核心概念
模式
代码
谜题
密码学
引言
如果您需要向朋友发送秘密消息，您如何才能防止其他人阅读它？一种方法是加密消息——也就是说，使用只有您和您的朋友知道的秘密代码。试试这个活动，学习如何创建您自己的“凯撒密码”，这是一种流行的、易于学习的代码。
背景
密码学是研究编写或破解用于安全通信的秘密代码的学科。历史上，政治家、间谍和交战国家都使用代码来防止敌人知道他们的意图。许多最早的代码，或“密码”，例如您将在这个项目中创建的代码，都很容易手工创建。现在，密码学在计算机科学中至关重要，用于确保从电子邮件到银行账户信息的安全。
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凯撒密码，以罗马皇帝尤利乌斯·凯撒的名字命名，是最早和最广为人知的密码之一。它是一种简单的“替换密码”形式，您通过将整个字母表移动一定的字母数（到达末尾后绕回到开头）来替换字母表中的每个字母。例如，如果您将每个字母移动三个空格，这将是您的密钥和代码
明文: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
密文: XYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVW
因此，当您编写消息时，字母 A 被替换为 X，字母 B 被替换为 Y，依此类推。例如，单词“HELLO”变为
明文: HELLO
密文: EBIIL
为了解码您的消息，您需要与您的朋友分享“密钥”（数字 3）。之后，您可以发送用密码编写的消息，这样其他人就无法阅读它们了！
材料
铅笔和纸
至少另一人
准备
向朋友解释凯撒密码的概念，或者让他们阅读此活动的背景部分。
写下从 A 到 Z 的字母表。
选择一个 1 到 25 之间的数字。（如果您使用 26，您将最终得到原始字母表。）这个数字就是您的密钥。
步骤
将整个字母表按您选择的数字移动，并将其写在原始字母表的下方（如上所示）。
选择一条要写给朋友的消息。在您尝试更长的句子或段落之前，从简单的消息（例如单个单词或短语）开始可能是最容易的。
使用您移动后的字母表写下您编码后的消息。如果这有帮助，请先写下您的明文消息，然后一次编码一个字母（例如上面的“hello”示例）。只需确保您给朋友的纸上只有编码后的消息！
将编码后的消息给您的朋友，并告诉他们密钥。您认为为什么您不想写下密钥？
看看您的朋友是否可以解密您的消息。如果这对第一次尝试有帮助，让他们使用您写下的原始字母表和移动后的字母表向后推算。使用背景中的示例，字母 x 变为 a；y 变为 b；等等。
尝试切换并为相同的消息使用不同的密钥。哪一个看起来更容易破解？
附加题： 尝试找第三个人，他不知道什么是凯撒密码。如果他们“拦截”了您的消息，他们能破解您的密码吗？
附加题： 如果拦截您消息的人知道凯撒密码怎么办？这是否会使破解代码更容易？由于只有 25 个可能的密钥，凯撒密码非常容易受到“暴力破解”攻击，解码器只需尝试每种可能的字母组合。如果由人来做，这可能需要一些耐心，但现在计算机可以在几分之一秒内解开代码，因此凯撒密码不被认为是加密电子通信的安全方法。
附加题： 破解凯撒密码的另一种方法是“频率分析”，它基于以下事实：在自然的英语口语和写作中，某些字母的出现频率远高于其他字母。例如，字母 E 的出现频率高于任何其他字母，而 Z 的出现频率最低。（如果您玩过拼字游戏 Scrabble，您可能会注意到这决定了字母的价值！）因此，例如，如果您阅读整段文字并注意到字母 D 的出现频率高于任何其他字母，那么很可能它使用了偏移量为 1 的凯撒密码（使代码中的 E 变为 D）。对于较长的文本块，这种技术会更准确，而对于短单词或短语则非常不准确，因为有很多单词根本不包含 E。您能让朋友用凯撒密码写一整段话，然后尝试使用频率分析来破解它吗？
附加题： 如果您计划将凯撒密码用于常规通信，一个风险是最终有人会发现您的密钥。您可以通过更改密钥来帮助防止这种情况，例如每周使用一个新密钥。这与定期更改您的计算机密码的概念类似。
附加题： 凯撒密码只是一种替换密码。查找其他类型的替换密码并尝试一下。它们是更难还是更容易使用和破解？
观察和结果
一旦您和您的朋友都了解了如何使用凯撒密码，相互发送加密通信应该相对容易。这可能是在朋友之间来回传递秘密消息的一种有趣方式。然而，如上所述，尽管凯撒密码为密码学提供了一个很好的入门，但在计算机时代，它不再是安全地以电子方式发送加密通信的方式。
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本活动由Science Buddies合作推出
