加密野史：從山本五十六到中本聰區(qū)塊鏈
中本聰被公認(rèn)為非對稱加密年代沖刷出來的天才，而山本五十六卻被定格在對稱加密時(shí)代，一份密碼本讓它丟的不僅是四艘航母，還有自己的命。
偷襲珍珠港得手后，山本五十六決定偷襲中途島。
他派出四條先鋒航母，航母指揮官們踮起腳尖，舉起望遠(yuǎn)鏡，爭相腦補(bǔ)美軍措手不及的畫面時(shí)，美軍轟炸機(jī)突然從云里穿出，遮住了天。
日軍措手不及，幾百架戰(zhàn)機(jī)還沒來得及飛、就被悶死在甲板上。
十分鐘內(nèi)，先鋒航母全部噴火，王牌飛行員們直到被烤焦也沒想到，美國人早就截獲了他們的偷襲情報(bào)。
是誰走漏了風(fēng)聲？
一、對稱加密的軟肋
日軍通訊密碼以復(fù)雜出名，由一萬個(gè)五位數(shù)組成，而且，太平洋戰(zhàn)爭期間升級12次，看似牢不可破，卻難擋百密一疏。
這都怪美軍擊沉過一艘日本潛艇，從船艙里撈出來一份密碼本，上面記滿密語，美軍由此洞穿日軍80%的密電，并且得知：山本五十六正計(jì)劃偷襲AF，但AF究竟在哪里？
美軍翻到珍珠港被襲前夜的電報(bào)，山本五十六要求日本戰(zhàn)機(jī)從馬紹爾群島出發(fā)，注意避開AF的空中偵察。
從地圖上看，AF只能是中途島。
為證實(shí)猜想，中途島美軍用明文假報(bào)淡水設(shè)備故障，日軍截獲情報(bào)，扭頭告訴主力部隊(duì)：帶上淡水凈化器，因?yàn)锳F淡水匱乏。美軍截獲消息，確認(rèn)AF就是中途島。
最終，山本五十六的全部機(jī)密像X光片一樣，攤在羅斯福總統(tǒng)的辦公桌上，美國未戰(zhàn)先勝。
物理戰(zhàn)場的贏家，無一不是信息戰(zhàn)場的勝者。就在同時(shí)，英國破譯出德軍的密碼，加速了二戰(zhàn)的結(jié)束。
二戰(zhàn)時(shí)期的國家，真正的家當(dāng)不是飛機(jī)、不是航母，而應(yīng)該是密碼本。當(dāng)守護(hù)機(jī)密的重?fù)?dān)全壓在密碼本上時(shí)，卻沒有東西能守護(hù)密碼本本身，這是對稱加密的軟肋。
可二戰(zhàn)之后就少有密碼被破的事跡，特別是80年代美蘇冷戰(zhàn)期間，兩國都使出奶勁破譯對方密電，最后卻都竹籃打水。
為什么會(huì)這樣？這要從非對稱加密的鼻祖RSA算法說起。
二、什么是RSA算法？
1977年，Rivest、Shamir和Adleman三位教授用名字的首字母命名一種新算法：RSA，可它居然不需要密碼本，這在當(dāng)時(shí)就像吃飯不需要碗筷刀叉。
為什么會(huì)那樣清新脫俗？關(guān)鍵在于RSA把密碼本拆分成公鑰和私鑰：公鑰公開，用來加密；私鑰私藏，用來解密。
RSA的原理很簡單，但要先回憶三個(gè)初中數(shù)學(xué)小概念：質(zhì)數(shù)、互質(zhì)和取模。
質(zhì)數(shù)：只能被它本身和1整除的自然數(shù)。比如：2、3、5、7、11、13、17……即：我們沒法把一個(gè)質(zhì)數(shù)拆成兩個(gè)自然數(shù)之積。
互質(zhì)：公約數(shù)只有1的兩個(gè)正整數(shù)，比如：5和72互質(zhì)。
取模：即除法中的余數(shù)，運(yùn)算符是mod，比如7 ÷ 3 = 2余1，所以，7 mod 3 = 1。
RSA用四步設(shè)定密鑰（公鑰和私鑰）：
1、找兩個(gè)質(zhì)數(shù)P和Q，P和Q相乘得到Max，即 Max = P × Q
2、把兩個(gè)質(zhì)數(shù)分別減1，相乘得到M，即 M = (P-1) × (Q-1)
3、找一個(gè)正整數(shù)E，使E與M互質(zhì)，且 E＜M
4、找一個(gè)正整數(shù)D，使D × E 除以M余1，即(D × E) mod M = 1
E是公鑰，加密就是讓原文自乘（E-1）次，得到密文。
D是私鑰，解密就是讓密文自乘（D-1）次，得到原文。
