图灵机是怎么回事 (图灵enigma密码机)
图灵机是怎么回事 (图灵enigma密码机)
对于每一个行业和领域来说，几乎都存在一两项令其领域内所有人视为“终极荣誉”的大奖，例如电影业的奥斯卡奖、新闻领域的普利策奖，数学领域的沃尔夫奖和费尔兹奖等等。随着计算机通讯业的迅猛发展，“图灵”这个词频频出现在各个场合，尤其是去年比尔.盖茨携微软高层人员来华一行，期间多次提到“图灵奖”一词，而且大家对获得该奖项的人士更是恭敬有加，好奇之余，我便查阅资料，不想却发现了许多趣事，于是写来与大家分享。
“图灵（Turing）奖”是美国计算机协会（ACM，Association for Computer Machinery）干 1966年设立的，专门奖励那些对计算机科学研究与推动计算机技术发展有卓越贡献的杰出科学家。设立的初衷是因为计算机技术的飞速发展，尤其到20世纪60年代，其已成为一个独立的有影响的学科，信息产业亦逐步形成，但在这一产业中却一直没有一项类似“诺贝尔”、“普利策”等的奖项来促进该学科的进一步发展，为了弥补这一缺陷，于是“图灵”奖便应运而生，它被公认为计算机界的“诺贝尔”奖。
“图 灵”为 何 如 此 幸 运
不少人梦寐以求的国际计算机的最高奖项——图灵奖，为何它如此幸运，真是说来话长。
阿兰·图灵（Alan Turing），1912年6月23日出生于英国伦敦，他被认为成二十世纪最著名的数学家之一，谁也没有想到他的名字会和计算机产业挂钩。
20世纪的数学界正在热烈的讨论本世纪最伟大的科学发现之一 ——昆特.哥德尔的不完全性定理，在那以前，数学家们总认为，一个数学问题虽然要找到答案也许会很困难，但理论上总有一个确定的答案，一个数学命题，要么是真的，要么是假的。而哥德尔的不完全定理指出：在一个稍微复杂一点的的数学公理系统中，总存在那样的命题，我们既不能证明它是真的，也不能证明它是假的。数学家们大吃一惊，发现以往大家认为绝对严密的数学中，原来有令人如此不安的不确定性。每个逻辑学家都在苦苦思索，试图为陷入了危机的数学找到一条出路，这些逻辑学家包括当时在剑桥的贝特朗.罗素( Bertrand Russell ) 、阿尔弗雷德.怀特海（Alfred Whitehead）、路德维格.维特斯根坦 ( Ludwig Wittgenstein) 等著名的逻辑学家。这时的图灵正在剑桥求学，他也同样为此问题陷入了困境。
1936年，图灵作出了他一生最重要的科学贡献，他在其著名的论文《论可计算数在判定问题中的应用（On Computer numbers with an Application to the Entscheidungs -problem）》一文中，以布尔代数[i]为基础，将逻辑中的任意命题（即可用数学符号）用一种通用的机器来表示和完成，并能按照一定的规则推导出结论。这篇论文被誉为现代计算机原理开山之作,它描述了一种假想的可实现通用计算的机器，后人称之为“图灵机”。
这种假想的机器由一个控制器和一个两端无限长的工作带组成。工作带被划分成一个个大小相同的方格，方格内记载着给定字母表上的符号。控制器带有读写头并且能在工作带上按要求左右移动。随着控制器的移动，其上的读写头可读出方格上的符号，也能改写方格上的符号。这种机器能进行多种运算并可用于证明一些著名的定理。这是最早给出的通用计算机的模型。图灵还从理论上证明了这种假想机的可能性。尽管图灵机当时还只是一纸空文，但其思想奠定了整个现代计算机发展的理论基础。
