互聯(lián)網(wǎng)大陸的守夜人：信息加密技術(shù)
從古代戰(zhàn)爭(zhēng)中密碼系統(tǒng)到互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的OpenSSL，這篇文章為我們講述信息加密技術(shù)的進(jìn)化之路。文章最后，作者還分析了為什么 SSL 在中國(guó)難普及，以及怎么用信息加密技術(shù)保護(hù)個(gè)人信息。
導(dǎo)語(yǔ)
互聯(lián)網(wǎng)黃金時(shí)代的到來(lái)，讓人們享受到了各種各樣的便利，最大的功臣當(dāng)然是計(jì)算機(jī)軟硬件以及互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)然背后也有一些默默奉獻(xiàn)的無(wú)名者，今天的文章的便是關(guān)于其中一位，我把它比喻為互聯(lián)網(wǎng)大陸的守夜人 (The Night Watch)——信息加密技術(shù)。它就像美劇 Game of Thrones 里面的守夜人一樣，默默無(wú)聞地保衛(wèi)著互聯(lián)網(wǎng)這片大陸不受 “異鬼” 的侵襲。
一、數(shù)據(jù)加密淺談
為了使文章不那么枯燥，先從幾個(gè)故事講起。
古代運(yùn)用加密技術(shù)進(jìn)行通信的著名案例是凱撒密碼。凱撒是古代一位軍事將領(lǐng)，他率先將加密技術(shù)應(yīng)用于軍事通信，他的基本思想是：通過(guò)把字母移動(dòng)一定的位數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)加密和解密。明文中的所有字母都在字母表上向后(或向前)按照一個(gè)固定數(shù)目進(jìn)行偏移后被替換成密文。例如，當(dāng)偏移量是 3 的時(shí)候，所有的字母 A 將被替換成 D，B 變成 E，以此類推 X 將變成 A，Y 變成 B，Z 變成 C。由此可見(jiàn)，位數(shù)就是凱撒密碼加密和解密的密鑰。
顯然，這太簡(jiǎn)單了，拉丁字母只有 26 個(gè)，人腦即可輕松破譯。另外，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，只要文章夠長(zhǎng)，每個(gè)字母在一篇文章中出現(xiàn)的概率是特定的，例如字母 e 在英文中出現(xiàn)的幾率最大，那么只要對(duì)密文略加統(tǒng)計(jì)，即可得出，密文中出現(xiàn)最多的字母對(duì)應(yīng)的就是 e，其他以此類推。
后來(lái)人們經(jīng)過(guò)一番改進(jìn)，增加了密鑰的長(zhǎng)度或者復(fù)雜度，只要保證密鑰夠復(fù)雜，并且密鑰只被通信雙方知道，便沒(méi)那么容易被破解。這種使用單個(gè)密鑰的加密技術(shù)叫做對(duì)稱加密，特點(diǎn)是雙方使用預(yù)共享密鑰 (Pre-Shared Key)。
后來(lái)，這種加密技術(shù)廣泛應(yīng)用到后來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)中，二戰(zhàn)時(shí)有一個(gè)著名的關(guān)于密碼的故事：考文垂大轟炸。由阿蘭圖靈領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)破解了德國(guó)的密碼系統(tǒng)，得知德國(guó)將實(shí)行月光奏鳴曲計(jì)劃對(duì)考文垂進(jìn)行毀滅式轟炸。英國(guó)為了不讓自己的破解系統(tǒng)暴露于德國(guó)之前，故而沒(méi)有對(duì)城內(nèi)居民做出警告，也沒(méi)有采取非常規(guī)防御措施，最終被夷為平地。這個(gè)故事暴露了預(yù)共享密鑰的缺陷：算法再?gòu)?fù)雜、密鑰再長(zhǎng)，也有被破譯的可能;并且密鑰必須是預(yù)共享的 (Pre-Shared)，如何安全地傳送密鑰也是一個(gè)難題。
而太平洋戰(zhàn)場(chǎng)的美國(guó)就比較聰明一些了。有一部 Nicolas Cage 主演的講述太平洋戰(zhàn)爭(zhēng)的電影叫做《風(fēng)語(yǔ)者》(Windtalkers)。故事里面，美軍征了大量納瓦霍族人并訓(xùn)練成通訊兵，使用一種基于納瓦霍語(yǔ)的密碼傳遞軍事情報(bào)，日軍要是想破譯密碼，就必須抓到通訊兵。Cage 的任務(wù)就是在戰(zhàn)場(chǎng)上保護(hù)其中一個(gè)通訊兵不被日軍抓到，萬(wàn)一不幸被抓，Cage 必須親手殺死通訊兵以保護(hù)密碼。
