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# 01 | 学习密码学有什么用？
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你好，我是范学雷。
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从今天开始，我就和你一块儿去试着揭一揭密码学的面纱，看看里面的机关门道。
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每当我们看到一个新鲜事物时，“这东西是什么，有什么用”这样的问题总是会最先浮现在我们的脑海里，诱惑着我们更进一步地去了解它。
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那么，密码学是什么呢？它有什么用呢？这就是我们首先要讨论的事情。为了使问题更加直观，我们先从一个例子开始。
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## 约个会能有多难？
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我们先来做一个有趣的假设，假如马上要到七夕节了，河东的牛郎想要给河西的织女发一条信息，七夕相约鹊桥会。信息的内容是这样的：
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> 织女：
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> 七月初七晚七点，鹊桥相会。不见不散。
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> 牛郎
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可是，这封信该怎么送出去呢？银河又长又宽，两个人当然不能面对面地口头表达。这封信要想送给织女，只能通过中间媒介。传说中，有人认为这个中间媒介是喜鹊，也有人认为这个中间媒介是流星。反正不管怎么说，都没有证据表明，牛郎可以亲手把信交到织女手里。
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不过，这次约会能不能成行，很大程度上就取决于这封信的送达能不能成功。特别是，银河这么长、这么宽，王母娘娘这么神通广大，这封信就更不好送了。
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那么，牛郎和织女需要考虑哪些问题呢？
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### 问题一：怎么证明双方的身份？
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第一个问题，牛郎一定要确认，收信人是织女，而不是丈母娘王母娘娘。只有织女收到邀约，约会才有可能成功。换个正经的说法，就是牛郎要确认收信人的身份。
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从织女的角度看，她也要确认发信人是牛郎，而不是喜欢恶作剧的少年郎，或者是其他的姊妹淘。也就是说，织女要确认发信人的身份。
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可是，如果不能面对面，牛郎怎么知道收信的一定是织女；织女又怎么知道发信的一定是牛郎？
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### 问题二：怎么能使消息不泄露？
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第二个问题，牛郎一定要确认，这封信的内容王母娘娘看不到。约会的时间、地点一旦外泄，约会恐怕就会节外生枝。或者换个说法，只有牛郎和织女才能够看得到这封信的内容，其他人都不能阅读这封信。
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问题是，如果织女能够看得到这封信，为什么王母娘娘就一定看不到？无论中间媒介是喜鹊还是流星，王母娘娘可是有遮天的权势，她难道就没有办法看一眼信件的内容吗？
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### 问题三：怎么防止内容被篡改？
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更坏的情况是，如果消息不仅泄露了，内容还被篡改了呢？这是牛郎织女要考虑的第三个问题。牛郎怎么才能确保，织女收到的信的内容是七夕鹊桥会，而不是分手宣言；约定的时间是晚七点，而不是早八点；约会的对象是织女，而不是嫦娥？
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而织女也一定要确认，收到的信的确是牛郎写的，而且一字不多、一字不拉和一字不差。牛郎怎么做，才能确保信件的内容不被篡改呢？
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### 问题四：怎么确保信件能收到？
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事情纵有千般好，可如果织女不能及时收到信，牛郎是会被放鸽子的。这封信能不能在七夕前送到？这是牛郎织女要考虑的第四个问题。
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如果是喜鹊传递信件，这个可怜的小东西会不会中途被请去喝茶吃酒，醉醺醺地忘了托付？如果是流星传递信件，织女会不会在七夕前看看流星雨，解读哪一颗流星携带了牛郎的信息？万一夜空忽然像开了万花筒，红的蓝的紫的烟花可劲地绽放，织女只有一双眼睛，可如何是好？
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所以，怎么才能保证牛郎发送的信息可以被及时地送达、拆阅？
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### 问题五：怎么防止翻脸不认账？
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最后一个问题就是，牛郎一定要确认，织女收到了信，不能抵赖说没收到；织女也一定要确认，牛郎发出了约会邀请，不能抵赖说没发出邀请。
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做过的事，说过的话，要有防翻脸、防撕扯机制。有什么办法防止翻脸不认账呢？
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所以，你看，我们和附近的朋友打个招呼很容易：走到面前，说句你好；如果有别人，小心翼翼地问，七月初七有空没有？这信息就算是送到了。
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可是，一旦我们拉开了距离，打个招呼、送一封信就变成了一件有点复杂的事情。
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## 约会难题有现实意义吗？
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在无线电技术发明之前，大部分的信息传递都是在人与人之间进行的，尤其是在熟人之间。人与人之间的信任是解决信息安全传递问题的最关键因素，信息传递的速度和半径也有很大局限。
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比如说，在历史战争剧中，我们经常可以看到需要一名勇冠三军的猛将突围搬救兵的情节。作为敌方，只要能劫杀到突围的猛将，信息传递的路径就算是掐死了。
