密码那些事儿｜ 二十一 再下一城，图灵破解最高级别恩尼格玛机(图灵最难的密码)
密码那些事儿｜ 二十一 再下一城，图灵破解最高级别恩尼格玛机(图灵最难的密码)
在布莱切利园中，德国海军的恩尼格玛密码一直被认为是最难以破解的。
德国海军历来极其重视无线通信的可靠性和保密性，就是他们率先使用了恩尼格玛机来加密。而且，德国海军还频繁地在结构和操作方式上对恩尼格玛机进行改进，以确保它无懈可击、牢不可破。
第二次世界大战前夕，德国陆军和空军将恩尼格玛机的转子从3个增加到了5个，而德国海军则是继续增加到了7个，最后更是丧心病狂的增加到了8个。
而且，德国海军还使用了与陆军及空军不一样的新操作规程，主要包括两个方面：
一、增加“密钥手册”，规定每天0点更新初始参数。
（a）选择8个转子中的3个并规定其基左中右位置；
（b）设定各转子的内外轮之间的相对位置；
（c）设定接线板上的10对接线；
（d）设定3个转子的初始位置。
二、采用“双字替换表”
（a）发报前，先从密钥手册中选3个字母，比如ABC，作为密钥，然后把恩尼格玛机的3个转子调到当天规定的初始位置，输入ABC，假设得到FTN，再把转子调到FTN的位置，开始加密正式电文；
（b）再从密钥手册中选另一组字母，比如XYZ，在XYZ的左边和密钥ABC的右边任意增加一个字母，比如P、Q，列成两行，上下对齐。
P X Y Z
A B C Q
（c）根据当天有效的“双字替换表”把各列的字母对PA、XB、YC、ZQ分别替换，比如替换成IS、OW、MD、UV；
（d）发送电报时，把这4对字母加在正式密文的首尾；
（e）对方接收到电报后，先对4对字母反向操作，得到3个字母ABC，再得到FTN，然后开始解密正文。
这样一来，原来重复加密3个字母密钥的操作就不存在了，以致雷杰夫斯基发明的破解方法完全失效。
在图灵来到布莱切利园之前，几乎所有人都认为德国海军的密码是无法破译的，因此没有人愿意为它浪费时间。图灵到来之后，发明了基于crib方法的“炸弹”机，理论上是可以对德国海军的密码进行破译的，但由于早期的“炸弹”机性能过低，所以破解的效率极为低下。
当时德国的U-潜艇正在严重威胁盟军的大西洋生命线，寻找有效的破解德国海军密码的方法变得刻不容缓。经过一段时间的摸索和研究，图灵终于发明了基于贝叶斯统计原理的“班布里方法”，能够有效破解德国海军的恩尼格玛机。
班布里方法基于语言学中的一个统计事实：把任意两段文字拿来排成行上下对齐进行比较，查看其中有多少对字母是相同的；当这两段文字属于同一编码系统时出现相同字母对的概率，明显高于当它们不属于同一编码系统时的相应概率。
基于这个原理，图灵找到了破解德国海军恩尼格玛机的途径。不过图灵所用的方法包含了大量数学理论，过程也相当繁琐，这里就不详细表述了，我们只说一下图灵的大致思路。
首先，通过对比分析大量的电文头尾的明文字母，部分甚至完全破解“双字替换表”，从而获得电文密钥；
其次，用班布里方法，确定右边转子是8个转子中的哪一个；
再次，重复使用班布里方法，进一步确定中间转子是哪一个；
最后，用“炸弹”机破解全部密文。
这个步骤被验证是行之有效的，图灵就这样搞定了最高级别的德国海军恩尼格玛机。
1940年5月8日，用班布里方法破解德国海军密码首次获得成功。以后的三年里，此方法结合“炸弹”机成为英国破解德国海军密码的主要手段，为盟军重创德国U-潜艇舰队、守住大西洋生命线做出了巨大贡献。
