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。

密碼學家David Chaum推出保護隱私的CBDC技術:金色財經報道，加密貨幣教父、密碼學家David Chaum推出保護隱私的央行數字貨幣（CBDC）技術，正在與瑞士國家銀行(SNB)合作開發Tourbillon，該項目專為注重隱私的央行貨幣而設計，將在國際清算銀行(BIS)創新中心的主持下開發。

BIS公告稱，Tourbillon旨在通過將盲簽名和混合網絡等技術與密碼學和CBDC設計的最新研究相結合，通過試驗抗量子密碼學來實現網絡彈性、使用與分布式賬本技術兼容但不基于分布式賬本技術的架構來實現可擴展性、為付款發送方但不為接收方提供隱私。[2022/11/10 12:44:30]

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。

動態 | 央視《東方時空》欄目普及密碼學和區塊鏈知識:在10月27日晚20：32分央視13套播出的《東方時空》欄目中，欄目以技術案例大幅講解了區塊鏈和密碼學的基礎知識。欄目介紹了目前區塊鏈的應用范圍，如：金融服務，供應鏈管理，公共服務，智能制造，教育就業，文化娛樂等領域。欄目還強調了區塊鏈解決了證明你媽是你媽的難題。并且解決了數字身份，版權保護，嚴把質量關，更便捷交易，旅行消費，衛生保健等領域的難題。對此，國家金融與發展實驗室特聘研究員董希淼還在欄目中表示，區塊鏈技術已開始逐步應用。有些應用已經逐步走向成熟，例如在醫療方面的應用，醫療數據應用區塊鏈，實現病歷共享。[2019/10/28]

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）。

聲音 | 楊慶峰：現代密碼學結合區塊鏈技術可基本消除技術層面的安全問題:據澎湃新聞消息，上海大學哲學系教授楊慶峰發文指出，如果說長三角一體化建設過程中數據共享會成為一個問題，數據共享會影響到未來長三角一體化公共服務的落實，那么這個問題就必須嚴肅對待。同時，其表示現代密碼學的方法已完全可以解決這一問題，再加上區塊鏈技術的未來運用的可能性極大，這基本上消除技術層面出現的安全問題。需要擔憂的是倫理方面的問題，諸如隱私保護、被遺忘權等方面的問題。[2019/3/14]

英文字母頻率

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：

聲音 | “公鑰密碼學之父”Diffie：區塊鏈是降低和改變網絡不安全性的一個主要方向:11月11日，2015年圖靈獎得主、有“公鑰密碼學之父”之稱的Whitfield Diffie在上海舉行的區塊鏈底層技術學術交流會上發表主題演講。Diffie認為，互聯網有三個主要性質：開放性、去中心化與支持社會變革，但它不可避免地存在一定不安全性，區塊鏈則是降低和改變網絡不安全性的一個主要方向。他稱，網絡安全涉及以下重要元素：一是安全計算，二是密碼學，三是從發現惡意軟件開始，防范它甚至回擊它。Diffie最后提出對網絡安全的幾點意見：開發抗量子的公鑰加密系統；重新審視未被解決的經典計算機安全問題，并用人工智能和其他新技術來解決；開發更多大規模的可信賴軟件系統。[2018/11/11]

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。

人物 | Ripple首席密碼學家轉任首席技術官:據Ripple官方消息，Ripple前首席密碼學家David Schwartz現轉任該公司首席技術官（CTO）。[2018/7/12]

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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