码书 - 图片来自得到App
今天的越写悦快乐之系列文章为大家带来《码书》之读后感，副标题《解码与编码的战争》，看看密码学在近代历史上的应用，如何从手工时代，到机械时代，再到智能时代。
密码决定了战争的胜败，也影响了历史的走向。
前言
在人类历史上，不管是君王还是将军，都需要一套高效的通信手段来治理国家和指挥军队。但是他们还有另一个需求，那就是不能让敌人获得关键的信息，必须尽量保持机密。
连中国古代的《易经》中都有这样的话：「君不密则失臣，臣不密则失身，几事不密则害成。」换句话说，如果没有机密，就会有危险。
《孙子兵法》里更是说得直接「三军之亲，莫亲于间，赏莫厚于间，事莫密于间。」也就是说，战争中，没有比刺探他人情报和保护自己的情报更加重要的事情了。
所以纵观历史，有多少权力的争夺，有多少战火和硝烟，背后就有多少秘密。
历史上无数人发挥自己的聪明才智，努力建造更强的保密系统，也努力攻破别人的保密系统。密码学，就在这场旷日持久的攻防拉锯战中应运而生。
甚至有人说，历史的标点符号，就是密码打上去的。密码决定了战争的胜败，也影响了历史的走向。
密码的三个阶段
手工时代
虽然我们把「密码」两个字放在一起说，但是实际上，人类是先花了很多时间研究「密」，之后才转而研究「码」。
秘密书信的历史其实非常悠远，不过，人们最早的思路，是想方设法把书信的内容直接隐藏起来。
有文献记载，公元前5世纪，希腊和波斯之间正在打仗。一位希腊人为了传递秘密信息，会把信息写在木板上，然后用一层蜡把木头盖住。收信人拿到木板之后，把蜡刮掉，就能看到秘密的信息。
希腊这边还用过更绝的方法，他们会把信使的头发剃光，把秘密信息写在信使的头皮上，等信使头发长出来之后再派他去送信，到地方再把头发剃了，收信人就能看到密信了。
这种直接掩盖信息的方法，被称为「隐匿法」。这是最早的加密手段，直到近现代还一直在使用。今天我们在看谍战片的时候，还会经常看到间谍们用隐匿法传递情报，像什么用隐形墨水写信，或者把信息塞进胶囊里再让特工吞下去，都是隐匿法。
隐匿法的寿命这么长，表示这种方法确实很安全。不过，隐匿法有一个根本弱点，一旦敌人更加谨慎地搜查，情报就会曝光。这就像是在玩捉迷藏的游戏，只要对方认认真真地去找，总是能找到一些蛛丝马迹。
于是，人们开始思考另一种方法，有没有可能，就算敌人找到了白纸黑字的信息，但是依然不明白我想说的是什么呢？
顺着这个思路，各种密码应运而生。
在密码的手工时代，诞生了花样繁多的密码，不过从原理上，基本可以分成两类，一类用的是「移位法」，另一类用的是「替代法」。
最简单的移位法，就是把每个字母都用后边一位的字母表示，这样，A就变成了B，B就变成了C，像是「得到」的拼音DEDAO就变成了EFEBP。别人如果看到，就会认为是毫无意义的单词，没法理解其中的含义。传说这样的方法，最早是由恺撒发明的，所以用移位法加密又被称为「恺撒式密码」。
另一种方法是替代法。先将字母随意配对，再用配对字母取代信息里的原始字母。比如我们可以指定用V代表A，用T代表B，因为替代的规则是人指定的，所以更加灵活，更难被破解。
不过，不管是移位法还是替代法，都有一个本质上的弱点。那就是这些用字母组成的拼音文字，每个字母出现的频繁程度是不一样的。比如在英文里边，字母A、字母E出现的频率，就远远高于字母X和字母Z。所以，不管用什么样的方式移位或者替代，只要是用一套加密方案进行加密，那么拿到密文之后，只要统计其中字母的频率，就能找到破解的方向。
