵这位大佬,咱们后面还会遇到。


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后面的拟声化处理倒也可行,找个小众方言或者小众国家的语言,当个传话员就是。我广东的舍友每次给家里打电话,我都听得一脸懵逼,对于外地人来说具有非常好的加密效果。

但是,这种方式对人员素质要求极高,他必须得懂两种语言,一种是官方通用语言,一种是小语种方言。

此外,还要求有极强的意志力,被敌人俘虏后,严刑拷打还不能泄露信息。而且战场上随时都有被子弹误伤的可能,一个战斗小组一个传话员,太费人了,并且你也不能保证敌人不会去找传话员的老乡。



古典密码


所以,在古代,对信息进行隐藏一般都是采用混淆变换的形式。比如凯撒密码,置换密码,维吉尼亚密码等。


我们以凯撒密码(Caesar cipher)为例,相传它是尤里乌斯凯撒曾用过的密码,故因此得名。凯撒密码是通过将明文中所使用的字母按照一定的字数“平移”来进行加密的。

比如将明文“apple”以平移位数为3的方式进行加密变换,那么变换后的密文就是“dssoh”。此处的平移位数就充当了密钥的作用。


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图2 凯撒密码平移原理


当然,我们现今的密码研究并不局限于此。1949年香农发表论文Communication Theory of SecrecySystems[1],业内一般以这个时间节点作为现代密码学与古典密码学的分水岭,在1949年之后密码学逐步发展为一门科学学科。
 
古典密码学中,多应用置换思想,来达到信息隐藏的目的。大家肯定看过很多谍战片,《潜伏》、《暗算》、《风筝》等这一系列优秀的谍战影视剧里面所涉及到的密码思想,大都属于古典密码学的范畴。



Enigma


古典密码学的巅峰,当属二战时期英国破译德国的Enigma加密机

Enigma加密机就是将置换混淆应用到了极致,而且他每天会进行一次密钥更新,通过当时的人力计算进行穷举攻击根本不可能去破译。


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Enigma加密机


在这里我们就又要提到大佬的名字了:艾伦·图灵。他参与了英国的破译工作,并且提出了与其他破译人员不同的思路方法。

人是算不过机器的,所以图灵要用机器去打败机器,通过研究Enigma的构造,造出将Enigma机进行逆变换的机器,去进行破译,用魔法去打败魔法当然在这里面也用到了密文分析的方法作为辅助。有个电影叫《模仿游戏》就是以当时的破译为背景进行演绎的。


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电影《模仿游戏》

由于图灵带给了人类计算机的启蒙,并且首次提出用机器代替人计算的思想,被后人尊称为计算机之父,而计算机界的最高荣誉也以他的名字命名:图灵奖

最后我们给个密码学的概念吧:密码学是一门古老的学科,是一种信息隐藏的艺术,是研究编制密码和破译密码的技术科学。研究密码变化的客观规律,应用于编制密码以保守通信秘密的,称为编码学;应用于破译密码以获取通信情报的,称为破译学,总称密码学[2]。

对于古典密码学的破译也有很多有意思的途径方法,例如通过对密文的特点进行统计分析等。

在1949年之后呢,密码学又进行了哪些进展,是如何发展到现今成为无处不在的安全技术基石呢?这些就放到后期了。


参考文献
[1]SShannon C E . Communication Theory of Secrecy Systems[J]. Bell System TechnicalJournal, 1949, 28(4):656-715.

[2]https://baike.baidu.com/item/%E5%AF%86%E7%A0%81%E5%AD%A6/480001?fr=aladdin


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