這里通訊員就相當(dāng)于一個(gè)"物理"形式的密鑰，它的好處是，物理密鑰被別人竊取才有可能進(jìn)行破譯，這就極大增加了安全性。現(xiàn)實(shí)生活中最常用的場(chǎng)景就是銀行申請(qǐng)網(wǎng)銀的時(shí)候都要配一個(gè) USB KEY，網(wǎng)上大額支付的時(shí)候需要在電腦上插入 USB KEY，相對(duì)于純密碼更安全一些。
后來(lái)人類發(fā)明了一樣偉大的東西——計(jì)算機(jī)，并且經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，計(jì)算能力越來(lái)越強(qiáng)，人們開始使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息的加密解密，當(dāng)然劍是雙刃的，好處是我們可以使用更長(zhǎng)更復(fù)雜的密鑰或者算法來(lái)快速進(jìn)行加密，壞處是，壞人也會(huì)用利用它更快地進(jìn)行破解，將來(lái)可能還會(huì)出現(xiàn)更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)技術(shù)如量子計(jì)算機(jī)技術(shù)，也許當(dāng)前理論上幾百年才能破解的密文，未來(lái)只需幾秒即可解密;而且預(yù)共享密鑰的加密方法，密鑰的安全傳遞始終是一個(gè)漏洞。于是一種更完美的加密技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生——非對(duì)稱加密技術(shù)。
非對(duì)稱加密技術(shù)的基本原理是：生成一對(duì)密鑰，一個(gè)叫公鑰，是可以公開被所有人知道的;另外一個(gè)叫私鑰，只有密鑰的主人持有，其他任何人都不能得到;公鑰加密的密文只有私鑰才能解密，私鑰加密的密文只有公鑰才能解密。舉個(gè)例子：
如圖所示，Alice 要想給 Bob 發(fā)送私密數(shù)據(jù)，那么 Bob 先把公鑰公開，Alice 用 Bob 的公鑰加密自己的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給 Bob，Bob 用自己的私鑰進(jìn)行解密;反過(guò)來(lái)，如果 Bob 要給 Alice 發(fā)送非私密但是必須真實(shí)的數(shù)據(jù)，Alice 為了確定收到的數(shù)據(jù)確實(shí)是 Bob 發(fā)的而沒(méi)有中間人篡改，她可以用 Bob 的公鑰進(jìn)行解密，如果能正常解密則證明消息確實(shí)是 Bob 發(fā)送，因?yàn)槌?Bob 以外其他人無(wú)法生成可以用該公鑰解密的數(shù)據(jù)。
因此非對(duì)稱加密技術(shù)廣泛應(yīng)用于通信加密、數(shù)字證書、數(shù)字簽名、身份認(rèn)證等等。
二、OpenSSL
去年，發(fā)生了一個(gè)震驚整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的漏洞—心臟滴血 (Heartbleed)，讓 OpenSSL 這個(gè)默默無(wú)聞的卻承擔(dān)保護(hù)全世界網(wǎng)民信息安全的隱形 “衛(wèi)士” 現(xiàn)身到大眾面前。OpenSSL 是一個(gè)強(qiáng)大的安全套接字層密碼庫(kù)，囊括主要的密碼算法、常用的密鑰和證書封裝管理功能及 SSL 協(xié)議，并提供豐富的應(yīng)用程序和類庫(kù)。全世界的網(wǎng)站大都在使用 OpenSSL 這個(gè)開源工具保護(hù)他們的信息安全，這么偉大的項(xiàng)目卻窮的才幾個(gè)程序員，而且分布在世界各地，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)彼此溝通協(xié)作，一直靠捐贈(zèng)維持生計(jì)，捐贈(zèng)者包括諾基亞、華為、甲骨文等知名企業(yè)。
那么問(wèn)題來(lái)了，OpenSSL 是如何保護(hù)我們的?
