以圖靈獎為主線的《密碼協議》教學設計

趙秀鳳+高海英+郭戈

摘要：《密碼協議》涵蓋密碼協議基本概念、基本設計方法以及各類密碼協議的實例三大部分內容，是密碼學相關專業高年級學員的選修課。圖靈獎由美國計算機協會在1966年設立，是專門為獎勵那些對計算機事業做出重要貢獻的個人而設立的，是計算機界最負盛名的獎項，有“計算機界的諾貝爾獎”之稱。教師在《密碼協議》的教學實踐中，可以圖靈獎為主線組織教學內容，并將密碼故事融入課堂的教學之中，這樣既可以提高學員的積極性，又可以對學員進行密碼文化的熏陶，有助于取得良好的教學效果。

關鍵詞：密碼協議；圖靈獎；教學設計

一、引言

隨著軍事信息化建設的日益發展、科學技術的不斷進步，網絡安全已經由個人隱私與機密性的問題逐漸上升為國家安全的軍事戰略問題，沒有網絡安全，就沒有國家安全。當前，各國都充分認識到網絡安全的重要意義與作用，都在積極探索對網絡安全問題的研究，而密碼協議是解決網絡安全問題的一種最直接、最有效的手段，它可以有效地解決密鑰分發、身份認證、消息完整性認證等一系列重要的安全問題，為網絡安全提供必要的保障。

中國人民解放軍信息工程大學面向密碼學相關專業高年級學員開設了《密碼協議》這門選修課，旨在通過對該門課程的學習，使學員理解密碼協議的基本概念、了解密碼協議設計的基本原則與方法、了解各類密碼基礎協議和高級協議、培養學員密碼協議設計與分析的基本能力，為網絡空間安全防御提供知識儲備。《密碼協議》雖然是一門選修課，但是，學校及教師對這門課程給予了充分的重視，學校及教師都積極探索這門課程的教學設計與教學方法，以期取得良好的教學效果，真正培養學生服務網絡安全的能力。

《密碼協議》涵蓋密碼協議基本概念、基本設計方法以及各類具體的密碼協議實例三大部分內容。從密碼協議與具體應用的關聯性來分，內容包括基礎密碼協議和應用密碼協議。其中，基礎密碼協議包括密鑰交換協議、秘密共享協議、身份識別協議、承諾協議、零知識證明協議、安全多方計算協議以及數字簽名協議等，而應用密碼協議包括Kerberos認證協議、x.509協議、IPSec協議、TLS/SSL協議、Internet密鑰交換協議、802.11i認證協議等，如下頁圖1所示。

二、以圖靈獎為主線的課程設計

圖靈獎由美國計算機協會于1966年設立，是專門為獎勵那些對計算機事業做出重要貢獻的個人而設立的。圖靈獎的名稱取自計算機科學的先驅、英國科學家艾倫·麥席森·圖靈（Alan M·Turing），這個獎設立的目的之一就是為了紀念這位偉大的科學家。圖靈獎的獲獎條件要求極高，評獎程序非常嚴格，也較為復雜，一般每年只獎勵一名計算機科學家，只有極少數年度有兩名合作者或在同一方向做出突出貢獻的科學家共享此獎。因此，它是計算機界最負盛名、最崇高的一個獎項，有“計算機界的諾貝爾獎”之稱，是廣大計算機科學家們心中最神圣的愿想。

從1966年到2015年，圖靈獎一共舉辦了50屆，共有64名獲獎者，其中有8名密碼學家獲此殊榮，而這8位密碼學家所研究的內容都與密碼協議息息相關。因此，筆者考慮以圖靈獎為主線進行《密碼協議》的課程設計，如圖2所示。經過教學實踐的檢驗，筆者發現以圖靈獎為主線而進行的《密碼協議》的課程設計，可以提高學員對《密碼協議》的學習興趣，也可以對學員進行“潤物細無聲”的密碼文化熏陶，取得了良好的教學效果。

（一）密鑰交換協議

密鑰交換協議使參與方在公開的信道上交換信息以建立共享的秘密，也稱為會話密鑰，用于以后的安全認證和保密通信。2016年3月，美國計算機協會宣布今年圖靈獎的得主是前Sun公司的首席安全官菲爾德·笛菲（Whitfield·Diffie）和斯坦福大學電氣工程系的名譽教授馬丁·赫爾曼（Martin·Hellman），兩人獲得今年圖靈獎的原因是兩人在1976年發表的論文“New directionsin cryptography（《密碼學的新方向》）”。二人在這篇論文中首次提出密鑰交換協議，同時也提出了公鑰密碼學的思想，在密碼學歷史上具有里程碑的意義。目前，他們的理念被廣泛地應用于互聯網通信，有重要的理論意義和現實價值，他們獲得“圖靈獎”實至名歸。

