密碼學：三個時代的對決交鋒_NBS

碼技術（Cryptography)包含了密碼學（Cryptography）和密碼分析學（Cryptanalysis）兩大分支，一方為紅軍（守），一方為藍軍（攻），兩者缺一不可。

自古以來，密碼學領域加密和解密的故事不斷被演繹，你方唱罷，我方登場。

當前人創造一種看似完美的加密技術，經過若干年，又會被后人通過先進技術解密。在這加密-解密-再加密-解密的過程中，展現出不可估量的人類智力，激發讓人探尋的無窮樂趣。

本期，讓我們盤點密碼學領域的重要歷史節點，看看前輩大佬們如何運用密碼學交鋒，留下一段段里程碑式的傳奇故事。

古典密碼學時期

凱撒大帝：置換密碼

在古典密碼學時期，密碼學主要用于軍事的密文傳遞。公元前58年左右，Caesar（凱撒大帝）使用的凱撒密碼就是運用軍事命令的傳遞。他將每一個字母都進行了位移，以防止他的敵人在截獲凱撒的軍事命令之后，直接獲取到他的真實情報。

密碼學家：端到端加密面臨著越來越大的阻力:金色財經報道，約翰·霍普金斯大學的密碼學家、安全技術專家和計算機科學教授Matthew Green表示，試圖整合端到端加密的公司正面臨著一場艱苦的戰斗，因為開發保護私人通信系統的創新者面臨著越來越大的阻力。Green表示：“真正讓我擔心的是，美國和其他政府強烈要求阻止部署新的E2E加密。”去年，美國總檢察長William Barr與來自美國、英國和澳大利亞的國際執法合作伙伴簽署了一封公開信，批評了Facebook計劃在其所有消息傳遞平臺上實施E2E，致使對端到端加密的反擊獲得了很大推動。[2020/6/6]

加密方法：

加密的雙方首先要對字母的位移數字達成共識，比如，我們約定好的加密位移的數字是3，那么，我發送的每一個字母都要經過3個位移，（A變成D，B變成E，C變成F... ...）假設我的明文是“attack” ，經過位移為3的凱撒加密之后，就會變成“dwwtfn”。成功拿到密文的人，再通過把密文的每個字母減3的方式，就能得到真實的明文信息。

聲音 | 中國傳媒大學計算機學院副教授：區塊鏈反過來激活了數學和密碼學的新應用:在11月8日由中國人民大學國家版權貿易基地主辦的“區塊鏈技術與版權保護”研討會上，中國傳媒大學計算機學院副教授姜正濤從密碼學角度解讀了區塊鏈與版權保護之間的關系。他表示：“密碼學過去是‘賠錢’的技術，屬于純開銷。有了區塊鏈之后，計算結果本身就有價值，比如電子貨物、比特幣、版權信息等本身就具有價值，所以區塊鏈反過來激活了數學和密碼學的新應用。”而且，區塊鏈可以記錄所有發生的交易，可以有效避免造假。另外，區塊鏈對低價值、實時產生的版權數據記錄的成本比較低，相較于傳統做法，區塊鏈可以節省權利人提交材料、等候審批的人力物力，對于作品價值比較低但是數量大的作品，可以提供較好的保護渠道。[2019/11/21]

解密方法：

首先通過頻率分析或者樣式單詞分析的方法，判定是否用的是凱撒密碼。如果是，則可以使用窮舉的辦法，按照字母系統尋找偏移量。由于使用愷撒密碼進行加密的語言一般都是字母文字系統，因此密碼中可能是使用的偏移量也是有限的，26個英文字母，至多偏移25位。

聲音 | 迅雷張驍：區塊鏈發展與密碼學的提升密不可分:據洞察網消息，迅雷鏈底層研發工程師張驍表示，區塊鏈之所以能夠解決人與人之間的信任問題，就是因為它的不可篡改性，而這種特性本質上又是基于密碼學算法來實現的。因此密碼學在區塊鏈中的地位很關鍵，區塊鏈作為信任的基石，密碼學則是區塊鏈的基石。

他相信，未來區塊鏈的發展與密碼學在安全領域上的提升是密不可分的，所以迅雷鏈也會緊密地去關注密碼學未來的發展。[2018/12/24]

頻率分析是基于某些字母在英文寫作中出現不同頻率的事實 – 例如，E通常最常出現，其次是T和A；而Q和Z出現次數最少（見下圖）。

英文字母頻率

參考如下加密文本:

PZ AOL TVZA MYLXBLUA SLAALY PU AOPZ ZLUALUJL

動態 | 亞馬遜獲得密碼學及分布式數據存儲方法的專利:據cointelegraph報道，電子商務巨頭亞馬遜獲得了兩項與保護數字簽名完整性和改善分布式數據存儲方法相關的專利。這兩項專利于11月13日由美國專利商標局（USPTO）公布。[2018/11/14]

如果算上字母，你會注意到L的出現頻率高于其他任何字母（8次）。因此，如果這是替換密碼并且原始消息是英語，則L代表E是安全的猜測，L與字母表中的E相距7個空格。如果位移量是7，則這組密碼文本將變成：

