“一直被模仿从未被超越”说的是竞争角逐，“一直都存在从未被抹除”说的是数据信息。人类社会的整个发展过程，其实都充斥着各种各样的信息。这些信息或有用或无用，或多或少，都被人们有意或无意地生产制造且又消费利用着。

　　在信息传递过程中，密码学就成为了安全机制中的一个重要环节。一直以来密码学都被专指加密算法——将明文(信息，plaintext)转换成难以理解的数据(密文，ciphertext)，以及将密文还原成明文的过程。加解密也就成为了密码学中最为重要的两种算法。

　　对称密钥加密术示意图

　　在谈到人类社会发展中的加解密或者说密码学(近代以前密码学专指加解密，本文主要围绕加解密来展开。编者注)的时候，我们需要知道，它是由两部分构成的：算法和密钥。密钥是一个用于加解密算法的秘密参数，通常只有通讯者拥有。算法和密钥在编制密码和破译密码的过程中都会参与其中。

　　为了让大家更加通俗易懂，我们以上图为例子进行说明。明文“Hello World!”通过加密并以密钥(ciphertext)这个参数(也就是图片中的字符串)，将明文转换成难以理解的数据或者符合。而接收方也需要这个密钥对其进行解密。从而才能还原出其真实的数据信息“Hello World!”。在这个加密模式中，只需要提供一种密钥进行加、解密过程，也就是我们常说的对称密钥加密。

　　非对称加密算法

　　与此对应的，则是非对称加密算法。非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥(public key)和私有密钥(private key)。公有和私有密钥彼此不同，公开密钥与私有密钥构成一对，如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密;如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。

　　对称和非对称加密，在密码学中占有非常重要的地位，也是整个密码学体系不断发展的两个主要线索。在本文，我们将为大家介绍包括这两种模式的加解密发展历程，并着重以实物的形式来展现人类在密码学所体现的安全技术的发展。

　　早在公元前，秘密书信已用于战争之中。西洋“史学之父”希罗多德在《历史》当中记载了一些最早的秘密书信故事。

　　比如，公元前5世纪，希腊城邦为对抗奴役和侵略，与波斯发生多次冲突和战争。公元前480年，波斯秘密结了强大的军队，准备对雅典和斯巴达发动一次突袭。希腊人狄马拉图斯在波斯的苏萨城里看到了这次集结，便利用了一层蜡把木板上的字遮盖住，送往并告知了希腊人波斯的图谋。最后，波斯海军覆没于雅典附近的沙拉米斯湾。

　　在古代，最早的加密方式通常指采用纸笔等工具，随着生产力的发展，密码学领域就涌现出更多的技巧和工具。比如早期最具代表性的凯撒密码(Caesar Cipher，以Julius Caesar古罗马朱利尤斯·恺撒命名)，在古罗马时代就被广泛应用。凯撒密码是最具代表性的一种替代式加密算法，它通过将一组字母系统性地替换成另外的字母或者符号，从而达到加密的目的。

　　恺撒密码原理

　　比如，图中我们展示的是将字母A替换成D，B替换成E，C替换成F，依此类推。如果将“hello”进行凯撒式加密的话就替换成“khoor”了。在这种加密方式中，位数就成为了加解密的密钥。

　　Syctale密码棒

　　在古希腊的时候，还有一种叫Syctale的棍棒类物体(暂且称之为“密码棒”)被用来对信息进行加解密。这是一个协助置换法的圆柱体，可将信息内字母的次序进行调动。它主要是利用了字条缠绕木棒的方式，实现字母的位移，收信人要使用相同直径的木棒才能还原真实的信息。

　　在凯撒密码的基础上，发展出一种更为复杂的维吉尼亚密码(Vigenère Cipher)。该密码取名自法国密码学家维吉尼亚，是一种多表替换密码，也被叫做维热纳尔密码。

　　如果需要对明文进行加密，就需要这组密码矩阵和一个关键词(密钥)来实现。在维吉尼亚密码下，可以采用两种方式来进行加密：公式法和查表法。

　　16世纪法国亨利三世王朝的布莱瑟·维吉尼亚(图片来自维基百科)