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好在无线电技术发明之后，信息传递的办法就彻底改变了。即便是赵云再世，现在也没有七进七出的战争场景了。总体来说，现在的信息传递变得更迅速、更经济、几乎是无处不在了，家书值万金的场景也是一去不复返了。
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无论你身在何处，只要你有一部智能手机，你就可以联系到家人和朋友。这时候你会问了，那现在都有手机了，发个微信不就全解决了吗？哪里还有什么信息传递问题？
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是的，作为一款即时通信的工具，微信已经帮助我们解决掉很多问题了。那我们上面讨论的牛郎织女约会面临的问题还有现实的意义吗？有的。
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因为，牛郎织女送信的障碍不独独横亘在他们之间，**它们是信息传递的普遍问题**。即使是今天看起来用户得到简单、便捷、便宜、即时的通信背后，依靠的也是复杂的现代信息技术。
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现在很大一部分信息流，都是在人与机器之间进行的。无论是淘宝购物，还是银行转账，甚至发送微信，其实都是你在和机器交流。机器同意后，你的信息才有可能传递给另一个机器，或者你期望交流的具体的一个人。
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既然，信息安全的问题一直和人类历史相生相伴，那我们该如何解决呢？
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如果我们能够把具体的问题抽象出来，简化成易于理解的、方便表达的模型，你就能够知晓这些问题的普遍性，并且能够把它扩展到千变万化的场景里去。
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那么，对于上述的这些问题，我们换个角度，换个说法，把它们表述成需求，并且放到信息系统这个虚拟的代码世界里看看，就可以找到这个具有普遍意义的模型了。
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### 需求一：识别身份，确定牛郎就是牛郎
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织女收到信，一看落款是牛郎，她就知道这个牛郎应该是孩子他爹，是董永，而不是王小二。你想一想，如果是一台机器，它该怎么解释“牛郎”这两个字。“牛郎”代表的是一个人，还是一群人？是一只蚊子，还是一盏路灯？没有更多的信息，这个机器是没有办法做进一步判断的。
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这就是我们要考虑的第一个需求，就是怎样表述身份，使得这个身份可以被准确标识。这也就是所谓的**身份识别（Identification），表述的是身份如何呈现和表述，说的是身份的记号。**
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扩展开来，这里的身份可以是信息的参与者，比如微信账户，也可以是资产的持有者，比如银行账户，网站域名。
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### 需求二：认证身份，验证牛郎就是牛郎
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织女收到信，看到落款是牛郎，再细看笔迹，她可能就有八分把握断定这信是孩子他爹写的。之所以还有两分疑问，那是因为对于神通广大的王母娘娘，伪造笔迹算不上是了不起的事情。
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机器该怎么办？网络传递的都是二进制代码，你的键盘输入的牛郎和我的键盘输入的牛郎，并没有笔迹的差异。另外，如果只有八分把握，你敢不敢使用手机银行转账？
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这就是我们要考虑的第二个需求，就是怎样认证身份，验证信里面所宣称的牛郎就是写信的那个牛郎。这也就是所谓的**身份认证（Authentication），是识别和验证身份的过程，也就是验明正身的意思。**
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### 需求三：管理特权，授予织女看信权利
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这封信为什么会送到织女的手里，而不是王母娘娘的手里？很显然，这封信的收信人是织女，所以喜鹊会把信投递给织女而不是王母娘娘。其实，这也就意味着，织女独享收信、看信的权利，而王母娘娘没有。
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机器会怎么办呢？理论上，互联网的每个信息转发节点都有可能截获这封信，看到信的内容，这就破坏了看信者的独享权利。那我们怎么才能把权利授予织女，而排除其他人看信的权利？
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这就是我们要考虑的第三个需求，就是怎么管理权限，使得特定的身份有特定的权限。这也就是所谓的**授权（Authorization），是指定对资源的访问权限，或者使用特权，说的是权利。**
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把上面三个需求放在一起，我们就解决了**权限管理的基本问题：该怎么标识身份？该怎么验证身份？以及一个身份拥有什么样的权利？**
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### 需求四：信息保密，没有权限不能看信
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牛郎织女约会的第二个问题是，怎么能使消息不泄露？换个说法，就是怎么保密信息。**所谓的信息保密，也就是数据的“机密性”（Confidentiality），指的是数据未经授权，不得访问。授权的对象既包括个人、实体，也包括处理过程。**
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如果没有授权王母娘娘拆阅信件，即使王母娘娘劫杀了送信的喜鹊，她也不能看到信件的内容。这就是信息保密的需求。
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### 需求五：信息完整，保护内容不被篡改
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牛郎织女约会的第三个问题是，怎么防止内容被篡改？换个说法，就是怎么保持信息的完整性。**所谓的“完整性”（Integrity），指的是数据未经授权，不得更改。信息的完整性，****也****意味着信息的准确性，信息不能残缺不全，或者来源不明、去向不明。**
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如果我们能做到保护信息不被篡改，即使王母娘娘神通广大，可以请喜鹊去喝茶吃酒，她也没有办法改动信件的哪怕一个字、一个标点符号。这就是信息完整的需求。
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### 需求六：信息可用，保持信息获取能力
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牛郎织女约会的第四个问题是，怎么确保信件能收到？换个说法，就是怎么保持信息的可用性。**所谓的“可用性”（Availability），指的是数据经过授权，可以访问。也就是说，需要的时候，经过授权，可以获取信息，能够获取信息。**
