文档介绍：院系: 计算机科学学院
专业:信息与计算科学
年级: 11级
课程名称: 信息安全
班级: 信息3班
姓名: 胡志桥
学号: 11151196
指导教师: 孟博
2013年月日
年级
 11级
班号
信息3班
 学号
11151196
专业
信息与计算科学
 姓名
胡志桥
实验名称
 Engima密码算法
实验
类型
设计型
综合型
创新型
实
验
目
的
或
要
求
通过使用Engima密码模拟器,加深对古典密码体制的了解,为深入学****现代密码学奠定基础。
实
验
原
理
(
算
法
流
程
)
ENIGMA看起来是一个装满了复杂而精致的元件的盒子。不过要是我们把它打开来,就可以看到它可以被分解成相当简单的几部分。下面的图是它的最基本部分的示意图,我们可以看见它的三个部分:键盘、转子和显示器。
在上面ENIGMA的照片上,我们看见水平面板的下面部分就是键盘,一共有26个键,键盘排列接近我们现在使用的计算机键盘。为了使消息尽量地短和更难以破译,空格和标点符号都被省略。在示意图中我们只画了六个键。实物照片中,键盘上方就是显示器,它由标示了同样字母的26个小灯组成,当键盘上的某个键被按下时,和此字母被加密后的密文相对应的小灯就在显示器上亮起来。同样地,在示意图上我们只画了六个小灯。在显示器的上方是三个转子,它们的主要部分隐藏在面板之下,在示意图中我们暂时只画了一个转子。
键盘、转子和显示器由电线相连,转子本身也集成了6条线路(在实物中是26条),把键盘的信号对应到显示器不同的小灯上去。在示意图中我们可以看到,如果按下a键,那么灯B就会亮,这意味着a被加密成了B。同样地我们看到,b被加密成了A,c被加密成了D,d被加密成了F,e被加密成了E,f被加密成了C。于是如果我们在键盘上依次键入cafe(咖啡),显示器上就会依次显示DBCE。这是最简单的加密方法之一,把每一个字母都按一一对应的方法替换为另一个字母,这样的加密方式叫做“简单替换密码”。
简单替换密码在历史上很早就出现了。著名的“凯撒法”就是一种简单替换法,它把每个字母和它在字母表中后若干个位置中的那个字母相对应。比如说我们取后三个位置,那么字母的一一对应就如下表所示:
明码字母表:abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
密码字母表:DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC
于是我们就可以从明文得到密文:(veni, vidi, vici,“我来,我见,我征服”是儒勒·凯撒征服本都王法那西斯后向罗马元老院宣告的名言)
明文:veni, vidi, vici
密文:YHAL, YLGL, YLFL
很明显,这种简单的方法只有26种可能性,不足以实际应用。一般上是规定一个比较随意的一一对应,比如
明码字母表:abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
密码字母表:JQKLZNDOWECPAHRBSMYITUGVXF
甚至可以自己定义一个密码字母图形而不采用拉丁字母。但是用这种方法所得到的密文还是相当容易被破解的。至迟在公元九世纪,阿拉伯的密码破译专家就已经娴熟地掌握了用统计字母出现频率的方法来击破简单替换密码。破解的原理很简单:在每种拼音文字语言中,每个字母出现的频率并不相同,比如说在英语中,e出现的次数就要大大高于其他字母。所以如果取得了足够多的密文,通过统计每个字母出现的频率,我们就可以猜出密码中的一个字母对应于明码中哪个字母(当然还要通过揣摩上下文等基本密码破译手段)。柯南·道尔在他著名的福尔摩斯探案集中《跳舞的人》里详细叙述了福尔摩斯使用频率统计法破译跳舞人形密码的过程。
所以如果转子的作用仅仅是把一个字母换成另一个字母,那就没有太大的意思了。但是大家可能已经猜出来了,所谓的“转子”,它会转动!这就是谢尔比乌斯关于ENIGMA的最重要的设计——当键盘上一个键被按下时,相应的密文在显示器上显示,然后转子的方向就自动地转动一个字母的位置(在示意图中就是转动1/6圈,而在实际中转动1/26圈)。下面的示意图表示了连续键入3个b的情况:
当第一次键入b时,信号通过转子中的连线,灯A亮起来,放开键后,转子转动一格,各字母所对应的密码就改变了;第二次键入b时,它所对应的字母就变成了C;同样地,第三次键入b时,灯E闪亮。
 这不是一种简单替换密码。同一个字母b在明文的不同位置时,可以被不同的字母替换,而密文中不同位置的同一个字母,可以代表明文中的不同字母,频率分析法在这里就没有用武之地了。这种加密方式被称为“复式替换密码”。
但是我们看到,如果连续键入6个字母(实物中26个字母),转子就会整整转一圈,回到原始的方向上,这时编码就和最初