趣味隐写术与密码术

武汉轻工大学选修课 趣味隐写术与密码术 通识 大作业 学院 数学与计算机学院 专业 计算机技术与科学 姓名 韩晶 学号 1305110009 时间 2016 05 09 1 简述常用隐写术与密码术分为哪几类 并应用举例说明 答 目前常用的隐写术和密码术有 变色隐写药水 藏头诗 字符替 换 摩氏密码 现代加解密技术 其中包括对称加密解密技术和非 对称加密解密技术等 下面一一举例说明 1 隐写术 1 隐写药水 淀粉 米汤 写字 紫药水显影 柠檬水写字在 水蒸气下显示 案例 传统谍战电影 风声 2 藏头诗 a 藏于诗中 有效信息藏于诗词中 根据意思得到 案例 想做你妻 木目跨于心 古人做反文 小和尚光头 凄惨无泪水 b 藏于诗头 庐剧 无双缘 早妆未罢暗凝眉 迎户愁看紫燕飞 无力回天春已老 双栖画栋不如归 c 藏于诗尾 别后空愁我我 永言形友爱爱 六合已姓刘刘 风枝不可静静 c 藏于诗中间 陇上行人人夜吹笛 女墙犹在在夜乌啼 颇黎枕上上闻天鸡 本期沧海海堪投迹 2 密码术 字母表替代法字母表替代法 1 1 顺序字符替换法 顺序字符替换法 从 26 个英文字母表中第 N 个字符开始替换 把后面的字母依次写入 取 N h 新的字母表顺序为 h i j k l m n o p q r s t u v w x y z a b c d e f g 对应原始字母表顺序 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 原始明文信息 I am Han jing 用上述字符替换法加密后的密文信息 S ht Ohu qpun 2 keyword 字符替换法字符替换法 从 26 个英文字母表中取出 keyword 字符放在字母表开头 然后按顺 序摆放剩余字母 形成新的字母表顺序为 k e y w o r d a b c f g h I j l m n p q s t u v x z 对应原始字母表顺序 a b c d e f g h I j k L m n o p q r s t u v w s y z 原始明文信息 I am Han jing 用上述字符替换法加密后的密文信息 B kh Aki cbhd 3 栅栏密码 栅栏密码 就是把要加密的明文分成 N 个一组 然后把每组的第 1 个个字连起 来 形成一段无规律的话 不过栅栏密码本身有一个潜规则 就是 组成栅栏的字母一般不会太多 一般比较常见的是 2 栏的栅栏密码 比如明文 I LOVE FCBARCELONA 去掉空格后变为 ILOVEFCBARCELONA 两个一组 得到 IL OV EF CB AR CE LO NA 先取出第一个字母 IOECACLN 再取出第二个字母 LVFBREOA 连在一起就是 IOECACLNLVFBREOA 而解密的时候 我们先把密文从中间分开 变为两行 I O E C A C L N L V F B R E O A 再按上下上下的顺序组合起来 ILOVEFCBARCELONA 分出空格 就可以得到原文了 I LOVE FCBARCELONA 当栅栏和拼音相结合后 诞生出一种奇妙的新思路 如 QGBKSYSHJIEUEIIIIAN 总共 19 个字母看似不符合栅栏的规则 其实是因为出现了一个叫 做 捆绑 的东西 Q G B K S Y SH J I E U E I I I IAN 我们发现 上面是声母 下面是韵母 3 仿射密码仿射密码 加密和解密算法 C Ek m k1m k2 mod n M Dk c k3 c k2 mod n 其中 k3 k1 mod26 1 设密钥 K 7 3 用仿射密码加密明文 hot 三个字母对应的数值是 7 14 和 19 分别加密如下 7 7 3 mod 26 52 mod 26 0 7 14 3 mod 26 101 mod 26 23 7 19 3 mod 26 136 mod 26 6 三个密文数值为 0 23 和 6 对应的密文是 AXG 4 维吉尼亚密码 维吉尼亚密码 将 26 个凯撒密表合成一个 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 假如以表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 明文 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 RELAT IONSR ELATI ONSRE LATIO