窺視網(wǎng)絡(luò)加密系統(tǒng)

田希子

密碼在信息社會(huì)

密碼與戰(zhàn)爭有著密不可分的關(guān)系，通常戰(zhàn)爭的輸贏取決于對(duì)信息的保密情況。戰(zhàn)爭中的一方將自己所傳的信息偽裝起來，即使被敵軍截獲或竊聽，信息也不會(huì)泄露。密碼術(shù)有著和社會(huì)文明一樣悠長的歷史，并且一直有著非常重要的影響。在20世紀(jì)70年代之前，密碼術(shù)的主要用戶是政府及軍隊(duì)，而在今天的信息社會(huì)，密碼技術(shù)的服務(wù)對(duì)象也擴(kuò)展到了公司和個(gè)人。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子商務(wù)的發(fā)展，大量的個(gè)人以及企業(yè)信息的蹤跡存留在網(wǎng)絡(luò)上，為了保障這些信息的安全，密碼技術(shù)舉足輕重。

加密技術(shù)是利用物理或數(shù)學(xué)的手段，將重要的數(shù)據(jù)（信息）加以偽裝，只有特定的對(duì)象可以將數(shù)據(jù)還原，獲知真正的機(jī)密信息。需要被隱藏的信息通常稱為明文，將它偽裝起來的操作叫做加密，加了密的明文叫做密文（或密碼文）。將明文信息加密所使用的一套規(guī)則稱為加密算法。通常這種算法的操作依賴于密鑰，密鑰是與信息一起被輸入算法的。

為了使接收者能夠從密文中得到信息，需要有解密算法，當(dāng)它和適當(dāng)?shù)慕饷苊荑€一起使用時(shí)，就能從密文中還原出明文。依據(jù)加密算法的不同，加密密鑰與解密密鑰有時(shí)是相同的，有時(shí)是不同的。目前，最廣泛使用的數(shù)字加密體制或密碼系統(tǒng)基于數(shù)學(xué)“陷門”：一種易于計(jì)算的函數(shù)，但是如果沒有密鑰，這個(gè)函數(shù)幾乎不可能反向計(jì)算。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的非對(duì)稱加密系統(tǒng)

1949年，信息理論的先驅(qū)者——香農(nóng)發(fā)表了《保密系統(tǒng)的通信理論》，標(biāo)志著現(xiàn)代密碼學(xué)的誕生。在這篇論文中，香農(nóng)首次從信息論的角度討論密碼學(xué)，為對(duì)稱加密體制建立了理論基礎(chǔ)。所謂對(duì)稱加密體制，即加密和解密密鑰是相同的或容易從加密密鑰導(dǎo)出解密密鑰的密碼體制。例如在明文中加入一些干擾信號(hào)，此時(shí)的干擾信號(hào)是發(fā)送者有意加進(jìn)的，且可由發(fā)送者進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制的。在未經(jīng)發(fā)送者允許時(shí)，信息的截獲者不能將加了干擾信號(hào)的密文恢復(fù)成明文，因?yàn)榈谌浇孬@者不知道將哪些干擾信號(hào)去除。加入的干擾信號(hào)就是密鑰，此時(shí)的加密和解密密鑰是相同的，密鑰不能簡單地在不安全的通信通道中傳送。對(duì)于這樣的密碼系統(tǒng)，我們稱它為常規(guī)的或?qū)ΨQ的密碼系統(tǒng)。

但密鑰不能通過網(wǎng)絡(luò)傳送帶來了對(duì)稱加密系統(tǒng)不能適用于大型網(wǎng)絡(luò)和更大的用戶群的問題，于是公開密鑰加密系統(tǒng)即非對(duì)稱加密系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。1976年，兩位計(jì)算機(jī)專家懷特菲爾德·迪菲和馬丁·海爾曼發(fā)表了《密碼學(xué)的新方向》，這篇文章引入了一種完全不同的看待密碼學(xué)的方式，同時(shí)使人們邁出了將密碼學(xué)引出秘密領(lǐng)域、推入公開領(lǐng)域的第一步。在先前所述的對(duì)稱加密系統(tǒng)中，密鑰不能夠公開。但是迪菲和海爾曼觀察到世界上存在一種天然的不對(duì)稱：某些很容易完成但是反過來卻不容易完成的行為。比如打碎花瓶很容易，但是想要將碎片再還原花瓶卻十分困難。非對(duì)稱加密系統(tǒng)的關(guān)鍵在于加密很容易，但除了指定接收者以外，其他人解密都很困難。在非對(duì)稱加密系統(tǒng)中，加密密鑰稱為公鑰，任何人都可以知道公鑰，解密密鑰稱為私鑰，只有接收者能知道私鑰。

