從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，密碼學(xué)讓我們的信息更安全

作者：中興文檔 2023-05-07 08:00:32

近年來(lái)，信息泄漏、網(wǎng)絡(luò)攻擊等安全事件層出不窮。互聯(lián)網(wǎng)通信的安全性變得越來(lái)越重要。密碼作為維護(hù)信息安全的重要方法之一，成為網(wǎng)絡(luò)通信中不可或缺的部分。然而，你是否知道，密碼的歷史，可以追溯到公元前5世紀(jì)。今天，讓我們來(lái)揭開(kāi)它那神秘又迷人的面紗。

相信各位粉絲們和文檔君一樣，都或多或少地看過(guò)這些新聞：

某銀行大量的個(gè)人信息被售賣

某電信運(yùn)營(yíng)商因網(wǎng)絡(luò)攻擊導(dǎo)致服務(wù)中斷

國(guó)際航港巨頭遭勒索病毒攻擊

......

密碼學(xué)的發(fā)展大致可分為三個(gè)階段：古典密碼階段、近代密碼學(xué)階段、現(xiàn)代密碼學(xué)階段。密碼學(xué)從一門藝術(shù)變成一門科學(xué)，中間經(jīng)歷了許多變化。

01、古典密碼學(xué)

9世紀(jì)末以前的漫長(zhǎng)時(shí)期，密碼開(kāi)始起源并逐漸發(fā)展。在這個(gè)階段，密碼學(xué)被作為一種藝術(shù)流傳。人們通過(guò)手工方式，利用紙、筆或者簡(jiǎn)單器械，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的代換和置換。

不知道大家是否曾經(jīng)有過(guò)給心愛(ài)的她/他寫(xiě)藏頭詩(shī)的經(jīng)歷？其實(shí)，在那個(gè)懵懂的時(shí)光里，我們不經(jīng)意間就已經(jīng)完成了一次對(duì)信息的“加密”操作。在古代，國(guó)內(nèi)廣泛流傳的藏頭詩(shī)、“”隱寫(xiě)術(shù)”，以及國(guó)外轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)盤(pán)正確位置就能打開(kāi)的“達(dá)芬奇密碼筒”，都是通過(guò)消息本身隱藏或者具體內(nèi)容的隱藏來(lái)達(dá)到加密的效果。后來(lái)，隨著認(rèn)識(shí)和思想不斷提高，聰明的人們開(kāi)始通過(guò)變換的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的“加密”操作。

典型密碼：凱撒密碼、維吉尼亞密碼

凱撒密碼

愷撒密碼是一種最簡(jiǎn)單且最為人知的加密技術(shù)。消息上的所有字母，都是通過(guò)在如下的單個(gè)字母表上向后（或者向前）按照一固定數(shù)目進(jìn)行偏移（即偏移量n）后，實(shí)現(xiàn)“加密”。同樣，利用偏移量這個(gè)解密密鑰，我們就可以對(duì)密文解密。

維吉尼亞密碼

維吉尼亞密碼是使用一系列愷撒密碼組成密碼字母表的加密算法，即在同一消息使用多個(gè)字母表的形式進(jìn)行加密。其中每一位消息對(duì)應(yīng)列序號(hào)，填充后的密鑰作為行序號(hào)，在表中定位行列的交叉處即加密后的字符，從而增加密碼的破解難度。

02近代密碼學(xué)

20世紀(jì)初期到20世紀(jì)40年代末大約50年代間

密碼學(xué)的第一次飛躍：香農(nóng)發(fā)表“Communication Theory of Secrecy System”（保密系統(tǒng)的通信理論），文章建立了信息論的基礎(chǔ)（通信專業(yè)的人對(duì)他再熟悉不過(guò)了），同時(shí)提出密碼的混淆和擴(kuò)散兩個(gè)設(shè)計(jì)原則，密碼學(xué)開(kāi)始邁入科學(xué)的軌道。在之后階段，人們通過(guò)手工或電動(dòng)機(jī)械實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的代換及置換。

相信大家看過(guò)不少諜戰(zhàn)片，很多經(jīng)典的諜戰(zhàn)片里也會(huì)涉及到密碼思想。在那個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)年代，密碼學(xué)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它甚至可以決定戰(zhàn)爭(zhēng)的最后勝負(fù)。其中，最典型的當(dāng)屬二戰(zhàn)時(shí)期，英國(guó)破譯德國(guó)的Enigma加密機(jī)。因?yàn)镋nigma加密機(jī)充分利用了混淆和擴(kuò)散的設(shè)計(jì)原則，并且使用的密鑰每天都會(huì)更新，所以僅依靠當(dāng)時(shí)的人力難以破解Enigma加密機(jī)。最后，艾倫·圖靈（膜拜~）參與了這項(xiàng)破譯工作——通過(guò)研究Enigma機(jī)的構(gòu)造，成功造出Enigma機(jī)進(jìn)行逆變換的機(jī)器來(lái)破譯Enigma加密機(jī)，這也為最終戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利提供關(guān)鍵作用。

典型密碼：Vernam密碼、輪轉(zhuǎn)密碼

Vernam密碼

Vernam密碼也稱為一次一密。即它使用的密鑰只能使用一次。而且，它的長(zhǎng)度至少和加密的消息長(zhǎng)度相同。它的產(chǎn)生也是隨機(jī)的，加密和解密都使用了類似的模運(yùn)算。