我們挑兩個(gè)質(zhì)數(shù)：P=7, Q=13
Max = P × Q = 91
M = (P-1) × (Q-1) = 72
隨機(jī)選公鑰E=5，因?yàn)?與72互質(zhì)，且5小于72
找到私鑰D=29，因?yàn)? × 29 ÷ 72 余 1
如果，你想把字符C傳給你朋友，怎么加密才能抵抗破解？
字符C在ASCII碼中對應(yīng)的數(shù)字是67，加密原理很簡單：
把原文67自乘4次（E-1次），注意：當(dāng)自乘結(jié)果超過Max（Max = 91）時(shí)，需將結(jié)果取模后再乘。
活體演示：
原文67自乘第1次：
67 × 67 = 4489 ＞ 91
所以，4489 mod 91 = 30
把上一步的結(jié)果30拿過來，自乘第2次：
30 × 67 = 2010 ＞ 91
所以，2010 mod 91 = 8
自乘第3次：
8 × 67 = 536 ＞ 91
所以，536 mod 91 = 81
自乘第4次：
81 × 67 = 5427 ＞ 91
所以，5427 mod 91 = 58
自乘4次之后，加密結(jié)束，得到密文58。查ASCII碼表，58對應(yīng)” : “，把“ : ”發(fā)出去，即使被截獲，也不會(huì)泄露信息，因?yàn)閷Ψ經(jīng)]有私鑰，解不了密。
那么，掌握私鑰的人如何解密？
很簡單，類似于加密，解密是用密文58自乘28次（D-1次），但每次相乘結(jié)果超過Max時(shí)，需取模后再乘：
密文58自乘第1次：
58 × 58 = 3364 ＞ 91
所以，3364 mod 91 = 88
把上一步結(jié)果88拿過來，自乘第2次：
88 × 58 = 5104 ＞ 91
所以，5104 mod 91 = 8
照葫蘆畫瓢，第3次：
8 × 58 = 464 ＞ 91
所以，464 mod 91 = 9
第4次：
9 × 58 = 522 ＞ 91
所以，522 mod 91 = 67
第5次：
67 × 58 = 3886 ＞ 91
所以，3886 mod 91 = 64
第6次：
64 × 58 = 3712 > 91
所以，3712 mod 91 = 72
第7次：
72 × 58 = 4176 > 91
所以， 4176 mod 91 = 81
第8次：
81 × 58 = 4698 > 91
所以， 4698 mod 91 = 57
第9次：
57 × 58 = 3306 > 91
所以， 3306 mod 91 = 30
第10次：
30 × 58 = 1740 > 91
所以，1740 mod 91 = 11
第11次：
11 × 58 =638 > 91
所以， 638 mod 91 = 1
第12次：
1 × 58 = 58 < 91
58 ＜ 91，所以不用取模，直接把58拖下來乘
第13次 :
58 × 58 =3364 > 91
所以， 3364 mod 91 = 88
我們發(fā)現(xiàn)，從第13次開始重復(fù)第1次結(jié)果：
第14次：8
第15次：9
第16次：67
第17次：64
第18次：72
第19次：81
第20次：57
第21次：30
第22次：11
第23次：1
第24次：58
第25次：88
第26次：8
第27次：9
第28次：67
解密完成，67就是原文。
我們發(fā)現(xiàn)，解密過程出現(xiàn)兩道輪回，實(shí)際只有12種可能，而且存在密文與原文相同的情形（第12次），那是因?yàn)槲覀冇玫氖切≠|(zhì)數(shù)：7和13，現(xiàn)實(shí)中的質(zhì)數(shù)稍微大一點(diǎn)：
P =
3388495837466721394368393204672181522815830368604993048084925840555281177
Q =
11658823406671259903148376558383270818131012258146392600439520994131344334162924536139