于是人们在移位法和替代法的基础上，发明了新一代的加密方法，这种方法是由一位名叫维吉尼亚的法国外交官发明的，所以被称为「维吉尼亚加密法」。
维吉尼亚加密法的创新之处，在于给每个字母都设置一套加密算法。
字母A可以替换成A也可以替换成Z，一共26个字母，这就是26套加密方案。通信的双方需要约定一组数字，这样就知道每一位字母要用哪套加密方案了。
咱们还是拿得到的拼音DEDAO举例子，咱们约定一组数字，比如10086吧。这样，第一个字母D就替换成后一位的E，第二个字母E还是E，第三个字母D还是D，第四个字母A替换成后八位I，最后一位字母O替换成后六位的字母U，在10086这个方案下，DEDAO就被加密成EEDIU。
这个10086就叫作「钥匙」，拿到了钥匙，才能知道具体要如何解密。
维吉尼亚加密法确实提升了密码的安全性。不过，安全和方便往往是一对矛盾，维吉尼亚加密法提升了安全性，也提高了使用的门槛，比如咱们刚才是5个字母，所以钥匙也只需要5位数就够了。如果是一封几百个单词的长信呢？钥匙也要变得很长，那如何把钥匙顺利地交到别人的手上呢？这就出现了新的问题。
而且，在手工书写的时代，要记忆26套加密算法，不仅费时费力，而且容易出错。所以，维吉尼亚加密法虽然更加安全可靠，但是在手工加密的时代，并没有被广泛应用，直到机械时代来临，这种方法才开始大放异彩。
机械时代
进入20世纪，战争中对于加密和解密的需求就更加强烈了。一方面，各种机械的出现，可以提升我们的效率，像是前边说到的维吉尼亚加密法，就不用靠手算了，可以用专门的机械来辅助加密了。另一方面，科技的进步也使得需要加密的场合越来越多，比如战争中大量使用无线电来通信，战争双方都可以接收到无线电信号，如果没有强有力的加密手段，那自己就相当于完完全全暴露在对方的眼皮底下了。
有人说，第一次世界大战可以称为是化学家的战争，因为战场上第一次出现了芥子毒气；第二次世界大战可以称为是物理学家的战争，因为原子弹的出现终结了战局；如果有第三次世界大战的话，一定是数学家的战争，数学家将掌控大战中最关键的武器，那就是信息。
其实第二次世界大战，就已经是数学家的战争了，加密和解谜的拉锯战直接影响战争的走向。这其中最精彩的案例，当属英国密码专家破解德国的「恩尼格玛密码机」。这也是密码学历史上最著名的攻防战，可以说直接影响了人类历史的进程。
恩尼格玛是一种机械电子式的加密机，由一堆齿轮、电线、灯泡、转盘、摇杆组成。使用机器做繁琐的加密工作在之前也有过，只是因为它们都没有量产，所以也没有流行。恩尼格玛机，是第一个大规模量产的加密机。从它开始，密码学不再依赖纸和笔的运算，使用机械和电子加密的时代正式到来。
恩尼格玛密码机的样子有点像打字机，有键盘，有显示装置，内部是一大堆机械和电子的零件。
操作员每敲下一个字母，经过机械和电子的转换，显示装置那里就会显示一个对应的字母，这就是经过加密之后的编码了。这听起来好像没什么，恩尼格玛最厉害的地方在于，核心的加密零件叫编码器，编码器的核心是齿轮，每敲下一个字母之后，齿轮就旋转一格，齿轮的转动会使得密码机内部的线路连接发生变化，加密结果就不一样了。
恩尼格玛就是延续维吉尼亚加密法的思路，加密的时候，每个字母都换一套加密算法。不过恩尼格玛的加密方式更加复杂，早期的恩尼格玛，齿轮只有六个格，也就是有六套加密算法。后一代的恩尼格玛，齿轮增加到了26个格，还是感觉不够用，于是又增加了第二个齿轮，上边也是26个格，这就代表加密算法增加到26乘以26，也就是676套算法，这样的恩尼格玛密码机，还只能供商业使用。德国军方的密码机是8个齿轮，换句话说，一台机器中包含了2000多亿套加密算法。
