密码学为何称之为密码学？密码和密钥究竟有何区别？隐私保护方案中，密钥的角色是否可以被替代？密钥在使用过程中存在哪些风险？
这里，我们将以密码学中的密码为起点，展开一系列对密码学算法核心组件的技术剖析。密码和密钥在密码学算法中有着至关重要的地位，了解密码和密钥的作用，有助于理解基于密码学的隐私保护方案是否具备有效性。密码和密钥对于用户而言，则是最终达成隐私数据『始于人、利于人、忠于人』隐私保护效果的无上法器。
密码学的英文为Cryptography，源自希腊语“κρυπτ??秘密”和“γρ?φειν书写”。最初，其研究主要集中在『如何在攻击者存在的环境中隐秘地传输信息』，是一个关于信息编码的学科，由于其最重要研究目标之一是保密，实现敏感信息的秘密编码，所以被称之为密码学。
密码学中的密码，和我们日常生活中登录各类信息化系统所使用的密码是两个不同的概念。前者包含了信息加密编码、密文解密解码、数据完整性验证等一系列信息变换过程。而后者更多地是指代密码学信息变换过程中所使用的便于用户记忆的一类密钥，为了以示区别，在下文中称之为用户口令。
CZ：密码管理器LastPass遭遇泄露，用户需要确保已启用2FA双因子验证:金色财经报道，据币安首席执行官CZ在社交媒体透露密码管理器LastPass遭遇泄露问题，CZ称自己曾在博客文章中推荐过这个密码管理器。据LastPass称本次问题对客户密码没有影响，因为客户需要自己在客户端加密，但黑客目前已经拥有了用户信息，包括未加密的电子邮件地址和网站URL。尽管LastPass随后提供了更新，但CZ仍提示如果重复使用主密码的密码或主密码较弱，则黑客有可能获得所有凭据，另外用户需要确保已启用2FA双因子验证。据此前报道，LastPass于今年八月部分源码泄露。[2022/12/24 22:04:28]
在密码学中，密钥的作用与现实生活中的钥匙很相似，只有掌握密钥的用户，才能解密对应的隐私数据，或进行数字签名等相关敏感操作。
为什么密钥能够有这么神奇的作用，一切要从柯克霍夫原则谈起。
柯克霍夫原则
柯克霍夫原则是现代密码学算法设计基本原则之一，最早由荷兰密码学家Auguste Kerckhoffs在1883的论文La Cryptographie Militaire（军用密码学）中提出。
浪潮集团王伟兵：标识解析、标识密码、区块链是构建工业区块链三个技术要素:金色财经现场报道，12月5日，2020世界区块链大会于武汉举办，会上浪潮集团区块链技术研究院首席架构师王伟兵演讲表示，消费互联网是实现人和人的连接的，工业互联网从技术上看更偏重物，工业互联网数量多，管理难度大，面向物的标识解析和密码学适合应用。标识解析的本质是提供名称映射的分布式数据库，构建工业区块链的三个技术要素是标识解析、标识密码、区块链。标识解析需要目录服务、数据共享，标识密码主要做设备身份认证、设备写入链，区块链则增强安全，完成可信交易。[2020/12/5 14:06:24]
其核心思想是『密码学算法的安全性，不应该建立在算法设计保密的基础上』。即便算法设计是公开的，只要实际使用的密钥没有被攻击者获知，密码学算法产生的密文信息就不应该被轻易破解。
被誉为“信息论之父”的美国数学家、电子工程师、密码学家Claude Elwood Shannon后来将这一原则进一步扩展，应用到任意信息安全相关的系统，由此也奠定了密钥在现代密码学中的核心地位。
声音 | 重庆工商大学刘昌用：区块链的本质是“密码共识”:据陨石财经报道，11月10日下年，在重庆工商大学主办的2019密码经济研讨会上，重庆工商大学区块链经济研究中心主任刘昌用以《密码经济的性质和结构》为主题发表了演讲。刘昌用认为非对称密码带来了革命，能够解决支付产权确认和转移中对中介的依赖。并表示区块链的本质是“密码共识”，提出了个密码共识的公式，即密码共识＝非对称密码技术+分布式共识。刘昌用还提出了两个基本思想:一是非对称密码技术改造了人类财产确定和转移方式;二是公共基础设施无法信任任何人的场景应用，全球的经济基础设施定了可以建立这个系统的技术条件。[2019/11/10]
密钥具体如何使用呢？这里有必要回顾第3论中提到的，密码学算法设计所基于的计算不对称性，以及与之相关的一个重要概念——单向陷门函数。
一个单向陷门函数可以抽象为y = f(x, key)，其中，x为敏感的隐私数据输入，y为经过算法保护的不敏感输出，key就是密钥。实际情形下，根据具体密码学算法设计和实现上的差异，密钥key可以有不同的表现形式，也可以表现为多个秘密参数。
声音 | 王小云：密码技术将深度融合5G、区块链等技术，为物联网安全保驾护航:2019物联网密码应用专题峰会在无锡召开。密码学家、中国科学院院士王小云在会上表示，物联网络设施，是经济社会运行的神经中枢，也是可能遭到重点攻击的目标，而密码是保障物联网网络安全的核心技术和基础支撑。密码学是集数学、信息科学、计算机科学和物理学等于一体的深度交叉与融合的学科。密码技术将深度融合5G、区块链、人工智能、卫星通信等技术，为物联网安全保驾护航。（经济参考报）[2019/9/12]
