密码那些事儿｜ 十 钥匙 打开维吉尼亚的锁(维吉尼亚加密法在线转换)
密码那些事儿｜ 十 钥匙 打开维吉尼亚的锁(维吉尼亚加密法在线转换)
在说维吉尼亚加密法的破解方法之前，有必要来回顾一下它的加密原理。
维吉尼亚加密法是由26套密码组成的表，我们默认要用多套密码给原文加密的时候，具体操作中密文的每个字母由哪套密码来加密，是由钥匙规定的。钥匙最初都是一个正常的单词，原文很长，钥匙最初很短，为了让原文和钥匙一一对应，就反复使用钥匙。比如钥匙是boy，只有3个字母，我们可以boyboyboy这样一直循环下去，和原文中每个字母一一对应。
我们先来看一个例子，在这个例子里，原文是“the sun and the man in the moon”，钥匙是KING，用维吉尼亚加密法加密之后，密码文是一串看起来没什么规律的字母。我们把钥匙、原文和密文的内容依次记录下来。
原文的内容中，有3个定冠词the，变成密文后，the变成了两种样子，第一种是DPR，第二和第三种是BUK。第一个我们不管，关键点就在于——
第二个和第三个竟然加密成了相同的密文。
为什么会出现这种情况，这是巧合吗？
不是的。我们可以看钥匙单词KING，它由4个字母组成。我们再看密文中，后两个代表the的BUK，间隔了8个字母，间隔距离正好是钥匙长度的2倍。也就是说，正好在KING这个钥匙循环到整数倍的时候，如果也正好赶上出现了同样的原文，那巧合就出现了——原文就会被加密成相同的密文。
根据这个规律，我们就能确定钥匙的长度。
比如有这样一段密文：
DYDUXRMH TV NQD QN DYDUXRMH ARTJGW NQD
其中，两个 DYDUXRMH 的出现相隔了15个字母。因此，可以假定钥匙的长度是15的约数，即长度为15、5或3。而两个 NQD 则相距20个字母，意味着钥匙长度应为20、10、5、4或2。取两者的交集，则可以基本确定钥匙长度为5。
这一步，就是破解维吉尼亚加密法的关键一步。
接下来，我们已经知道钥匙的长度是5了，那就意味着在原文中第1、第6、第11、第16……，这些字母单独挑出来放在一组叫作A组。A组可是由维吉尼亚密码表中，同一行移位的字母加密得到的结果。我们再把第2、第7、第12、第17……，这些字母挑出来放在一起称作B组，它们又是用另一行移位字母加密得到的。
我们把这些按组别归纳起来：
A组：第1、第6、第11、第16……
B组：第2、第7、第12、第17……
C组：第3、第8、第13、第18……
D组：第4、第9、第14、第19……
F组：第5、第10、第15、第20……
这就相当于，将原来的密文分解成了五组新的密文，每一组都是由维尼尼亚加密法中的单独一行加密而成，也即单套密码加密。
单套密码加密怎么破解？我们之前介绍过的——频率分析法。
所以，我们来总结一下维吉尼亚加密法的步骤：
第一步，是从密文中找出拼写完全相同的字母串；
第二步，计算出钥匙的长度；
第三步，将密文分析成若干组（与钥匙长度对应）；
第四步，分别对每组密文用频率分析法破解。
在20世纪之前，人们一直以为这套方法是普鲁士少校卡西斯基在1863年发明的，所以一直以来这套破解法叫作“卡西斯基试验法”。但是后来更多的资料公布，发现剑桥大学的英国科学家巴贝奇在9年前就已经写下了解法，这位巴贝奇也是后世认为的计算机创造者之一。
发明者受委屈，这既是密码学领域的特点，又是密码学研究者躲不过的委屈。
不论是剑桥大学的巴贝奇，还是普鲁士军官卡西斯基，虽然他们破解了维吉尼亚密码法，但他们在世的时候，始终都不知道自己其实已经在密码学上引起了一场革命。
往期文章：
密码那些事儿｜（九）维吉尼亚登场
密码那些事儿｜（八）玛丽女王被密码改变的人生
密码那些事儿｜（七）以频率之矛，攻移位之盾
密码那些事儿｜（六）中外古时候的移位加密
密码那些事儿｜（五）换个位置，面目全非
密码那些事儿｜（四）隐藏的消息
密码那些事儿｜（三）“风语者”——从未被破解的密码
密码那些事儿｜（二）密码学发展的七个阶段
密码那些事儿｜（一）无所不在的密码
本人是官方授权会员推广专员，点击 会员专属通道 成为会员，您将会获得钻奖励及诸多权益！
《钻奖励调整公告》
“恺撒密码”据传是古罗马恺撒大帝用来保护重要军情的加密系统。它是一种替代密码，通过将字母按顺序推后起3位起到加密作用，如将字母A换作字母D，将字母B换作字母E。据说恺撒是率先使用加密函的古代将领之一，因此这种加密方法被称为恺撒密码。
假如有这样一条指令：
RETURN TO ROME
用恺撒密码加密后就成为：
UHWXUA WR URPH
如果这份指令被敌方截获，也将不会泄密，因为字面上看不出任何意义。
这种加密方法还可以依据移位的不同产生新的变化，如将每个字母左19位，就产生这样一个明密对照表：
明: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
密:T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S
在这个加密表下，明文与密文的对照关系就变成：
明文：THE FAULT, DEAR BRUTUS, LIES NOT IN OUR STARS BUT IN OURSELVES.