以RSA密碼系統(tǒng)為例，我們依靠它來保護(hù)大量數(shù)據(jù)，從信用卡詳細(xì)信息到國家機(jī)密，它基于一個(gè)被稱為因子分解的陷門（加密算法）。這個(gè)算法涉及到兩個(gè)素?cái)?shù)（素?cái)?shù)保密）和這兩個(gè)素?cái)?shù)的乘積（乘積是公開的）。任何人都可以使用公開的大數(shù)（即乘積）來發(fā)出秘密消息，但是只有知道那兩個(gè)素?cái)?shù)的人才能閱讀消息。如果不知道兩個(gè)素?cái)?shù)，打破此加密的唯一方法是選擇一對(duì)數(shù)字，將它們相乘，看看結(jié)果是否與目標(biāo)匹配。如果沒有，選擇另一對(duì)并再試一次，再一次，再一次……由于計(jì)算量非常大，這個(gè)試數(shù)的過程非常費(fèi)力，這保證了RSA系統(tǒng)的安全性。

另一個(gè)目前正在使用的陷門體制——橢圓曲線代碼會(huì)稍稍有些抽象。你將從一個(gè)方程等式開始，該等式在圖表上繪制時(shí)將創(chuàng)建特定類型的曲線。一系列簡單的操作描述了曲線上點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡，該方法的加密能力來源于此。如果你只知道起點(diǎn)和終點(diǎn)，你將很難搞清楚兩點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡。

量子時(shí)代如何拯救密碼？

量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。經(jīng)典計(jì)算機(jī)中一比特只能處于1或0的兩種二進(jìn)制狀態(tài)之一，且經(jīng)典計(jì)算機(jī)的時(shí)序邏輯是線性不可逆的。而基于量子力學(xué)規(guī)律的量子計(jì)算機(jī)基本存儲(chǔ)單位是量子比特，量子比特可以利用量子的疊加特性，同時(shí)擁有1和0兩種狀態(tài)，并且量子邏輯門是可逆的，可以知道之前的邏輯狀態(tài)。在量子比特具有相干性的前提下，每增加一比特（或量子比特），經(jīng)典計(jì)算機(jī)只增加一個(gè)狀態(tài)，而量子計(jì)算機(jī)增加一倍的狀態(tài)，這使得計(jì)算機(jī)的計(jì)算處理能力得到了極大的提高。

因子分解和橢圓曲線是目前最為常用的加密算法，而且也一直表現(xiàn)得不錯(cuò)。但是當(dāng)我們構(gòu)建出基于量子物理學(xué)定律的計(jì)算機(jī)時(shí)，計(jì)算機(jī)的處理能力會(huì)出現(xiàn)指數(shù)型的飛躍，問題就會(huì)出現(xiàn)。雖然第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)還沒有正式啟動(dòng)和運(yùn)行，但近年來的進(jìn)展為我們敲響了警鐘，我們不能只滿足于現(xiàn)在的加密算法了。麻省理工學(xué)院數(shù)學(xué)家彼得·紹爾創(chuàng)造了一種以他的名字命名的新算法，該算法可以使量子計(jì)算機(jī)發(fā)揮它在解決因子分解問題上的能力，從而破解傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)加密算法。

沒有人知道我們還要多久才能看到計(jì)算機(jī)有足夠的量子比特來使用紹爾算法。加拿大滑鐵盧量子計(jì)算研究所的米歇爾·莫斯卡估計(jì)了這種可能性，他認(rèn)為到2027年有1/6的概率，量子計(jì)算機(jī)將有能力破壞RSA和橢圓曲線密碼系統(tǒng)，并且到2031年將有1/2的機(jī)會(huì)發(fā)生這種情況。這些都促使我們“必須立即采取行動(dòng)”！

但是我們?cè)撛趺醋瞿?？在還沒有一臺(tái)功能完整的量子計(jì)算來測試算法的時(shí)候，我們?cè)趺丛O(shè)計(jì)出可以抵抗量子計(jì)算機(jī)的加密系統(tǒng)？我們已經(jīng)對(duì)量子計(jì)算機(jī)的功能有了一個(gè)很好的了解，因此解決方案很簡單：建立一個(gè)非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，來保證量子計(jì)算機(jī)甚至一臺(tái)頂級(jí)量子計(jì)算機(jī)都無法破解它。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的后量子密碼小組舉辦了一次新加密算法競賽，參與競賽的團(tuán)隊(duì)在向后量子加密小組提交了自己的設(shè)計(jì)后，便想方設(shè)法地破解其他團(tuán)隊(duì)的密碼，以證明自己的設(shè)計(jì)是最安全的。如果我們找到一種能夠避開所有攻擊的算法，那么它將成為21世紀(jì)最完美的“科技鎖”。但對(duì)于所有的參與競賽的人來說，他們心中都有著這樣的質(zhì)疑：自己的算法是否真的有可能超越量子計(jì)算機(jī)？