代替技術
代替技術是將明文字母替換成其他字母、數字或符號的方法。
Caesar密碼（由Julius Caesar發明）
定義：將字母表中的每個字母，有它之後的第 3 個字母來代替。
例如：
明文： meet me after the toga party
密文： PHHW PH DIWHU WKH WRJD SDUWB
我們通產用一個數字來代替每一個字母，因此，得到下表：
| a | b | c | d | e | f | g | h |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| i | j | k | l | m | n | o | p |
| 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| q | r | s | t | u | v | w | x |
| 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 |
| y | z | ||||||
| 24 | 25 |
則加密算法可以如下表達。對每個明文字母p，代替成密文字母C：
C = E（3，p）= （p + 3）mod 26
移位可以是任意整數k，這樣就得到了一般的Caesar算法：
C = E（k，p）= （p + k）mod 26
k ∈ [1,25]
解決手段：窮舉攻擊
可以採用窮舉攻擊的手段，主要是因爲：
- 已知加密和解密的算法
- 需測試的密鑰只有25個
- 明文所用的語言已知，且其意義易於識別
單表代替密碼
定義：每條信息用一個字母表（給出從明文字母到密文字母的映射）加密。
這種方法大大增大了密鑰空間的數量級，如果密文行是26個字母的任意置換，那麼就有26！或大於4×10^26^ 種可能的密鑰。
置換是有限元素的集合S的所有元素的有序排列，且每個元素只出現一次。
例如：如果S = {a,b,c}，則S有6個置換：abc,acb,bac,bca,cab,cba
這種方法看似可以抵擋窮舉攻擊，但啓示如果把字母使用的相對評論統計出來，與英文字母的使用評論分佈進行比較，就很可能分析出明文了。
所以其解決手段：字母頻率分析（基於明文與密文字母頻率相同）
改進方法：在明文信息中採用不同的單表代替，既多表代替密碼，下面也會介紹。
所有這些方法都有以下的共同特徵：
- 採用相關的單表代替規則集。
- 密鑰決定給定變換的具體規矩。
Playfair密碼
定義：把明文中的雙字母迎接作爲一個單元並將其轉換成密文的“雙字母音節”。
該算法基於一個由密鑰詞構成的5×5字母矩陣。
加密規則：
假設密鑰詞爲monarchy。填充矩陣的方法是：首先將密鑰詞（去掉重複字母）從左至右、從上至下填在矩陣格子裏，再將剩餘的字母按字母表的順序從左到右、從上至下填在矩陣剩下的格子李。字母I和J暫且當成一個字母。對明文按如下規則一次加密兩個字母：
- 如果該字母對的兩個字母是相同的，那麼在它們之間加一個填充字母，比如x。例如：balloon先把它變成ba lx lo on這樣4個字母對。
- 落在矩陣同一行的明文字母對中的字母由其右邊的字母代替，每行中最右邊的一個字母就用該列中最左邊的第一個字母來代替，比如ar變成RM。
- 落在矩陣同一列的明文字母對中的字母由其下面的字母代替，每行中最下面的一個字母就用該列中最上面的第一個字母來代替，例如mu變成CM。
- 其他的每組明文字母對文中的字母則：該字母所在行爲密文所在行，另一字母所在列爲密文所在列。比如hs變成BP，ea變成IM。
| M | O | N | A | R |
|---|---|---|---|---|
| C | H | Y | B | D |
| E | F | G | I/J | K |
| L | P | Q | S | T |
| U | V | W | X | Z |
- 解決手段：字母頻率分析
多表代替加密
定義：多表代替密碼中最著名和最簡單的是Vignerere密碼。它的代替規則集由26個Caesar密碼的代替表組成，其中每一個代替表是對明文字母表移位0-25次後得到的代替單表。
假設明文序列爲P = p~0~,p~1~,p~2~,…,p~n-1~，密鑰由序列K = k~0~,k~1~,k~2~,…,k~m-1~ 構成，其中典型的m
Vernam密碼
- 定義： 1918年AT&T公司的工程師Gilbert Vernam首先引入了這種體制，其運算基於二進制數據而非字母，可以簡單表示爲：C~i~ = p~i~ ⊕ k~i~
其中：
p~i~ 是明文第i個二進制位
k~i~ 是密鑰第i個二進制位
c~i~ 是密文第i個二進制位
⊕是異或運算符
其解密過程爲：p~i~ = c~i~ ⊕ k~i~
這種技術的本質在於構造密鑰的方式。Vernam提出使用連續的磁帶，其最終也將循環。所以事實上該體制是使用週期很大的循環密鑰。儘管週期很長對於密碼分析增添了相當大的難度，但是如果有足夠的密文，使用已知或可能的明文序列，或者聯合使用兩者，該方案是可以被破解的。
一次一密（Vernam密碼的改進方案）
- 定義：使用與消息一樣長度且無重複的隨機密鑰來加密信息
優點：如果用窮舉法搜索所有可能的密鑰，就會得到大量可讀、清楚的明文，但是沒法確定哪一個是真正所需要的，因此這種密碼不可破。
缺點：
- 產生大規模隨機密鑰由實際困難
- 密鑰的分配和保護也是問題