40年前为公钥加密法打下基础 密码学家获图灵奖百万美元奖金

2020-08-11 浏览量:227

被视为电脑科学界诺贝尔奖、记念现代电脑科学奠基者图灵(Alan M. Turing)而设的图灵奖,今年由两名密码学家迪菲(Bailey W. Diffie)及赫尔曼(Martin E. Hellman)获得,两人同时得到自2014年起由Google赞助的100万美元奖金。迪菲曾任昇阳电脑(Sun Microsystems)安全主管,赫尔曼则是史丹福大学荣休教授。

网络通讯的基础

图灵奖由计算机协会(Association for Computing Machinery)举办,协会主席胡夫(Alexander L. Wolf)讚扬两人的洞见︰「现在媒体都在报导加密的议题,这被视为跟国家安全有关,影响政府及私人企业之间的关係,以及带来数以十亿美元计的研究、开发经费。1976年迪菲及赫尔曼想像,未来人们会透过电子网络通讯,并且容易被窃听、篡改通话内容。40年后的今天,我们可以看到他们的预测非常有先见之明。」

Google的科学家博达(Andrei Broder)表示︰「公钥加密法是我们这个行业的基础。要保护私密数据,我们必须依靠通讯协议来确认对方身份,以及通讯的可靠与保安。这些现时广泛使用的通讯协议,均来自迪菲和赫尔曼首创的意念及方法。」

密码学的新方向

迪菲及赫尔曼对密码学最重要的贡献,来自两人1976年的论文〈密码学的新方向〉(New Directions in Cryptography),文中描述了后来称为「迪菲—赫尔曼密钥交换」的机制,为加密通讯以至互联网打下重要基础,亦如论文标题所言为现代密码学提供新方向。

在公钥加密法出现前,所有加密法都是「对称」的,即知道如何加密就能知道如何解密,所以传信及收信双方共用一套加密方法。问题在于实际应用上,双方必须确保最初的通讯渠道安全、无人窃听才能交换加密方法,否则无法让讯息内容完全保密。

当时密码学的一个难题是︰能不能在公开的通讯中安全地传送加密讯息?

►不用数学,一张图了解公钥加密法原理

公钥加密法的重点,在于引入「公钥」及「私钥」的概念︰公钥可以公开给外界,用作加密讯息,而私钥则自己保管,用来解密讯息。这样把加密及解密的过程分开,就不用再担心通讯渠道不安全的问题。

如何安全地交换密钥?

而「迪菲—赫尔曼密钥交换」严格来说并非加密法,而是让人能够在不安全的通讯渠道中,安全交换共用密钥的机制。正如公钥加密法一样,密钥交换的技术细节需要用到一些数学,但基本原理不难明白。下图以颜色作为比喻,解释其运作原则。

40年前为公钥加密法打下基础 密码学家获图灵奖百万美元奖金
Original Image Credit: A.J. Han Vinck, Public Domain

让我们请来密码学中经常出现的Alice及Bob,他们希望得出一个两人共享的秘密,用作加密通讯的密钥,但他们只能够公开交换讯息——因此其他人可能看到。那幺如何做到呢?

首先,他们指定一种共用颜色——上图的黄色——给别人知道也没有问题。然后两人各自选定一种只有自己知道的秘密颜色,再各自跟共用的黄色混合。由于两人选的颜色不同,混合后得出不同颜色,然后再公开交换。

在此,我们需要假设别人就算看到两人交换的颜色,也难以找到其秘密颜色是甚幺——这是以颜色作比喻较不準确之处,实际上,迪菲和赫尔曼使用巧妙的数学去解决这问题。

交换颜色后,两人可以把得到的颜色再混入自己的秘密颜色,得出的颜色就由共用颜色、Alice的秘密颜色以及Bob的秘密颜色混合而成,可作为他们的共享秘密。由于两人的秘密颜色均没有公开,因此外人在上述假设下无法得悉混合出来的最终颜色。

第三位发明人

〈密码学的新方向〉中提到,赫尔曼的学生梅克尔(Ralph Merkle)早两年的论文〈在不安全渠道中的安全通讯〉(Secure Communications over Insecure Channels)首先提出公钥加密法的概念,赫尔曼亦认为其密钥交换机制应称为「梅克尔—迪菲—赫尔曼密钥交换」,以反映梅克尔的贡献。在1977年申请的密钥交换机制专利书上,也列明梅克尔、迪菲及赫尔曼均是发明人。

今次获奖以前,迪菲及赫尔曼亦曾联同梅克尔,因为他们对公钥加密法的贡献而获奖。包括1996年计算机协会的Paris Kanellakis理论与实践奖,以及2010年电机电子工程师学会(IEEE)的Richard W. Hamming奖。

2010年三人获奖时,赫尔曼曾表示「梅克尔值得跟我们获得同等荣誉,对于他获奖我非常高兴」。然而今次梅克尔未能同时获得图灵奖,甚为可惜。

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