Max = P × Q =
39505874583265144526419767800614481996020776460304936454139376051579355626529450683609727842468219535093544305870490251995655335710209799226484977949442955603
選用大質(zhì)數(shù)后，解密過程出現(xiàn)的可能性將超千億，概率上不支持破解者發(fā)現(xiàn)規(guī)律。
另一方面，破解密文的唯一方式是破解密鑰，而Max和公鑰是公開信息，于是，破解私鑰唯一的方法是從Max中分解出P和Q。
已知P和Q計(jì)算乘積，普通電腦一瞬間就能算出Max，可如果想把Max拆成P和Q，那就應(yīng)了一句古話：沒有耕壞的地，只有累死的牛。
我國最拉風(fēng)的超級計(jì)算機(jī)神威·太湖之光，裝備4萬個(gè)處理器，占地足足一棟別墅，拆分1個(gè)200位數(shù)字，至少要等1000年。往前推1000年，那是北宋時(shí)期，我國歷史上最善于解密的包青天年方十八。
所以，與其說是在大海撈針，不如說是在太陽系中排查一顆原子，撞上大運(yùn)的概率比原子還小。
正算容易倒推難，這在密碼學(xué)上稱為陷門函數(shù)（Trapdoor Function），是非對稱加密安全性的根基。陷門函數(shù)像是出站口的旋轉(zhuǎn)門：出門容易，但想進(jìn)來，那只有把門拱壞一條路。
RSA是古典和現(xiàn)代加密技術(shù)的分水嶺，它的誕生堪稱歷史性突破，但和其他突破一樣，隨著歷史一路顛簸，RSA身上懸掛的缺陷也開始叮當(dāng)作響。
比如：
有些算法已能拆分特定的大數(shù)，所以為求安全，人們會(huì)用更大的質(zhì)數(shù)，但這樣，密鑰長度會(huì)被拉長，最終拖慢加解密速度。
用戶陷入兩難：拉長密鑰吧不便捷，不拉長密鑰不安全。總得有種更出彩的算法，才能讓人有盼頭。
于是，地平線上又升起一種新算法：橢圓曲線加密。
三、什么是橢圓曲線加密？
橢圓曲線加密（Elliptic Curve Cryptography ）即ECC，1985年由Koblitz和Miller兩位教授發(fā)明，被公認(rèn)為最強(qiáng)的通用加密法。
和RSA一樣，ECC也是非對稱加密：公鑰加密，私鑰解密。但兩者生成公鑰和私鑰的機(jī)制不同，ECC比RSA更安全、更便捷。
為什么？我們從一個(gè)方程說起：
y2 = x3 ax b（a和b是常數(shù)）
即使沒在教科書里見過，你也完全不必害怕，只要畫出來，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)這不過是只插在竹簽上的章魚。
圖1 橢圓曲線
章魚的輪廓就是橢圓曲線，它的身體沿x軸對稱，而且，任何竹簽直插上去和章魚輪廓最多有三個(gè)交點(diǎn)。
如果你去查資料，你會(huì)發(fā)現(xiàn)ECC的公式天羅地網(wǎng)，任何一個(gè)公式都會(huì)纏住你，但你馬上就會(huì)知道，即使ECC看起來艱澀，但本質(zhì)上不過是一局桌球游戲，只是桌球的彈射規(guī)律有點(diǎn)奇怪。
我們在橢圓曲線上任選一點(diǎn)A開球。
1、球打向B，彈往另一交點(diǎn)，再折向交點(diǎn)與x軸的對稱點(diǎn)C；
2、到C后會(huì)彈向A，途經(jīng)曲線交點(diǎn)時(shí)，球會(huì)折向交點(diǎn)的對稱點(diǎn)D；
3、到D后會(huì)沿AD方向，射向曲線與直線的另一交點(diǎn)，接著彈到交點(diǎn)的對稱點(diǎn)E；
3次撞擊過程，桌球叮叮咚咚撞n次后，停在終點(diǎn)。
