密码学的发展历程

作者: 吉星

来源: 科学电台SciFM中科院物理所

发布日期: 2017-09-07 10:03:00

本文详细介绍了密码学的发展历程,从古典密码学到现代公钥密码学,以及WannaCry勒索病毒的加密技术。文章强调了密码学在信息安全中的重要性,并提出了对未来密码学发展的展望。

2017年5月,WannaCry勒索病毒在全球爆发,中国大陆部分高校学生反映电脑被病毒攻击,文档被恶意加密。勒索病毒肆虐,俨然是一场全球性互联网灾难,给广大电脑用户造成了巨大损失。最新统计数据显示,100多个国家和地区超过10万台电脑遭到了勒索病毒攻击、感染。WannaCry是一种“蠕虫式”的勒索病毒软件,它使用AES-128和RSA加密算法恶意加密用户软件以勒索比特币。

AES-128和RSA算法本来是非常优秀的对称加密算法,用于加密通信信息避免被敌手获取,但在坏人手中却被用来恶意加密用户的文件,成了勒索工具。也正是因为AES-128和RSA的强大的安全性,导致至今除了像亡羊补牢一样修复系统漏洞避免感染之外没有彻底的解决办法。

要想了解AES和RSA,首先让我们一起来看看什么是加密,什么是密码学。

生活中我们经常会用到密码,打开电脑,登陆邮箱,QQ,微博等等,但其实这些密码并不是真正意义上的密码,只是口令(password)。密码学是研究保密通信的一门科学,它研究在不安全的环境中,如何把所要传输的信息在发给接收者之前进行秘密转换以防止第三者对信息的窃取。

密码学包括密码编码学和密码分析学,这两个分支形成既对立又统一的矛盾体,安全的密码机制促使更强大的分析方法的发展,而强大的分析方法又强迫更加安全的密码机制的诞生,二者在相互斗争中共同进步,所以说密码学的发展史汇聚了人类文明的聪明才智。

1949年香农发表了论文《保密系统的信息理论》,该文提出了混淆(confusion)和扩散(diffusion)两大设计原则,为对称密码学(主要研究发送者的加密密钥和接收者的解密密钥相同或容易相互导出的密码体制)建立了理论基础,从此密码学成为一门科学。

香农对称密码学主要由分组密码和流密码构成,在分组密码算法中,明文消息被分成若干个分组,加密和解密都是对这些分组进行操作,而流密码则是使用一个密钥流生成器产生一串与消息等长的密钥比特流,再与明文进行异或操作,流密码一次只加密一个比特,与分组密码相比,流密码需要更大的处理能力,所以说流密码更适用于硬件平台实现,分组密码更适用于软件平台实现。

经典的分组密码算法有DES和AES,流密码算法有Trivium和我国学者自主设计的祖冲之算法(ZUC)。

1976年,Whitfield Diffie和Martin Hellman发表了论文《密码学的新方向》,标志着公钥密码学的诞生,他们也因此获得了2015年的图灵奖。

公钥密码体制的特点是采用两个相关的密钥将加密与解密操作分开,一个密钥是公开的,称为公钥,用于加密;另一个密钥保密,为用户专有,称为私钥,用于解密。公钥密码与之前的密码学完全不同,因为公钥算法的基础不再是香农提出的代替和置换,而是基于一种特殊的数学函数——单向陷门函数。

单向陷门函数的特点是:易计算,但难求逆,即满足以下几点:1. 若k和x已知,求y = fk(x)容易计算;2. 若k和y已知,求x = fk-1(Y)容易计算;3. 若y已知但k未知,则求x = fk-1 (y)是不可行的。这里的容易计算是指能在多项式时间内解决,计算上不可行是指计算的时间复杂度是指数级的。

最经典的公钥加密算法莫过于1978年由Rivest,Shamir和Adleman用数论方法构造的RSA算法,它是迄今为止理论上最成熟最完善的公钥密码体制,并已得到广泛应用。RSA算法的安全性可以归约到大整数分解的困难性,即给定两个大素数,将它们相乘很容易,但是给出它们的乘积,再找出它们的因子就很困难。

目前为止,世界上尚未有任何可靠的攻击RSA算法的手段,只要其密钥长度足够长而且使用方法得当,用RSA加密的信息是不能被破解的。这就是为什么WannaCry病毒那么令人束手无策。

随着人类科技水平的进步,计算机的计算能力增长得越来越快,这无疑给密码分析提供了有力的工具,因此对密码机制的安全性提出了更高的要求,驱动着密码从业者不断推陈出新,保卫网络空间的安全。

同时还要提高警惕,不要让密码算法这柄利剑伤害到用户本身,避免类似于WannaCry的勒索病毒再次爆发。最后,信息安全最薄弱的环节其实是用户本身,相当对的安全事件不是由于技术的漏洞,而是人的疏忽,所以希望大家都能重视密码学,保护自身在网络空间的安全。

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