多层防御

在过去两集，我们聊了很多计算机安全话题。但事实是，世上不存在100%安全的系统。总会有漏洞存在，而且安全专家知道这一点。所以系统架构师会部署多层防御*(defense in depth)，用多层不同的安全机制来阻碍攻击者，就像城堡的设计一样：（入侵者）首先要避开弓箭手、穿过护城河、翻过城墙、避开热油、打败守卫…不过我们这里要说的是，计算机安全中最常见的防御形式：密码学(cryptography)。

加密&解密

密码学一词来自cryto和graphy，大致翻译成“密码写作”。为了加密信息，要用加密算法（cypher）把明文转为密文。将明文转为密文叫加密(encryption)，把密文恢复回明文叫解密(decryption)。

凯撒加密

加密算法早在计算机出现前就有了。朱利叶斯·凯撒就使用凯撒加密(Caesae cipher)的方法来加密私人信件。他会把信件中的字母向后移动三个位置(比如A变成D)。为了解密，接收者要知道：1.用了什么算法；2.要偏移的字母位数。

替换加密

有一大类算法叫“替换加密”（substitution cipher），凯撒密码是其中一种。该算法按照某种机制把每个字母替换成其他字母。但是有个巨大的缺点，每个字母的出现频率是一样的。比如E是英语中出现频率最高的字母，如果把E加密X，那么密文中X的出现频率会很高。熟练的密码破译师(cryptanalyst)可以从统计数据中发现规律，进而破译密码。

移位加密&列移位加密

另一类加密算法叫做“移位加密”(transposition cipher)。我们可以看下面这个例子：
我们来看一个简单例子叫“列移位加密”(columnar transposition cipher)，我们把明文填入55的网格。

为了加密信息，我们换个顺序来读。比如从左边开始，从下往上，一次一列。加密后字母的排列不同了。

解密的关键是，收信人需要知道读取方向和网格大小是55。

德国Enigma加密机

到了1900年代，人们用密码学做了加密机器。其中最有名的是德国的英格玛(Enigma)，纳粹在战时用英格玛加密通讯信息。Enigma是一台像打字机的机器，有键盘和灯板，两者都有完整的字母表。而且它有一系列“转子”(rotros)，是加密的关键。

首先我们只看一个转子，它一面有26个接触点，代表26个字母，然后线会连到另一面来替换字母。这个过程就是替换加密。

但是英格玛更加复杂一些，因为它有3个或更多转子，一个转子的输出作为下一个转子的输入。转子是一个叫反射器的电路，它会将转子的每个引脚连接到另一个引脚，并把信号发回给转子。最后机器前方有一个插板，可以把输入键盘的字母预先进行替换。假如我们输入h，电信号会通过转子、到达反射器、然后回到转子和插板，并照亮键盘灯板上的字母“L”。

而如果我们按下l，键盘板上的h就会亮起来。换句话说，加密和解密的步骤是一样的。只要我们能确保发送机和接收机的初始配置是一样的就行。而英格玛将字母加密后变成另一个字母将会成为其弱点之一。这也是日后图灵破译英格玛机的关键之处。
为了不让英格玛只是简单的字母替换，每输入一个字母，转子就会转一个，类似于汽车里程表。如果输入"A-A-A"，输出可能会变成"B-D-K"。映射会随着每次按键而改变。

1977年“数据加密标准”

随着计算机出现，加密从硬件转往软件。早期加密算法中，应用最广泛的是IBM和NSA于1977年开发的数据开发标准(data encryption standard,DES)。DES最初使用的是56bit长度的二进制密钥，因此有$2^{56}$个不同的密钥。1977年时只有NSA有这个能力破解这种密钥，但是到1999年一台25万美元的计算机能在两天内把DES的所有可能密钥都试一遍，因此DES算法不再安全。

2001年“高级加密标准”

因此2001年推出了：高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES)。AES使用更长的密钥——128位/192位/256位——让暴力破解更加困难。128位的密钥，哪怕用现在地球上的所有计算机，也要上万亿年才能试遍所有组合。AES将数据切成一块一块，每块16字节，然后用密钥进行一系列替换加密和移位加密。然后加上一些其他操作进一步加密信息。每一块数据会重复这个过程10次或以上。采取10次以及使用128位是基于性能的权衡，如果要花几小时加密和发邮件，或几分钟载入网站，没人愿意用。AES在性能和安全性之间取得平衡，如今AES被广泛使用，比如iPhone上加密文件、用WPA2协议在WiFi中访问HTTPS网站。

密钥交换

到目前为止，我们讨论过的加密技术都依赖于发送者和接收者都知道密钥。发件人用密钥加密，收件人用相同的密钥解密。以前，密钥可以口头约定，或依靠物品。比如德国人给英格玛配了密码本，上面有每天的配置。但是互联网时代没有办法这样做：你能想象打开密码本才能访问YouTube吗？我们需要某种方法在公开的互联网上传递密钥给对方。这看起来好像不安全，如果密钥被黑客拦截了，黑客不就能解密通信了吗？解决方案就是密钥交换(key exchange)。密钥交换是一种不发送密钥，但依然让两台计算机在密钥上达成共识的算法。我们可以使用单向函数(one-way function)来做到这一点。

用颜色来举例“单向函数”和“密钥加密”的原理

单项函数是一种数学操作，很容易算出结果，但想从结果逆向推算出输入非常困难。我们使用颜色进行比喻：将颜色混合在一起很容易，但是想知道混合了什么颜色很难，要尝试很多种可能才知道。在这个比喻下，我们的密钥是一种独特的颜色。首先有一个公开的颜色，所有人都可以看到，然后我和约翰各选择一个秘密颜色——只有自己才知道。

为了交换密钥，我把我的秘密颜色和公开颜色混合在一起，然后发送给约翰——写信发、用信鸽发，怎么样都行。约翰将他的秘密颜色和公共颜色也混合在一起并发送给我.

然后我在收到约翰的颜色之后再把我的秘密颜色加入进去。现在3种颜色混合在一起。John也做一样的事情。这样我们有了一样的颜色。

我们可以把这个颜色作为秘钥，尽管我们从来没有给对方发送过颜色。外部的人可以知道我们的公共颜色，或者我们发送给对方的颜色，但是终究无法知道我们通过一系列处理得到的最终颜色。

迪菲——赫尔曼密钥交换

数学单向函数是完美的，我们可以用迪菲-赫尔曼密钥交换(Diffe-Hellman Key Exchange)。

非对称加密

非对称加密算法