维吉尼亚密码：加密强悍，却为何没人用？

Posted 2023-04-08

参考技术A 维吉尼亚加密法。

讲到概率论出现之后，传统的移位法就不好使了。

维吉尼亚加密法，就是为了对抗频率分析出现的——使用这套加密方法之后，字母的频率特征会消失。

一般认为，做出这套加密法的是法国外交官布莱斯·德·维吉尼亚。

但这个结论有很多争议，在他之前40多年的德国炼金术士约翰尼斯发明的表格法，也包含其中关键部分；在他之前80多年，意大利诗人莱昂也提出过这种方法的关键部分。

一个发明到底归属谁有必要考据细节吗？

当然没有。我主要是想指出一个规律——凡是出现了一个发明权一堆人抢的情况，就说明那个领域已经形成了成熟的行业。

密码学也是如此。我们暂且认为维吉尼亚就是发明人吧。问题来了，他一个外交官怎么会对密码学研究那么深呢？有两个原因：

在18世纪初，欧洲各国都有隶属于情报机构，专门负责加密解密的部门，叫“黑房厅”。它是和邮政系统配合运行的。

每天有大批信件本来是从各地寄到邮局，再从邮局分发出去。黑房厅出现后，一部分信就不是从邮局直接递给收信人了，而是要先经过黑房厅，再送到收信人手里。

哪部分信件要绕这么一道弯儿呢？

其实就是所有寄给当地大使馆的信件，会受到这种特殊待遇。因为这里很可能有机密信息。

虽然我直接把内幕说出来了，但黑房厅在当年运作的时候是完全保密的，人不知鬼不觉。信件不能因为破译需要时间，而让对方使领馆人员察觉到递送超时。

以当时最著名的维也纳黑房厅来说，每天早上7点，信件先抵达黑房厅，工作人员小心翼翼的融开封口，由专门的速记员把信件誊写抄录，如果是很偏门的语言，就由专家出马誊写。然后马上把信封好口，在三小时内送回邮局，邮局再按正常流程递送出去。

那时各国都在重要信件上使用了加密法，最初普遍采用替代法和移位法的混合，但对掌握频率分析法的黑房厅来说，总是可以破译。

奥地利除了自己偷看信，还暗中把消息卖给其他国家的情报部门。没过几年，很多国家察觉到自己的加密可能失效了，于是就催生出下一代加密法。

为了弄懂后面新的加密法，我们有必要先来回顾一下第二代加密法存在哪些漏洞。

讲了替代法的破解原理，因为每个字母实际使用的频率是有固定值的，所以不论那些字母被什么符号替代了，都可以从频率上找出它的真身。

玛丽女王就生活在加密法打不过解密法的年代。其实在她被砍头的40年前，新的加密法已经出现了，它是替代法的改进版，叫“多套符号加密法”。

为了掩盖字母使用中暴露的频率特征，解决办法就是用多套符号代替原来的文字，比如原文的字母是A，从前只把它替换成F，现在把它替换成F或者G这两个。那什么时候用F什么时候用G呢？可以自行规定，比如说，字母在奇数位时用F代替，字母在偶数位时用G代替。

从前单套符号替代的时候，凡是文字中频率为7.63%的符号，差不多就代表A了。但现在A由F和G混合在一起，7.63%的特征不再出现，哪个符号代表A就没人知道了，于是频率分析法暂时失效。

而且，多套符号加密法并没满足于2-3套，后来典型使用的是26套。

这个用了26套字符的方法，就是第三代密码“维吉尼亚加密法”。就是它，成功压制了解密一方的频率分析法。

它是一个表格，第一行代表原文的字母，下面每一横行代表原文分别由哪些字母代替，每一竖列代表我们要用第几套字符来替换原文。一共26个字母，一共26套代替法，所以这个表是一个26×26的表。

维吉尼亚密码表

它具体是怎么加密呢？

假设我要给“hello”加密，现在的思路和单套的加密方法不一样了。单套的时候，我们可以指定这个表里任意一横行，比如指定第8行的意思就是说，原文中的字母都往后移8位，只使用这一行的规则，“hello”就变成了PMTTW。

但现在我们的思路是用多套密码，不能只用第8行第8套。于是我们就这样指定：

你说这听着怎么这么乱啊？具体每个字母移动多少位竟然要单独指定，太麻烦了吧？

如果原文只是hello这种词还好，要是一封信的话，一个字母一个字母的规定用哪套替代，不但加密费劲，解读也费劲。只能单独再写一本说明书出来，照着它一个字母一个字母的还原，费时费力、容易出错不说，连加密的初衷都实现不了。

