Internet History, Technology, and Security第八讲心得

Posted 2022-02-26 ptolemy

　　结束了网络协议的介绍后，本周要介绍的是网络安全。

Security Introduction

　　网络安全其实离我们并不遥远，这里有个简单的例子。假设有两个人叫做爱丽丝（Alice）和鲍勃(Bob)，也许是因为异地的原因，他们希望在网络上交流一些比较私密的信息，但这时候，可能会存在着一个心怀不轨的人，我们把他称之为C。爱丽丝和鲍勃希望自己发送的一些信息不会被打扰，然而C就在那里偷听，又或是有别的不轨的企图。如何让A与B安全的交流？这就是网络安全要做的事。

 

 

　　这个简单的例子应该可以让你明白安全的重要性，而在我们的日常生活中，我们也会面临信用卡信息被盗的风险，毕竟金钱才是最具有诱惑力的东西，不过如果你是一个政客，那么就会有一堆人试图窃取你的电子邮箱，因为这里面存放的信息价值大于金钱。因为意识到了安全的重要性，很多公司会把越来越多的钱花在安全上，但这样又是一种错误，因为安全也只是一种成本效益的分析，它并不存在完美解答。

　　对于安全性，这里要提到两个术语，一是Confidentii，保密性，指信息的泄露，如果我想把一个信用卡号码发送给某人查看，除了这个我想看到它的人之外，没有人能得到它，那就说明是保密的；另一个问题是可靠性（Integrity）,也就是说，在某种意义上，你知道A，你得到的信息来自于你认为它来自的人，它没有在路上被修改过，所以像数字签名这样的东西就属于这一类，以及之后要讨论的其他机制。

Security - Encryption and Confidentiality

　　二战时，布莱切利园(Bletchley Park)的工作就是负责加密以及解密，这里要提到两个术语：明文（plaintext）与密文（ciphertext），无论是文本信息或者是其他类型的信息，我们想要传输的信息被称作明文，例如信用卡信息、数字或者是其他的重要信息，这些信息有相对应的加密版本，我们称之为密文。对于密文，有可能会被第三方截取，所以加密者自然希望破译密文这一过程会十分困难，加密是将明文变成密文的操作，将密文还原为明文的操作则是解密，加密解密还需要钥匙，钥匙本质上是一些数据，通过特定的算法来实现加密与解密，讲到这，就又引出了两个术语：密钥（private key）和公钥（public key）。

　　首先我们要讨论的是密钥，密钥加密系统的使用从罗马和凯萨时代开始，一直到第二次世界大战，密钥也被称作对称密钥，意味着发送方与接收方都拥有同样的信息，简单来说，加密与解密使用同一把钥匙，那么密钥的缺陷在于，你需要一个绝对安全的交流环境，例如双方坐在同一个房间里，你直接把密码本递给对方，无论如何，你需要一个安全的方式来传递密钥。加密的主要流程是这样的：你有一段明文，比方说Alice想发送“candy”这个单词，你将通过字母的替换来加密，把每个字母替换成下一个字母，我们得到了D-B-O-E-Z，这就是Alice加密后的密文，Alice通过路由器或者是莫尔斯电码，把这段密文发送到外界，这样这段信息可能被第三方C截获。他并不能截获明文，我们假设加密解密的过程是安全的，只有中间传输的区域是危险的，我们只担心C获知明文的内容。同时，由于Bob知道密钥，他可以解密密文从而得到明文，另一方面，C并不知道密钥的内容，他只有截获的密文。她不得不像布莱切利园一样，推算出密钥或明文。凯撒密码是一种最古老的、被广泛使用的加密形式，采用的是替换概念，比如前面所说的就是规则为1的替换，这种加密方式被使用了很长的时间（视频中同时演示了破解的方法）。

 

 

