第2章 密码学基础
2.1 密码学发展历史
2.1.1 密码学发展的三个阶段
密码学的发展，经历了主要的三个阶段：第一阶段指1949年之前，当时的密码学主要表现为满足少数人的特殊用途为主；第二阶段指1949—1975年，在这个阶段，密码学逐渐发展成为一门独立的学科；第三阶段一般指1975年之后，密码学的新方向——公钥密码学得到了长足的发展与进步。这三个阶段，如果按照密码学的发展进程来分，可以分为“古典密码”“对称密钥密码”和“公开密钥密码”三个阶段。不同时期，人们对信息的存储、处理、传输和计算能力是不同的。信息的利用方式也不同，相应使用的密码技术也不相同，密码学的发展经历了从艺术到科学的发展过程，其中的协议和算法设计、分析以及加解密应用，皆发展成为独立的艺术和学问，同时也发展成为一门高度综合的学科，涵盖了数学、统计、网络、计算机等学科内容。那么，在开始介绍区块链中的密码学之前，先让我们来简单回顾一下这三个阶段。
1．“古典密码”阶段
这个阶段的密码学还不是科学，而是一门小众的艺术。这个阶段出现了一些密码算法和加密工具。在这个阶段中，密码算法的基本手段——置换排列网络（Substitution-Permutation Network）出现了，它主要是针对字符进行加密；同一阶段，简单的密码分析手段也出现了。
举例来说，这个阶段出现过“Scytale密码”：据说公元前5世纪古希腊的斯巴达人，有意识地使用一些技术方法来加密信息。他们使用的是一根叫“scytale”的棍子。送信人先绕棍子卷一张纸条，然后把要写的信息纵向写在上面，接着单独把纸送给收信人。对方如果不知道棍子的粗细是不可能解密纸上内容的，如图2-1所示。
图2-1 斯巴达人使用的“Scytale密码”
此外，公元前1世纪，著名的恺撒大帝发明了一种密码——“恺撒密码”。在恺撒密码中，每个字母都与其后第三位的字母对应，然后进行替换。据说当时罗马的军队就是使用恺撒密码进行通信。举例如下（字母索引偏移量为3）：
恺撒密码明文字母表：A B C D E F G …… X Y Z
恺撒密码密文字母表：D E F G H I J …… A B C
例如：明文为“veni，vidi，vici”，密文就是“YHAL，YLGL，YLFL”。
26个字符代表字母表的26个字母，从一般意义上说，也可以使用其他字符表，对应的数字也不一定要选择“3”，可以选其他任意数字。
那个阶段还曾经出现过最早的几何图形密码，例如以一种形式写下消息，以另一种形式读取消息，举例来说（见图2-2），将“I came I saw I conquered”编码为“IONQC CAIUE WMEAR DESI”：
图2-2 几何编码加密示意
2．“对称密钥密码”阶段
对称密钥密码，又称为“单钥密码体制”，即使用相同的密钥（加解密密钥）对消息进行加密／解密，系统的保密性主要由密钥的安全性决定，而与算法是否保密无关。它的设计和实现的中心思想聚焦在：使用哪一种方法，可以产生满足保密要求的密钥，以及用什么方法可以将密钥安全又可靠地分配给通信双方。对称密码体制可以通过分组密码或流密码来实现，它既可以用于“数据加密”，又可以用于“消息认证”。其所谓“对称”，其实就是使用同一把密钥进行加密，使用同一把密钥进行解密。对称加密由于加密和解密使用的是同一个密钥算法，因此在加解密的过程中速度比较快，适用于对数据量比较大的内容进行加解密。它的主要优点就是算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高，但也存在着显而易见的缺点，就是在密钥协商过程中，一旦密钥泄露，别人就可以用获取到密钥对密文进行解密。另外，每一对用户（通信双方），每次使用对称加密算法时，都需要使用其他人不知道的独一密钥（互相隔离），这会使得收、发双方所拥有的密钥数量巨大，密钥管理成为双方的共同负担。常用的对称加密算法有DES、3DES、AES、TDEA、Blowfish、RC2、RC4和RC5等。
3．“公开密钥密码”阶段
相对于“对称密钥密码”阶段，这个阶段进行了公、私钥分离的设计，公钥密码采用了“非对称加密”机制——针对私钥密码体制（对称密钥密码）的缺陷而被提出。非对称加密会产生两把密钥，分别为公钥（Public Key）和私钥（Private Key），其中一把密钥用于加密，另一把密钥用于解密。非对称加密的特征是算法强度复杂、安全性依赖于算法与密钥，但是由于其算法过于复杂，从而使得速度没有对称加密解密的速度快。对称密码体制中只有一把密钥，并且是非公开的，如果要解密就得让对方知道密钥。所以保证其安全性就是保证密钥的安全，而非对称密钥体制有两种密钥，其中一个是公开的，这样就可以不需要像对称密码机制那样传输对方的密钥，安全性就提高了很多。常用的非对称加密算法有RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC（椭圆曲线加密算法）等。