这是什么概念呢？你要知道，一套最新的大英百科全书包含6000多万个单词，咱们就算一个单词有10个字母，那把大英百科全书打上300遍，也用不完这2000多亿套加密算法。
恩尼格玛密码机使用的加密方式，实际上还是传统的方法，也就是替代和移位。虽然从「质」的角度来说，恩尼格玛密码机并没有太大的突破，但是在机械和电子的加持之下，在「量」的角度上，恩尼格玛密码机拥有了前所未有的优势。
单从理论上讲，这样的机器几乎是无法攻破的。
那英国的情报部门又是如何破解恩尼格玛的呢？
首先是波兰、法国和英国的接力合作，通过间谍活动和军事袭击，搞到了真正的恩尼格玛密码机，后来，法国人甚至弄到了军用版恩尼格玛机的使用说明书和操作指南，但是说明书只能帮他们弄清楚恩尼格玛的工作原理，并不代表就能破译密码。因为2000多亿套密码，你根本不知道德军用的是哪一套。当初德军就是假设敌人也有一模一样的机器，还是不能破解的情况下，才批准使用恩尼格玛机的。
波兰密码学家曾经做过一些尝试，可以一定程度地破解密码。这给了盟军很大的希望，英国开始招募大量的语言学家、人文学者、科学家和数学家，组成了一支7000人密码破译队伍，每天都有军方截获的各种德军通讯代码，被源源不断地送到这里，这些学者夜以继日地工作，希望从杂乱无章的信息中找到规律。
最终找到这把钥匙的，是艾伦·图灵，他是著名的数学家，也是公认的计算机科学的奠基人。
在研究过之前被破解的信息之后，图灵注意到，截获的德军信息里，其实大有规律可循。比如「希特勒万岁」这样的句子就经常出现。还有，每天早上六点，德军都会发一份当天的天气报告，而且格式非常固定，甚至单凭经验，就能确定哪个单词是德语里的天气那个单词WETTER。这样，知道了这个单词是WETTER，也知道加密之后的密文是什么，图灵就可以找方法去反推恩尼格玛的加密算法。
最笨的方法，当然是试着改一改手里这台恩尼格玛的设置，然后把WETTER这个词输进去，看看什么情况下，结果和加密之后的代码是一样的。但是咱们说过，加密算法以亿计算，一个一个试根本是天方夜谭。
图灵找到了一种思路，前边咱们说过，恩尼格玛密码机是靠齿轮的转动调整加密方案，这个方案的调整肯定也是按顺序的，在加密WETTER这个单词的时候，如果加密W用的是方案一，那么加密后边的E的时候用的必然是方案二。这样，图灵他们要找到的，就是连续的6套方案。而且他们发现，德军设计恩尼格玛的时候，还坚持一个原理，那就是加密后的代码不能和加密前一样，也就是说，字母E加密之后的代码，绝不可能还是字母E，这就又缩小了他们要搜索的范围。
总之，经过一番艰苦的努力之后，图灵把加密的可能性从上千亿种，缩小到了105万种。
当然，如果是靠人手工计算，105万仍然是个天文数字。为此，图灵专门设计了一种用于破解的机器，可以理解为早期专用的计算机，代号叫「炸弹」。「炸弹」的数量越多，破解的速度就越快。为了让这些「炸弹」发挥出极致的效果，图灵需要更多的人手和经费，为此，他和其他科学家甚至联名给首相丘吉尔写信求助，丘吉尔很快给英军的参谋首长下命令，让军方务必以最高的优先级，满足图灵他们的所有要求。
图灵和他的同事一共建造了49台「炸弹」，最快的时候，只要花上1个小时，就能破解出德军当天使用的密码。