NSREL 密文 KSMEH ZBBLK SMEMP OGAJX SEJCS FLZSY 5 博福特密码博福特密码 是一种类似于维吉尼亚密码的替代密码 由弗朗西斯 蒲福 Francis Beaufort 发明 博福特密码是按 mod q 减法运算的一种周期代替密码 即 ci td i mi td ki mi td mod q 符号 ki 密钥 mi 明文 ci 密文 例如 明文的第一个字母为 D 则先在表格中找到第 D 列 由于密 钥的第一个字母为 F 于是 D 列从上往下找到 F 这一 F 对应的行号 为 C 因而 C 便是密文的第一个字母 以此类推可以得到密文 以下便是一个密钥为 FORTIFICATION 时的例子 Defend the east wall of the castle 去空格 明文 DEFENDTHEEASTWALLOFTHECASTLE 密钥 FORTIFICATIONFORTIFICATIONFO 密文 CKMPVCPVWPIWUJOGIUAPVWRIWUUK 1 摩斯密码及编码术 摩斯密码及编码术 摩斯密码是世界上最重要的密码技术之一 1843 年美国发明者山缪 摩斯建立了这一套摩斯密码的系统 摩斯密码是由 短音 嘀 与 长音 嗒 所组成的 它是在电话尚未被发明之前 用於长 距离的电报电讯技术 因为摩斯密码的简易使用 人们在战争时期 或是突发状况中会使用到它 而摩斯密码的传讯可以有许多的变化 它可以利用声音或是闪光灯的长短来分别表示 与 组成 短促的点信号 读 的 Di 保持一定时间的 长信号 读 答 Da 间隔时间 滴 1t 答 3t 滴 答间 1t 字母间 3t 字间 5t 1 一点为一基本信号单位 一划的长度 3 点的长度 2 在一个字母或数字内 各点 划之间的间隔应为两点的长度 3 字母 数字 与字母 数字 之间的间隔为 7 点的长度 4 霍夫曼编码 霍夫曼编码 霍夫曼 Huffman 编码属于码词长度可变的编码类 是霍夫曼在 1952 年提出的一种编码方法 即从下到上的编码方法 同其他码词长 度可变的编码一样 可区别的不同码词的生成是基于不同符号出现的 不同概率 生成霍夫曼编码算法基于一种称为 编码树 coding tree 的技术 算法步骤如下 设某信源产生有五种符号 u1 u2 u3 u4 和 u5 对应概率 P1 0 4 P2 0 1 P3 P4 0 2 P5 0 1 首先 将符号按照概率由大到小排队 如图所示 编码时 从最小 概率的两个符号开始 可选其中一个支 路为 0 另一支路为 1 这 里 我们选上支路为 0 下支路为 1 再将已编码的两支路的概率合 并 并重新排队 多次重复使用上述方法直至合并概率归一时为止 从图 a 和 b 可以看出 两者虽平均码长相等 但同一符号可 以有不同的码长 即编码方法并不唯一 其原因是两支路概率合并 后重新排队时 可能出现几个支路概率相等 造成排队方法不唯一 一般 若将新合并后的支路排到等概率的最上支路 将有利于缩短 码长方差 且编出的码更接近于等长码 这里图 a 的编码比 b 好 现代密码术 对称密码体制 秘密钥密码体制 加密密钥和解密密钥相同 或者二者之间存在着某种明确的数学关 系 加密 EK M C 解密 DK C M 非对称密码体制 公钥密码体制 加密密钥与解密密钥是不同的 而且从加密的密钥无法推导出解密 的密钥 用公钥 KP 加密可表示为 EKP M C 用相应的私钥 KS 解密可表示为 DKS C M 分组密码体制 Block Cipher 设 M 为明文 分组密码将 M 划分为一系列明文块 Mi 通常每块包含 若干字符 并且对每一块 Mi 都用同一个密钥 Ke 进行加密 M M1 M2 Mn C C1 C2 Cn 其中 Ci E Mi Ke i 1 2 n 序列密码体制 Stream Cipher 将明文和密钥都划分为位 bit 或字符的序列 并且对明文序列中的 每一位或字符都用密钥序列中对应的分量来加密 M M1 M2 Mn Ke ke1 ke2 ken C C1 C2 Cn 其中 Ci E mi kei i 1 2 n 固定算法密码体制 固定算法密码体制 C0 E M0 K0 C1 E M1 K1 Cn E Mn Kn 变化算法密码体制 变化算法密码体制 C0 E1 M0 K0 C1 E2 M1 K1 Cn En Mn Kn 2 查找资料 阐述密码术在战争 谍报工作中的作用 举例说 明 密码学是研究信息加密 解密和破密 而在战争 谍报中信息的传 