加密的最高境界:一百年無法破解的密碼
從我們的經(jīng)驗來看，某種加密方式，不論它在剛出現(xiàn)時宣稱有多么牢不可破，隨著時間的遷移，它總會暴露出弱點，從一個強大的加密方式變成一個較弱的加密方式。而如今人們在使用目前流行的加密方式時，也有這樣的憂慮，擔(dān)心某一天會有一種捷徑出現(xiàn)，使得目前所使用的看似無懈可擊的加密手段在可控的時間內(nèi)就被暴力破解。
就算目前所使用的那些還沒有被破解的加密方式，在不斷升級的CPU時鐘頻率前提下，暴力破解所需的時間也越來越短了。比如幾個月前需要耗時一年才能破解的密碼，以現(xiàn)在的計算速度來看，可能只需要七八個月就可以完成了。正因為計算速度越來越快，使得我們通過暴力手段破解密碼的時間大大縮短了。
就算是以難以通過暴力方式破解為目的構(gòu)建的更復(fù)雜更聰明的加密算法，在未來某天，也不可避免的會步那些已經(jīng)被證明不夠安全的加密算法的后塵。這就好像是冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，一方想竭力保護隱私，另一方卻竭力窺探隱私。
在加密算法的發(fā)展過程中，有很多算法都已經(jīng)被破解或被證明不夠安全，唯有一種加密算法一直存在了93年。這種算法叫做一次性密鑰(one-time pad)。在1917年, Gilbert Vernam開發(fā)了一種叫做Vernam Cipher 的加密方法，使用電傳技術(shù)，通過打有密鑰的紙帶進行數(shù)據(jù)加密和解密。結(jié)果便出現(xiàn)了當(dāng)時最強的對稱加密技術(shù)。
美國陸軍上尉Joseph Mauborgne注意到，這是真正隨機產(chǎn)生的密鑰，不會有任何重復(fù)的可能，因此Vernam cipher可以做到更強大的效果。于是，基于紙帶密鑰的方法，在一沓紙上印有隨即字母或數(shù)字，作為密鑰的加密算法出現(xiàn)了。相同的一沓紙可以給兩個人用，每個頁面上的每個字符只能用一次(每張紙上的字符或數(shù)字用完，則銷毀該密碼紙)，這種方式可以避免敵人通過枚舉法暴力破解信息。由于這種分法密鑰流數(shù)據(jù)的技術(shù)是基于可銷毀的紙張的，因此也被認為是一次性密鑰。
信息理論之父Claude Shannon曾經(jīng)通過數(shù)學(xué)方法，證明這種一次性密鑰如果使用得當(dāng)，是無法被破解的，而所謂的使用得當(dāng)，是指及時銷毀所使用的密鑰頁，即使對方拿到了密碼本的其余部分，也無法進行解密。同樣的理念也可以用于數(shù)字系統(tǒng)，但是要確保計算機具有足夠的安全措施以及全面的考慮，防止黑客入侵一次性密鑰系統(tǒng)。比如，一些昂貴的數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)會將已刪除的文件恢復(fù)，其中就有可能恢復(fù)那些一次性的密鑰文件。因此如果使用數(shù)字化的一次性密鑰系統(tǒng)，就要確保所刪除的密鑰文件是被徹底刪除，無法恢復(fù)的。
一次性密鑰加密方式有時候非常不方便，因此現(xiàn)在很少有人在用這種加密方式。而正是由于這種不便性，我們實際需要的是一些理論上有些弱的加密方式，比如AES/Rijndael 以及Twofish 。一次密鑰的不方便性在于：
由于一次性密鑰是一種對稱加密方式，進行加密通信的雙方需要擁有完全一樣的密鑰數(shù)據(jù)。而在某些環(huán)境下，這種條件是無法實現(xiàn)的，因為要想讓雙方都擁有這個密鑰，就意味著必須有一種足夠安全的方式讓雙方共享或傳遞密鑰數(shù)據(jù)，而如果有了這樣的安全環(huán)境，也就不需要再使用一次性密鑰了。而一般來說通過物理方式傳遞密鑰(比如親手交給對方)才能實現(xiàn)一次性密鑰的優(yōu)勢。
一次性密鑰必須和所加密內(nèi)如一樣長。這意味著，如果你要對一個3GB的文件進行加密，就需要有一個3GB的一次性密鑰。