这边，英国专家破解了恩尼格玛密码机，扭转了欧洲战场的局势。另一边，美军也破解了日本最厉害的密码机「紫色」，让美军在太平洋战场上获得了巨大的优势。
比如，1942年的6月，美军破解了一则日军信息，日本海军打算使用声东击西的战术，攻占美军中途岛海军基地。于是美军将计就计，军舰离开了中途岛，但是没有走远，日军原本打算进行一场偷袭，结果反过来被美军偷袭了。中途岛海战也成了太平洋战场上的转折点，自此以后，日本海军走上了下坡路。
美国太平洋舰队的总司令尼米兹上将说，美国在中途岛的胜利，其实就是情报的胜利。
一年之后，美国又破译了日军的一则信息，直接掌握了日本联合舰队总司令山本五十六的行程。尼米兹上将派遣了18架战斗机，直接击落了山本五十六的座机。山本之死给日军的士气造成了沉重的打击。
但是，打人家一拳，就要防人家一脚，美国知道，也一定有一大批来自日本的天才，在绞尽脑汁破解美军的密码。于是，美军决定另辟蹊径，选择了一条完全不同的道路，就是把少数民族的语言当作密码。
最早提出这个想法的，是一位叫作约翰斯顿的工程师。约翰斯顿的父亲是一名传教士，为了传教，他定居在纳瓦霍人的保留区。纳瓦霍人是美国原住民其中的一个部落，约翰斯顿在那里出生长大，完全沉浸在纳瓦霍人的文化中。纳瓦霍人本身数量就不多，约翰斯顿更是少有的同时掌握英语和纳瓦霍语的人才。
当美国参加第二次世界大战时，约翰斯顿因为年纪太大已经没法参军，但是他仍然想为国家尽一份力。
他就想到，对于外人来说，纳瓦霍语极其复杂难懂，如果每一处战地都用纳瓦霍人来当通讯员，用纳瓦霍语来通信，那可以说是无敌了。
于是约翰斯顿跑到了附近的军营，找到了这个营区的通讯官琼斯中校，向他提出了自己的构想。琼斯中校意识到，这个想法确实不错。于是他让约翰斯顿做一次示范，并且邀请了海军陆战队的高级军官来观摩。
约翰斯顿带来了两位懂英语的纳瓦霍人，两个人被安置在两个地方，军队指定了6条英文信息，由一位纳瓦霍人翻译成纳瓦霍语，再通过无线电传送给另一位纳瓦霍人，由他转译回英文。实验证明，6条信息都准确无误。用纳瓦霍语来通讯，看来是可行的。那接下来的问题是，使用纳瓦霍语真的可以万无一失吗？
为了检测纳瓦霍语的保密性有多强，海军陆战队把纳瓦霍语的录音交给海军情报部，请他们当作密码来破译。你要知道，就是海军情报部的专家们，破解了日军最难缠的密码系统「紫色」。但是这些解码专家，不眠不休地忙了三个星期，还是对纳瓦霍语束手无策。用他们的原话说，纳瓦霍语就是「一连串奇怪的喉音、鼻音、饶舌的声音」，专家们甚至无法用普通的文字做记录，更不要说破解了。纳瓦霍密码成功通过检验。
其实当时在美国境内，还有很多原住民的部落，但是在二战之前，有很多德国的人类学者来美国研究原住民，换句话说，很多原住民的语言已经不再是秘密。只有纳瓦霍族没有被国外的人类学家研究过，除了二三十个像约翰斯通这样的美国人以外，这个世界上，只有纳瓦霍人才能听得懂纳瓦霍语。
种种证据都表明，纳瓦霍语天然就是一套强力的密码系统。
于是美国海军陆战队招募了29名纳瓦霍人，组建了一只特殊的通讯队伍。
唯一遇到的问题，就是有些英文单词，像是「侦察机」、「驱逐舰」，这些在纳瓦霍语里边都没有，于是海军陆战队编了一套小词典，给这些英文单词都确定了对应的纳瓦霍说法。他们用各种鸟的名字来代表飞机，比如「侦察机」就是「猫头鹰」，用各种鱼的名字来代表战舰，比如「驱逐舰」就是「鲨鱼」。