递影响一场战争的胜负甚至许多国家的命运 这隐形在幕后的智慧之战 其跌宕起伏丝毫不逊于任何一个重大战 役中的刀光剑影 在战争或战役中使用密码或破译密码 已经成为扭 转战局或决定胜负的关键因素 战场信息瞬息万变 能把握信息者 制敌于先 而暴露己方信息者 则将受制于人 战场上双方的信息安全极其重要 随着科技的进步 和战争的升级 为确保己方信息的安全 同时又能获取对方的信息 加密与解密 成为重中之重 一 密码决定成败的案例 1 自中日甲午战争以来 一直到 1937 年 7 月 7 日卢沟桥事变抗 日战争全面爆发 中国方面使用的一些重要的军用密码电报 很多 被日本破译 致使中国蒙受巨大损失 中方发现密电码被破译后 几经变更密码 同时针对日方密码机的改进型截收破译设备 培训 了多批高级破译专家 在抗日战争中 破译了山本大将出巡 偷 袭 珍珠港 南进战略等多批绝密密码电报 给予日本军国主义以致命 打击 为抗日战争和世界反法西斯战争胜利 做出了巨大的贡献 2 1781 年 美军破译了克林顿将军与康华利将军的通讯信件 使英国舰队增援约克敦的计划失败 并迫使康华利投降 确定独立 战争的胜利 3 公元 16 世纪晚期 英国的菲利普斯 Philips 利用频度分析法成 功破解苏格兰女王玛丽的密码信 信中策划暗杀英国女王伊丽莎白 这次解密将玛丽送上了断头台 4 公元前 405 年 雅典与斯巴达进行旷日持久的伯罗奔尼撒战争 进入尾声 斯巴达统帅抓住一名雅典信使 但是除了获得一条布满 杂乱无章字母的腰带 其他一无所获 统帅和其他将领对其充满困 惑 无意中 统帅将腰带缠到剑鞘上 突然发现了隐藏的消息 通 过这则消息 掌握了雅典军队动态 给了雅典人致命一击 5 中国在对抗日本的的抗日战争中 使用类似鸡毛信等广为流传的 故事 二 密码斗争 1 欧洲的密码学起源于中世纪的罗马和意大利 到了 1986 年 密码系统在外交通信中已得到普遍适用 且已成为类似应用中的宠 儿 当时 密码系统主要用于军事通信 如在美国国内战争期间 联邦军广泛的使用换位加密 联合军密码分析人员破译了截获的大 部分联邦军密码 处于绝望中的联邦军有时在报纸上公布联合军的 密码 请求读者帮助分析 一 美国 在二次世界大战中 印第安纳瓦霍土著语言被美军用作密码 从吴 宇森导演的 风语者 Windtalkers 中能窥其一二 所谓风语者 是指美国二战时候特别征摹使用的印第安纳瓦约 Navajo 通信兵 在二次世界大战日美的太平洋战场上 美国海军军部让北墨西哥和 亚历桑那印第安纳瓦约族人使用约瓦纳语进行情报传递 纳瓦约语 的语法 音调及词汇都极为独特 不为世人所知道 当时纳瓦约族 以外的美国人中 能听懂这种语言的也就一二十人 这是密码学和 语言学的成功结合 纳瓦霍语密码成为历史上从未被破译的密码 二 德国 德国汲取了第一次大战的教训 发展出以机械代替人手的加密方法 雪毕伍斯 Arthur Scherbius 发明了 谜 ENIGMA 用于军事 和商业上 谜 主要由键盘 编码器和灯板组成 三组编码器合 加上接线器和其他配件 合共提供了种一亿亿种编码的可能性 1925 年 谜 开始有系列生产 在 20 年间 德国军方购入了 3 万多台 谜 亦难倒了 40 号房间 成为德国在二次大战的重 要工具 波兰位于德国东面 俄国的西面 一直受到威胁 故成立 了波兰密码局 Biuro Szyfrow 以获取情报 波兰从汉斯 提 罗 施密德 Hans Thilo Schmidt 处得到谍报 由年轻的数学家 马理安 瑞杰斯基 Marian Rejewski 解译 用了一年时间编纂目 录 并在 1930 年代制造了 炸弹 bomba 渐渐掌握了解 谜 的技术 三 英国 1939 年 9 月 1 日 德国侵击波兰 大战爆发 英国得到了波兰的解 密技术后 40 号房间除了原有的语言和人文学家 还加入了数学家 和科学家 后来更成立了政府代码曁密码学校 Government code and Cipher School 5 年内人数增至 7000 人 1940 至 1942 年是 加密和解密的拉锯战 成功的解码提供了很多宝贵的情报 例如在 1940 年得到了德军进攻丹麦和挪威的作战图 以及在不列顚战役 Battle of Britain 事先获得了空袭情报 化解了很多危机 但 谜 却并未被完全破解 加上 谜 的网络很多 令德国一直在 大西洋战役中占上风 最后英国在 顺手牵羊 的行动中在德国潜 艇上俘获 谜 的密码簿 破解了 谜 英国以各种虚假手段掩 饰这件事 免得德国再次更改密码 并策划摧毁了德