从密码学到电子学

多姿多彩的通信系统

前言

密码学、电子学、通信系统，它们作为工学领域的三类学科各自成一派，却又紧密相连。二战时期，纳粹德国广泛使用的恩尼格玛密码机（Enigma）直接或间接地有力推动了电子学的发展，进而构成了现代数字通信体系。但通信并不仅限于此，广义上讲，自有生物诞生之时起，通信过程就无处不在，无论是在微观层面上细胞之间传递信号物质，还是在宏观层面上动物利用声波等载体进行沟通的行为，都是通信过程，甚至植物之间也存在频繁的信息交流。从古代历史典故“烽火戏诸侯”中周幽王脚下的烽火台，到现代水下的声呐设备，再到大气层外的人造卫星，通信系统无疑是多姿多彩的，他们有时以生物本能的方式呈现，有时以复杂的电子技术呈现，无论如何，通信就是自然界中存在的最广泛的交互方式之一，理解通信有助于我们认知自然。

密码学本质上是一门研究如何更好的分析和利用编码技术从而服务于通信的科学，现代的计算技术使得密码学的发展达到了空前的高度，而用计算机科学的思维也可以很好的解释古往今来几乎所有的密码问题，这里使用了否认绝对的“几乎”一词，因为解决密码问题的密码技术不局限于信息化和数字化的近现代密码体系。我们知道，密码技术的跨越式发展往往伴随着残酷的战争而来，电影《风语者》所讲述的故事正是二战时期美军利用纳瓦霍族独特的俚语作为密码技术进行军事上的通信，俚语加密也是一种高效的密码技术。而密码学作为一门古老而又年轻的科学，应当可以对上述结论给予绝对的肯定，即计算机科学的思维可以很好的解释古往今来所有的密码学问题。在这里，大家应该能够较好的体会到科学与技术的区别和联系。

电子学是这里最年轻的专业，涉及物理、化学、数学、材料科学等科学门类，应用电子学的原理设计和制造电路、电子器件来解决实际问题的方法被称为电子技术。从人文历史的视角来看，铁路时代的铁路工程师和信息时代的电子工程师，有着许多相似之处。科幻小说《三体》中描绘了一种人列计算机，由三千万士兵组成，其“计算机主板”占地三十六平方公里，如果严格的考虑其现实性，即使忽视声与光传播带来的时延，用任何一种概率模型分析三千万人的失误率，也会得出其必然是一台故障百出的机器的结论。虽然这样一台计算机在现实世界中不可能实现，但较为直观地向我们展示了计算机处理信息的方式。法拉第电磁感应定律为人类打开了电气化时代的大门，随着半导体材料技术的发展，集成电路遵循着摩尔定律，从“小规模集成”逐步走向“超大规模集成”，到了如今的纳米晶体管时代，我们得以使用上便携式计算机以及智能手机等体积小巧、功能强大的电子设备。

对于如今最新款的智能手机而言，不仅是天线在每时每刻参与着通信过程，其读写数据的存储模块、高速成像的相机模块、五彩斑斓的屏幕光源，甚至是基于功耗优化考虑而设计的电源控制系统，都无时无刻不在进行通信，而正是每块电路板上晶体管与晶体管之间稳定而高速的局部通信才实现了全局的正常运行。这样一部由成千上万的元器件以及数百亿的晶体管构成的电子设备，无论是从概率分析来看还是从实际测试来看都能够基本满足我们日常生活的功能需求。

密码学的研究直接涉及科学三大领域：自然科学、社会科学以及思维科学，电子学更是信息化和数字化时代的基石，它们的每部专业文献都可以当作一部“科技史”，不过不同于以重要人物及重要事件为节点的人文史，“科技史”往往以一条条定理和公式呈现。相同的是，“科技史”也是“螺旋式上升”的，其背后也是一个个鲜活的人，在克服种种难关、历经重重考验后在历史上留下自己的姓名，其过程也许是幸福快乐的或是激动人心的，也许是惴惴不安的或是令人惋惜的，但其发展路途绝非是大多数大学教材图书上刻画的笔直而顺畅的。

作者的本科专业为信息安全，研究生阶段转为电子信息，在学习和研究的过程中，每当获得了一些心得，总有把它们写出来的冲动，如今试图基于亲身学习经历整理出一部自己视角中的“科技史”，但限于水平，难免有不妥或错误之处，恳请读者批评指正。