前言

尤利乌斯·恺撒大帝用过它，取得了成功。苏格兰女王玛丽一世也用过它，结果上了断头台。拿破仑·波拿巴误用了它，毁掉了自己的帝国。第二次世界大战期间参战各方都依赖它，而同盟国在此方面的优势缩短了战争持续的时间。间谍在冷战期间就用它，直到现在还在用。其实人们因各种原因在日常生活中也会频繁用到它，包括你自己。这个不可缺少的工具就是——密码。

密码为你的一系列日常生活提供安全保障。比如当你打电话时，从自动取款机（ATM）取现金时，连接Wi-Fi（无线网络通信技术）网络时，登录一台计算机时，在谷歌上搜索时，用手机看视频时，都需要用到密码。现在密码已经为超过10亿台苹果设备1、70亿张银行卡2，以及每天550亿条瓦次普（WhatsApp）的信息3提供安全保障。比特币等数字货币体系和区块链，也是建立在密码学之上的。

密码保护着全球超过3/4的万维网链接。4你知道吗，当你通过浏览器链接一个安全网站时，你使用的密码工具曾经驱动了计算革命，推动了互联网的发展。当你使用车钥匙打开车门时，你的车钥匙所能做的事情超越拥有最强计算机的攻击者。你是否意识到，从手机发送的信息被密码保护得这么好，以至于令有些政府和情报部门都感到担心。

密码学本质上是一门应用数学，但极少有应用数学能达到像密码学这样的社会重要程度，有时甚至是臭名昭著。比如数学通常不会成为一部影视大片的聚焦点。但是密码学赋予《拦截密码战》（Enig-ma）、《007：大破天幕杀机》（Skyfall）、《通天神偷》（Sneakers）等电影以灵感，5启发了电视连续剧《犯罪现场调查：网络》（CSI：Cyber）和《军情五处》（Spooks），6以及丹·布朗（Dan Brown）的《数字城堡》（Digital Fortress）这样的畅销书。7没有其他数学学科可以像密码学一样结束战争或令各国领袖担忧。

密码学真正做的事是提供一系列工具来保护信息。尽管密码学可以用于保护物理信息，比如写在纸上的密码，但正是我们越来越多地在日常生活中依赖数字信息，才使得密码学变得如此重要。密码学不仅能对敏感信息进行保密，也能检测到信息是否被有意或无意地修改，还能确认与我们通信的对方是谁。事实上，密码学是唯一能为数字信息安全保驾护航的学科。

密码学就如同抗生素，你一生之中虽然接触过多次，但是并没有真正了解它的工作机制。可是有两个重要的因素会驱动你去了解抗生素的工作机制：（1）关于抗生素的知识提高了你对健康的理解，你可以知道什么时候应该服用抗生素；（2）该如何服用抗生素才不至于产生更多的社会问题，包括药物滥用和超级细菌的产生。

与习惯性服用抗生素一样，你可能会匆匆忙忙地度过一天而没有意识到运用过密码学。可是我坚信，人们懂一点密码学知识将受益一生。更为重要的是，我想让你明白密码学在日常生活中是不可或缺的。我相信通过学习密码学的功能和原理，你将建立起管理好个人数据安全的自信。如何使用密码学也引发了一个显而易见的社会问题：个人隐私与监管的平衡。这也是我将在本书中探讨的。

网络空间

我不会试图去定义什么是网络空间，8而是去观察在网络空间中存在的一切，几乎都是电子产品。9

网络空间由进行网络通信的计算机组成。这些计算机既包括我们熟悉的平板电脑，也包括通常不被我们视为计算机的组件，比如手机、游戏机、助听器等，但它们都能接入互联网。

网络空间还由数百万我们直接接触的计算机设备（如售货终端、ATM、出入境通道等），以及很多我们没有直接接触的计算机设备（如企业后台系统、国防系统、工业控制系统等）组成。

也许更为重要的，或从某种程度而言令人震惊的是，很多传统上我们不认为具有电子元素的设备迅速成为网络空间的设备，更别提真正的计算机了。这些设备包括汽车、房屋和家用电器。接入这些设备的网络可以是有线的或无线的、短波的或长波的、完全开放的或专用的。到目前为止，这些网络中最重要的是互联网。

当然，网络空间和物理世界并不是完全不同的概念，物理世界与网络空间的互动正在不断增加。现在很难遇到不使用互联网的人、10不上网的企业，或者与网络空间不交互的技术。因为当人们按下物理设备的按钮以执行机器上的指令时，大部分网络空间的事情才能发生。

