PPL:密碼密鑰傻傻分不清？認識密碼學中的最高機密_people幣價格

作者：嚴強

來源：微眾銀行區塊鏈

密碼學為何稱之為密碼學？密碼和密鑰究竟有何區別？隱私保護方案中，密鑰的角色是否可以被替代？密鑰在使用過程中存在哪些風險？

這里，我們將以密碼學中的密碼為起點，展開一系列對密碼學算法核心組件的技術剖析。密碼和密鑰在密碼學算法中有著至關重要的地位，了解密碼和密鑰的作用，有助于理解基于密碼學的隱私保護方案是否具備有效性。密碼和密鑰對于用戶而言，則是最終達成隱私數據『始于人、利于人、忠于人』隱私保護效果的無上法器。密碼學的英文為Cryptography，源自希臘語“κρυπτ??秘密”和“γρ?φειν書寫”。最初，其研究主要集中在『如何在攻擊者存在的環境中隱秘地傳輸信息』，是一個關于信息編碼的學科，由于其最重要研究目標之一是保密，實現敏感信息的秘密編碼，所以被稱之為密碼學。

密碼學中的密碼，和我們日常生活中登錄各類信息化系統所使用的密碼是兩個不同的概念。前者包含了信息加密編碼、密文解密解碼、數據完整性驗證等一系列信息變換過程。而后者更多地是指代密碼學信息變換過程中所使用的便于用戶記憶的一類密鑰，為了以示區別，在下文中稱之為用戶口令。

CoinMarketCap的310萬郵件地址或已泄漏 但未包含密碼:10月23日消息，根據Have I Being Pwned網站的說法，上周310萬CoinMarketCap用戶的電子郵件地址被泄露。Have I Being Pwned表示，CoinMarketCap的數據庫于2021年10月12日遭到破壞。在安全漏洞中，3,117,548 個電子郵件地址（不包括密碼）被盜。CoinMarketCap承認這組用戶電子郵件帳戶列表是其客戶的數據。但是，數據泄露的方式仍然未知。（Cryptobriefing）[2021/10/23 20:51:03]

在密碼學中，密鑰的作用與現實生活中的鑰匙很相似，只有掌握密鑰的用戶，才能解密對應的隱私數據，或進行數字簽名等相關敏感操作。

為什么密鑰能夠有這么神奇的作用，一切要從柯克霍夫原則談起。

柯克霍夫原則

密碼學博士高承實：量子計算機大規模應用將對非對稱密碼算法和哈希函數帶來致命性的影響:密碼學博士，計算機應用專業副教授高承實發表《量子計算機的應用會顛覆掉比特幣系統嗎？》專欄文章，文章表示，量子計算機從發展狀況來看，還處于極其早期階段，離真正實用還有相當遠的距離。如果量子計算機真正能夠大規模應用，將對密碼算法當中的非對稱密碼算法和哈希函數帶來致命性的影響。現在基于數學難解問題而生成的非對稱密碼算法RSA和ECC安全性將不復存在，哈希函數的抗碰撞性也將受到極大挑戰，除非盡可能增加哈希函數的輸出長度。目前的非對稱密碼，主要是ECDSA和哈希函數SHA256，是比特幣系統最核心的底層技術，確保了比特幣分配和支付的安全，在比特幣系統的多個環節得到了應用，包括生成錢包地址、對交易進行簽名和驗證、計算區塊內所有交易的默克爾數生成區塊以保證塊內數據難以被篡改、激勵礦工開展挖礦競賽以維護系統的自運行……如果ECDSA和SHA256兩種算法的安全性不復存在，那么整個比特幣系統的安全性也將不復存在。

當然我們也沒有必要那么悲觀。第一，量子計算機的真正使用還有相當遠的距離；第二，隨著量子計算以及量子計算機的發展，抗量子計算的密碼算法也會同步得到發展，比如格密碼。

