多图｜密码学典例示范，从安全通信到数据可用不可见

基于互联网通信中数据机密性、完整性和可认证性的需求, 综合运用加密算法、消息验证码和数字签名等技术的多种安全通信协议 (如 SSL/TLS、SSH 等) 应运而生, 为互联网安全通信提供有效解决方案。

TLS 协议中综合使用加密算法、消息认证码、数字签名技术, 同时实现了网络通信中的三大核心需求: 数据机密性、完整性和可认证性。

其具体执行过程可分为两部分: 握手协议与记录协议, 其中握手协议主要进行身份认证与共享密钥的协商, 记录协议保证通信数据的机密性与完整性, 如下所示：

SSH (secure shell) 协议同样是一类加密互联网协议, 与 TLS 应用场景不同, 其主要用于实现与服务器或计算机的安全远程登录和数据传输。

OpenSSH 是 SSH 协议的一种免费开源实现, 被广泛部署于 Linux的众多发行版中,且SSH 服务器端守护进程 sshd 通常默认启动。

因此, 我们希望云存储技术可以满足以下两大要求:

• 一是安全性, 数据在云端以密文的形式存储, 在确保完整性的同时提供隐私保障;
• 二是可搜索性, 服务器需要为加密文件提供高效的查询功能。

若使用传统的加密方式, 如使用 256 位的 AES 加密算法对数据进行加密后再上传至云端,数据库中的文件均以密文的形式存储, 可以很好地满足安全性要求。

但当用户想要在云端数据库中查询包含某个关键字的文件时, 将面临如何在密文上进行搜索的难题, 用户需要从服务器上下载所有文件并一一解密, 开销大、效率低, 即无法满足高效功能性要求. 由于传统的加密方式无法同时满足以上两大需求, 可搜索加密技术应运而生. 其使用场景如图 3 所示。

可搜索加密方案涵盖三个主要角色: 可信的数据所有者、被授权搜索的用户集合以及半可信的服务器。

可搜索加密的底层技术包括属性保护加密算法、同态加密算法、oblivious RAM 访问模式(ORAM)、功能加密、对称可搜索加密算法 (symmetric searchable encryption, SSE), 这些技术的安全性和效率比较如图 4 所示。

SSE 方案因其突出的搜索效率而被广泛使用, 近年来的研究方向有：

• 对 SSE 功能性的提升, 如支持布尔查询的方案、支持关键字排序搜索的方案以及加入审计方对外包数据完整性的认证;
• 对安全性的提升, 如实现后量子的可搜索加密方案; 以及对效率的提升, 如引入多种索引结构 引入多种搜索方式 (Bloom 过滤器、并行搜索等)。

权衡功能性、安全性和效率, 找到新的平衡点, 对于改进优化 SSE 方案有着重要意义。

未来, SSE 技术将为数据隐私和高效数据检索提供更多解决方案。

随着新的应用场景的出现, 如边缘计算、物联网等, SSE 技术也将面临更多的挑战和机遇。

• 一种是客户端/服务器 (C/S) 架构, 其中数据主要存储在服务器上, 客户端仅通过与其进行交互来获取数据；
• 另一种是对等网络 (P2P) 架构, 在这种架构下没有中心服务器,彼此连接的计算机处于平等地位。

然而, 由于 P2P 架构缺乏认证性、真实性等安全性保障, 因此仅用于简单的文件共享等, 并未得到广泛应用。

区块链技术的出现, 为 P2P 网络带来了全新的发展机遇。

其利用密码学技术与共识算法, 在 P2P 网络中构建起分布式账本系统, 其中数据不再集中存储于单一中心服务器或数据库, 而是分散存储于网络中的多个节点上, 每个节点都拥有完整的账本副本。

由于区块链自身的去中心化本质意味着数据分布式存储于全球的多个节点上, 这使得任何人都可以访问区块链上的信息, 从而导致一系列隐私与安全问题。

此外, 区块链自身的存储与计算能力有限, 无法满足日益复杂的应用需求。

因此, 实现链上匿名性、不可链接性以及可扩展性对于实现区块链广泛应用与发展至关重要。

密码学环签名、零知识证明技术为上述问题提供了解决方案。

在以 Bitcoin为代表的加密货币交易过程中, 发送者使用自己的私钥创建一笔交易, 其中包括目标地址、交易金额等信息, 连同其公钥广播给区块链各节点。

区块链节点需验证交易的有效性, 包括检查发送者是否有足够的资金执行交易, 以及签名是否有效。

若验证通过，则等待将该交易打包进区块中。

尽管在上述场景下, 用户的社会身份与公钥对应的数字身份分离, 但由于交易细节是公开的, 随着交易过程的不断积累, 恶意的攻击者可依靠外界信息将数字身份其社会身份关联。

在此背景下, 基于零知识证明技术的匿名交易协议 Zerocash被提出, 并发展为 Zcash 数字货币产品。

在 Zcash 的交易过程中, 发送者可在不透露所拥有确切余额、地址等详细交易信息的情况下, 使用零知识证明技术向区块链节点证明交易的有效性, 如交易金额与输出金额一致、交易方拥有支配交易金额的私钥等。

传统数字货币与匿名货币的对比见图 5。

继 Zcash 之后, Monero 也是一种基于密码学技术实现的隐私货币产品。

其使用签名技术对交易信息进行签名以实现交易发送方的不可追踪。

同时, 为隐藏交易金额, Monero 使用了零知识证明技术, 在交易过程中对“输出金额与输入金额一致” 这一断言进行证明。

对外, 由于交易金额在隐私保护过程中存在模运算, 需对其进行范围证明以防止负数的产生, Monero 最初使用环签名解决这一需求, 后改用零知识证明技术以提高证明效率。

此外,Grin、 Beam 等区块链隐私货币项目近年来也得到广泛关注, 其均使用基于零知识证明等密码技术的 Mim-blewimble 协议实现高效的隐私保护。

当前基于零知识证明的主要加密货币产品如表 1 所示。

除匿名货币外, 密码学技术在区块链电子投票领域也得到广泛应用。

相较于传统的中心化电子投票系统, 基于区块链的去中心化电子投票可保证选票内容的不可篡改、不可伪造以及选举过程的公开透明。

然而, 为了确保各选票的合法性, 投票者必须首先通过身份验证程序来证明其有资格行使投票权。

由于区块链上的信息是公开的, 任何人都可以将选票与身份认证信息相关联, 从而核实其所投的选项。

为在选票匿名的前提下实现结果的可验证性, 零知识证明技术起到关键作用。

该技术允许投票者在不泄露任何个人信息的前提下, 证明投票过程合法。

同时, 公众可独立地对投票过程和结果进行检验。

零知识证明被广泛应用于上述电子投票系统中, 以提高投票系统的安全性和可信度。