數據安全大講堂 證密碼持久到100年堅不可摧
以下的文章主要向大家描述的是數據安全之保證密碼持久到100年堅不可摧的秘訣，即使你的密碼從為被破解過，在沒有密鑰的情況下，我們將永遠需要相同的CPU平均時鐘周期數來解密某一指定密碼加密的東西；
任何密碼無論它在鼎盛時期多么強大，最終都會成為脆弱的密碼，這似乎是不言而喻的。當人們使用目前相當強大的密碼時，他們擔心最終也會有人能夠將它破解——在不知道密鑰的情況下，通過找到一條捷徑大大減小暴力破解所需要的時間。
即使密碼從沒被破解過，在沒有密鑰的情況下，我們將永遠需要相同的CPU平均時鐘周期數來解密某一指定密碼加密的東西;與幾個月前相比，幾個月后要想破解同樣的東西需要時間會少一些。這是因為計算機至始至終都在變得更快，這允許我們把相同數目的時鐘周期壓縮在更短的時間內。
更加復雜和巧妙的加密算法設計，使得暴力破解的方法越來越困難，并且將取代已經被破解了的、或者說即將過時的老舊算法。這就像是一場持久的軍備競賽——保護隱私與企圖滲透隱私行為之間的對抗。
雖然幾乎所有被破解或者過時的密碼都被歷史所淘汰，但有一種密碼卻經受住了93年的時間，這就是一次性密碼。1917年，Gilbert Vernam發明了維爾南(Vernam)密碼，該密碼使用了紙帶作為密鑰的電傳(teletype)技術來加密和解密數據，隨之誕生了一種在當時相當強大的對稱密碼。
美國陸軍上尉Joseph Mauborgne意識到，使用真正隨機的密鑰，即密鑰沒有一部分是重復的(除了有時隨機出現相同的情況)，維爾南密碼能夠變得更加強大。受紙帶密鑰的啟發，一種每頁紙上的一列隨機字母或數據作為記錄密鑰的便箋(pad of paper)被發展起來。
兩份相同的便箋分發給兩個人，每頁紙上的每個字符只使用一次(當***一個字符被用來加密或解密信息后，該頁紙就被毀掉)，他們傳遞信息時不用擔心被截獲后的信息在沒有密鑰的情況下被破解。因為這項在便箋紙上分發密鑰流數據的技術，人們又這種密碼稱為一次性便箋加密。
信息理論之父Claude Shannon從數學上證明了一次性加密算法在正確使用時是不可破解的——正確的使用包括毀掉含有已用密鑰數據的頁面，以便它不再被利用，這樣即使有人獲得了便箋中已用的頁面，也不能解密任何未授權的信息拷貝。密鑰管理可以使用相同的數字化概念，但附加條件是人們使用時必須非常小心，以避免計算機固有的弱點給一次性密鑰系統帶來缺陷。例如，代價高昂的數據恢復也許能夠重建已經刪除的數據，包括一次性密鑰數據。 當簡單的刪除仍不夠可靠時，盡管有辦法可以用來對這些數據進行模糊化處理，但也一定要謹慎。
一次性加密算法有時會非常麻煩，這是它為什么沒有被廣泛使用的原因。由于這種不便性，我們實際需要的是在理論上稍弱一些的密碼，也可以說它是一種更聰明的密碼，比如AES/Rijndael和Twofish加密算法。
由于一次性密碼是對稱密碼，雙方必須使用完全相同的密鑰數據來加密通信。對于某些加密用例，使用一次性加密完全沒有意義，因為如果雙方要能夠數據安全的交換密鑰以擁有它，他們必然有共享數據的安全方法，這種方法也可以用來共享最終的信息本身。
只有在你不知道將會發送什么信息的情況下，或者當你們在將來的某個時候不能找到任何安全的方法來交換密鑰數據時，一次性加密才會派上用場。
一次性加密密鑰必須同它所加密或解密的信息一樣長。因此，當你想要加密或者解密一個3 G字節的文件時，你還需要一個大小為3G字節的一次性加密密鑰。
同樣的一次性加密數據不能在多于兩人時被安全共享。比如，不同的信息將要在擁有同一密鑰的某些接收者之間發送時，有些數據對于其它接收者是不可讀的，在它們之間使用相同的一次性加密會破壞密碼的安全性。
相比之下，你可以使用非對稱密碼為多個人提供一個相同的公鑰，他們將能夠使用相同的公鑰來給你的信息加密，而不用擔心其它擁有公鑰的人能讀到它——只要該加密算法不被破解，并且計算機技術目前的發展水平還沒有先進到可以合理的暴力破解信息。這是因為對于公鑰加密的數據，只有對應的私鑰才能解開。
重復使用密鑰潛在的破壞了一次性密碼的數據安全性，因為它面臨著一個已知明文的漏洞。Kerckhoff準則說到，當密鑰仍然保密時，一個密碼體系就是安全的，但是如果同時知道某個指定信息的加密和未加密版本，一次性密碼的密鑰就能夠被破解。