如果你知道起點(diǎn)坐標(biāo)和撞擊次數(shù)n，就能算出終點(diǎn)坐標(biāo)。可是，這時(shí)有人跑進(jìn)來，他知道起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)，如果你問他，撞擊次數(shù)n是多少？他會(huì)和球一樣愣在原地，因?yàn)檎娴臎]法算。
撞擊次數(shù)n就是你的私鑰，一個(gè)你選的超大整數(shù)；桌球撞擊n次停下，而終點(diǎn)坐標(biāo)相當(dāng)于公鑰；如果你想再做一個(gè)公鑰，那么改變起點(diǎn)坐標(biāo)即可。
橢圓曲線方程、起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)完全公開，但計(jì)算球撞了幾次才停下來卻沒有捷徑、只能一次次試，這項(xiàng)事業(yè)比RSA中拆分Max的任務(wù)還要艱巨，都能把量子計(jì)算機(jī)們累出血，這就是為什么說ECC比RSA更安全的原因。
同樣面對228位長度的密鑰，如果破解RSA需要燒開一勺水的能量，那么破解ECC所需要的能量，足以燒開地球上所有的水。——德國數(shù)學(xué)家 Lenstra
ECC早已無處不在：我們的第二代身份證都基于ECC，美國政府部門也用ECC加密內(nèi)部通信，開源瀏覽器Foxfire、谷歌的Chrome、蘋果的iMessage服務(wù)都使用ECC。
除此之外，匿名網(wǎng)絡(luò)Tor用ECC保護(hù)使用者隱私。中本聰曾經(jīng)穿梭在各大論壇，但他的身份至今是謎，全靠Tor網(wǎng)絡(luò)底層的ECC。
而中本聰?shù)臉I(yè)余小發(fā)明——比特幣，也使用ECC的數(shù)字簽名算法ECDSA（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm），不單安全性能好，而且ECDSA簽起名來要比RSA簽名快兩個(gè)數(shù)量級。準(zhǔn)確地說，256位的私鑰用ECDSA要比2048位的RSA簽名算法快20倍，是四輪車和三輪車的差別。
盡管花好稻好，可ECC也非完美無缺。
ECC需要一些隨機(jī)數(shù)，而隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生有賴于生成器里的“種子”，曾有人爆料：美國國家安全局（NSA）曾經(jīng)對隨機(jī)數(shù)生成器動(dòng)過手腳，讓破解難度大幅降低，這樣就便于特工破譯采用ECC加密的數(shù)據(jù)。
爆料者的名字叫斯諾登，他是美國棱鏡門事件的主角。
根據(jù)曝光材料，NSA開發(fā)出一條偽隨機(jī)數(shù)曲線secp256r1。可幸運(yùn)的是，中本聰并沒有選擇NSA的偽隨機(jī)數(shù)曲線secp256r1，而是使用了另一條非偽隨機(jī)數(shù)曲線secp256k1，帶著比特幣躲過密碼學(xué)歷史上的一支暗箭，否則只要暴露過公鑰的人都有一定概率被NSA內(nèi)部人士猜出私鑰。
結(jié)語
中本聰被公認(rèn)為非對稱加密年代沖刷出來的天才，而山本五十六卻被定格在對稱加密時(shí)代，一份密碼本讓它丟的不僅是四艘航母，還有自己的命。
1943年4月18日，美國空軍穩(wěn)穩(wěn)擊落山本五十六的座機(jī)，解密文件顯示，美軍破譯出日軍JN25密碼本，提前獲知機(jī)密行程，讓他成為對稱加密時(shí)期最高級別的祭品。
和對稱加密相比，非對稱加密可以把秘密寫在明信片上，消滅了密碼本被破解的問題，但加密技術(shù)進(jìn)化之路并非坦途，因?yàn)槊艽a攻防問題始終存在。
所以，并不存在絕對安全的加密方法，如果有種算法可以讓我們安全享用50年，就已經(jīng)足夠，至于進(jìn)化中的問題，就讓進(jìn)化本身來修補(bǔ)。
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