加密技術如何保護您的數位世界：從古代到量子電腦

每天你都在信任加密技術，甚至常常未曾察覺。當你登入網站、進行線上支付或傳送私人訊息時——這一切都依靠著一門看不見但極其強大的科學。這不僅僅是技術工具；加密學是數位世界中信任的基石。在本文中，我們將探討它的運作方式、發展歷程、核心算法，以及它如何從個人通訊到全球區塊鏈基礎設施塑造我們的安全。

加密學真正的作用

加密學是一門關於確保資訊機密性、完整性、認證與作者不可否認性的科學。然而，這些科學術語背後，都是非常實用的任務。

想像：你有一則秘密訊息，需要保證只有收件人能讀懂。人類最早解決這個問題的方法很簡單——用其他字母取代原有字母。這是加密學的第一步。今天，它運用複雜的數學算法，但核心思想仍然相同：將資訊轉換成外人無法理解的形式。

加密學的主要目標可歸納為四個關鍵功能：

機密性——只有授權人員能存取資訊。你的加密訊息保持私密。

資料完整性——保證資訊在傳輸或存儲過程中未被更改，無論是意外還是惡意。

認證——驗證資料來源的真實性。怎麼知道訊息是由聲稱的發送者發出？

不可否認性——發送者事後無法否認自己曾傳送訊息或進行交易。

在現代世界，沒有加密學就不可能進行安全的金融交易、國家通訊、保密通訊，以及像區塊鏈和智能合約這樣的創新技術。

加密學已經在保護你

加密學無處不在，雖然你可能未曾察覺：

HTTPS與安全瀏覽。 瀏覽器地址列中的鎖頭圖示表示：你的連線已被保護。這得益於TLS/SSL協議，對你與伺服器之間傳輸的所有資料進行加密——密碼、信用卡資料、個人資訊。

安全訊息應用。 Signal、WhatsApp等應用採用端對端加密。這意味著：即使是訊息服務提供者，也無法讀取你的對話，只有你和收件人能解讀。

家庭Wi-Fi網路。 WPA2與WPA3協議加密你的流量，防止被網路管理者或竊聽者竊取。

銀行卡。 卡片上的微晶片包含加密金鑰，並在每次交易時進行認證，防止克隆。

數位簽章。 指令、合約、正式文件都可數位簽署，保證其真實性與未被篡改。

區塊鏈與加密貨幣。 加密雜湊函數與數位簽章確保交易的安全、透明與不可篡改。理解加密學的基礎，對於掌握數位資產世界至關重要。

VPN與匿名性。 在公共網路中加密你的網路流量，讓你的行為免於被監控。

加密與加密：重要的差異

這兩個詞經常被混用，但其實不完全相同。

加密（Encryption）——是一個過程，將可讀的文字轉換成不可理解的格式。你輸入資訊，算法處理後，輸出一串無意義的符號。解密則是逆操作。

加密學（Cryptography）——是一門更廣泛的科學。它不僅包括設計加密算法，還涵蓋：

• 密碼分析（Cryptanalysis）——破解密碼、尋找漏洞的科學。
• 協議（Protocols）——設計安全的交互系統，例如(TLS、密鑰交換協議)。
• 密鑰管理（Key Management）——安全產生、傳播與存儲密鑰。
• 雜湊函數（Hash Functions）——產生“數位指紋”以驗證完整性。
• 數位簽章（Digital Signatures）——用於認證與作者確認。

加密是加密學中的一個工具，但整個領域並不僅限於加密。

加密學的千年演進

加密學的歷史充滿戲劇性、天才創意與持續的攻防。

古代與中世紀

在古埃及(約公元前1900年)，人們用非標準的象形文字來隱藏內容。在古斯巴達(公元前5世紀)，士兵使用斯基塔拉——一根特定直徑的棒子，纏繞羊皮紙卷。訊息沿著棒子書寫，解開後，文字看似無意義的符號。只有擁有同樣直徑棒子的人才能讀懂。

最著名的古老密碼之一是凱薩密碼(公元前1世紀)。將字母向前移幾個位置，簡單有效，直到阿拉伯學者阿爾-金迪(9世紀)提出頻率分析法。他們發現：計算密文中各字母出現頻率，可以推測出原始字母。

在歐洲，維吉尼亞密碼(16世紀)曾被認為堅不可摧。它需要一個關鍵詞，決定每個字母的偏移量。但到了19世紀，查爾斯·巴比迪奇與弗里德里希·卡西斯基破解了它。

20世紀：機械時代

第一次世界大戰凸顯了密碼學的重要性。解碼齊默爾曼電報，大大促進了美國加入戰爭。

第二次世界大戰則是機械密碼的黃金時代。德國的恩尼格瑪機被認為幾乎無法破解。但波蘭與英國的數學家，包括傳奇的艾倫·圖靈，在布萊切利公園研發了破解方法。恩尼格瑪訊息的破解，影響了戰爭進程。日本也有紫色機，美國也學會了破解。

