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【硬知识】加密技术的由来、概念和应用(一)

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发表于 2015-10-21 10:36:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
自从人类社会诞生以来,加密与解密就一直处在发展之中、较量之中。

随着时代的发展演进,加密与解密的攻防也在不断更新换代。目前,加密与解密已广泛地应用于战争国防、商业活动、信息交换等领域,古老的技术在“互联网+”时代里,依然熠熠生辉,电子商务、移动互联网、O2O应用等对加解密技术的需求有增无减……

在这里,我们收集整理了一下加密技术的方方面面,希望对那些有兴趣了解加密的朋友提供一个机会。


一、加密的由来

作为一种保障信息安全的方式,加密不是近代才产生的,它起源于要追溯于公元前2000年,当时埃及人使用特别的象形文字作为信息编码,以此来保护传递的信息。这可以说是加密技术的雏形。随着时间推移,巴比伦、美索不达米亚和希腊文明都陆续开始使用一些方法来保护他们的书面信息。
埃及象形文字

这些古老的加密技术,与我们现在所理解的加密技术,可能相去甚远,但蕴含其中的古老智慧依然使用至今:打乱具有常规意义的编码,用数据冗余来掩盖信息意义,使之成为仅对自己有意义的编码。

Enigma:战争密码

现代意义的加密技术产生和应用于军事领域,如美国独立战争、美国内战和两次世界大战。最广为人知的编码机器是第二次世界大战中,德国人研发使用的Enigma,又称英格玛,被人赋予恐怖的名字“战争密码”。

Enigma密码机

这里首先需要提到一个人:亚瑟·谢尔比乌斯(Arthur Scherbius),德国发明家,Enigma的发明者。他曾在汉诺威和慕尼黑研究过电气应用。

亚瑟·谢尔比乌斯(Arthur Scherbius)

1918年,亚瑟·谢尔比乌斯(Arthur Scherbius)和他的朋友理查德·里特(Richard Ritter)创办了谢尔比乌斯和里特公司。这是一家专营把新技术转化为应用方面的企业,很像现在的高新技术公司。

直到第一次世界大战结束,当时所有密码都是使用手工来编码的。直接了当地说,就是铅笔加纸的方式。手工编码的方式给使用密码的一方带来很多的不便:
首先,这使得发送信息的效率极其低下。明文(就是没有经过加密的原始文本)必须由加密员人工一个一个字母地转换为密文。考虑到不能多次重复同一种明文到密文的转换方式(这很容易使敌人猜出这种转换方式),和民用的电报编码解码不同,加密人员并不能把转换方式牢记于心。转换通常是采用查表的方法,所查表又每日不同,所以解码速度极慢。而接收密码一方又要用同样的方式将密文转为明文。
其次,这种效率的低下的手工操作也使得许多复杂的保密性能更好的加密方法不能被实际应用,而简单的加密方法根本不能抵挡解密学的威力。
另一方面,当时解密一方正值春风得意之时,几百年来被认为坚不可破的维吉耐尔(Vigenere)密码和它的变种也被查尔斯·巴比奇---一个性情古怪的天才破解。而无线电报的发明,使得截获密文易如反掌。无论是军事方面还是民用商业方面都需要一种可靠而又有效的方法来保证通讯的安全。

亚瑟·谢尔比乌斯(Arthur Scherbius)当时的一个想法就是要用二十世纪的电气技术来取代那种过时的铅笔加纸的加密方法。

谢尔比乌斯和里特公司成立后不久,亚瑟·谢尔比乌斯(ArthurScherbius)就发明出了第一台Enigma编码机。这种看起来只是一台装满电器元件的打字机玩意儿在之后的几十年中被证明是有史以来最为可靠的加密系统之一。而对这种可靠性的盲目乐观,又使它的使用者遭到了灭顶之灾。这是后话。

1918年,亚瑟·谢尔比乌斯(Arthur Scherbius)申请了Enigma的专利。他以为既然自己的发明能够提供优秀的加密手段,又能拥有极高的加密解密效率,一定能很快就畅销起来。他给商业界提供了一种基本型Enigma,又给外交人员提供一种豪华的装备有打印机的型号。但是他似乎搞错了。他的机器售价大约相当于现在的30000美元。这个价钱使得客户望而却步,军方对他的发明暂时也没有表现出太多的注意。