　　可以说，如果你知道某段明文的内容，你只需要解密一个字母就可以破解全部，我们可以猜测这个发信人可能会发送什么明文，这就导致了信息的泄露，这与密钥的数学严谨性无关，这是另一种形式的信息泄露，第三方则可以利用这一点发送错误信息。

　　在Facebook跟Twitter诞生之前，有个叫做新闻组的东西，他们是一些电子邮箱地址的集合。在80年代，这被用于存储转发网络，就像今天的Facebook一样，意味着你要花四个小时才能看到个人状态的更新，但有些人仍旧订阅了这些内容，因为其中有一些荤段子（笑），然而在这些荤段子里系统并不允许使用脏字，有软件会自动过滤文本中的脏字。如果你在荤段子里使用了脏字，你将不能发送你的信息，所以发送者必须想办法加密含有脏字的信息，

　　于是他们用了一个简单的凯撒密码来解决这个问题。

　　而公钥则在20世纪60、70年代才开始应用，公钥则是不对称的，意味着加密与解密用的钥匙不同，公钥加密系统能使用不安全的媒介实现钥匙的传递。

Security - Integrity and Signatures

　　讲完了保密性，接下来就是可靠性。在罗马时代，人们寄信时都会用特制的印章来密封信件，他们会把它戴在脖子上，以确保没有人偷它，在计算机世界里，我们自然也需要相同的“防伪”，来保证发送的消息的可靠性。

　　这种技术叫做密码散列（Cryptographic Hashing），它是一种计算机软件、一种代码，它将一大块数据重组成固定长度的数字，就像是它消化了这些信息，然后给了你这个小小的数字签名。众所周知的密码散列技术，你可能听说过，比如SHA1或MD5，它们能接受信息并创建摘要，这是一种科学的、数学的研究努力。

　　而密码散列技术在我们生活中最直接的用途就是各类网站的登陆。在过去，用户的信息是以纯文本被存放在数据库中的，但很显然，这是一种很危险的方式，因为如果数据库被破坏了，那么所有的坏人都会得到所有的明文密码。所以当密码散列技术诞生后，这些网站就开始将用户的信息进行哈希加密并储存，这样在你下次登陆的时候，系统就会根据算法，将你的信息与数据库中已经被加密的信息进行匹配。

　　接下来谈谈数字签名，我们要如何使用它来验证消息完整性？数字签名的作用从某种意义上来说，就是在你输入密码的时候，验证线路另一端就是你要联系的人，就像你的驾驶证一样，数字签名是验证身份的方式。

　　一个小例子可以加深你对这个概念的理解：如图所示，在圣诞节，我们收到了来自安妮的信息，她希望吃更多的Ovaltine（一种饮料），那么我们要怎么确认这个信息来自安妮？这是一条公开的信息，它可能会被其他人篡改，并重新寄给你，就像是安妮本人寄来的一样。所以，假设现在我们和安妮一起住在一个共用的房间里，她告诉我们在她发送的信息中会添加怎样的签名，那这样我们就能很容易地判断，这条信息是不是她本人发出的。

 

 

　　就像下图一样，我们与安妮约定“Santa”为结尾，作为数字签名，然后通过SHA-1计算来运行它，安妮将想要发送的信息与这个签名一起加密，可以看到，这时候签名加密计算的结果为a79540。当我们收到这条消息的时候，就可以进行核对是否被修改。

 

 

　　就像这样，如果在途中存在有心之人，截取了这条消息，并试图传达错误的消息给另一端时，哈希加密就会呈现出不一样的结果，很神奇吧？

 

 

　　可以看到，数字签名实际上非常简单，不需要很多复杂的技术就可以很容易地完成，这里唯一复杂的技术实际上是，使这些密码散列有效工作的聪明的数学。它是一个秘密的简单串联，但归根结底，数字签名的概念实际上是一个简单且相当优雅和美丽的概念，它以一种非常酷的方式真正利用了密码缓存的概念。

 

　　本次课程的例子非常生动形象，听完以后有种想网购Ovaltine的冲动（笑）。