如果以上函数是一个密码学安全的单向陷门函数，在不知道密钥key的前提下，很难从输出y通过逆函数反推出输入x，由此避免了隐私数据的泄露。
由此可见，密钥就是密码学信息变换过程中的最高机密。谁掌握了密钥，谁就掌握了隐私数据的访问权。
人类可用的密钥
动态 | 近 27 亿电子邮件地址和密码等组合的文件被泄露系有人在暗网上售卖:根据慢雾区情报，近日有人泄露了近 27 亿电子邮件地址和密码等组合的文件，随后慢雾安全团队进行了持续跟踪与分析。之后发现，有人在暗网上售卖 “Collection #1~5, Latest Anti Public (120GB) and Zabagur #1” 总计 847GB 的数据，数据结构涉及如下组合：电子邮件地址/密码、用户名/密码、电话/密码等。
经过慢雾安全团队的确认：此次泄露数据量极为巨大，这些泄露的部分数据很可能会严重威胁大量交易所用户的资产安全，慢雾安全团队提醒数字货币相关用户及交易所注意风险，提高风控级别，及时阻拦可能存在的异常登陆及交易操作。[2019/1/23]
一般而言，再精密的隐私保护方案，最终都需要服务于人类用户。由于密码学隐私保护方案的安全性很大程度上取决于密钥的长度和复杂性，这也为人类用户在使用密钥时带来了不小挑战。
目前业界主流推荐的密码学安全强度是256位，即密钥的信息熵至少等价为256比特的随机数。如果我们用常见的字母数字来设定用户所用的密钥，该密钥的长度至少为256/log2(26*2+10) ~= 43个随机字符。
考虑到用户通常为了便于记忆而拼接字典中的单词来构成密钥，此时为了满足密钥信息熵的随机性要求，实际可能需要使用长度更长的密钥。
相比之下，现有系统对用户口令的长度一般要求在6~20字符之间，对于部分应用4~6位数字用户口令也不少见。所以，这些用户口令的随机性和长度都不足以达到256位安全强度。
如果一个隐私保护方案所使用的密钥只源自用户口令，是无法满足隐私数据的安全性要求的。
然而，普通人类并不具备计算机一般强大的计算和记忆能力，难以记忆和处理过长的密钥。此时，需要借助技术手段来提高人类可用密钥的信息熵，常见的解决方案有以下三类：
三类解决方案中，平台全权托管的用户体验最好，同时也伴随着最大的隐私风险。混合托管和本地全权托管，在用户体验上差异不大，混合托管相关的隐私风险更低。
需要注意的是，这里存在一个固有的设计取舍，隐私数据的自主权与数据服务的完备性不可兼得。
平台全权托管方案中，用户隐私数据的实际控制权在平台手中，由此平台可以提供诸如用户口令重设、数据恢复等关键数据服务。
然而，在其他托管方案中，用户隐私数据的实际控制权在用户手中，一旦用户遗失密钥或用户口令，则平台无法解密对应的数据，也无法提供口令重设等相关密钥服务。
对于企业而言，具体方案的选择，需要结合用户使用习惯和行业监管要求，建议在平台全权托管和混合托管之间做选择。对于高敏感性隐私数据，酌情选择混合托管，并需要配合密钥恢复方案使用。
密钥相关的风险
隐私数据的自主权往往是隐私保护方案强调的重点，但是为了切切实实地获得控制权，仅仅是安全地使用单个安全密钥，就可能会给用户体验方面带来显著负担，而且还需要防范其他密钥相关的泄露风险。
这些风险可以大致分为以下两类：
内在风险
这类风险与隐私保护方案的内在设计和实现有关。由于绝大部分密码学算法和协议不是信息论安全，也就说，同一个密钥使用的次数越多，理论上被破解的概率越大。
对应的常见风险分析手段是，考虑对应密码学算法和协议在选择明文攻击（Chosen-plaintext Attack, CPA）和选择密文攻击（Chosen-ciphertext Attack, CCA）下，是否依旧安全。
这两类攻击都允许攻击者获得一定数量的隐私数据明文和密文对，由此分析破解所使用的密钥。
在现实生活中，攻击者非常有可能获得这样的能力，截获明文和密文对，甚至主动注入数据，生成破解分析所需的明文和密文对，这类风险是真实存在的。
外在风险
这类风险虽然与隐私保护方案的内在设计和实现无关，但却实实在在地对方案的实际效果产生巨大威胁。
比较典型的攻击有社会工程学，具体指通过性手段，如钓鱼网站、短信等，诱导用户直接给出密钥，或者通过下载安装病木马，间接盗取密钥。
无论是哪一类风险，如果用户只有一个密钥，一旦被盗，所有的账户都有被盗的风险，后果不堪设想。
处理好这些风险的必要条件，就是产生并使用多个随机密钥，但这也为隐私保护方案的可用性带来了更大的挑战。
无论隐私保护方案设计安全性多高，如果由于用户体验差，用户难以接受，或者以不安全的变通方式使用，其真实有效性都会大打折扣。这也是学术方案向业务方案转化最常见的阻碍之一。
除了探索更优的方案设计，适当的用户教育也是非常必要的推广手段。
总体而言，同时处理好密钥使用过程的安全性和可用性，是落实隐私保护的重要前提。
正是：隐私数据控制难自主，访问密钥在手任我行！
密钥是任何基于密码学技术方案的最高机密，如何保障其安全性，并让作为隐私数据属主的人类用户方便地记忆和使用，是将隐私控制权回归属主的关键。
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