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混淆程序：代碼最安全的加密方式 IO存在性被證實但還難以抵御量子計算

2021-01-11 15:58:44來源：科技日報

幾十年來

，計算機科學(xué)家一直都想驗證是否存在絕對安全的方法來加密計算機程序，讓人們在使用計算機的同時卻無法破解其程序。

在2020年底

，幾位學(xué)者成功找到了一種加密方式

，讓計算機用戶無法通過獲取代碼破解程序。

加密程序代碼

首先要對其進行混淆

不可區(qū)分混淆(indistinguishability obfuscation

，簡稱IO)是一種強大的加密算法，它不僅能隱藏數(shù)據(jù)集

，還能隱藏程序本身，從而實現(xiàn)幾乎所有的加密協(xié)議

。

要想知道不可區(qū)分混淆是什么

，我們不妨先來看一看混淆是什么。

對于程序員來說

，最寶貴的自然是代碼

，一旦源代碼被人獲取，基本上就等于程序員編寫代碼花費的心血付諸東流

，還會涉及到知識產(chǎn)權(quán)糾紛。為了保護代碼

，有的程序員會在導(dǎo)出程序之前采取一些手段來混淆程序

。

當前程序混淆有兩種方式，第一種是全文替換關(guān)鍵詞

，把整段代碼中所有的“命名”全部替換成數(shù)字(例如將ui_controller替代為a0123456);第二種是直接輸出編譯過后的代碼，將人們可以看懂的源代碼轉(zhuǎn)換成電腦看得懂的機器碼

，這樣別人就沒法直接打開這個文件看到原本的代碼了

。

這兩種方式的目的都是在導(dǎo)出程序的時候，把標注性的符號摘除

。從而達到不暴露源碼信息的效果。

但這兩種方式并不是真正意義上的混淆

，因為雖然人類難以理解這串代碼到底要做什么

，但如果把這樣的代碼放入編譯器中，讓編譯器去分析整個編程語言的語法結(jié)構(gòu)

，把每一行指令所要做的事情都歸納出來的話，那么很容易就能看出些端倪

。

真正意義上的混淆被稱作虛擬黑盒(Virtual Black Box Obfuscation

，VBB)

，相當于將一個程序C嵌入一個黑盒中

，我們可以在黑盒的一端輸入x

，另一頭會輸出C(x)。因為整個程序都藏在黑盒中

，我們完全無法得知任何C的構(gòu)造信息，也無法從輸出反推輸入

。

如果實現(xiàn)虛擬黑盒

，用戶可以使用程序卻無法理解程序本身，那么就能讓開發(fā)的程序永遠不被破解

，并且加密程序的過程也會十分高效

。

但虛擬黑盒的概念提出不久后

，很快就被潑了一盆冷水

。2001年，7位研究者聯(lián)手提出了一種特殊構(gòu)造的程序

，并證明通用的VBB混淆是絕對不可能的。

不過

，這7位研究者的成果中

，提出了一種混淆的新型定義——如果一對程序A和B具有相同的功能性

，能否通過一種新的混淆算法，使第三方無法區(qū)分兩個程序呢?對于這樣的混淆

，我們稱之為IO

。

其利用的原理是：如果把相同值輸入程序A和B，計算得到O(A)=P和O(B)=P

，在無法進入程序A或B的情況下

，在計算上分辨P來自于A還是B是不可行的

。

有了強大的不可區(qū)分混淆

，我們就能完美加密已有的程序，使其永遠不會被破解

。

IO存在性被證實

但還難以抵御量子計算

2013年，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的阿米特·沙海教授聯(lián)合其他5位學(xué)者提出一種IO協(xié)議

，把一個程序拆分為幾塊

，就像拼圖游戲

，單個碎片看上去毫無意義，但如果使用多線性配對方法將碎片正確地組合到一起

，程序就能正常工作

。

多線性配對本質(zhì)上是一種利用多項式進行計算的方法

，多項式是由不同變量和數(shù)字組成的數(shù)學(xué)表達式

，如3xy+2yz2

。為了保證其安全性

，用戶不能獲知整個過程中任何參數(shù)。

多線性配對方法中

，有一個重要的概念叫做“層數(shù)”

，它可以理解為運算公式中變量的階數(shù)，如3xy+2yz2為2階多項式

，即其層數(shù)為2;3xy+2yz4為4階多項式

，其層數(shù)為4。層數(shù)越多

，多線性配對的安全性越差。

2016年

，美國華盛頓大學(xué)副教授林惠嘉開始探索能否通過減少多線性配對的層數(shù)來實現(xiàn)IO。最初

，她想出了如何用30層多線性配對構(gòu)建IO

。接下來，她和其他研究者逐漸實現(xiàn)了只用3層多線性配對來構(gòu)建IO

。

表面上看

，這是一個巨大的進步。但有一個問題——從安全的角度來看

，3層多線性配對和其他3層以上多線性配對一樣不安全

。

此前，研究人員只知道2層及以下的線性配對是絕對安全的

。林惠嘉與阿米特·沙海聯(lián)手

，試圖找出如何用2層線性配對構(gòu)建IO

，但是很長一段時間研究都沒有突破。最終

，他們想出了一個折中方案：既然實現(xiàn)IO需要3層線性配對

，但為了安全需要減少到2層

，那么中間是否存在2.5層呢?

研究人員設(shè)想了一個系統(tǒng)，使用戶可以看到部分變量的值

，這讓整個機制不需要對太多變量進行加密

。但多項式被隱藏的變量必須不能超過2階，如3x2y+2yz4公式中

，z的值可以讓用戶看到

，而變量x、y的階數(shù)由于沒有超過2階因此被隱藏

。由此

，研究人員在保證線性配對安全性的前提下，成功實現(xiàn)了IO

。

雖然幾位科學(xué)家聯(lián)手證明了IO的存在性，但量子計算機的超強計算能力

，會使得目前絕大部分加密算法都無法抵擋，這意味著所有的加密信息

，都將會暴露在量子計算機的面前?div id="d48novz" class="flower left">

，F(xiàn)在研究者們正試圖開發(fā)一條新的通往IO的潛在途徑，希望能抵擋住量子攻擊

。(王昱編譯

，據(jù)《環(huán)球科學(xué)》)

責(zé)任編輯：孫知兵

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