据不完全统计，破解之后，盟军全年被击沉船只的吨位下降了60%；而德军潜艇的损失率，从破译前的不到7%，猛增到50%。
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他身上更重要的特质是纯粹。图灵是个纯粹的人。他对待科学的态度对待计算机的态度也是纯粹的，他只是想找事物的规律，只做自己感兴趣的事情。
从小图灵就是一个矛盾体，他可以自己通过一本《快乐阅读》，用三周时间学会阅读，他还用更短的时间学会识数，在本子上抄写治疗荨麻疹的酸模合剂的成分，但是直到7岁的时候依然无法分辨左右，于是聪明的他在左手的拇指上画了一个红点，称为“识别点”，通过它，来判断哪边是左。
图灵的一生，看似传奇，又充满无奈，他孑然一身，在数学和机器的荆棘丛中穿行，他解读了世界上最难的密码，使得这场战争至少提前两年结束，也使得至少2000万人免于战火的袭击。可以说图灵对于二战的贡献是不可磨灭的。但他的生命却让这个世界永远无法解读。
密码主要用于军事，无论古今中外，概莫能外。据《六韬》所载，3000年前由姜子牙发明了“阴符”，这就是最初的密码。后被广泛运用于我国古代维护国家安全的军事活动和情报活动中。
相传姜太公带领的周军指挥大营被叛兵包围，情况危急。姜太公令信使突围，他怕信使遗忘机密，又怕周文王不认识信使，耽误军务大事。于是就将自己珍爱的鱼竿折成数节，每节长短不一，各代表一件军机，令信使牢记，不得外传。
信使回到朝中，文王令左右将几节鱼竿合在一起，亲自检验。他辨认出是姜太公的心爱之物，便亲率大军解了姜太公之危。事后，姜太公妙思如泉涌，他将鱼竿传信的办法加以改进，便发明了“阴符”。后来又演化成皇帝和大将各执一半的“虎符”，作为调兵遣将的凭证。
宋朝时，官方便将常用的40个军事短语，分别用40个字来代替，然后编出一首40个字的诗，作为破译的“密码本”。到了明朝，戚继光发明了反切码，他还专门编了两首诗歌，作为“密码本”。这两首诗歌是反切码全部秘密所在，它使用汉字注音方法中的“反切法”，取声母和韵母按照顺序进行编号，再进行读取。其原理与现代密电码的设计原理完全一样，但却比现代密码更难破译。
那么西方的情况又是如何呢？
在古希腊，人们用一条带子缠绕在一根木棍上，沿木棍纵轴方向写好明文，解下来的带子上就只有杂乱无章的密文字母。解密者只需找到相同直径的木棍，再把带子缠上去，沿木棍纵轴方向即可读出有意义的明文。
公元前1世纪，凯撒密码被用于高卢战争中，这是一种简单易行的单字母替代密码。战前凯撒设计了一种对重要的军事信息进行加密的方法，即使这些信息被截获，敌方也不一定能看懂。其实，凯撒密码字母移位的位数就是一种简单易行的单字母替代密码。密码轮是利用凯撒密码来应用的，通过把字母移动一定的位数来实现加密和解密。
计算机因解码而诞生
工业革命后，密码学也进入了机器时代、电子时代。上世纪20年代，人们发明了各种机械设备来自动进行加解密，于是就出现了密码机。因为大多数密码机使用连线接通各个机械转轮，实现密码代换，所以也称之为“转轮机时代”。
世界上最著名的密码机是德国在第一次世界大战时发明的“谜”。
“谜”是世界上第一部机械密码机，其工作原理奠定了当今计算机加密的基础。这种密码融数学、物理、语言、历史、国际象棋原理、纵横填字游戏等为一体，被希特勒称为“神都没办法破译的世界第一密码”。一份德国报告称：“谜”能产生220亿种不同的密钥组合，假如一个人日夜不停地工作，每分钟测试一种密钥的话，需要约4.2万年才能将所有的密钥可能组合试完。
