替代密码
●定义替代是古典密码中用到的最基本的处理技巧之一 。
替代密码是指先建立一个替换表，加密时将需要加密的明文依次通过查表，替换为相应的字符，明文字符被逐个替换后，生成无任何意义的字符串，即密文，替代密码的密钥就是其替换表 。
●替代密码的分类根据密码算法加解密时使用替换表多少的不同，替代密码又可分为单表替代密码和多表替代密码。
单表替代密码的密码算法加解密时使用一个固定的替换表。单表替代密码又可分为一般单表替代密码、移位密码、仿射密码、密钥短语密码。
多表替代密码的密码算法加解密时使用多个替换表。 多表替代密码有弗吉尼亚密码、希尔(Hill)密码、一次一密钥密码、Playfair密码。单表替代密码单表替代密码对明文中的所有字母都使用一个固定的映射（明文字母表到密文字母表）。设A＝{a0, a1,…, an-1}为包含了n个字母的明文字母表；
B＝{b0, b1,…, bn-1} 为包含n个字母的密文字母表，单表替代密码使用了A到B的映射关系：f：A→B， f ( ai )＝ bj
一般情况下，f 是一一映射，以保证加密的可逆性。加密变换过程就是将明文中的每一个字母替换为密文字母表的一个字母。而单表替代密码的密钥就是映射f或密文字母表。经常密文字母表与明文字母表的字符集是相同的，这时的密钥就是映射f。下面给出几种典型的单表替代密码。
⒈一般单表替代密码
一般单表替代密码的原理是以26个英文字母集合上的一个置换π为密钥，对明文消息中的每个字母依次进行变换。可描述为：明文空间M和密文空间C都是26个英文字母的集合，密钥空间K={π：Z26→Z26|π是置换}，是所有可能置换的集合。
对任意π∈K，定义:
加密变换：eπ(m)=π(m)=c
解密变换：dπ(c) = π-1(c)=m， π-1是π的逆置换。
例：设置换π的对应关系如下：
a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z
q w e r t y u i o p a s d f g h j k l z x c v b n m
试用单表替代密码以π为密钥对明文消息message加密，然后写出逆置换 ，并对密文解密。
解：以π为密钥用单表替代密码对明文消息message加密，所得
密文消息为： π(m) π(e) π(s) π(s) π(a) π(g) π(e)=dtllqut
一般单表替代密码算法特点：
▲密钥空间K很大，|K|=26!=4×1026 ，破译者穷举搜索计算不可行，1微秒试一个密钥，遍历全部密钥需要1013 年。
▲移位密码体制是替换密码体制的一个特例，它仅含26个置换做为密钥空间。
密钥π不便记忆。
▲针对一般替换密码密钥π不便记忆的问题，又衍生出了各种形式单表替代密码。
⒉移位密码
明文空间M、密文空间C都是和密钥空间K满足，即把26个英文字母与整数0，1，2，…，25一一对应。
加密变换，E={E:Z26→Z26, Ek (m) = m + k (mod26)| m∈M, k∈K }
解密变换，D={D:Z26→Z26, Dk (c) = c－k (mod26)| c∈C, k∈K }
解密后再把Z26中的元素转换英文字母。
显然，移位密码是前面一般单表替代密码的一个特例。当移位密码的 密钥k=3时，就是历史上著名的凯撒密码（Caesar）。根据其加密函数特 点，移位密码也称为加法密码。
⒊仿射密码
仿射密码也是一般单表替代密码的一个特例，是一种线性变换。仿射密码的明文空间和密文空间与移位密码相同，但密钥空间为 K={(k1，k2)| k1，k2∈Z26，gcd(k1，26)=1}
对任意m∈M，c∈C，k = (k1，k2)∈K，定义加密变换为 c = Ek (m) = k1 m +k2 (mod 26)
相应解密变换为： m = Dk (c) = k1 (c－k2) (mod 26)
其中，K1 k1=1mod26 。很明显，k1=1时即为移位密码，而k2=1则称为乘法密码。
⒋密钥短语密码