相同的一次性密鑰只能在兩人間保存，如果超過兩人知曉這個密鑰，就不再安全了。比如，如果在多個人之間傳送不同的信息，并且不能讓接受者獲知其它人所接受的信息內(nèi)容，只用一個相同的密鑰是完全達不到加密效果的。相反，如果采用非對稱的加密方式，我們就只需提供一個唯一的公鑰給人們，每個人都通過自己的私鑰對數(shù)據(jù)進行加密解密，他們彼此之間是無法獲知對方所加密的信息內(nèi)容的，除非私鑰被盜取或者通過日益強大的計算機系統(tǒng)經(jīng)過暴力破解出來。這是因為當(dāng)信息被公鑰加密后，只有相關(guān)的私鑰才可以將其解密。
重復(fù)使用一次性密鑰存在潛在的安全風(fēng)險，因為它面臨著已知明文漏洞。Kerckhoffs的理論是，保證一次性密鑰系統(tǒng)安全的前提是保證密鑰安全，但是在米加密信息和明文信息共存的時候，可以倒推出這個一次性密鑰。當(dāng)然，如果每一段密鑰都僅使用一次，那么安全性仍然沒有問題，因為即使“敵人”同時獲取了秘文和明文，并破解出了密鑰，那這段密鑰也是已經(jīng)被遺棄的密鑰，對于其它信息的破譯毫無用處。而如果密鑰被重復(fù)利用，那么以獲取的明文信息就可以成為破解新加密信息的一個重要工具。這就是為什么這種加密系統(tǒng)被稱為“一次性”密鑰系統(tǒng)。
當(dāng)使用過一次性密鑰后，不能再使用這個密鑰對其它要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行加密。如果通信的雙方分別位于地球的兩端，那么這種通信方式會讓人抓狂。
另外還有其它一些因素也使得一次性密鑰系統(tǒng)在某些環(huán)境下變得毫無實用性。但是這也給了我們一個理論知識，讓我們能明白那些理論上較弱的密鑰系統(tǒng)為什么還那么重要。
一次性密鑰系統(tǒng)的工作方式很簡單。它只是簡單的對兩組數(shù)據(jù)進行運算，比如兩個字母或兩個數(shù)字，并通過運算得出新的加密數(shù)據(jù)。而這個運算是針對待加密數(shù)據(jù)中的每一位數(shù)據(jù)的。運算過程很簡單，一次一位數(shù)據(jù)。比如 XOR運算就可以用來進行這樣的加密。我們舉個最簡單的例子，使用XOR運算對二進制數(shù)列進行加密：
首先，你需要一段信息。假設(shè)我們把“short”這個詞作為信息，它確實不長。
接下來把這段信息轉(zhuǎn)換成二進制形式。我們可以使用ASCII編碼來轉(zhuǎn)換 “short”這個詞，轉(zhuǎn)換后會得到下面這一串二進制信息：
0111001101101000011011110111001001110100
接下來你需要一個和上面二進制串長度完全一致的密鑰。在這個例子中，我們可以使用下面這串二進制字符作為密鑰：
5. 0110010101101010001110010010011101100100
最后，我們將這兩組字符串進行XOR 運算，基本上就是一個簡單的減法。也就是說，信息中第一個字符是0，密鑰的第一個字符也是0，那么0 - 0 = 0。同樣，信息中第二個字符是1，密鑰的第二個字符也是1, 1 - 1 = 0。接下來都是這樣計算，計算中除了0外，還可能出現(xiàn)1 或 -1。此時對結(jié)果取絕對值，即不論1還是-1，均作為1。其運算過程和結(jié)果如下：
7. 0111001101101000011011110111001001110100
8. 0110010101101010001110010010011101100100
----------------------------------------
10. 0001011000000010010101100101010100010000
當(dāng)然，由于我們對結(jié)果的二進制串沒有進行ASCII轉(zhuǎn)換，因此很難看出它到底被加密成了什么樣子。在電腦上進行ASCII編碼很容易，手動編碼則很麻煩，而對于數(shù)字編碼，通過手動編碼還是比較容易的。
一次性密鑰系統(tǒng)的核心算法顯然是相當(dāng)簡單的。只要圍繞這個核心算法，設(shè)計加密軟件的其余部分，并找到合適的密鑰使用方法，那么這個新的加密軟件就是真正安全的。換句話說，如果要找一個絕對安全有效不可能被破解的加密方式，那么只有使用一次性密鑰系統(tǒng)了，前提是正確的使用它，即密鑰只使用一次。
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