我們的互聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)千千萬(wàn)萬(wàn)通信設(shè)備 (路由設(shè)備、交換設(shè)備) 以及線纜 (電纜、光纜) 連接到一起的，當(dāng)我們的數(shù)據(jù)在這些設(shè)備、線纜中傳輸?shù)臅r(shí)候，很容易被人通過(guò)各種手段例如軟件抓包、信號(hào)竊聽(tīng)等設(shè)備截取到，并根據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行解碼獲取敏感信息，如下圖。
好在我們有加密技術(shù)保護(hù)。拿 WEB 服務(wù)來(lái)說(shuō)，我們可以通過(guò)部署 SSL 證書來(lái)啟用 HTTPS 協(xié)議，這樣在客戶端瀏覽器與服務(wù)端 webserver 之間傳輸?shù)娜魏涡畔⒍际敲芪模覀兲峤坏谋韱沃械馁~號(hào)和密碼，以及服務(wù)端返回的包含個(gè)人信息的網(wǎng)頁(yè)都被安全加密。下面簡(jiǎn)要解析一下其中原理。
由于篇幅有限，關(guān)于 SSL 如何加密解密原理這里不贅述，可以參考前面的非對(duì)稱加密原理。當(dāng)然實(shí)際過(guò)程會(huì)更復(fù)雜一些：非對(duì)稱加密傳遞密鑰，對(duì)稱加密算法數(shù)據(jù)加密，消息摘要做完整性校驗(yàn)，并且每種加密方式還有多種算法供選擇，具體使用哪種算法哪些參數(shù)是瀏覽器端跟服務(wù)端協(xié)商決定的。這里重點(diǎn)介紹一下證書的信任問(wèn)題。
以我大點(diǎn)融網(wǎng)站為例：
點(diǎn)融網(wǎng)主站的證書是向特定的證書機(jī)構(gòu) (Certificate Authority，以下簡(jiǎn)稱 CA) 付費(fèi)申請(qǐng)的，申請(qǐng)時(shí)需要提交自己的域名以及企業(yè)信息，證書機(jī)構(gòu)審核通過(guò)給予頒發(fā)，證明我大點(diǎn)融是受信任的企業(yè)，所以瀏覽器訪問(wèn)點(diǎn)融網(wǎng)時(shí)，地址欄會(huì)顯示一個(gè)綠色小鎖標(biāo)志，如下圖所示：
點(diǎn)融網(wǎng)使用了安全度更高的增強(qiáng)型的 EV SSL 證書 (Extended Validation SSL Certificate)，不僅顯示綠色小鎖，還能顯示包含完整公司名稱的綠色條狀標(biāo)識(shí)：
證書也可以自己制作，叫做自簽名證書，不過(guò)首先也得自建一個(gè) CA。既然可以自己做，為何還要花錢求別人頒發(fā)?原因是，自建 CA 并不被其他用戶的瀏覽器所信任，其他用戶訪問(wèn)你部署自簽名證書的網(wǎng)站時(shí)，瀏覽器會(huì)紅色警告提示這不是一個(gè)合法 CA 頒發(fā)的證書。反面教材：12306.cn
為何買的證書瀏覽器就認(rèn)為合法，而自簽名的證書瀏覽器就認(rèn)為不合法呢?原因是，瀏覽器內(nèi)置了一部分合法 CA 的根證書，如果你的證書是這些 CA 之一簽發(fā)的，那瀏覽器就認(rèn)為是合法的，否則就不合法，除非把自建 CA 的根證書也安裝到瀏覽器，讓瀏覽器信任。
具體的證書信任驗(yàn)證過(guò)程如下：
