紫荆棘鸟：紫色密码：The Purple

送交者: 紫荆棘鸟 2013年10月22日08:26:48 于 [五 味 斋] 发送悄悄话

(Note: 文章中的图片照得不清晰 ---- 因为密码博物馆小，人多，比较拥挤) 众所周知，现在的互联网时代，Internet security 始终是个话题。假设我通过互联网从电脑 A 传送一些数据到电脑 B，如果传送的这些数据是些未加密的“裸数据”，中途若被 C 截获，那就会带来麻烦。解决办法就是在发送端给这些数据加密，然后在接收端给收到的加密数据进行解密，还原为原始数据。目前市场上最著名的 algorithms 应该是被称为 Asymmetric Key 的这类 Algorithms，通常包括 DSA (Digital Signature Algorithm)、RSA ( R. Rivest，A. Shamir and L. Adleman)、DiffieHellman (Diffie and Hellman)，特别是去前两者，其所用的 Hash functions 一般包括 SHA-系列、MD-系列 (特别是 MD5 and MD6)。万维前博主庄锐好像对此颇有研究，他对古典的解析数论和素数分布情有独钟，对高斯和黎曼推崇有加，可惜他的发言涉及了过多的政治而被管理员封了...... 具体点讲，假设你用 DSA 或者 RSA 算法，那么你事先利用这个算法去 generate 两个 Keys，分别称为 public key (公钥) 以及 private key (密钥)，公钥可以自由发送出去，而密钥自然只有自己知道。假设张三想发送某条敏感信息 (例如“ABCD EFGH”)，他就可以用公钥加密 (称为 sign) 这条信息，然后传送给你，而你收到加密内容后，就可以用你的密钥去解密 (称为 verify)，然后得到原始的数据：ABCD EFGH。 二战时军事情报的传递和接收，原理也是类似的。例如纳粹德国号称不可能破译的密码机“影谜机 (Enigma)”，其工作原理就是这样的 (见图示)，图中的 “11 02 17”就相当于 DSA/RSA 中的 Public/Private Key。               纳粹德国的影谜机 (Enigma)               影谜机 (Enigma)工作原理 The Purple 的密码技术和影谜机类似，区别是 Purple 的六个元音 A、E、I、O、U、Y 是分开加密/解密的。The Purple 是美国方面的称呼，日本方面的官方名称是 97-shiki _bun inji-ki (九七式欧文印字机)，这里的 97 意思是日本神武2597年，亦即 1937 年，The Purple 于这一年成形投入使用。The Purple 的“前辈”是被美国方面称为 The Red 的密码机，或者 91-shiki injiki (九一式印字机)。The Purple 由 Kazuo Tanabe (田边一雄) 主导研制，据说得到了纳粹德国的鼎立相助。日本大数学家、菲尔兹奖评委高木贞治曾经评价说 The Purple 的密码技术非常先进，不可能被破解 ---- 这和纳粹德国对影谜机的自信，是类似的。下图是美国国家密码博物馆 (National Cryptologic Museum) 所收藏的 Purple 密码机残片。 博物馆没有保存有完整的 The Purple，下图是美国 Signals Intelligence Service (SIS) 所仿造的一台紫色密码机。                (此图片来源于网络) 二战初期日本除了主要使用 The Purple 外，也使用另一些密码机，例如 Coral，Jade。下图就是保存在美国国家密码博物馆中的 Jade 密码机。 作为题外话，在讲述紫色密码机被破解之前，我们看看密码博物馆所收藏的一些日本在二战时所用的设备。下图是二战中美日双方在太平洋战区交战示意图，其中红色开花点表示日军的攻击点，黑色开花点表示美军的攻击点。比较有意思的是这张老式地图中，东北满洲里、外蒙古、新疆、西藏都被标注为和中国并行/独立的地区。                 这台不知是啥密码机                这台密码机标注为“九九式”，不知和紫色密码机 (九七式) 有啥关系。 言归正传，回到紫色密码机。虽然大代数学家高木贞治声称 The Purple 不可能被破解，但是它不久后就被称为“密码之父”的弗里德曼 (William Friedman) 所破解。弗里德曼是俄罗斯血统，当时主管美国陆军所属的 Signal Intelligence Service (SIS)。SIS 当时是个很小的机构，但某种意义上却是现在国家安全局 (National Security Agency) 的前身。除了弗里德曼外，破解紫色密码的还有另外几个关键人物，包括罗列特 (Frank Rowlett)、Genevieve Grotjan 以及 Leo Rosen。               (弗里德曼夫妇合影：William & Elizebeth) 弗里德曼虽然在密码学颇有建树，但是他并不是数学科班出身。相反，他毕业于康奈尔大学的遗传学专业。毕业后他在研究生院任教，随即受雇于 George Fabyan 所拥有的私人研究机构 Riverbank，他在那里从事声学、化学、遗传学和密码学的研究。1929 年弗里德曼选为 SIS 主任，主导 SIS 的研究。他发明的一种统计方法在破解紫色密码时起了关键作用。巧合的是，他的夫人伊丽莎白也是位密码专家，在二战时为美军做出了卓越的贡献。 破译紫色密码另一关键人物是罗列特 (Frank Rowlett)。罗列特，根据介绍，在 1930 年受雇于 SIS 前是弗吉尼亚 Blue Ridge Mountains 地区一名高中数学教师 (注：Blue Ridge Mountains 后来开辟成著名的 Shenandoah National Park。美国著名乡村歌手 John Denver 的名曲“Country Road，Take Me Home”就是以这里为背景的) 。他早先在弗里德曼的带领下破译了日军的红色密码机 (The Red)，后来又研制了一台紫色密码模拟机 (The Purple Analog)。这种模拟机在破译紫色密码时起了关键作用，战后发现罗列特的紫色密码模拟机和日军的紫色密码机几乎是完全一样的。美国信息系统安全组织的 最高荣誉奖，弗兰克•拜伦•罗列特奖，就是以罗列特的名字命名的。                  弗里德曼和罗烈所研制的紫色密码模拟机                       这是后来经过改进后的紫色密码模拟机的外型 两则 Rumors，供大家胡掰瞎蒙： 1) 当时英国是不是知道如何破解紫色密码？英美两国的密码专家曾经互访过，而且德国的影谜机和日本的紫色密码机是相似的，英国的密码专家曾经帮助过美国的密码专家，这几乎是可以肯定的。但是有 rumor 说英国人当时知道如何破译紫色密码，但是秘而不宣。 2) 珍珠港事件。珍珠港事件发生在 1941 年底，那时 SIS 早就破译了紫色密码 (当然，这是当时美国军方最高机密之一，日本方面并不知道)，有 rumor 说 SIS 破译了日本偷袭珍珠港前给罗斯福政府的最后通牒，是罗斯福政府的失职或者另有所谋才使得日本的偷袭成功。

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