BSP:密碼學：三個時代的對決交鋒

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。

谷歌前CEO曾稱贊比特幣是一項卓越的密碼學成就:金色財經報道，在最近被發現的一段舊視頻中，谷歌前CEO Eric Schmidt稱贊比特幣是一項卓越的密碼學成就。據悉，Schmidt是2014年在計算機歷史博物館中發表的這一看法。

他認為，比特幣的技術很重要，但對該資產作為貨幣的用途表示懷疑。他表示，比特幣的技術可以在未來為更多企業提供動力。（Finbold）[2022/8/7 12:07:20]

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。

密碼學家Matthew Green：端到端加密面臨著越來越大的阻力:約翰·霍普金斯大學密碼學家、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Facebook在其所有消息平臺上實施E2E的計劃，致使對端到端加密（E2E）的反擊受到了很大推動。（The Daily Hodl）[2020/6/6]

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。

林煌博士：輕模式的隱私應用是密碼學技術在隱私保護實踐中很重要的一步:在今日的《金色深核》線上直播中，針對“假設我們要解決多公司之間數據需要保密且共同使用的問題，三個技術路線如何去做？去年Maskbook火了一下，各位如何看待這種“輕模式”的隱私應用？”Suterusu林煌博士表示關于多個公司之間進行保密數據的安全計算，這個需要結合零知識證明和安全多方計算才能解決。如果我們考慮一種簡單的情況，只有兩方進行安全計算，一方可以將自己的數據用門限同態加密方案的公鑰加密后傳輸給另一方，另一方依據加密自己的數據生成密文，然后在兩個密文上做預定的同態運算，最后雙方合作把完成同態操作的密文解密。零知識證明可用于保證這個過程的計算可靠性（computational integrity），比如如何保證生成的加密密文確實是按照正確加密步驟生成的密文且加秘方知道原始明文呢？我們可以使用零知識證明算法針對加密電路生成能夠驗證明文和密文之間符合加密電路邏輯的證明。輕模式的隱私應用毫無疑問是密碼學技術在隱私保護實踐中很重要的一步，但這個領域還有很多可以做的事情。[2020/3/11]

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）。

聲音 | 密碼學博士高承實：央行數字貨幣發行內容的明確和待明確:8月12日，密碼學博士高承實博客發文《央行數字貨幣發行內容的明確和待明確》，文中指出央行數字貨幣發行已經明確的內容包括：1.央行數字貨幣發行采用雙層運營體系；2. 堅持中心化的管理模式 ； 3. 重點是M0替代，而不是M1/M2替代；4. 采用100%準備金制 5. 不采用純區塊鏈架構。央行數字貨幣發行待明確的內容包括：1. 雙層體系如何運營？ 2. 實行哪種中心化管理？3. 如何做到賬戶松耦合？

此外，他還指出央行數字貨幣體系注重M0替代，在管理機制和技術實現上面臨著如何實現央行數字貨幣與原電子貨幣系統的整合問題。而且如何做到二者有機協調、互相借鑒、取長補短，并最終形成完整統一的央行數字貨幣體系，也是需要關注的問題。[2019/8/13]

英文字母頻率

參考如下加密文本:

現場 | 元道：通證是凝結在密碼學基礎設施上的人類共識符號:金色財經現場報道，在中國區塊鏈行業發展論壇現場，中關村區塊鏈產業聯盟理事長、通證派創始人元道表示，行業數字化通證第一、區塊鏈第二。通證是凝結在密碼學基礎設施上的人類共識符號，全球發行，全球流通。通證應用在于：第一、協作，行業上下游的強協作激勵機制（包括負激勵）；第二、品牌，通證全球流通，便于建立全球品牌；第三、組織，新一代行業協會，社群自治組織。自金融，自帶金融的數字化變革，從自媒體到自金融。[2018/7/11]

PZ AOL TVZA MYLXBLUA SLAALY PU AOPZ ZLUALUJL

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。

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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