證書以證書鏈的形式組織，在頒發(fā)證書的時(shí)候首先要有根 CA 機(jī)構(gòu)頒發(fā)的根證書，再由根 CA 機(jī)構(gòu)頒發(fā)一個(gè)中級(jí) CA 機(jī)構(gòu)的證書，最后由中級(jí) CA 機(jī)構(gòu)頒發(fā)具體的 SSL 證書。在驗(yàn)證證書的時(shí)候，瀏覽器會(huì)對(duì)證書路徑中的所有證書一級(jí)一級(jí)往上進(jìn)行驗(yàn)證，只有路徑中所有的證書都是受信任的，最后結(jié)果才是受信任的。如下圖所示：
三、SSL 發(fā)展趨勢(shì)
早在 2011年Google 就已經(jīng)開始啟用全站 SSL 加密，百度也在 2014年 底開始測(cè)試全站加密，SSL 的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，媽媽再也不用擔(dān)心我賬號(hào)被盜、頁(yè)面被運(yùn)營(yíng)商強(qiáng)插廣告、中間人攻擊等困擾了。
在中國(guó)，SSL 的普及之路還很遙遠(yuǎn)，個(gè)人認(rèn)為主要障礙有如下幾個(gè)：
1. 安全意識(shí)薄弱，很多網(wǎng)站負(fù)責(zé)人只關(guān)注內(nèi)容、流量，不出安全事故，意識(shí)不到信息安全的重要性;
2. 加密帶來(lái)大量額外計(jì)算資源開銷，訪問(wèn)性能會(huì)降低，手持設(shè)備會(huì)更耗電，影響用戶體驗(yàn)，因此很多網(wǎng)站默認(rèn)不加密;
3. 增加成本，SSL 證書通常需要向特定機(jī)構(gòu)申請(qǐng)購(gòu)買;
4. 額外技術(shù)成本，例如網(wǎng)站功能兼容性，瀏覽器兼容性，手機(jī) APP 兼容性等等。
隨著金融互聯(lián)網(wǎng)和電子商務(wù)的蓬勃發(fā)展，使得信息安全顯得越來(lái)越重要，加密早已成了必備技術(shù)，相信終有一天，互聯(lián)網(wǎng)會(huì)徹底拋棄 HTTP，進(jìn)入全面 HTTPS 時(shí)代。
那么，最后一個(gè)問(wèn)題，作為群眾的我如何科學(xué)地使用加密技術(shù)來(lái)保護(hù)個(gè)人信息?
在這里舉幾個(gè)我能想到的例子吧：
1. 本文主要講 SSL 加密，當(dāng)然是在訪問(wèn)任何網(wǎng)站尤其是 P2P、支付、交易等相關(guān)網(wǎng)站的時(shí)候，如果默認(rèn)沒(méi)有使用 https，可以嘗試手動(dòng)在 http 后面冒號(hào)前面加一個(gè) s 來(lái)訪問(wèn)加密的服務(wù);
2. 除了 Web 服務(wù)，還有例如郵件客戶端配置加密的 pop3、imap、smtp 協(xié)議和端口 (具體方法參考郵件服務(wù)商的幫助頁(yè)面) ;
3. 網(wǎng)站眾多，賬號(hào)眾多，記密碼很頭疼，但是千萬(wàn)不要用 txt 文件保存明文密碼，推薦使用密碼管理軟件，如蘋果系統(tǒng)的 keychain，Win 系統(tǒng)的 Keepass 等工具;
4. 千萬(wàn)千萬(wàn)千萬(wàn) (重要事情說(shuō)三遍) 盡量避免連接公共場(chǎng)合的開放的 WiFi (尤其是不加密的);如果非連不可，請(qǐng)不要訪問(wèn)跟錢相關(guān)的網(wǎng)站; 如果非要訪問(wèn)，請(qǐng)記得使用加密方式訪問(wèn)。WiFi 無(wú)線信號(hào)是空間內(nèi)廣播的，只要筆記本電腦裝個(gè)軟件即可監(jiān)聽(tīng)所有連到該熱點(diǎn)的設(shè)備之間的通信。