你在网络空间的安全

让我们停下来想一想我们对网络空间的依赖程度。想一想你如何与朋友交流，如何获知新闻，如何搜索下一次度假地；想一想你如何管钱以及如何支付；想一想你如何听音乐、看视频、上传下载照片；还有你的车，你一按车钥匙，车就自动开门了。车钥匙总能记得车的位置，并且可以自动向厂家报告问题。未来汽车还会自动驾驶。这都只是冰山一角，还有很多类似的但你看不见的事在发生，比如飞机飞行、电力供能、交通信号灯变化，这些都依赖网络空间。现在，几乎所有东西都依赖网络空间。

网络空间是一个犯罪的理想之地，这里没有不可逾越的物理距离，罪犯从世界上的任何地方都能攻击你的设备。这里有一个万花筒般的世界，一个青少年在他的卧室里就可以伪装成你的银行或一个大型百货商店。这是无数新闻报道里的安全事故，而这些仅仅是你听到的。

网络空间安全事故的确切数字很难估计。网络安全公司诺顿（Norton）声称，仅2017年一年，全球网络空间安全事故的受害者总数就达9.78亿人，共损失1 720亿美元。11普华永道的报告指出，2016—2017年，31%的被欺诈企业都是网络犯罪的受害者。122020年，网络安全风险投资公司（Cybersecurity Ventures）估计，网络犯罪在2021年前将使全球经济损失6万亿美元。13网络空间不可见，所以我们眼不见心不烦。但你问问伊朗浓缩铀工厂的科学家，为什么浓缩机从2010年开始莫名其妙地出现故障，14或者问问索尼影业的高管，2014年他们是怎样在不知不觉中成为自己的恐怖片主角的，因为他们的内部邮件、工资、未上映的影片被暴露在全世界面前。15

人类是在物理世界中进化而成的生物，所以我们对物理世界的安全有深刻的理解，比如锁门、控制边境、在文件上签字等。但在网络空间里我们似乎缺乏相应的安全常识。网络空间的不可见是一个因素，但我认为我们缺乏安全常识是因为缺少对网络空间安全基础的理解。因此，我们会在网络空间里做一些傻事，比如我们敞开大门，把银行账户信息交给陌生人，并将个人隐私刻在数字石板上面，永远清晰可见。所以接下来，我将带你理解密码学是如何解决网络空间核心安全问题的，以使你拥有对网络空间安全的判断能力。

理解密码学的基础知识，将帮助你了解日常生活中所依赖的安全保护技术的重要性。密码虽然是常用工具，但有很多缺陷。你知道你的网上银行账户通常就是由“完美的”银行密码保护的吗？密码学最终依赖的是加密机制，也就是常说的密钥。我希望你能认识到密钥对你的数据安全是极为重要的，也希望你像对待物理钥匙一样小心保护你的密钥，甚至可以说你的密钥比你的物理钥匙更重要，因为那是能在互联网上将你与45亿用户区分开来的唯一元素，所以你要牢记这些密钥并知道它们的存储之处。

对密码学的理解也能帮助你应对遇到的网络空间安全问题。例如，接入一个没有安全保护的Wi-Fi会有什么后果？为不同的账户设置不同的登录密码有那么重要吗？如果你登录一个网站弹出没有有效证书的提示，你还会继续访问吗？那些源源不断被报道的网络空间安全事故，你是如何看待的？2017年，媒体曾广泛报道运行特定加密协议的Wi-Fi网络是不安全的，16以及英飞凌公司（Infineon）的一个加密硬件是可以被破解的。172018年，又有媒体报道很多苹果设备的芯片有缺陷。18你是否应该为这些报道感到恐慌？你是否应该采取行动，还是坐等由其他人解决？你是否应该对区块链感兴趣，或者对量子计算机的出现表示担忧？

密码学的基础知识将会帮助你决定在未来是否以及如何使用科技。把个人信息提交给一个App安全吗？如果把钱都换成比特币，钱是不是就没了？当购买新手机时，应当考虑哪些网络空间的安全性？

网络空间安全不仅关乎你，而且与我们每个人都相关。当你敞开自己的大门，让盗贼偷走了你的钻石，这只是你的损失，而我不会有任何损失。但涉及网络空间安全时，我们并不能这么说。如果你不小心打开一个自动推送的搞笑视频，你的计算机很容易被引入一个进行犯罪活动的全球机器网络之中。那么，你的计算机可能最终攻击的是我的计算机，所以你在网络空间保护自己的能力与我的利益相关。每一位给自己武装密码学基础知识的读者，也可以让其他人在网络空间里更安全一些。