在获得命运的垂青前,亚瑟·谢尔比乌斯(Arthur Scherbius)还得耐心地待5年。
温斯顿·丘吉尔

1923年,温斯顿·丘吉尔出版了《世界危机》。书中指出,在英国和俄国的军事合作中,俄国人曾经成功地破译了某些德军密码,而使用这些成果,英国的40局(英国政府负责破译密码的间谍机构)能够系统性地取得德军的加密情报。

也就是在这一年,英国海军发表的关于第一次世界大战的官方报告,其中讲述了在战时盟军方面截获(并且破译)德军通讯所带来的决定性的优势。

这些文件构成了对德国情报部门的隐性指控,他们最终承认“由于无线电通讯被英方截获和破译,德国海军指挥部门就好像是把自己的牌明摊在桌子上和英国海军较量。”

英国政府的这两份文件,令德国军方开始对亚瑟·谢尔比乌斯(ArthurScherbius)的发明大感兴趣。

军方对Enigma进行了可行性研究,最终得出结论:必须装备这种加密机器!

Enigma在战争中使用

1925年开始,谢尔比乌斯和里特公司开始系列化生产Enigma,次年德军开始使用这些机器。接着政府机关、国营企业、铁路部门等也开始使用Enigma。从1925年Enigma开始投产后的10年中,德国军队一共装备了30000台英格玛编码机。

“如果没有波兰数学家的发现……”

Enigma带来最显著的后果是导致后来二次大战中大西洋战役一度呈现出一边倒的形式。在1942年之前,装备了英格玛的德国潜艇部队一共击沉了盟军舰船1000余艘,由于短时间内不能破译德军密码,盟军在北大西洋的军事补给线面临着灭顶之灾。

由于波兰人的努力,英国在破译德军密码方面有了转机。

德国密码通讯机构——密码处(Chiffrierstelle)的汉斯-提罗·施密特将两份珍贵的有关Enigma操作和转子内部线路的资料出卖给了法国情报人员。之后波兰人马里安·雷耶夫斯基按照汉斯-提罗·施密特提供的情报复制出了 Enigma样机。


马里安·雷耶夫斯基

在英国布莱齐利庄园里的英国政府密码机构的八号房中,Enigma与英国密码分析家们战斗了整整一年,终于投降了。带领八号屋的人们走出死胡同的金钥匙,是皇家海军缴获的操作用有线变码转子和海军编码机操作人员调定值和配对手册(即英格玛密码簿,内涵当月各天的通讯密钥)。

图灵和同事

1941年3月4日,盟军在挪威海岸附近被击伤的德国捕鲸船“克雷布斯”号上找到了密码本和变码转子调定值。借助这些东西,8号屋译读了整个4月份里U艇在本土水域的无线电通讯内容。之后在5月7日,在冰岛东部缴获得德国气象船“慕尼黑”号上又找到了变码转子调定值、6月密码以及气象报告。较为成功的一次是6月28日,在一次计划周密的行动中,几艘英国巡洋舰和驱逐舰的舰员,在挪威海强行登上德国气象船“劳恩布格”号,缴获了7月的本土水域密码。这一连串地成功使得8号屋长驱直入,到了8月中旬,8号屋已经能够在50小时之内自己破译当月的密码了。

在二战初期,Enigma使德国具有了最可靠的加密系统,为纳粹德国的胜利起到了决定性的作用;在后来希特勒的毁灭中,Enigma同样也扮演了重要的角色。可谓工具中性。

然而,亚瑟·谢尔比乌斯(Arthur Scherbius)没有能够看见所有这一切:在一次在套马时,他被摔到在一面墙上,于1929年5月13日死于内脏损伤,转轮密码机鼎盛王朝的“开国功臣”就此陨落,后面的一切荣光与耻辱,与他无缘……

艾伦·麦席森·图灵(Alan Mathison Turing)

更多关于Enigma和密码的知识,可以看看《密码传奇》这本书。除了亚瑟·谢尔比乌斯(Arthur Scherbius)、马里安·雷耶夫斯基(Marian AdamRejewski),还有艾伦·麦席森·图灵(Alan Mathison Turing)这样大神级人物……加密、破译,疯狂升级,天才、叛徒,粉墨登场,在混沌的密码底色上,凸显的正是人的传奇!

未完待续……



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