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《复联3》中的密码学：随机数和伪随机数

村头二旧2019-09-23 12:28:13

上一讲讲到，维基尼亚加密法的应用，有一个大的前期，就是这个钥匙能不被破解，至少钥匙的长度不被破解。

将维吉尼亚加密法升级一次变成2.0 版本：钥匙变长

那么，如果这个钥匙非常长呢，长到和原文一样长呢，那么相当于用《金刚经》加密《道德经》——把他们全部换成英语字母的情况下。

举这个例子并非无厘头，因为这两部经典“书籍”的长度都是5000字左右，（5100多字），这样，是不是就会完全没有办法用频率破解法破解了呢？

其实不一定的。钥匙是《金刚经》的经文，这经文中的重复非常多，比如 “如是我闻”“须菩提”在文中出现的频率非常高，“佛说世界，非世界，是名世界”这类句式也非常多。

那么，你说，拿着《哈姆雷特》原文对《道德经》的英文版，进行加密总行了吧。也不行，因为，“and”“the”“a”“an”“he”“she”这样的连接词、冠词、人称代词到处都是，不断重复，如果要破解还是很有办法的。

那怎么办？

不要用文章或者有规律的诗文进行加密了，用随机数。

维吉尼亚加密法再升级：钥匙变成随机数

但是，什么是随机数？随机产生的数吗？什么是随机？

你在跑步或者休息的时候，打开QQ音乐或者网易云音乐，然后你点击随机播放，这就是随机数吗？

并不是的。如果有100首歌要听，而你用真正的随机播放的话，这一百首音乐，可能需要非常长的时间才能听完，因为随机播放的时候，是不会考虑这首歌是不是在十分钟前已经播放过了。苹果公司的音乐软件曾经用随机播放，然后客户抱怨这个不是很“随机”呀，然后苹果公司改了算法，变成了“循环同余随机”，就是你听到的音乐感觉是随机的，随机地听完了100首音乐。现在基本上音乐播放器都是这套规则。所以，QQ音乐或者酷狗等等音乐播放器，你选100首歌，在随机的情况下，基本上不会有太多重复。

还有一个例子，一名数学教授给学生讲概率论，让学生回去掷100次硬币，然后每次的结果需要记下来然后交给老师。教授看了学生提交的作业后，很快就知道谁是一次一次的投硬币了，谁没有。秘密就是：真正自己投掷硬币的话，好几次甚至几十次都是正面或者反面，都是有可能的，而那些不用手去做，只是在脑中思考的人会按照一定的规律交替出现正面和反面，因为看起来非常的随机。

同样的，你在键盘上乱七八糟的打字母，出来的也不是真随机，给你足够长的时间，规律就出来了。凡是软件制造的随机都是伪随机，真随机是非常少见的情况。

这样使用随机数，单次密码本的维吉尼亚加密法是可以非常安全的加密，但是，诞生之初没有人去用，因为效率太低了。

所以密码学一开始就有着效率和安全的双重要求，就和区块链暂时不好突破的所谓不可能三角“去中心化、安全、效率（可扩展性）”一样，这三样密码学的发展就占了其中两样，毕竟， 区块链是密码学下的蛋。

扩展内容：

深化了解随机数和伪随机数

对于懂一些编程的朋友，会知道rand()或 random()，这两个函数就是计算机程序用来生成随机数的，这产生的随机数也是伪随机数，我们尽力的去接近随机数但是并不是真的随机数。

引出了密码学中随机数的定义（网上有很多，以下是结合wikipedia定义加一些内容让大家更容易理解）：

1，统计学上的随机性：对于机器来说，所有的信息都可以转化成0和1，也就是一段信息中，0和1的数量是接近的，但是，给你一个十位的二进制随机数，最好不可以是0000011111，为什么呢？肉眼一看就不是随机的，01 10 00 11这样的数组也数量接近，以此类推，这样的情况下，人类看上起这就是随机的。

2，码学安全伪随机性。其定义为，给定随机样本的一部分和随机算法，不能有效的演算出随机样本的剩余部分。

3，真随机。

也就是随机样本不可重现。这个是一个非常玄乎的东西。历史上出现过的人类，从一定程度上就是真随机的，不可能出现一模一样的人。但是这么说就太不学术了，实际上只要给定边界条件，就没有真随机数。

当然，你从网上也可以找到一些“真随机数”生成器之类的程序，去生成“真随机数”。如果将“真随机数”和“伪随机数”图像化，大概就是如下图这样。