如果一串密鑰數據只被使用一次，這也不是什么問題，因為如果連明文被破解者獲取，加密強度再大也是徒勞的。如果一個密鑰被重復使用，一段信息的明文就能夠作為獲得密鑰的工具，而該密鑰可以用來解密其它信息。我們可以從中獲得的教訓是：不要重復使用一次性密碼。這也正是它被稱之為“一次性”密碼的原因。
當一次性密鑰用盡以后，你不能再安全的重復發送信息——使用相同的密碼加密——除非你能夠數據安全的交換新的隨機密鑰數據。當你試圖與世界另一頭的某個人通信時，這種情況將會讓你的處境顯得很窘迫。
如果在某些情況下使用一次性加密不太現實，你可以使用其它的加密方法，而你也應該意識到其它在理論上加密強度稍弱的密碼仍然有它的用武之地。
一次性加密的工作原理看起來很簡單。它只涉及到兩個基準值(datum)的比較，比如兩個字母或者數字，然后通過比較產生新的基準值。你對加密的信息中每個基準值都要這么做。實現比較的過程既簡單又容易，一次產生一個基準值，而且計算的成本相對較低。一個簡單的XOR(異或)操作符就能夠用來實現這種比較。在它最簡單的形式下，XOR操作符可以像這樣應用到二進制數字的操作中：
首先，你需要一段信息。讓我們使用單詞”short”來作為我們的信息。它確實也很短。接下來，你將該信息翻譯成二進制形式。用ASCII編碼來翻譯”short”，你最終會得到如下的0、1字符串：
0111001101101000011011110111001001110100
你還需要一個與信息等長的密鑰。這里，我們將這個0和1組成的字符串作為我們的密鑰：
0110010101101010001110010010011101100100
***，因為你使用的是XOR操作符，基本上你只需要做簡單的減法。兩個字符串的***個字符都為0, 可以看到0-0=0. 類似的， 兩個字符串的第二個字符都為1,得1-1=0。當一個字符為1, 一個為0時，可以得到一個1或者-1。如果對結果取絕對值，這意味著兩個都得到結果1。因此，減法運算和取絕對值提供了如下結果：
0111001101101000011011110111001001110100
0110010101101010001110010010011101100100
0001011000000010010101100101010100010000
首先，你需要一段信息。讓我們使用單詞”short”來作為我們的信息。它確實也很短。接下來，你將該信息翻譯成二進制形式。用ASCII編碼來翻譯”short”，你最終會得到如下的0、1字符串：
0111001101101000011011110111001001110100
你還需要一個與信息等長的密鑰。這里，我們將這個0和1組成的字符串作為我們的密鑰：
0110010101101010001110010010011101100100
***，因為你使用的是XOR操作符，基本上你只需要做簡單的減法。兩個字符串的***個字符都為0, 可以看到0-0=0. 類似的， 兩個字符串的第二個字符都為1,得1-1=0。當一個字符為1, 一個為0時，可以得到一個1或者-1。如果對結果取絕對值，這意味著兩個都得到結果1。因此，減法運算和取絕對值提供了如下結果：
0111001101101000011011110111001001110100
0110010101101010001110010010011101100100
0001011000000010010101100101010100010000
當然，在結果中以0和1 表示的字符串，某些8位二進制組并不存在所對應ASCII表示， 因此很難用簡明的方式來表示數據。ASCII編碼非常適合電腦使用，但傳統的字母數字方法實現的一次性加密通過手譯(hand translation)后更適合于模擬信號。
很明顯，一次性加密的核心算法異常簡單。只有在設計軟件中圍繞該算法的余下部分，以及尋找該密碼的正確用例時，開發安全可靠的加密軟件才會出現真正的問題。另外，如果要實現加密絕對的數據安全，在當前我們對數學的理解范圍內，只有一次性加密才能做到這一點，并且只有在正確使用時才無法被破解。
【編輯推薦】