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如果喜鹊被请去喝茶吃酒，醉醺醺地忘了托付，牛郎的信送不到，织女的信收不到，这就破坏了信息存在的意义。该发送的信息能够及时发送出去，该收到的信息能够及时收到，这就是信息可用的需求。
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我们把上面三个需求放在一起，就解决了信息安全的基本问题：**信息能够完整地、秘密地传递出去和接收进来**。
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在这六个需求里面，前三个需求，说的是授权的过程，后三个需求，说的是安全的要素。
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## 哪一个需求最重要？
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不知道你有没有疑问，这六个需求里，哪一个需求最重要，该优先考虑呀？这是一个好问题。
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信息安全这件事，具有典型的木桶效应，安全不安全是由最短的一块木板决定的。什么意思呢？就是**每一个要素、每一个需求实现都不能有明显的弱点**。任何一个要素，如果我们没有清清楚楚地落到实处，都会带来一把鼻子一把泪的。
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这六个需求就像是六个维度，就像一间屋子的长宽高（三维更便于理解）。如果很长、很宽，但是高度为零，它就没有体积。没有人能住高度为零的屋子，或者高度10厘米的屋子。
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同样，也没有人能住长度为零或者宽度为零的屋子。一个舒适的屋子，长度、宽度、高度都要合适。这就好比，牛郎和织女约会的例子中，任何一个问题真实发生了，这场约会就会走向失败。
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所以，有没有办法可以满足所有的需求呢？这时候，密码学就登场了。
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## 密码学有办法吗？
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如果放在50年前，这些需求理论上是没有办法完全解决的。但是现在，密码学有好几套体系办法，可以漂亮地解决掉这些问题，满足这些需求。
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我们知道，信息安全是一个庞大复杂、涵盖广泛的学科，而密码学只是信息安全技术的一个小门类。也有人说密码学是信息安全的核心技术，我并不反对这样的说法。
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虽然密码学只是一个小门类，但是如果你钻进了密码学领域，你就会发现，密码学也是一个大森林，枝枝蔓蔓的有很多技术、规范、协议和体系。
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**密码学最基础的分支有三个，第一个是单向散列函数，第二个是对称密码技术，第三个是非对称密码技术**。这三项基础技术的组合运用，诞生出了丰富的安全协议和体系，比如说数字证书、安全传输、区块链、数字货币等。
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回到我们上面的约会问题，如果粗陋地来看，对称密码技术可以通过加密、解密，解决“机密性”的问题；单向散列函数，可以解决“完整性”问题；非对称密码技术可以解决授权和认证的问题；通过我们对这三项基础技术的综合运用，就可以提高系统的“可用性”。
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那这些密码学技术都是什么呀？是怎么解决这些问题的呀？这就是我们整个专栏要关注的重点，后面我们会接着拆解这些密码学概念和技术，开始进入密码学的细节。你准备好了吗？
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## Take Away（今日收获）
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英文中，有一个词汇叫“Take Away”，指的是一个活动结束后，比如会议或者讨论，大家要记住的关键事实、观点或者想法。用在每篇文章的结尾，我觉得是一个很贴切的表述。但是，我没有找到合适的中文翻译，我们先使用英文词汇。谁有好的翻译，可以给我留言。
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今天，通过牛郎织女这个小例子，我们探讨了牛郎织女约会信息传递的五个障碍：双方身份难以证明、消息会泄露、内容会被篡改、信件无法及时送到以及存在双方翻脸不认账的风险。
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虽然在现代社会，传递一个消息已经不是一件困难的事，但这五个障碍仍是信息安全里的重要议题，我们也由此总结了信息安全的六个基本需求：
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* **身份识别、身份认证和授权**。这三个需求解决了权限管理的基本问题：该怎么标识身份？该怎么验证身份？以及一个身份拥有什么样的权利？
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* **信息的机密性、完整性、可用性**。这三个需求解决了信息安全的基本问题：信息怎么能够完整地、秘密地传递出去、接收进来？
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最后，通过今天这一讲，我希望你：
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* **理解信息安全的基本问题和基本需求；**
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* **建立起来均衡考量信息安全基本需求的意识**；
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* **明确学会用好密码学的意义。**
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## 思考题
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假设牛郎织女面前都有一部电脑，电脑都是连接着互联网的。你能不能给牛郎织女一些建议，该怎么做才能摆脱上述的种种问题，把约会信息传递成功？你的建议有没有其他的缺陷？会不会带来新的问题？
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这个问题现在对你来说可能有点难。不过，我就是想让你打开脑洞，尽情地发挥自己的想象力，看看有没有办法，有没有问题。专栏快结束的时候，我还会再一次问这个问题。到时候，你可以比较一下，你的想法有没有变化。
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欢迎在留言区留言，记录、讨论你的想法。你的每一次发言都是思维碰撞出的火花。
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也欢迎把这一讲分享给你的朋友。好的，今天就这样，我们下次再聊。
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