密文：MAX YTNEM, WXTK UKNMNL, EBXL GHM BG HNK LMTKL UNM BG HNKLXEOXL.
很明显，这种密码的密度是很低的，只需简单地统计字频就可以破译。于是人们在单一恺撒密码的基础上扩展出多表密码，称为“维吉尼亚”密码。它是由16世纪法国亨利三世王朝的布莱瑟·维吉尼亚发明的，其特点是将26个恺撒密表合成一个，见下表：
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
A 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
B 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 A CC D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B
D D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C E E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D F F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E G G 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 H 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 I 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 H J J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I K K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J L L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K M M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L N N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M O O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N P P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O Q Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P R R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q S S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R T T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S U U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T V V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U
W W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V X X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W Y Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Z Z 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
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:RELAT IONSR ELATI ONSRE LATIO NSREL
明文:TOBEO RNOTT OBETH ATIST HEQUE STION
密文:KSMEH ZBBLK SMEMP OGAJX SEJCS FLZSY
历史上以维吉尼亚密表为基础又演变出很多种加密方法，其基本元素无非是密表与密钥，并一直沿用到二战以后的初级电子密码机上。
回答者：西伯利亚的狼 - 状元 十四级 5-20 20:32
“恺撒密码”据传是古罗马恺撒大帝用来保护重要军情的加密系统。它是一种替代密码，通过将字母按顺序推后起3位起到加密作用，如将字母A换作字母D，将字母B换作字母E。据说恺撒是率先使用加密函的古代将领之一，因此这种加密方法被称为恺撒密码。
假如有这样一条指令：
RETURN TO ROME
用恺撒密码加密后就成为：
UHWXUA WR URPH
如果这份指令被敌方截获，也将不会泄密，因为字面上看不出任何意义。
这种加密方法还可以依据移位的不同产生新的变化，如将每个字母左19位，就产生这样一个明密对照表：
明: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
密:T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S
在这个加密表下，明文与密文的对照关系就变成：
明文：THE FAULT, DEAR BRUTUS, LIES NOT IN OUR STARS BUT IN OURSELVES.
密文：MAX YTNEM, WXTK UKNMNL, EBXL GHM BG HNK LMTKL UNM BG HNKLXEOXL.