輪轉(zhuǎn)密碼

隨著機(jī)械和機(jī)電技術(shù)的不斷成熟，結(jié)合電報(bào)和無(wú)線電需求的出現(xiàn)，出現(xiàn)了專用于加密的密碼設(shè)備——輪轉(zhuǎn)機(jī)。顧名思義，它就是由一個(gè)鍵盤(pán)和一系列的轉(zhuǎn)輪組成。每個(gè)轉(zhuǎn)輪都是26個(gè)英文字母的任意組合。當(dāng)每個(gè)轉(zhuǎn)輪和移動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)完成時(shí)，原來(lái)的字母全部替換成加密后的字母。Enigma加密機(jī)就是輪轉(zhuǎn)密碼的代表，輸入的字母通過(guò)轉(zhuǎn)輪和移動(dòng)齒輪后形成新的電路回路，對(duì)應(yīng)加密后的字母所在燈泡點(diǎn)亮。

03、現(xiàn)代密碼學(xué)

20世紀(jì)50年代以來(lái)的時(shí)期

在這個(gè)階段，隨著無(wú)線通信、有線通信等通信手段的迅速發(fā)展，結(jié)合堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，密碼學(xué)開(kāi)始成為一門科學(xué)。

密碼學(xué)的第二次飛躍：Diffie和Hellman兩人發(fā)表了“New Directions of Cryptography”（密碼學(xué)新方向），開(kāi)創(chuàng)了公鑰密碼學(xué)的新紀(jì)元。在此之前，密碼使用的加密密鑰和解密密鑰是相同的，即對(duì)稱加密。公鑰密碼意味著密碼使用的加密密鑰和解密密鑰是完全不同的，即不對(duì)稱加密。

典型密碼：DES、AES、RSA、ECC

DES

DES（數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)）是1972年美國(guó)IBM公司研制的對(duì)稱密碼體制加密算法，1977年被美國(guó)聯(lián)邦政府的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局確定為聯(lián)邦資料處理標(biāo)準(zhǔn)（FIPS），并授權(quán)在非密級(jí)政府通信中進(jìn)行使用。其使用的密鑰長(zhǎng)度為56比特，可生成16個(gè)子密鑰。DES按照64位對(duì)消息分組后，與子密鑰進(jìn)行迭代運(yùn)算，生成密文。然而隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，DES密鑰過(guò)短問(wèn)題成為了安全隱患，美國(guó)政府需要尋找其替代方案。

AES

AES（高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)），又稱Rijndael加密算法，是美國(guó)聯(lián)邦政府采用的一種替代DES的區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)。2006年，AES已成為對(duì)稱密鑰加密中最流行的算法之一。其使用的密鑰長(zhǎng)度有128比特、192比特和256比特。目前，它在網(wǎng)絡(luò)信息、電子商務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和硬件等相關(guān)領(lǐng)域仍發(fā)揮作用。

RSA

1977年，美國(guó)的Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman首次提出較完善的公鑰密碼體制——RSA（由三人姓氏開(kāi)頭字母組成）。該算法是基于大素?cái)?shù)因子分解的數(shù)學(xué)困難問(wèn)題上的算法。它是目前應(yīng)用最廣泛的公鑰密鑰加密方案之一，其主流使用的密鑰長(zhǎng)度一般在1024比特以上。

ECC

ECC（橢圓曲線算法）最初在1985年由Koblitz和Miller兩人提出。該算法是基于橢圓離散對(duì)數(shù)的數(shù)學(xué)困難問(wèn)題上的算法。它利用編碼將消息轉(zhuǎn)換成橢圓曲線（函數(shù)形式：y^2=x^3+ax+b）上的一個(gè)點(diǎn)m，所有的運(yùn)算都在橢圓曲線上實(shí)現(xiàn)。它的優(yōu)勢(shì)在于在某種情況下可以比其它加密算法使用更短的密鑰，提供相當(dāng)或者更高級(jí)別的安全。缺點(diǎn)是加解密花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。其主流使用的密鑰長(zhǎng)度一般在160比特以上。

04、展望未來(lái)

目前，我國(guó)國(guó)家密碼局認(rèn)定的國(guó)產(chǎn)密碼算法，包括SM1、SM2、SM3和SM4。其中，SM1為對(duì)稱加密，算法不公開(kāi)，通過(guò)加密芯片的接口調(diào)用。SM2為公鑰加密，基于ECC實(shí)現(xiàn)。SM3用于消息長(zhǎng)度壓縮。SM4為對(duì)稱加密，屬于無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的分組數(shù)據(jù)算法。

展望未來(lái)，隨著人工智能、區(qū)塊鏈、量子通信等新興技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)于密碼的安全性和應(yīng)用性提出了更高的要求。密碼學(xué)的研究也將進(jìn)入了新的階段，密碼學(xué)也將以更嶄新的姿態(tài)向人們走來(lái)。以人工智能、區(qū)塊鏈為應(yīng)用場(chǎng)景、具備抗量子攻擊的各式各樣的密碼，正等著人們一步步地鉆研和發(fā)現(xiàn)......