他们还给26个字母都指定了纳瓦霍代码，这样，遇到生僻的人名或者地名，可以直接用拼写的方式来传递信息。对于那些常用的英文字母，比如字母E，他们会用三种代码代指同一个字母，这样，在拼写的时候，三种代码可以轮换使用，就避免了日军通过频率分析法来破译信息。
第二次世界大战期间，一共有420名纳瓦霍通讯员走进战场。他们为战争做出了巨大的贡献，而且还创造了一个历史记录。战争结束后，日军的情报首脑在接受审判时供认，他们曾经破解了美军使用的不少密码，但是对纳瓦霍密码始终是束手无策。也就是说，纳瓦霍密码是人类历史上少数从来没被攻破过的密码之一。
为了感谢纳瓦霍人对二战的贡献，美国政府将每年8月14日定为「纳瓦霍密语通话员国定纪念日」。
智能时代
前边咱们说到恩尼格玛密码机的时候，说恩尼格玛其实对于密码学，只有「量」的提升，没有「质」的飞跃。而计算机的出现，把密码学推进了智能时代。在质和量的层面上，都让密码学变得不一样了。
咱们先来说「量」的提升。用计算机程序就可以百分百模拟一个恩尼格玛密码机，而且，恩尼格玛受限于它的机械结构，在制作的时候，总是有这样那样的限制，计算机程序可以不受这样的限制，比如，计算机模拟的恩尼格玛机，可以不只有8个齿轮，100个齿轮都是可以实现的；每个齿轮上也不只是26格，可以是50格甚至100格。这些放在一起，可以形成的加密方案就是天文数字了。
而且，在计算机模拟中，还可以让齿轮完成不可思议的动作。比如有的齿轮顺时针转，有的齿轮逆时针转，有的齿轮越转越快，有的齿轮转十格之后就让它消失。这些规则在现实环境中，用机械是根本没法造出来的，但是用计算机却能仿真出来，这就使得安全度大大提升。而且计算机的运算速度比机械的加密仪器要快得多，能用更短的时间执行更复杂的加密任务。
前边说的这些还是「量」的提升，密码进入智能时代之后，还有质的飞跃，最开始的飞跃，就是字母不再是加密的最小单位了。
前边咱们说到的各种加密方式，不论是手工的还是机械的，都是用字母来替换字母。但是计算机是二进制的，一切的信息都可以用0和1来表示。每个字母在计算机里边其实也是一串0和1组成的代码。目前通用的代码叫「美国标准信息交换码」，每个字母都是用7位0101的代码来表示。比如小写的a是1100001，大写的A是1000001。我们用计算机加密的时候，面对的就不再是一个个字母，而是一个个的0和1，这7位数的代码，我们可以只加密前3位，或者只加密奇数位。加密的方法就更加五花八门了。
你看，计算机的出现，把信息数字化了，打破了语言规律的底层结构，所以说，数字化使得密码学进入了新的时代。
除此之外，在智能时代，密码学还有一个更大的颠覆，那就是加密的过程可以不再保密了。前边咱们提到那么多加密方法，都有一个特点，那就是千万不能让别人知道我们是用什么规则加密的，到了恩尼格玛密码机的时代，德军还要想方设法保密，不让敌人搞到机器的内部结构和使用说明。
可是进入智能时代之后，今天的加密手段，可以完全把自己的技术细节公开。打个比方来说，我给我认识的所有朋友都发了一把锁，跟他们说，你们以后给我写信呢，就寄个盒子过来，用这个锁把盒子锁上。
锁有无数把，但是钥匙只在我手里。而且我有自信，别的人不管怎么研究我的锁，也没法配出开锁的钥匙。
原理我们是搞明白了，但是这中间有一个关键的问题：你要怎么做，才能保证别人看到了你的锁，却还是配不出你的钥匙呢？