IS THE MOST FREQUENT LETTER IN THIS SENTENCE

對于非常短的消息，手動執行暴力攻擊或頻率分析可能很容易，但對于整個段落或文本頁面來說可能會非常耗時。

近代密碼學時期

Enigma（轉輪密碼機）：多表替代密碼

Enigma（轉輪密碼機）由德國工程師Arthur Scherbius創造，在二戰時是德軍用來傳播信息的加密機，彼時，英法聯軍完全不知道德國正在借用此機器傳遞信息。

動態 | Seele元一密碼學黃皮書正式公開:今日，Seele元一全球首發的密碼學領域黃皮書“多重橢圓曲線的數字簽名方法”已被提交至全球預印本資料庫資料庫資料庫arxiv.org發表，并隨后于Seele元一官網Seele.pro全文公開。該黃皮書通過橢圓曲線數量和六個參數的動態調整，實現了適用于不同應用場景和安全需求的動態簽名機制。Seele元一首席科學家畢偉博士表示：“新簽名算法和獨特的運行機制，為主網上線提供了更加堅實的安全技術保障。[2018/8/10]

Enigma的加密原理是多表替代——通過不斷改變明文和密文的字母映射關系，對明文字母們進行著連續不斷的換表加密操作。

密碼機設計有3個轉輪，在每個轉輪的邊緣上標記26個德文字母，借以表示轉輪的26個位置。經過巧妙的設計，每次轉輪旋轉后，都會停留在這26個位置中的某個位置上。在轉輪組內，轉輪們相互接觸的側面之間，都有相對應的電路觸點，可以保證轉輪組的內部構成通路。

于是，輸入的字母K，經過第一個轉輪，變成輸出字母R；之后這個R進入第二個轉輪，咱們假設它又變成了C；爾后，這個C再進入第三個轉輪，假設又變成了Y。如此，初始字母K歷經3次輪轉，變成了誰也認不出來的Y。

二戰時期，阿蘭·麥席森·圖靈（Alan Mathison Turing）基于前人的經驗，從Enigma的整個密文入手，設計了“圖靈炸彈機”來進行破解。

因為德國人會在特定時間發送特定的電報，而“天氣”和“希特勒”這兩個詞是“明文庫”中最常見的兩個單詞。所以，圖靈采用基于明文的攻擊，在早上六點多的電報密文中尋找“天氣”和“希特勒”兩個單詞加密后的密文，就能根據明文和密文的對應關系計算出密鑰。

關于這段歷史的更多趣聞，感興趣的小伙伴可參見電影《模仿游戲》。

現代密碼學時期

在1976年以前，所有的加密方法都是同一種模式：加密、解密使用同一種算法，即對稱加密算法（symmetric encryption algorithm）。在交互數據的時候，彼此通信的雙方就必須將規則告訴對方，否則沒法解密。那么加密和解密的規則（ 簡稱密鑰 ）的保護就顯得尤其重要，傳遞密鑰成為了最大的隱患。

當密碼學進入現代時期，從藝術變成科學，開始建造完備的體系，這一隱患被得以有效解決。同時，多種密碼學技術的誕生，也讓原本神秘變換的密碼學世界變得更加精彩紛呈。

重大歷史節點:

1976年，是現代密碼學的開端，密碼學開始由藝術轉為科學，并建立一套完整的理論體系。兩位美國計算機學家迪菲（W.Diffie）、赫爾曼（M.Hellman）提出了一種嶄新構思，可以在不直接傳遞密鑰的情況下，完成密鑰交換。這被稱為“ 迪菲赫爾曼密鑰交換 ”算法，開創了密碼學研究的新方向。

1977年，三位麻省理工學院的數學家羅納德·李維斯特（Ron L. Rivest）、阿迪·薩莫爾（Adi Shamir）和倫納德·阿德曼（Leonard M. Adleman）一起設計了一種算法，可以實現非對稱加密。這個算法用他們三個人的姓氏首字母命名，叫做 RSA 算法。

[ 加密方式需要兩個密鑰：公開密鑰，簡稱公鑰（ public key ）；私有密鑰，簡稱私鑰（private key），公鑰加密，私鑰解密。RSA算法也具有缺陷 : 效率相對較低 , 字節長度限制等，在實際應用中我們往往會結合對稱性加密一起使用 , 秘鑰使用RSA算法 ]

1978年，Ron L. Rivest，Leonard M. Adleman以及 Michael L. Dertouzos提出了同態加密（Homomorphic Encryption）概念。允許對密文進行特定的代數運算后依然能得到加密的結果，將該結果解密以后的結果與對明文進行同樣運算的結果會保持一致。

1982年，姚期智先生提出安全多方計算，即MPC。主要探討n個參與方必須各自輸入信息去計算一個約定的函數。除了計算的正確性，這一計算過程還必須保障每個參與方輸入數據的隱私。

1989年，麻省理工學院研究人員Goldwasser、Micali 及 Rackoff提出了“零知識證明”的概念。指的是證明者能夠在不向驗證者提供任何有用的信息的情況下，使驗證者相信某個論斷是正確的。

隨著人類科技水平的不斷進步，密碼學和密碼分析學技術得以推陳出新，這驅動著密碼從業者不斷突破創新，讓密碼學技術發揮出應有價值，得以運用在社會生活的各個角落。

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