二战期间，“谜”被德军大量用于铁路、企业当中，令德军保密通讯技术处于领先地位。
盟军在破译“谜”密码过程中，吸纳了大批语言学家、人文学家、数学家、科学家加入解码队伍。电脑之父图灵， 1912~1954）也在其列。在图灵的领导下，这支优秀的队伍设计了人类的第一部电脑来协助破解工作。1939年8月，解码队伍完成了一部针对“谜”型机的密码破译机，每秒钟可处理2000个字符，绰号叫“炸弹”。半年后，它几乎可以破译所有被截获的德国情报，这使得德国的许多重大军事行动对盟军都不成为秘密。
虽然计算机因破译密码而诞生，而计算机的发展速度远远超过人类的想象。上世纪70年代，三位科学家和电脑专家设计了一个世界上最难破解的密码锁，意图利用长长的数学密码，保护储存在电脑数据库里的绝密资料，例如可口可乐配方、核武器方程式等。他们宣称，人类要想解开他们的密码，需要4万亿年。
当然，编制密码锁的三位专家没有想到，科学会发展得这样快。仅仅过了17年，世界五大洲600位专家利用1600部电脑，并且借助电脑网络，埋头苦干8个月，终于攻克了这个号称千亿年难破的超级密码锁。结果发现，藏在密码锁下的，并非可口可乐配方、核武器方程式，而是这样一句话：“魔咒是神经质的秃鹰。”
密码的民用不到30年
你恐怕没有想到，这样一个密码算法竟让发明者接受了长达5年的审判。因为，那时的密码还由军方垄断。1991年，美国学者齐默尔曼设计出一种经济而有效的产品。当时，美国法律规定，密码算法属于军火，但齐默尔曼还是铤而走险免费发放了这些加密软件。齐默尔曼被美国海关当局起诉的罪名是：“非法出口军火，给敌对国家和恐怖分子提供进攻美国的工具。”
当时，执政者认为，密码算法的广泛应用给恐怖分子、贩毒集团以可乘之机。而支持加密公众化的公民和密码学家认为，人们亟须使用密码来保护个人隐私。
随着电子商务的发展，大的商业公司也加入进来，他们需要强大的密码算法使他们能在网络时代保证业务的安全。经过5年的斗争，克林顿政府被迫更改了法律，大陪审团也放弃了对齐默尔曼定罪的想法。
随着网络时代的到来，密码成了现代都市生活中最普遍运用的个人信息认证手段，它以最简单的数字组合方式，取代各种烦琐的个人认证方法。
1993年，银行业务实行电脑联网。其中，与个人关系最紧密的是活期存款，银行从那时开始让储户设置个人密码。为了方便记忆，身份证的后几位数、生日、电话号码、门牌号等，是那时候老百姓最常用的密码。1996年，全国银行系统普及了密码的使用和设备更新。1999年开始，银行存取款必须使用密码就变成了硬性规定。现在，多数银行只要输入密码，凭存折或储蓄卡，就能进行5万元以下的支取，无需身份证。
2000年前后，国内各大网站开始大规模开发电子邮箱，那时候网站对邮箱密码的要求并不太严格，规定只要三个字符以上即可，有许多人就用ABC、123等做密码。在收到了用户邮箱被盗的反馈后，网站将密码最少数位提升至6位。现在这些以数字和字母搭配的“软密码”也越来越不安全了。例如，前不久国内就有某大型网站被黑客侵入，泄露客户的大量隐私。
目前大多银行等涉及高隐私的部门都开发出针对自己安全系统的“硬密码”，即非要在客户端插上一个类似于U盘那样的“密码”，然后再输入相应的软密码才能登录相应的网站。
经过数千年的演化，我们又回到了“虎符”的年代，只不过现在的虎符是电子的了。