電腦革命

電腦改變了一切。1949年，克勞德·香農發表了《秘密系統通信理論》，奠定了現代密碼學的理論基礎。

1970年代，推出DES (資料加密標準)——第一個廣泛採用的標準。當時安全，但隨著計算能力提升，逐漸變得脆弱。

真正的革命是非對稱密碼學(1976)。威特菲爾德·迪菲與馬丁·赫爾曼提出了這一概念：如果你有兩個不同的密鑰——一個用於加密(公開密鑰)，另一個用於解密(私密密鑰)，該怎麼辦？不久，出現了一個實用算法——RSA(Rivest、Shamir、Adleman)，至今仍在使用。

現代的密碼類型

有兩大主要的加密方法：

對稱式加密

一個密鑰用於加密與解密。就像鎖與鑰匙——持有鑰匙的人可以打開。

優點： 非常快速，適合大量資料(影片串流、資料庫、壓縮檔)。

缺點： 密鑰傳輸的安全問題。若密鑰被竊取，整個系統崩潰。每對通訊方都需一個獨立密鑰。

範例算法： AES (現代國際標準)、3DES、Blowfish、GOST 28147-89與GOST R 34.12-2015 (俄羅斯標準)。

非對稱式加密

兩個數學相關的密鑰：公開密鑰與私密密鑰。任何人都可以用公開密鑰加密，但只有擁有私密密鑰的人能解密。

比喻： 郵箱。任何人都可以投遞信件，但只有擁有私鑰的人能打開。

優點： 解決密鑰安全傳輸問題。能實現數位簽章。是安全電子商務與密碼協議(SSL/TLS)的基礎。

缺點： 比對稱加密慢得多，不適合大量資料直接加密。

範例： RSA、ECC (橢圓曲線密碼學)、Diffie-Hellman。

如何協同運作

實務上常用混合方案。TLS/SSL (HTTPS)：用非對稱算法安全交換密鑰，之後用快速的對稱算法(AES)加密主要流量。

密碼雜湊函數：數位指紋

雜湊函數是一種數學運算，將任意長度的資料轉換成固定長度的字串(雜湊值)。

重要特性：

單向性： 無法由雜湊值反推原始資料。就像壓縮後無法還原。

確定性： 相同資料產生相同雜湊值。只要改變一個字元，雜湊值就會大幅改變。

抗碰撞性： 幾乎不可能找到兩個不同資料產生相同雜湊值。

應用： 驗證檔案完整性(下載後比對雜湊值)、安全存放密碼(資料庫中的雜湊)、數位簽章、以及區塊鏈(：鏈接區塊、識別錢包地址)。

標準： SHA-256、SHA-512 (全球通用)、SHA-3 (較新)、GOST R 34.11-2012「Стрібог」(俄羅斯標準)。

量子電腦威脅與新解決方案

強大的量子電腦對現有大多數非對稱算法(RSA、ECC)構成威脅。運行Shor算法的量子電腦，能在合理時間內破解。

世界的應對策略包括：

後量子密碼學。 開發基於格、碼、多維多項式與雜湊的算法(抗量子攻擊)。NIST積極標準化。

量子密碼學。 不用於計算，而用於密鑰保護。量子密鑰分發(QKD)：雙方可以安全交換密鑰，任何竊聽都會被發現。相關技術已在試點項目中測試。

密碼學與信息藏匿術（Steganography）

這兩者經常被混淆：

密碼學讓訊息變得不可讀，但大家都知道有訊息存在。

信息藏匿術則隱藏訊息的存在。可以將秘密藏在照片、音訊甚至文章中。乍看之下是普通圖像，實則藏有完整文件。

最佳策略是結合：先用(密碼學)加密訊息，再用(信息藏匿術)藏起來。雙重保護。

密碼學如何每天保護你

網路與安全連線

TLS/SSL (HTTPS)： 你登入、支付、傳資料時，皆在加密通道中。伺服器驗證(證書)，交換密鑰，並用AES加密流量。

端對端加密（E2E）在訊息應用中： Signal、WhatsApp等，訊息只對你與收件人可見。

DNS over HTTPS/TLS： 隱藏你瀏覽的網站，避免被監控。

金融安全

線上銀行： 會話保護、資料庫加密、多因素認證與密碼學元素。

信用卡(EMV)： 微晶片內含密碼學金鑰，驗證卡片真實性。

支付系統： Visa、Mastercard、Mir採用複雜密碼協議，保障交易安全。

數位簽章與文件

用於證明作者與文件完整性。文件雜湊值用私鑰簽名，收件人用公鑰驗證。若雜湊值一致，即證明文件來自作者且未被篡改。

應用於：法律文件、政府報告、電子招標。

企業系統安全

1C與俄羅斯平台常整合CryptoPro CSP或VipNet CSP，用於：

• 電子報表與電子簽章
• 與合作夥伴的電子文件交換
• 參與政府採購