很明显，这种密码的密度是很低的，只需简单地统计字频就可以破译。于是人们在单一恺撒密码的基础上扩展出多表密码，称为“维吉尼亚”密码。它是由16世纪法国亨利三世王朝的布莱瑟·维吉尼亚发明的，其特点是将26个恺撒密表合成一个，见下表：
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
A 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
B 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 A CC D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B
D D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C E E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D F F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E G G 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 H 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 I 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 H J J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I K K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J L L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K M M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L N N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M O O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N P P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O Q Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P R R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q S S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R T T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S U U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T V V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U
W W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V X X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W Y Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Z Z 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
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:RELAT IONSR ELATI ONSRE LATIO NSREL
明文:TOBEO RNOTT OBETH ATIST HEQUE STION
密文:KSMEH ZBBLK SMEMP OGAJX SEJCS FLZSY
历史上以维吉尼亚密表为基础又演变出很多种加密方法，其基本元素无非是密表与密钥，并一直沿用到二战以后的初级电子密码机上。
学号：16030140019
姓名: 莫益彰
【嵌牛导读】：凯撒密码是一种简单的加密方法，即将文本中的每一个字符都位移相同的位置。如选定位移3位：
原文：a b c
密文：d e f
由于出现了字母频度分析，凯撒密码变得很容易破解，因此人们在单一恺撒密码的基础上扩展出多表密码，称为“维吉尼亚”密码。
【嵌牛鼻子】密码学，计算机安全。
【嵌牛提问】维吉尼亚怎么破解，8位维吉尼亚是否可破？维吉尼亚算法的时间复杂度？
【嵌牛正文】
维吉尼亚密码的加密
维吉尼亚密码由凯撒密码扩展而来，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
图解加密过程:
在维吉尼亚（Vigenère）的密码中，发件人和收件人必须使用同一个关键词（或者同一文字章节），这个关键词或文字章节中的字母告诉他们怎么样才能前后改变字母的位置来获得该段信息中的每个字母的正确对应位置。
维吉尼亚密码的破解
维吉尼亚密码分解后实则就是多个凯撒密码，只要知道密钥的长度，我们就可以将其分解。
如密文为：ABCDEFGHIJKLMN
如果我们知道密钥长度为3，就可将其分解为三组：
组1：A D G J N
组2：B E H K
组3：C F I M
分解后每组就是一个凯撒密码，即组内的位移量是一致的，对每一组即可用频度分析法来解密。
所以破解维吉尼亚密码的关键就是确定密钥的长度。
确定密钥长度
确定密钥长度主要有两种方法，Kasiski 测试法相对简单很多，但Friedman 测试法的效果明显优于Kasiski 测试法。
Kasiski 测试法
在英文中，一些常见的单词如the有几率被密钥的相同部分加密，即原文中的the可能在密文中呈现为相同的三个字母。
在这种情况下，相同片段的间距就是密文长度的倍数。
所以我们可以通过在密文中找到相同的片段，计算出这些相同片段之间的间距，而密钥长度理论上就是这些间距的公约数。
然后我们需要知道重合指数（IC, index of coincidence）的概念。
重合指数表示两个随机选出的字母是相同的的概率，即随机选出两个A的概率+随机选出两个B的概率+随机选出两个C的概率+……+随机选出两个Z的概率。
对英语而言，根据上述的频率表，我们可以计算出英语文本的重合指数为
P(A)^2 + P(B)^2+……+P(Z)^2 = 0.65
利用重合指数推测密钥长度的原理在于，对于一个由凯撒密码加密的序列，由于所有字母的位移程度相同，所以密文的重合指数应等于原文语言的重合指数。
据此，我们可以逐一计算不同密钥长度下的重合指数，当重合指数接近期望的0.65时，我们就可以推测这是我们所要找的密钥长度。
举例来说，对密文ABCDEABCDEABCDEABC
首先测试密钥长度=1，对密文ABCDEABCDEABCDEABC统计每个字符出现的次数：
A: 4 B: 4 C: 4 D:3 E:3
那么对于该序列的重合指数就为：(4/18)^2 + (4/18)^2 + (4/18)^2 +(3/18)^2 +(3/18)^2 != 0.65
然后测试密钥长度=2，将密文ABCDEABCDEABCDEABC分解为两组：
组1：A C E B D A C E B
组2：B D A C E B D A C
我们知道如果密钥长度真的是2，那么组1，组2都是一个凯撒密码。对组1组2分别计算重合指数。
如果组1的重合指数接近0.65，组2的重合指数也接近0.65，那么基本可以断定密钥长度为2。
在知道了密钥长度n以后，就可将密文分解为n组，每一组都是一个凯撒密码，然后对每一组用字母频度分析进行解密，和在一起就能成功解密凯撒密码。
上文已经说到，自然语言的字母频度是一定的。字母频度分析就是将密文的字母频度和自然语言的自然频度排序对比，从而找出可能的原文。
采用替代密码算法中的维吉尼亚密码方法，密文C＝“HEADVIGENERE”,密钥K＝KEY，求明文P
将密文HEADVIGENERE用密钥替换后为KEYKEYKEYKEY
替换前:HEADVIGENERE
替换后:KEYKEYKEYKEY
解密求明文:
按替换后的内容找到第一行的K所在位置向下寻找,找到H的位置,当前行最左侧第一列对应的就为明文X
加密求密文:
按明文找到第一列对应的H,在从第一行中找到对应的密钥K,两个位置相交的值就为密文.
答案:
HEA DVI GEN ERE
KEY KEY KEY KEY
XAC TRK WAP UNG