　　维吉尼亚密码也可以用代数的形式来对待。将字母A-Z对应0-25(26个数字)，因此我们可以引入mod26运算(取模运算)。对于公式法来说，我们可以采用：

　　维吉尼亚密码加密公式

　　通过K这个密钥来实现对E的加密(M为明文，E为密文，K为密钥)。而对于解密，则可以采用：

　　维吉尼亚密码解密公式

　　在以上公式中， 代表明文， 代表密文， 则为使用的密钥。

　　另外，我们也可以用查表法来进行加密。例如密钥的字母为“d”，明文对应的字母“b”，在下图的表格第一行找到字母“d”，再在左边第一列找到字母“b”，两个字母的交叉点(b行d列)就是字母“e”，所以对应的密文字母为“e”。

　　维吉尼亚密码表(图片来自维基百科)

　　和其他所有的加密方法一样，维吉尼亚密码通过字母以某种频率出现，因此频率分析也称为了破解此类加密的一种方法。比如，如果P在密文中的频率非常高，那么人们就可以猜测出所对应的E也是频率较高的字母。但是，使用维吉尼亚密码下的E可以以不同的密文形式来加密。

　　维吉尼亚密码中不同英文字母出现的频率(图片来自维基百科)

　　1914-1940瑞士使用过的加密计算尺(图片来自维基百科)

　　之前介绍的凯撒密码是一种替换加密术，每个字母都制定了以唯一的替换符号(Monoalphabetic Substitution Cipher，单字母表替换加密)，因此它们很容易被频率分析法破解。维吉尼亚密码后来出现过多种改进和变形，也引用了这种“多字母表替换加密” (Polyalphabetic Substitution Cipher)。这种多表加密比单表加密复杂，破解难度也大大增加。自从维吉尼亚加密术出现以后，多表加密成为欧洲人最常用的加密方法。比如上图中展示的 1914年至1940年间，瑞士军队使用了这种加密计算尺。

　　18上世纪90年代，Jefferson(托马斯·杰弗逊，美国第三任总统)发明了一种基于圆盘的加密装置Jefferson disk(杰弗逊圆盘)，或者也被称为Jefferson wheel cipher(杰弗逊转轮加密器)。

　　这种装置有36片同样大小的木制转轮，套在一根铁杆上。每片转轮的圆周边缘上刻有乱序的26个英文字母。通信的双方必须各自有一个完全一样的杰弗逊圆盘(有点类似我们此前介绍的Syctale密码棒，需要彼此双方有同样的加密装置)。

　　Jefferson disk(杰弗逊圆盘，正面)

　　Jefferson disk(杰弗逊圆盘，斜侧面)

　　在使用的时候，密文发送者把一段文字(不超过 36字)通知身处异地的对方时，只需转动加密器上的各片转轮，使这段文字正好出现在同一行上，这时转轮上排列的其他25行都是无意义的乱码。再把其中任意一行的乱码抄下来交给信使(信使无法解密)。对方收到乱码信后，只需拿出自己保存的同样的装置，转动上面各片转轮，让其中一行的排列和这段乱码同处在一行上，然后再查看其他25 行上的内容，其中必然有一行显示出加密者要传达的信息，而其他行显示的都是乱码。

　　杰弗逊圆盘中的其中一个disk

　　从这里我们不难看出，这种杰弗逊圆盘属于多表替换加密，每一个转轮相当于一张密码表。只有使用相同的加密装置的情况下，才能得到蕴含其中的秘密。每个转轮都可以随机设置一个字母，密钥则是圆盘中总共36个disk的不同排列算法来实现。从这里我们也不难得出，这种加解密在当时来说还算非常安全的(36!=3.7x10^41)。

　　Jefferson disk(杰弗逊圆盘，侧面)

　　杰弗逊的发明在后来的150年里都有深远影响，促使了后来美军使用的M-94圆柱形密码设备的成型。而且它在第二次世界大战中也很流行，不过采用的是机械电子式的，与打字机等设备结合使用。

　　M-94 Encryption Disks(点击图片看大图)

　　圆盘上的字母

　　上图展示的就是这种沿用了杰弗逊圆盘设计思想的圆柱形密码设备M-94。该密码设备总共有25个直径为35mm的铝制圆盘，外缘上刻有字母。该设备在1924年被广泛应用在低级军事通信领域。

　　二战中美国陆军和海军使用的 条形密码设备M-138-T4，采用了25个可选的纸条按预先编排的顺序编号使用，其加密强度也相当于M-94。