密码密钥傻傻分不清？认识密码学中的最高机密

作者：严强

来源：微众银行区块链

密码学为何称之为密码学？密码和密钥究竟有何区别？隐私保护方案中，密钥的角色是否可以被替代？密钥在使用过程中存在哪些风险？

这里，我们将以密码学中的密码为起点，展开一系列对密码学算法核心组件的技术剖析。密码和密钥在密码学算法中有着至关重要的地位，了解密码和密钥的作用，有助于理解基于密码学的隐私保护方案是否具备有效性。密码和密钥对于用户而言，则是最终达成隐私数据『始于人、利于人、忠于人』隐私保护效果的无上法器。密码学的英文为Cryptography，源自希腊语“κρυπτ??秘密”和“γρ?φειν书写”。最初，其研究主要集中在『如何在攻击者存在的环境中隐秘地传输信息』，是一个关于信息编码的学科，由于其最重要研究目标之一是保密，实现敏感信息的秘密编码，所以被称之为密码学。

密码学中的密码，和我们日常生活中登录各类信息化系统所使用的密码是两个不同的概念。前者包含了信息加密编码、密文解密解码、数据完整性验证等一系列信息变换过程。而后者更多地是指代密码学信息变换过程中所使用的便于用户记忆的一类密钥，为了以示区别，在下文中称之为用户口令。

RIZZO：传奇密码学家Nick Szabo将比特币视为最好的货币形式已过去两年整:金色财经报道，比特币杂志编辑RIZZO表示，传奇密码学家Nick Szabo谈论比特币已经过去整整两年了。

Nick Szabo于2020年12月26日表示，比特币是价值投资，货币是一种相当有价值的服务，而比特币是最好的货币形式。[2022/12/27 22:09:18]

在密码学中，密钥的作用与现实生活中的钥匙很相似，只有掌握密钥的用户，才能解密对应的隐私数据，或进行数字签名等相关敏感操作。

为什么密钥能够有这么神奇的作用，一切要从柯克霍夫原则谈起。

柯克霍夫原则

柯克霍夫原则是现代密码学算法设计基本原则之一，最早由荷兰密码学家AugusteKerckhoffs在1883的论文LaCryptographieMilitaire中提出。

声音 | 国家密码管理局李国海：依法推进商用密码创新发展:近期， 国家密码管理局商密办主任李国海就商用密码领域如何贯彻落实密码法做了题为《全面贯彻落实密码法，依法推进商用密码创新发展》专题报告，他指出，密码法依法确立商用密码的工作原则、管理体制、分类方法和基本制度，是商用密码科学管理、产业发展、规范应用、国际合作的根本遵循，是商用密码创新发展的有力保障，对提升密码管理科学化、规范化、法治化水平，促进密码技术进步、产业发展和规范应用，具有重要意义。商用密码工作原则是：统一领导、分级负责，创新发展、服务大局、依法管理、保障安全。商用密码管理模式的重塑，体现了党管密码原则，体现了确保安全与创新发展的统一，体现了党中央、国务院减政放权、放管结合、优化服务的要求，体现标准引领、强化监督的原则。[2019/11/10]

其核心思想是『密码学算法的安全性，不应该建立在算法设计保密的基础上』。即便算法设计是公开的，只要实际使用的密钥没有被攻击者获知，密码学算法产生的密文信息就不应该被轻易破解。

被誉为“信息论之父”的美国数学家、电子工程师、密码学家ClaudeElwoodShannon后来将这一原则进一步扩展，应用到任意信息安全相关的系统，由此也奠定了密钥在现代密码学中的核心地位。

金色相对论 | 肖臻：区块链核心技术还是属于分布式系统、密码学等计算机传统领域，跟机器学习也有很好的结合点:在今日的金色相对论中，针对“区块链、分布式系统以及机器学习领域的研究具体应用有哪些”的问题，北京大学计算机系研究员、博士生导师，肖臻表示，虽然区块链表面上是个新的领域，其实核心技术还是属于分布式系统、密码学等计算机传统领域，跟机器学习也有很好的结合点，目前我们正在致力于利用该技术实现智能合约的高效、细粒度并发执行。已有的区块链技术（比如以太坊中的智能合约）只支持单线程，就是因为在多核环境下并行程序的执行存在不确定性，影响区块链中的节点达成共识。我的课题组开发的确定性重演技术有希望极大地提高智能合约的执行效率，成为区块链3.0中的核心技术。我们的另一项成果是基于多智能体的智能决策系统，通过强化学习技术使得各智能体在去中心化的情况下独立做出判断，实现某个预先设定好的效益函数的最大化。[2019/9/12]

密钥具体如何使用呢？这里有必要回顾

第3论中提到的，密码学算法设计所基于的计算不对称性，以及与之相关的一个重要概念——单向陷门函数。

一个单向陷门函数可以抽象为y=f(x,key)，其中，x为敏感的隐私数据输入，y为经过算法保护的不敏感输出，key就是密钥。实际情形下，根据具体密码学算法设计和实现上的差异，密钥key可以有不同的表现形式，也可以表现为多个秘密参数。

动态 | 超3300万个邮箱密码泄漏，攻击者勒索比特币赎金:7月9日，腾讯御见威胁情报中心发文称近期捕获到一起挖矿木马攻击事件，该木马病的独特亮点就是利用肉鸡电脑大量发送恐吓勒索邮件。截止目前，该病已经攻克了1691台服务器，已验证的邮箱帐号超过3300万个，包括Yahoo、Google、AOL、微软在内的邮箱服务均在被攻击之列，最终可能会有上亿个邮箱帐号被验证。如果邮箱帐号验证成功就向该邮箱发送欺诈勒索邮件，邮件内容就是“我知道了你的密码或隐私信息，你必须在X日内向XXX帐号支付价值XXX美元的比特币，否则，就公开你的隐私信息。” 分析发现，病主模块编写者为“Burimi”，且具有内网传播能力（感染U盘和网络共享目录），安全专家将其命名为“Burimi”挖矿蠕虫。[2019/7/9]