因为这份说明书的文字量比原文还要多得多，而且这个说明书还必须以谁都可以看懂的方式书写。想让收信方看明白，必须要送一本加密说明书给对方，如果说明书被截获，内容也就白加密了。

这个问题是这么解决的：

第三代的维吉尼亚加密法在真实使用时，人们事先规定每个字母用了哪套移位法时，并不是毫无规律的瞎指定，而是要约定一个规则，这个规则就叫作 “ 钥匙 ”。

钥匙最初只是一个单词，比如，像钥匙是yes，那怎么加密呢？

你看，yes的y是第25个字母，就代表加密时把原文第一个字母往后移25位；yes的第二个字母e是字母表中第5个字母，就代表把原文的第二个字母往后移5位；yes的第三个字母s在字母表中是第19个字母，就代表把原文第3个字母后移19位。这样原文的前三个字母，就分别用了第25套、第5套、第19套替代法。

那原文第4个、第5个、第6个字母怎么解决呢？好办，就按刚刚的规则循环就好。

这样“hello”在钥匙是yes的情况下，就被加密成了FIDJS。

这样的好处是，原文里同一个字母会被加密成不同字符，hello中的两个“l”分别变成了D和J。而且密文中同样的字符也可能代表不同的原文，谁和谁都不对应。

1586年，维吉尼亚把这个想法写在了《密码论》中发表。

而上节课我们说的玛丽女王是在1587年被砍的头，如果她和反叛军能用到这本书里的加密方法，也许会是另一种命运。

维吉尼亚法相比从前的加密法，破解难度上了一个新的台阶，按理说应该倍受青睐吧？结果恰恰相反——它在出现后的200年里，几乎没有人使用。

原因很简单，太麻烦了。咱们第一节课就讲到，真正好用的密码，是在安全性和效率上找到了平衡点。

你想，用单套密码的时候，当年玛丽女王稍作训练，在监狱里就可以抛开字典直接用密文回信，但是如果用维吉尼亚密码的话，估计她老得翻字典。

而且大家也可以设身处地的想想，加密法可是一套26×26的表格，而且还有长短不一的钥匙。每加密一个字母，都要在表格里找来找去，就算是在熟练操作的情况下，加密一个字母也得要3秒钟的时间。写完一篇500字的短文，要3个多小时的高强度工作。慢还不说，这样来回来去的查和写，还容易出错。

所以在它诞生后的200多年时间里，几乎没有人用。既然没人使用，自然200多年也就没有人破解。

直到1861年到1865年美国南北战争时期，维吉尼亚加密法才被广泛使用。

为什么会这样？是因为人们脑子变聪明了，手更快了吗？

不是的，而是因为随着科学技术的发展，那时候加密解密的工作已经可以由机械来完成。1860年代，不但已经有了蒸汽机，也有了电动机，这种有规律的体力活儿机器是最擅长干的，既不会抱怨累，也不太会出错。

从维吉尼亚法推迟200多年才得到实际使用，我们能明白一个道理——

基础学科的发展是工程领域发展的根基，新理论的发明要比产品的发明重要得多。

就算是只限于密码学领域，这个规律也反复出现了多次，而且大都集中在维吉尼亚密码法诞生之后。

因为16世纪初，现代科学已经在欧洲出现了。科学理论用得好就能生出新技术，新技术解决一个个困难，让人类更愿意把精力投入到科学中，于是又产生出更多的技术，形成了一个正反馈。

在这样一个新环境里，出现了一个有意思的情况：

维吉尼亚加密法是这样，维吉尼亚加密法的破解也一样是这样。

这并不是偶然，而是现代科学出现后的常态，在任何领域都是如此。

知道了这个规律，我们就会少一分对伟大发明家的崇拜，多一分对背后科学原理的敬畏。

维吉尼亚密码(Vigenère cipher)

参考技术A 维吉尼亚密码引入了“密钥”的概念，即根据密钥来决定用哪一行的密表来进行替换，以此来对抗字频统计。假如以上面第一行代表明文字母，左面第一列代表密钥字母，对如下明文加密:

TO BE OR NOT TO BE THAT IS THE QUESTION
当选定RELATIONS作为密钥时，加密过程是：明文一个字母为T，第一个密钥字母为R，因此可以找到在R行中代替T的为K，依此类推，得出对应关系如下：
密钥:RE LA TI ONS RE LA TION SR ELA TIONSREL
明文:TO BE OR NOT TO BE THAT IS THE QUESTION
密文:KS ME HZ BBL KS ME MPOG AJ XSE JCSFLZSY
与凯撒密码类似,进行一下运算两次即可