一个社会两难问题

密码学在我们的日常生活中如此重要，我们几乎离不开它。然而有时候，密码学被认为是麻烦的，甚至是危险的。因为密码学运用得如此之好，它同时给社会带来一个两难问题。

2017年5月，英国40家医院的网络管理员面临一场危机：支持日常工作的计算机系统因为密码问题而失灵。攻击者使用一种叫“Wan-naCry”的恶意软件控制了系统，通过加密机制使系统中的数据无法被访问。攻击者要求医院支付赎金来使系统恢复正常。让我们在网络空间获得安全的密码，却在这种情形下引发了严重的问题。19

更为严重的是，虽然密码能保护你在网络空间的活动，但也为犯罪集团、恐怖组织、儿童色情网站之间的通信提供保护。因为这一点，一些国家的安全机构对密码学的广泛使用表示担忧。美国联邦调查局（FBI）前局长詹姆斯·科米（James Comey）对此直言不讳，反复表达他对密码学妨碍情报收集的担忧。202013年，美国国家安全局（NSA）承包商前雇员爱德华·斯诺登（Edward Snowden）不惜牺牲职业前途和个人自由，揭露了一系列美国国家安全局使用的技术，情报部门试图用这些技术来破解我们日常使用的密码以便开展他们的监视活动。21

一些政治家因为严重的网络空间安全事故而片面地批判密码学。2015年11月，巴黎恐怖袭击事件之后，时任英国首相戴维·卡梅伦（David Cameron）发出质疑：“在我们的国家，是否该允许存在一种不可破解的通信方式？”222017年6月，时任澳大利亚联邦总检察长乔治·布兰迪斯（George Brandis）宣布，澳大利亚将领导有关行业参与“阻止恐怖组织信息加密”的国际讨论。23几乎在同一时间，时任德国内政部长托马斯·德迈齐埃（Thomas de Maizière）宣布，德国政府正在筹划制定一部新法律让政府监管机构能够破解加密的私人信件，因为国家不允许有法外之地。242018年5月，时任美国司法部长杰夫·塞申斯（Jeff Sessions）称：“我们必须解决日益增长的加密或黑盒子问题。”25

上述所有干预措施的本质是要削弱密码学的有效性。然而，联合国人权事务前高级专员扎伊德·拉阿德·侯赛因（Zeid Ra'ad Al Hus-sein）称，如果没有密码学，“将会对生存造成威胁”26。这两种观点能达成一致吗？

今天关于密码学的争论其实源于一个由来已久的话题：自由与文明社会信息控制之间的冲突。15世纪中叶，印刷术的发展与传播导致关于书籍印刷控制权的政治冲突。通过限制谁能印刷书籍以及为谁印刷书籍，教会和国家垄断了社会大众获取信息的渠道。27今天，密码学保护数字信息流动的方式让一些政府开始担忧。

自由与控制之间没有简单的妥协。许多政治家和新闻记者似乎难以把握这个话题，因为他们好像不理解密码学可以做什么，以及密码学的运作机制。28通过介绍密码学为我们生活带来的便利以及挑战，我将帮助你形成对密码学的真知灼见。这些基础知识现在和将来都会非常有用，因为我们只会越来越依赖密码学。未来，关于密码学应用的争论不会被解决，反而会更加激烈。

本书的观点

虽然密码学属于应用数学，但是理解密码学的基本原理完全不需要成为数学家。密码学背后的数学原理不是这本书要讲的，就如同学习开车并不需要懂得汽车发动机的机械原理一样。虽然密码学有着非常有趣的应用历史，特别是在战争期间，但是这本书并不讲述密码学的发展史。密码学以往的应用已在其他文献里得到了很好的介绍。29本书将专注于密码学当前的应用，仅在特殊情况下才会涉及历史案例。

这本书也不是关于猜谜的游戏。30当然，密码学在某种意义上是生成了一些需要解决的难题。例如，在第二次世界大战期间英国政府就招募擅长填字游戏的人参加密码学的培训。我在本书里并不把密码学当成猜谜的游戏（密码学是一个Rdqhntr Atrhmdrr）。

第一章将介绍网络空间安全的含义并解释密码学如何帮你实现安全。第二章将解释密钥和算法这两个加密技术的基础，也是数字安全的关键。之后的每一章主要讲解密码学的一个主要功能，即提供保密性、密钥分发、检查数据完整性、身份验证。第七章将从不同角度来看密码学在使用上可能出现的问题，说明其被破解的可能性。第八章将检验密码学应用所带来的社会问题及挑战。第九章是关于密码学的未来。

本书揭示了密码学对整个社会的重要性，并系统说明了密码学是如何保障我们在网络空间的安全的。毫不夸张地说，我向你展示的密码学，正是进入网络空间的钥匙。