选用一个英文短语或单词串作为密钥，去掉其中重复的字母得到一个无重复字母的字符串，然后再将字母表中的其它字母依次写于此字母串后，就可构造出一个字母替代表。当选择上面的密钥进行加密时，若明文为“china”，则密文为“yfgmk”。显然，不同的密钥可以得到不同的替换表，对于明文为英文单词或短语的情况时，密钥短语密码最多可能有26!=4×1026个不同的替换表。多表替代密码单表替代密码表现出明文中单字母出现的频率分布与密文中相同， 多表替代密码使用从明文字母到密文字母的多个映射来隐藏单字母出现 的频率分布，每个映射是简单替代密码中的一对一映射多表替代密码将 明文字母划分为长度相同的消息单元，称为明文分组，对明文成组地进 行替代，同一个字母有不同的密文，改变了单表替代密码中密文的唯一 性，使密码分析更加困难。
多表替代密码的特点是使用了两个或两个以上的替代表。著名的维吉尼亚密码和Hill密码等均是多表替代密码。
⒈维吉尼亚密码
维吉尼亚密码是最古老而且最著名的多表替代密码体制之一，与位移密码体制相似，但维吉尼亚密码的密钥是动态周期变化的。
该密码体制有一个参数n。在加解密时，同样把英文字母映射为0－25的数字再进行运算，并按n个字母一组进行变换。明文空间、密文空间及密钥空间都是长度为n的英文字母串的集合，因此可表示
加密变换定义如下：
设密钥 k=(k1,k2,…,kn), 明文m=(m1,m2,…,mn), 加密变换为：
Ek(m)=(c1,c2,…,cn),
其中ci(mi + ki)(mod26)，i =1,2,…,n
对密文 c=(c1,c2,…,cn), 解密变换为：
Dk(c)=(m1,m2,…,mn), 其中 mi=(ci －ki)(mod26)，i =1,2,…,n
⒉希尔（Hill）密码
Hill密码算法的基本思想是将n个明文字母通过线性变换，将它们转换为n个密文字母。解密只需做一次逆变换即可。
⒊一次一密密码（One Time Pad）
若替代码的密钥是一个随机且不重复的字符序列，这种密码则称为一次一密密码，因为它的密钥只使用一次。该密码体制是美国电话电报公司的Joseph Mauborgne在1917年为电报通信设计的一种密码，所以又称为Vernam密码。Vernam密码在对明文加密，前首先将明文编码为（0，1）序列，然后再进行加密变换。
设m=(m1 m2 m3 … mi …)为明文,k=(k1 k2 k3 … ki …)为密钥,其中mi,ki ∈(0,1), i≥1, 则加密变换为： c=(c1 c2 c3 … ci …) ,其中ci ＝ mi Å ki , i≥1,
这里为模2加法（或异或运算）
解密变换为：
m=(m1 m2 m3 … mi …) ,其中mi ＝ ci Å ki , i≥1,
在应用Vernam密码时，如果对不同的明文使用不同的随机密钥，这时Vernam密码为一次一密密码。由于每一密钥序列都是等概率随机产生的，敌手没有任何信息用来对密文进行密码分析。香农（Claude Shannon）从信息论的角度证明了这种密码体制在理论上是不可破译的。但如果重复使用同一个密钥加密不同的明文，则这时的Vernam密码就较为容易破译。
若敌手获得了一个密文c=(c1c2c3 …ci…) 和对应明文m=(m1m2m3 …mi…) 时，就很容易得出密钥k=(k1k2k3 …ki…) ，其中ki＝ciÅmi，i≥1。 故若重复使用密钥，该密码体制就很不安全。
实际上Vernam密码属于序列密码，加密解密方法都使用模2加，这使软
硬件实现都非常简单。但是，这种密码体制虽然理论上是不可破译的，然而
在实际应用中，真正的一次一密系统却受到很大的限制，其主要原因在于该
密码体制要求：
① 密钥是真正的随机序列；
② 密钥长度大于等于明文长度；
③ 每个密钥只用一次（一次一密）。
这样，分发和存储这样的随机密钥序列，并确保密钥的安全都是很因难
的；另外，如何生成真正的随机序列也是一个现实问题。因此，人们转而寻
求实际上不对攻破的密码系统。
⒋Playfair密码
Playfair密码是一种著名的双字母单表替代密码，实际上Playfair密码属于一种多字母替代密码，它将明文中的双字母作为一个单元对待，并将这些单元转换为密文字母组合。替代时基于一个5×5的字母矩阵。字母矩阵构造方法同密钥短语密码类似，即选用一个英文短语或单词串作为密钥，去掉其中重复的字母得到一个无重复字母的字符串，然后再将字母表中剩下的字母依次从左到右、从上往下填入矩阵中，字母I，j占同一个位置。
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