2.4 古典密碼

古典密碼（Classical Cipher）起始于古代終止于19世紀末，是現代密碼的基礎。當時生產力水平較低，普遍采用紙、筆或簡單器械完成加密、解密操作，正是密碼學發展史上手工加密階段迅速發展的時期。雖然，古典密碼由于安全性較低、效率低等多種缺陷已經退出了歷史舞臺，但古典密碼對于密碼學的研究卻有著不可替代的作用。

古典密碼受限于當時的環境，以語言學為基礎對文字進行字符變化，也就是對字符加密，以達到信息加密的目的。古典加密算法最常用、最核心的兩種加密技巧是移位和替代，這同樣是對稱加密算法最常用的方法。

? 移位密碼（Transposition Cipher）：又稱錯位密碼，即將字符的順序重新排列。例如，將“1234567890”變成“3216549870”。這種加密算法看似簡單，但卻十分有效。如果不能領會其中的規律，很難辨別其內容的真正含義。

? 替代密碼（Substitution Cipher）：又稱置換密碼，即將明文中的一組字符替代成其他的字符，形成密文。例如，“Encryption algorithm”變成“Fodszqujpo bmhpsjuin”（每個字母用下一個字母替代）。接收者對密文做反向替代就可以恢復明文。著名的凱撒密碼就應用了替代式算法。

在古典加密時代，替代密碼發展迅速，而且變得更加復雜，擁有眾多分支，具體如下。

? 單表替代密碼（Monoalphabetic Cipher）：又稱簡單替代密碼。明文的一個字符用相應的一個密文字符代替。加密過程就是從明文字母表到密文字母表一一映射的過程。主要包括移位（shift）密碼、乘數（multiplicative）密碼、仿射（affine）密碼、多項式（Polynomial）密碼、密鑰短語（Key Word）密碼。

? 同音替代密碼（Homophonic Substitution Cipher）：又稱多名替代密碼。與單表替代系統相似，唯一的不同是單個字符明文可以映射成密文的幾個字符之一，例如，A可能對應于5、13、25或56，“B”可能對應于7、19、31或42，所以，同音代替的密文并不唯一。電影《風語者》中，美軍征召納瓦霍人加入海軍，訓練他們使用納瓦霍語言作為通信密碼，這實際上就是應用了多名替代密碼。

? 多表替代密碼（Ployalphabetic Substitution Cipher）：明文中的字符映射到密文空間的字符還依賴于它在上下文中的位置。其由多個簡單的代替密碼構成，例如，可能有5個被使用的不同的簡單代替密碼，單獨的一個字符用來改變明文的每個字符的位置。弗吉尼亞（Vigenere）密碼、博福特（Beaufort）密碼、滾動密鑰（running-key）密碼、弗納姆（Vernam）密碼、轉子機（rotor machine）密碼均為多表替代密碼。第二次世界大戰中，德軍用的轉子加密機—Enigma，正是多表替代密碼應用的典范。

? 多字母替代密碼（Polygram Substitution Cipher）：明文中的字符被成組加密，例如“ABA”可能對應于“RTQ”，ABB可能對應于“SLL”等。希爾（Hill）密碼、Playfair密碼均為多字母替代密碼。在第一次世界大戰中英國就采用了這種密碼。

不管是移位算法還是替代算法，終究脫離不開人類語言。針對該特點，通過對密文進行語義分析使得古典密碼在破譯上有章可循。例如，凱撒密碼是單表替代密碼，要破解凱撒密碼，只要以語言學為基礎，找出使用頻度最高的字符，如' '（空格符）和 'e'，用ASCII碼表示就是32和101，差值為69。如果明文中兩個出現頻率最高的字符的ASCII碼相差69，那么加密后密文中相應出現頻率最高的字符的ASCII碼相差也一定是69。很顯然，通過這樣的分析方法，只要找出密文中與之對應的字符，計算偏移量—密鑰，就可以破譯密文，這就是著名的頻度分析法。公元1578年，瑪麗女王營救計劃因密信被破解而以失敗告終，當時使用的破解方法就是頻度分析法。