这其中最核心的原理，叫做「分解质因数」，什么意思呢？所谓质数，就是除了1和自己以外，没法被别的自然数整除的数。举个例子，12可以表示为3乘以4，那它就不是质数。13只能表示为1乘以13，所以13是个质数。同样，22不是个质数，23是个质数。
那如果我们用13乘以23，可以得到299，这个很容易计算。但是如果反过来，我问你说，你知道299是哪两个数的乘积吗？这个计算就非常麻烦，甚至只能用笨办法一遍遍地试。这个过程就是分解质因数。
数学家就发现，把两个质数乘起来，这个计算很容易，但是拿着结果反推，这个过程要难得多。新一代的加密手段，就利用了这个原理，两个质数相乘得到的那个大数，就是公开的「锁」，具体是哪两个数的乘积，这就是那个保密的钥匙。
这套加密算法，是由美国麻省理工学院的三位科学家罗纳德·李维斯特(Ron Rivest）、阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）发明的，因为他们三个人的姓氏首字母分别是R、S、A，这套算法就被命名为RSA加密算法。
你可能会觉得，这么听下来，想要找到答案，麻烦虽然是麻烦，但是似乎也不太困难啊？用RSA算法进行加密的时候，用的那个数其实要大得多，数字越大，分解它要花的时间就会长得多。
1977年，为了验证这个算法到底有多可靠，三位科学家给一份科学杂志投稿了一篇文章，解释了RSA系统的工作原理，还给读者提出了一项挑战，在文章里发布了一串密码文，还给了一个129位的大数，也就是公开的那把锁，他们公开悬赏100美金，邀请大家来破解。
他们的密码最终有人破解了吗？其实是有的。但是，最终成功破解的，是一个600人组成的团队，他们借助了全球各地的计算机，甚至还动用了超级计算机，就这样，他们还花了17年的时间，才成功破解了这个密码。
你想，如果真的是在战场上，17年后才破解的军事情报，早就已经失去了效果。更何况，今天人们在使用RSA算法时，使用的那个数，远远不止129位，往往会使用300位以上的大数。想要分解这样一个数，大约需要把全球所有的计算机都集中起来，一块工作上亿年才能得到答案。
目前看来，RSA是一种非常可靠的加密算法，所以被广泛应用在各种场合，像我们使用网银支付、手机支付，背后都有RSA算法在给我们保驾护航。
结语
编码与解码的战争，是一场永远没有终结的拉锯战，RSA算法固然已经非常安全，但是已经有科学家在研究如何用量子计算机攻破RSA算法。想要找到一劳永逸无比安全的加密方式，几乎是不可能的。人类只能在这场战争中继续向前。
而在这场战争中，有很多因素起到过关键作用，比如数学，比如物理学，比如机械学，比如计算机科学，可是最关键的因素，还是人。攻破密码，靠的是己方的勤劳和智慧，也靠的是敌方露出的破绽，在这本书里，有一句话让我印象深刻：「尽管我们发明了窃贼打不开的锁，这不代表你就可以乱放钥匙。」不论技术如何向前演变，这场战争永远是人和人之间的战争，每一次的失败暴露的都是人性的弱点，而每一次的胜利，本质也是人类的胜利。
个人收获及总结
密码作为一种消息传递的方式，在人类历史的进程中发挥了巨大的作用，我相信关于密码学的相关知识也会被大家熟知，我更相信人类的智慧会推动社会的巨大进步，我们在享受成果的同时也不要忘记祖辈们付出的巨大贡献，让我们一起脱帽致敬我们的前辈。若是我的文章对你有所启发，那将是我莫大的荣幸。希望和您一起精进，成为更好的自己。
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