• 重要資料加密

使用國家標準（如GOST）是政府資訊系統與涉密系統的規定。

區塊鏈與加密貨幣

加密學是區塊鏈的核心。雜湊鏈接區塊，數位簽章認證交易。理解加密學，對於掌握數位資產的安全至關重要。

各國的加密學現狀

俄羅斯：傳統與標準

俄羅斯擁有深厚的數學加密傳統，並制定自己的標準(ГОСТ)，由國家研發：

• **ГОСТ Р 34.12-2015：**對稱加密(“Кузнечик"與"Магма”)。
• **ГОСТ Р 34.10-2012：**橢圓曲線數位簽章。
• **ГОСТ Р 34.11-2012：**雜湊函數"Стрібог"。

使用ГОСТ是涉密與國家安全的規定之一。( FSB與FSTEK監管密碼產品。

俄羅斯公司如)CryptoPro、InfoTeKS、Код Безпеки###，在資訊安全領域持續創新。

( 美國：全球標準制定者

**NIST )國家標準與技術研究院(**制定國際標準。推出AES、SHA系列，並競爭後量子算法。

NSA曾參與密碼設計，但其標準的影響常受質疑。

美國大學)MIT、斯坦福###與企業是密碼研究的領頭羊。

( 歐洲：隱私與主權

GDPR規定個資保護，密碼學是關鍵工具。

ENISA)歐盟網路安全局(推動標準與最佳實踐。

歐洲國家如德國、法國、英國擁有強大的研究中心。

) 中國：技術自主

中國積極發展自主密碼算法###SM2、SM3、SM4(，追求技術自主。

嚴格管控密碼技術，投入後量子技術與量子研究。

國際標準促進全球合作

• **ISO/IEC：**全球資訊技術與安全標準。
• **IETF：**網路協議)TLS、IPsec、PGP(。
• **IEEE：**網路技術中的密碼學應用。

國際標準確保互通與信任。

密碼學職涯：未來的研究者之路

需求快速成長。

) 專業方向

密碼學研究員： 開發新算法、研究安全性、推動後量子密碼學。需深厚數學背景——數論、代數、計算複雜度。

密碼分析師： 破解密碼、尋找漏洞。用於安全防護或情報。

資訊安全工程師： 實作密碼系統——VPN、PKI、加密系統、密鑰管理。

安全軟體開發： 熟悉密碼庫與API，保障應用安全。

滲透測試員： 尋找系統漏洞，包括密碼錯誤。

必備技能

• 數學基礎(數論、代數)
• 算法與協議知識
• 程式設計(Python、C++、Java)
• 網路與作業系統
• 分析思維與細心
• 持續學習

學習途徑

大學課程： MIT、斯坦福、ETH等。

線上課程： Coursera、edX、Udacity。

實務經驗： CryptoHack、CTF競賽。

書籍推薦： Simon Singh《密碼的世界》、Bruce Schneier《實用密碼學》。

( 職涯前景

在：

• IT公司
• 金融機構)銀行、支付平台、加密貨幣平台(
• 通訊產業
• 政府部門
• 軍事工業
• 顧問公司

安全領域薪資高於一般IT，經驗豐富者更佳。發展迅速，挑戰不斷。

常見問題

) 密碼學出錯怎麼辦？

“密碼錯誤”是常見訊息，原因包括：證書過期、配置錯誤、版本不合、系統更新問題。

建議：

1. 重啟應用或電腦
2. 檢查證書有效期
3. 更新系統、瀏覽器或硬體
4. 按照官方文件調整設定
5. 嘗試不同瀏覽器
6. 聯絡技術支援

什麼是密碼模組？

硬體或軟體元件，專門用於密碼運算：加密、解密、產生密鑰、雜湊、數位簽章。

如何教小孩密碼學？

• 了解歷史(凱薩密碼、維吉尼亞密碼)，是很好的起點
• 解密密碼謎題###CryptoHack、CTF###
• 閱讀科普書籍
• 用程式語言實作簡單密碼
• 參加線上課程
• 學習數學基礎###代數、數論(

總結

加密學不僅是公式的集合；它是數位信任的基石。從個人訊息到國際金融系統，從國家安全到區塊鏈——它塑造著我們所有數位流程的安全。

我們追溯了它從古老的棒子與簡單字母，到量子科技的演進。理解加密學的基礎，已不再是奢侈，而是每個重視數位安全者的必備。

資料的收集與分析加速，威脅也在增加，但加密學與之共同演進。後量子算法、量子密碼、分散式安全系統，都是未來。發展永不停歇。

請守護你的數位安全。使用可靠工具、驗證證書、理解系統運作。加密學為你而存在——從瀏覽器層面到國家系統層面。成為有意識的用戶，就是成為有保障的用戶。