如果以上函数是一个密码学安全的单向陷门函数，在不知道密钥key的前提下，很难从输出y通过逆函数反推出输入x，由此避免了隐私数据的泄露。

声音 | 国家密码管理局霍炜：加强密码技术与区块链等新兴技术的融合创新:据经济参考报消息，近日国家密码管理局商用密码管理办公室副主任霍炜表示，要紧盯前沿技术，通过密码技术与前沿技术的深度融合和协同创新，引领信息领域关键核心技术的创新与突破，包括布局与量子技术、云计算、大数据、物联网、人工智能、区块链等新兴技术的融合等。[2018/9/13]

由此可见，密钥就是密码学信息变换过程中的最高机密。谁掌握了密钥，谁就掌握了隐私数据的访问权。

人类可用的密钥

一般而言，再精密的隐私保护方案，最终都需要服务于人类用户。由于密码学隐私保护方案的安全性很大程度上取决于密钥的长度和复杂性，这也为人类用户在使用密钥时带来了不小挑战。

目前业界主流推荐的密码学安全强度是256位，即密钥的信息熵至少等价为256比特的随机数。如果我们用常见的字母数字来设定用户所用的密钥，该密钥的长度至少为256/log2(26*2+10)~=43个随机字符。考虑到用户通常为了便于记忆而拼接字典中的单词来构成密钥，此时为了满足密钥信息熵的随机性要求，实际可能需要使用长度更长的密钥。

相比之下，现有系统对用户口令的长度一般要求在6~20字符之间，对于部分应用4~6位数字用户口令也不少见。所以，这些用户口令的随机性和长度都不足以达到256位安全强度。

如果一个隐私保护方案所使用的密钥只源自用户口令，是无法满足隐私数据的安全性要求的。

然而，普通人类并不具备计算机一般强大的计算和记忆能力，难以记忆和处理过长的密钥。此时，需要借助技术手段来提高人类可用密钥的信息熵，常见的解决方案有以下三类：

三类解决方案中，平台全权托管的用户体验最好，同时也伴随着最大的隐私风险。混合托管和本地全权托管，在用户体验上差异不大，混合托管相关的隐私风险更低。

需要注意的是，这里存在一个固有的设计取舍，隐私数据的自主权与数据服务的完备性不可兼得。

平台全权托管方案中，用户隐私数据的实际控制权在平台手中，由此平台可以提供诸如用户口令重设、数据恢复等关键数据服务。

然而，在其他托管方案中，用户隐私数据的实际控制权在用户手中，一旦用户遗失密钥或用户口令，则平台无法解密对应的数据，也无法提供口令重设等相关密钥服务。

对于企业而言，具体方案的选择，需要结合用户使用习惯和行业监管要求，建议在平台全权托管和混合托管之间做选择。对于高敏感性隐私数据，酌情选择混合托管，并需要配合密钥恢复方案使用。

密钥相关的风险

隐私数据的自主权往往是隐私保护方案强调的重点，但是为了切切实实地获得控制权，仅仅是安全地使用单个安全密钥，就可能会给用户体验方面带来显著负担，而且还需要防范其他密钥相关的泄露风险。

这些风险可以大致分为以下两类：

内在风险

这类风险与隐私保护方案的内在设计和实现有关。由于绝大部分密码学算法和协议不是信息论安全，也就说，同一个密钥使用的次数越多，理论上被破解的概率越大。

对应的常见风险分析手段是，考虑对应密码学算法和协议在选择明文攻击和选择密文攻击下，是否依旧安全。

这两类攻击都允许攻击者获得一定数量的隐私数据明文和密文对，由此分析破解所使用的密钥。

在现实生活中，攻击者非常有可能获得这样的能力，截获明文和密文对，甚至主动注入数据，生成破解分析所需的明文和密文对，这类风险是真实存在的。

外在风险

这类风险虽然与隐私保护方案的内在设计和实现无关，但却实实在在地对方案的实际效果产生巨大威胁。

比较典型的攻击有社会工程学，具体指通过性手段，如钓鱼网站、短信等，诱导用户直接给出密钥，或者通过下载安装病木马，间接盗取密钥。

无论是哪一类风险，如果用户只有一个密钥，一旦被盗，所有的账户都有被盗的风险，后果不堪设想。

处理好这些风险的必要条件，就是产生并使用多个随机密钥，但这也为隐私保护方案的可用性带来了更大的挑战。

无论隐私保护方案设计安全性多高，如果由于用户体验差，用户难以接受，或者以不安全的变通方式使用，其真实有效性都会大打折扣。这也是学术方案向业务方案转化最常见的阻碍之一。

除了探索更优的方案设计，适当的用户教育也是非常必要的推广手段。

总体而言，同时处理好密钥使用过程的安全性和可用性，是落实隐私保护的重要前提。

正是：隐私数据控制难自主，访问密钥在手任我行！

密钥是任何基于密码学技术方案的最高机密，如何保障其安全性，并让作为隐私数据属主的人类用户方便地记忆和使用，是将隐私控制权回归属主的关键。

这个过程难免会引入数量繁多的密钥，如何实现有效的密钥管理，对于计算机系统和人类用户可以使用哪些不同的技术和策略，欲知详情，敬请关注下文分解。

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