计算机时代的对称密码学：从100美元富兰克林到二进制XOR到AES

作者：村头二旧（加密二锅头） 

计算机没有出现的时代是古典密码学，计算机出现后是现代密码学。有什么区别呢？

大家回忆下之前所讲的隐藏法、移位替换、维吉尼亚加密、包括二战时期的恩尼格码机，都是英文字母，比如恩尼格码机的26个齿轮槽对应26个英文字母。

计算机读的是0和1，这根芯片基本结构单元二极管相关。那么，计算机出现后，语言学家就退居二线，现在不太需要英文字母了，加密解密的过程全部由计算机完成，而0和1的二进制世界来了。

比特序列开始统治之后，需要找个方法把语言文字变成二进制比特序列，将现实世界的东西映射为比特序列的操作叫做编码（encoding），这个编码有个规范叫做ASCII。

以上就是一部分二进制的对照表，网上很容易可以搜到。

这背后有有趣的东西。ASCII是IEEE的里程碑作品之一。IEEE就很有意思了，全称是：美国电气和电子工程师协会。总部在美国纽约，“拥有来自175个国家42万会员”，1963年就开始发展了。所以现在很多区块链项目动不动说是十万百万粉丝，这个很难的，你看看IEEE的发展就好了，当然啦，你说区块链行业的分布式，以及高明的传播，会加快一切进程，也对，十万会员的技术组织是很难的，十万关注的人是可行的。

IEEE最早的里程碑作品是本杰明·富兰克林的成名著作《电力的实验与发现》在1751年的时候发表，富兰克林就是美国一百元钞票上面的头像人物。

电子电气工程、通讯、计算机科学和工程这些学科的先驱之一是富兰克林，不是二战时候的美国总统富兰克林·罗斯福，是美国的开国时期的大佬。密码学和这些学科是交叉在一起的，所以，有趣的事情就是， 密码学从一开始就和钱有关系 。100美元的钞票上面印着的这个大佬，更多不是因为他在学术上的贡献，是因为他是财政部长、外交部长、印刷厂长、起草《独立宣言》、“第一个真正意义上的美国人”、代表了美国精神等等成就。

大家可以看下IEEE发展史，链接如下：

https://zh.wikipedia.org/wiki/IEEE里程碑列表

回到我们的二进制编码，ASCII，这时候语言文字变成了0和1， 也就是我们不需要对着字母去捣鼓折腾了，只需要改变0和1就可以对内容进行加密 。

下面以非常直白简单的语言讲一下怎么加密的？

什么是XOR？

XOR叫exclusive or，也就是异或，本身是一种极为简单的运算。你把它当成小学时候学过的加减乘除的一种，当然，这么说高估了运算的简单，这么说吧， 一个小学生看XOR运算，绝对比加减乘除容易非常多 。

1 XOR 0结果就是1；

0 XOR 1结果就是1；

1 XOR 1结果就是0；

0 XOR 0结果就是0；

前后一样就是1，前后不一样就是0. 从上文表格里找一个字母比如说是a，a就是01100001. 随便找一个秘钥（钥匙），比如01010101. 当然可以是任意选择的，下面会讲的。

这就是用秘钥，XOR之后的结果，00110100就是密文。对照表格，这个二进制表达的信息就是：4

于是，原文的a就变成了密文的4，当然，有时候看起来没有这么规则更像是乱码。

记住口诀：同就是0，异就是1.这比背乘法口诀容易太多了，小朋友很快可以掌握。

给个图形化表达，更加容易理解：

用钥匙去XOR原文运算之后的结果可以通过钥匙反向推回来。这就是计算机时代的对称加密法。

普及下知识：

什么是比特Bit？ 什么是字节Byte？

上文中看到八位二进制就可以表达一个英文字母，那么，一个英文字母也就是一个字节，英文叫Byte，也就是1byte=8bit=8个二进制位。因为一个比特就是代表二进制里面的一位。再比如，一个汉字就是两个字节。标点符号另算。

下面讲一下分类：一次性密码本和分组密码

对称密码学中，一次性密码本属于流密码。流密码的定义更宽一些，本章不展开。

简单来理解就是，你有一段信息需要加密了，比如你的信息由1万个英文字母构成，转成二进制后有8万比特。

我现在生成一个二进制随机数，长度是多少呢？8万位，也即是说这个原文每个比特我都XOR了一下，而且没有什么规律，因为钥匙本身是个随机数（或者叫伪随机数）。

但是这样的加密比较麻烦，安全性不错，效率不高，钥匙和原文一样长。你有个1GB的文件，加密一下后还是1GB，但是钥匙也有1GB，配送和保存都是问题，记住： 密码学中也有物流问题，主要是传输秘钥。

这时候用一个固定长度的加密秘钥，去对原文循环加密，简化模型后，可以这么说，8万比特长度的原文，我拿着80比特长度的钥匙去加密，需要1000个循环。记住，这是简化的模型，实际操作的时候，比这个复杂。

分组秘钥是被广泛运用在通讯、电子商务、金融系统等领域的加密法。注意，不是以后有了非对称加密，对称加密就没有用了， 对称加密有对称的安全，非对称有非对称的麻烦 ，不是一棍子直接打死的。

DES和AES是什么？

“数据加密标准（英语：Data Encryption Standard，缩写为 DES）是一种对称密码的分组密码，由美国国家标准局于1976年选择作为美国的官方联邦信息处理标准（FIPS），随后广泛被国际使用。”

后来又有了AES（2001年），A就是advanced就是更先进更高级不是American，AES的加密方法选拔是全球公开的，AES既是美国的，又是全球的。选拔由美国一个标准化机构NIST举行，评审不是他们，是全球企业和密码学家以及参赛者共同完成。如果全世界密码学家都找不到加密方法的弱点，兼顾效率和安全性之后，就会被选上。

被选上的算法，要求免费公开给全球使用。有点像打擂台，看看谁的功夫好，就选谁，并且选好了之后把这套内功心法交给全球人民。比如我们现在广泛使用的AES实际就是Rijndael算法，是在2000年从候选算法中被选出来的。

这个图片中的五家就是候选的算法了。出现了RSA公司，RSA算法就是非对称密码中最广泛使用的密码算法。RSA公司在20世纪末举行过好几场比赛，干什么呢？去组织人破译DES的对称算法，确实破解成功了，本来对称密码学中的分组密码就是可以被破解的，RSA找人破解了DES算法，又在后来提交了AES算法，并成功“提名奥斯卡”，只是最后时刻落选了，最佳算法颁给了Rijndael。

不过，在非对称密码领域，RSA那是封神的存在，也正是有了非对称密码，区块链的诞生才有可能。

我们下面就开始进入非对称加密和区块链密码学领域了，请拿好小板凳，做好笔记。