2.1.2　近代密碼學(xué)的開端

1949年，香農(nóng)（Shannon，美國數(shù)學(xué)家、信息論之父、現(xiàn)代密碼學(xué)先驅(qū)，見圖2-3）的論文《保密系統(tǒng)的通信理論》（The Communication Theory of Secret Systems），闡明了關(guān)于密碼系統(tǒng)的分析、評價(jià)和設(shè)計(jì)的科學(xué)思想，提出了保密系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、隨機(jī)密碼、純密碼、完善保密性、理想保密系統(tǒng)、唯一解距離、理論保密性和實(shí)際保密性等重要概念，并提出評價(jià)保密系統(tǒng)的5條標(biāo)準(zhǔn)，即：保密度、密鑰量、加密操作的復(fù)雜性、誤差傳播和消息擴(kuò)展。這篇論文開創(chuàng)了用信息理論研究密碼的新途徑。

圖2-3　香農(nóng)（Shannon）

軍事領(lǐng)域?qū)τ诿艽a學(xué)的需求一直是非常旺盛的，戰(zhàn)爭中信息的保密傳輸和完整送達(dá)一直都被高度重視。在第二次世界大戰(zhàn)中，正是波蘭和英國密碼學(xué)家破譯了德軍使用的恩尼格瑪密碼機(jī)（德語：Enigma，也被譯作啞謎機(jī)、奇迷機(jī)，一種用于加密與解密文件的密碼機(jī)），才使得戰(zhàn)局出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)，其中的代表人物就是圖靈。在第二次世界大戰(zhàn)期間，數(shù)學(xué)家和工程師運(yùn)用數(shù)學(xué)知識和科學(xué)技術(shù)破譯了德國的恩尼格瑪密碼、“洛倫茲”密碼以及日本海軍的密碼，獲得了大量的“超級情報(bào)”，成為戰(zhàn)爭勝利的關(guān)鍵。

恩尼格瑪密碼系統(tǒng)如圖2-4所示：水平面板的下面部分就是鍵盤，一共有26個(gè)鍵，空格和標(biāo)點(diǎn)符號都被省略，在圖2-4中只畫了六個(gè)鍵。實(shí)物照片中，鍵盤上方就是顯示器，它由標(biāo)示了同樣字母的26個(gè)小燈組成，當(dāng)鍵盤上的某個(gè)鍵被按下時(shí)，和此字母被加密后的密文相對應(yīng)的小燈就在顯示器上亮起來。

圖2-4　恩尼格瑪密碼系統(tǒng)

最先破解早期恩尼格瑪密碼機(jī)的是波蘭人，1932年，波蘭密碼學(xué)家馬里安·雷耶夫斯基、杰爾茲·羅佐基和亨里克·佐加爾斯基根據(jù)恩尼格瑪機(jī)的原理破譯了它。1939年中期，波蘭政府將此破譯方法告知英國和法國，但直到1941年英國海軍捕獲德國U-110潛艇，得到密碼機(jī)和密碼本后才完全破解了恩尼格瑪密碼。而英軍在計(jì)算機(jī)理論之父圖靈的帶領(lǐng)下，通過德軍在密鑰選擇上的失誤以及借助戰(zhàn)爭中奪取的德軍密碼本，破解出重要的德軍情報(bào)。1942年，美國教授約翰·阿塔那索夫和克利夫·貝瑞發(fā)明了世界上第一臺采用真空管的計(jì)算機(jī)ABC（Atanasoff–Berry Computer）。借助于快速電子計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法，美軍成功破解出日軍的PURPLE碼，并在中途島戰(zhàn)役中截?fù)羯奖疚迨？梢哉f，密碼學(xué)的發(fā)展直接改變了二戰(zhàn)后期的格局，加快了戰(zhàn)爭的結(jié)束。在二戰(zhàn)的日美太平洋戰(zhàn)場上，美國海軍使用納瓦霍語進(jìn)行情報(bào)傳遞。由于納瓦霍語的語法、音調(diào)及詞匯都極為獨(dú)特且知之者甚少。因此，納瓦霍語密碼也成為近代史上少有的、從未被破譯的密碼。

恩尼格瑪密碼的成功破譯，讓密碼學(xué)家們深刻地意識到：真正保證密碼安全的往往不是加密解密算法，而是應(yīng)該隨時(shí)能夠改變的密鑰。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子通信技術(shù)的發(fā)展，密碼的使用被迅速擴(kuò)張到各個(gè)領(lǐng)域，也進(jìn)一步促進(jìn)了現(xiàn)代密碼學(xué)體系的發(fā)展和完善。在密碼學(xué)體系中，“對稱加密”“非對稱加密”“單向散列函數(shù)”“消息認(rèn)證碼”“數(shù)字簽名”和“偽隨機(jī)數(shù)生成器”被統(tǒng)稱為密碼學(xué)家的工具箱。其中，“對稱加密”和“非對稱加密”主要是用來保證機(jī)密性；“單向散列函數(shù)”用來保證消息的完整性；“消息認(rèn)證碼”的功能主要是認(rèn)證；“數(shù)字簽名”保證消息的不可抵賴性。