真的到了那個時候，或者比特幣系統中的密碼模塊會替換為抗量子計算的密碼模塊，或者比特幣已經完成它的歷史使命，從這個世界上消亡。（財新）[2020/12/24 16:21:46]

柯克霍夫原則是現代密碼學算法設計基本原則之一，最早由荷蘭密碼學家AugusteKerckhoffs在1883的論文LaCryptographieMilitaire中提出。

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]

其核心思想是『密碼學算法的安全性，不應該建立在算法設計保密的基礎上』。即便算法設計是公開的，只要實際使用的密鑰沒有被攻擊者獲知，密碼學算法產生的密文信息就不應該被輕易破解。

國家標準工作組教授何程：密碼數字身份鏈及其在線教育的應用探討:金色財經報道，數字島與清華大學技術創新發展中心聯合主辦的“2020高校區塊鏈技術創新云論壇”6月20日成功舉辦。論壇由數字島發起人兼CEO劉靖主持，匯集“百校百人百媒”，探討高校區塊鏈技術創新與人才培養。

國家標準《教育卡應用規范》工作組教授何程發表名為《密碼數字身份鏈及其在線教育的應用探討》的主題演講。何教授表示，目前“第三方在線學習與在線管理平臺”需要解決一系列問題，而可信教育身份鏈能有效解決當前“在線教育、在線管理”所關注的主要問題，并與大家分享了試點的應用案例。[2020/6/20]

被譽為“信息論之父”的美國數學家、電子工程師、密碼學家ClaudeElwoodShannon后來將這一原則進一步擴展，應用到任意信息安全相關的系統，由此也奠定了密鑰在現代密碼學中的核心地位。

密鑰具體如何使用呢？這里有必要回顧

第3論中提到的，密碼學算法設計所基于的計算不對稱性，以及與之相關的一個重要概念——單向陷門函數。

一個單向陷門函數可以抽象為y=f(x,key)，其中，x為敏感的隱私數據輸入，y為經過算法保護的不敏感輸出，key就是密鑰。實際情形下，根據具體密碼學算法設計和實現上的差異，密鑰key可以有不同的表現形式，也可以表現為多個秘密參數。

現場 | 于佳寧：密碼經濟時代法定數字貨幣帶來四大變革:11月10日下午，2019密碼經濟研討會在重慶市南岸區華商國際會議中心正式開幕。火幣大學創始人于佳寧發表了《密碼經濟時代的風口：智能商業變革》為主題的演講，于佳寧表示密碼經濟時代法定數字貨幣將帶來低成本高效率、較為穩定與安全、支付記錄可控匿名、交易數字化與智能化四大變革。于佳寧認為區塊鏈很大程度上是密碼經濟的一個分支，在密碼經濟的應用下，萬物的交易將帶來經濟效益的急劇飛躍和生產力的極大提升。[2019/11/10]

如果以上函數是一個密碼學安全的單向陷門函數，在不知道密鑰key的前提下，很難從輸出y通過逆函數反推出輸入x，由此避免了隱私數據的泄露。

由此可見，密鑰就是密碼學信息變換過程中的最高機密。誰掌握了密鑰，誰就掌握了隱私數據的訪問權。

人類可用的密鑰

一般而言，再精密的隱私保護方案，最終都需要服務于人類用戶。由于密碼學隱私保護方案的安全性很大程度上取決于密鑰的長度和復雜性，這也為人類用戶在使用密鑰時帶來了不小挑戰。

目前業界主流推薦的密碼學安全強度是256位，即密鑰的信息熵至少等價為256比特的隨機數。如果我們用常見的字母數字來設定用戶所用的密鑰，該密鑰的長度至少為256/log2(26*2+10)~=43個隨機字符。考慮到用戶通常為了便于記憶而拼接字典中的單詞來構成密鑰，此時為了滿足密鑰信息熵的隨機性要求，實際可能需要使用長度更長的密鑰。

相比之下，現有系統對用戶口令的長度一般要求在6~20字符之間，對于部分應用4~6位數字用戶口令也不少見。所以，這些用戶口令的隨機性和長度都不足以達到256位安全強度。

