NBS:密碼學：三個時代的對決交鋒_PPL

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。

瑞士密碼學家Christian Cachin：Ripple網絡中沒有共識:瑞士密碼學家、伯爾尼大學計算機科學家Christian Cachin在其博客文章“Ripple網絡中沒有共識”中表示，對Ripple協議的技術分析表明，在陳述的假設下，其既不能確保安全，也不能確保其活動性。文章稱，借助其模型可證明，即使在極端溫和的對抗條件下，Ripple的協議也無法達成共識，并且可能妨礙安全性和活力。尤其是，網絡可以在Ripple聲明的UNL重疊的標準條件下，且在只有極小部分的惡意節點的情況下分叉。在網絡忽略或延遲正確節點之間的消息的時間段內，惡意節點可能只是向正確的節點發送沖突消息。其還演示了即使所有節點都具有相同的UNL并且只有一個拜占庭節點，Ripple的共識協議也可能會失去活力。如果發生這種情況，則必須手動重新啟動系統。文章得出結論稱，Ripple網絡的共識協議很脆弱，無法確保計算機科學和區塊鏈從業人員普遍理解的共識。[2020/12/3 22:55:52]

火幣研究院“區塊鏈百家講壇”：區塊鏈給密碼學帶來全新應用場景:5月12日，火幣研究院推出“區塊鏈百家講壇”第七季課程，哈爾濱工業大學區塊鏈研究中心研究員唐斌以《區塊鏈與密碼學的故事》為主題，指出密碼學是構成區塊鏈的重要基石，并闡述了區塊鏈技術運用到的密碼學原理以及區塊鏈的應用場景。

唐斌指出，區塊鏈采取了密碼學中對稱秘鑰、非對稱秘鑰、哈希算法三大重要算法，可以說是密碼學支撐了區塊鏈的去中心化、開放性、自治性、不可篡改性、匿名性五大特性。區塊鏈技術的出現，不僅帶來了一種全新的組織信息方式，還給密碼學帶來了全新的應用場景。[2020/5/12]

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。

V神發推預測21世紀20年代密碼學大趨勢:金色財經報道，V神今日在推特上表示：2010年代密碼學的大趨勢是橢圓曲線、配對和通用ZKPs/SNARK；預測21世紀20年代的大趨勢將是（除了廣泛采用上述技術外）格（lattices）、LWE、多線性映射、同態加密、MPC和模糊處理。[2020/4/11]

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。

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

聲音 | 密碼學家 Nick Szabo：比特幣有能力取代黃金 央行會求助于加密儲備:據 oracletimes消息， Nick Szabo是一位著名的密碼學家，他相信比特幣有能力取代黃金。換句話說，央行也許有一天會求助于加密儲備，作為補充國家黃金儲備的一種方式。據行業專家稱，經濟有問題的國家使用加密也會增加。[2019/1/11]

參考如下加密文本:

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。

美國國家標準和技術研究所的研究人員宣布 密碼學中隨機數的方面出現突破:美國國家標準和技術研究所的研究人員最近宣布，在密碼學最重要的一個“隨機數的產生”方面取得了突破。這種實驗性的新技術可能會對網絡安全產生巨大影響。在以電子方式運行現代世界的“1”和“0”的數字面紗后面，隨機數字每天都要在加密過程中進行數千億次的排序，這些過程通過不斷擴大的互聯網為全球提供數據。[2018/4/19]

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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