認證協議是指一個通信過程或協議，通過這個過程，一個實體B和另一個實體A建立一種真實的通信，使得B能夠驗證A確實就是自己要與之通信的那個實體，而不是A的實體無法向B證明自己就是A。通信雙方運行實體認證協議的目的是希望進行真實而安全的通信，確保信息的安全。認證密鑰交換協議是將認證協議和密鑰交換協議結合在一起，先對通信實體的身份進行認證，在認證的基礎上再進行密鑰交換。

（二）秘密共享協議

門限秘密分享的基本思想是把秘密信息進行拆分，稱為秘密分額，然后將其安全地分發給n個用戶，使得：任意七個或更多用戶聯合可恢復出秘密；任意少于七個成員不能得到關于被分享的秘密的任何信息。門限秘密分享可以避免單個用戶腐敗帶來的安全隱患，使得密碼系統既能保證足夠的安全性，又能增強系統的魯棒性。

1979年，阿迪·沙摩爾（Adi·Shamir）在論文“How to share a secret（《如何分享一個秘密》）”中提出了門限秘密分享的思想，為密碼系統應用提供了密鑰分散管理的關鍵技術。沙摩爾教授是世界上著名的密碼學家，為現代密碼學提供了很多新的理念，是密碼學界公認的領軍人物。他與羅納德·李維斯特（Ronald L·Rivest）和倫納德·阿德曼（Leonard M·Adleman）共同創立了以他們三個人的名字命名的RSA公鑰密碼系統。這個系統從提出到現在經歷了各種考驗，逐漸被人們接受，現在普遍認為是目前最優秀的公鑰方案之一。為了表彰他們在公鑰密碼算法方面做出的杰出貢獻，2002年，他們被授予圖靈獎這一偉大的榮譽。

（三）零知識證明協議

零知識證明是一種協議，這種協議的一方稱為證明者，它試圖使被稱為“驗證者”的另一方相信某個論斷是正確的，卻不向驗證者提供任何有用的信息。零知識證明根據通信雙方是否交互可以分為交互零知識證明和非交互零知識證明兩種。非交互零知識證明可以用于構造群簽名、環簽名、投票協議等。

1985年，沙菲·戈德瓦塞（Shafi·Goldwasser）和西爾維·奧麥克林（Silvio·Micali）在發表了題為《知識復雜性的交互證明系統》的論文時給出了“零知識證明”這一概念，通過控制泄露知識提供必要的語言談論安全加密協議，進而開創了可證明安全理論的先河，奠定了現代密碼學理論的數學基礎，使得密碼學從藝術變成科學，具有極其重要的意義。他們在密碼學和計算復雜性理論方面的研究成果使得計算復雜性理論獲得了根本性的進步，被贊譽“革新了密碼學”，具有里程碑意義，并為在線交易安全制定了黃金標準。因此，他們眾望所歸，榮膺了2012年的圖靈獎。

（四）多方安全計算協議

多方安全計算協議的目的是為了保證在分布式環境中各參與方以安全的方式來共同執行分布式的計算任務。該類協議的兩個基本屬性是保證協議的正確性和各參與方私有輸入的秘密性。比如，電子選舉協議、電子拍賣協議等都是安全多方計算協議的實例。

1980年，姚期智在論文“Protocols forsecure computations（《協議安全的計算》）”中提出了著名的百萬富翁問題，開辟了安全多方計算的研究領域，具有重要的意義。姚期智的研究成果涵蓋計算理論及其在密碼學和量子計算中的作用，他因此獲得了2000年的圖靈獎。圖靈獎自成立至今，共有60多名得主，按國籍分，美國學者最多，歐洲學者偶見之，姚期智是目前唯一的獲得此項榮譽的華人，值得我們為他自豪。

三、結束語

圖靈獎被稱為“計算機界的諾貝爾獎”，是計算機界的最高榮譽，歷屆的獲獎者都取得了突破性的研究成就，為計算機界的發展與榮譽做出了杰出的貢獻。以圖靈獎為主線進行的《密碼協議》課程設計，大大提高了學員的學習興趣，激發了學員的學習熱情，同時，教師通過在課堂上插入密碼學的小故事，使得學員也受到了密碼文化的熏陶，這種方法在密碼學其他相關課程的教學理論與實踐方面也具有重要的參考價值與實踐意義。endprint