如果一個隱私保護方案所使用的密鑰只源自用戶口令，是無法滿足隱私數據的安全性要求的。

然而，普通人類并不具備計算機一般強大的計算和記憶能力，難以記憶和處理過長的密鑰。此時，需要借助技術手段來提高人類可用密鑰的信息熵，常見的解決方案有以下三類：

三類解決方案中，平臺全權托管的用戶體驗最好，同時也伴隨著最大的隱私風險。混合托管和本地全權托管，在用戶體驗上差異不大，混合托管相關的隱私風險更低。

需要注意的是，這里存在一個固有的設計取舍，隱私數據的自主權與數據服務的完備性不可兼得。

平臺全權托管方案中，用戶隱私數據的實際控制權在平臺手中，由此平臺可以提供諸如用戶口令重設、數據恢復等關鍵數據服務。

然而，在其他托管方案中，用戶隱私數據的實際控制權在用戶手中，一旦用戶遺失密鑰或用戶口令，則平臺無法解密對應的數據，也無法提供口令重設等相關密鑰服務。

對于企業而言，具體方案的選擇，需要結合用戶使用習慣和行業監管要求，建議在平臺全權托管和混合托管之間做選擇。對于高敏感性隱私數據，酌情選擇混合托管，并需要配合密鑰恢復方案使用。

密鑰相關的風險

隱私數據的自主權往往是隱私保護方案強調的重點，但是為了切切實實地獲得控制權，僅僅是安全地使用單個安全密鑰，就可能會給用戶體驗方面帶來顯著負擔，而且還需要防范其他密鑰相關的泄露風險。

這些風險可以大致分為以下兩類：

內在風險

這類風險與隱私保護方案的內在設計和實現有關。由于絕大部分密碼學算法和協議不是信息論安全，也就說，同一個密鑰使用的次數越多，理論上被破解的概率越大。

對應的常見風險分析手段是，考慮對應密碼學算法和協議在選擇明文攻擊和選擇密文攻擊下，是否依舊安全。

這兩類攻擊都允許攻擊者獲得一定數量的隱私數據明文和密文對，由此分析破解所使用的密鑰。

在現實生活中，攻擊者非常有可能獲得這樣的能力，截獲明文和密文對，甚至主動注入數據，生成破解分析所需的明文和密文對，這類風險是真實存在的。

外在風險

這類風險雖然與隱私保護方案的內在設計和實現無關，但卻實實在在地對方案的實際效果產生巨大威脅。

比較典型的攻擊有社會工程學，具體指通過欺騙性手段，如釣魚網站、詐騙短信等，誘導用戶直接給出密鑰，或者通過下載安裝病木馬，間接盜取密鑰。

無論是哪一類風險，如果用戶只有一個密鑰，一旦被盜，所有的賬戶都有被盜的風險，后果不堪設想。

處理好這些風險的必要條件，就是產生并使用多個隨機密鑰，但這也為隱私保護方案的可用性帶來了更大的挑戰。

無論隱私保護方案設計安全性多高，如果由于用戶體驗差，用戶難以接受，或者以不安全的變通方式使用，其真實有效性都會大打折扣。這也是學術方案向業務方案轉化最常見的阻礙之一。

除了探索更優的方案設計，適當的用戶教育也是非常必要的推廣手段。

總體而言，同時處理好密鑰使用過程的安全性和可用性，是落實隱私保護的重要前提。

正是：隱私數據控制難自主，訪問密鑰在手任我行！

密鑰是任何基于密碼學技術方案的最高機密，如何保障其安全性，并讓作為隱私數據屬主的人類用戶方便地記憶和使用，是將隱私控制權回歸屬主的關鍵。

這個過程難免會引入數量繁多的密鑰，如何實現有效的密鑰管理，對于計算機系統和人類用戶可以使用哪些不同的技術和策略，欲知詳情，敬請關注下文分解。

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