1945年，图灵被调往英国国家物理研究所工作。他结合自己多年的理论研究和战时制造密码破译机的经验，起草了一份关于研制自动计算机器（ACE：Automatic Computer Engine ）的报告，以期实现他曾提出的通用计算机的设计思想。通过长期研究和深入思考，图灵预言，总有一天计算机可通过编程获得能与人类竞争的智能。1950年10月，图灵发表了题为《 机器能思考吗？》的论文，在计算机科学界引起巨大震撼，为人工智能学的创立奠定了基础。同年，图灵花费4万英镑，用了约800个电子管的ACE样机研制成功，它的存储容量比爱尼亚克[ii]大了许多。在公开演示会上，被认为是当时世界上速度最快、功能最强的计算机之一。图灵还设计了著名的“模仿游戏试验”，后人称之为“图灵测试”。该实验把被提问的一个人和一台计算机分别隔离在两间屋子，让提问者用人和计算机都能接受的方式来进行问答测试。如果提问者分不清回答者是人还是机器，那就证明计算机已具备人的智能（1993年美国波士顿计算机博物馆举行的著名的“图灵测试” [iii]充分验证了图灵的预言）。
这让我想起前几年IBM公司研制的计算机“深蓝”与国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫进行的那场人机大战，最终以“深蓝”战胜卡斯帕罗夫而宣告结束，让我们不得不佩服图灵的天才预言。
现代计算机之父冯·诺依曼[iv]生前曾多次谦虚地说：如果不考虑巴贝奇[v]等人早先提出的有关思想，现代计算机的概念当属于阿兰·图灵。冯·诺依曼能把“计算机之父”的桂冠戴在比自己小10岁的图灵头上，足见图灵对计算机科学影响之巨大。
毒 液 浸 透 苹 果，如 睡 之 死 渗 入 ……
身为一名数学家, 图灵模型研制计算机的梦想在第二次世界大战的爆发中粉碎。当时，德国法西斯正对英伦三岛狂轰滥炸，图灵的祖国危在旦夕,怀着一腔报国热情，图灵前往英国外交部承担“超级机密”研究工作，即主持对德军通讯密码的破译工作。图灵便和历史上著名的布莱奇利公园以及加密电子机械装置ENIGMA联系在了一起。
ENIGMA是德国发明家亚瑟.谢尔比乌斯（Arthur Scherbius）发明的一种加密电子器,它被证明是有史以来最可靠的加密系统之一，二战期间它开始被德军大量用于铁路、企业当中。英国第40局（英国政府负责破译密码的间谍机构）开始恐慌，因为出现了大量他们无法破译的电文。在整整13年里，英国人和法国人都认为ENIGMA是不可破译的。针对这一情况，40局新设了它的机构——英国政府代码及加密学校（GCCS ,Government Code and Cipher School），总部坐落在白金汉郡的布莱奇利公园。在布莱奇利公园有一大批为破译ENIGMA作出卓越贡献的人们，图灵无疑是他们当中最值得叙述的一个。图灵发明了绰号为“炸弹” （Bombes）的解密机器，他被看成一位天才解密分析专家。战争结束，布莱奇利公园被关闭，“炸弹”被拆毁，所有战时有关密码分析和破译的档案资料都被销毁，直到1967年波兰出版第一本关于波兰破译ENIGMA方面的书，以及1974年温特伯坦姆写的《超级机密The Ultra Secret》一书出版，人们才知道图灵在分析解密方面的贡献。
1938年迪斯尼公司著名的动画片《白雪公主和七个小矮人》上映，图灵也观看了这部影片，在后来的日子里，他的同事常常听见他哼电影中巫婆王后泡制毒苹果的台词：“毒液 浸透苹果如睡之死渗入……”而图灵的一生正是在这首歌词中结束。
图灵在他生命的最后时光，没有机会看到自己被当作一个解密英雄来尊敬，相反，由于他同性恋的性倾向而倍受折磨。1952年因小偷入室行窃，图灵向警察报了案，但他却忘了向警察掩藏他和另一位男士同居的事实，同年他被警方逮捕，以“有伤风化罪”罪名遭到起诉，并被判为有罪。而这期间，他不得不忍受报纸媒体对他案件的公开全面报道。性倾向被公开，私生活曝光于大众，政府也取消了他情报部门的工作。他的脾气变的躁怒不安，性格阴沉郁悒。1954年6月8日，人们在图灵的寓所发现了他的尸体。他在自己的住处服用沾过氰化物的苹果而自杀。临死的前夜，也许图灵的耳边还回响着那首歌：“毒液浸透苹果如睡之死渗入……”
迄今为止，作为计算机界“诺贝尔奖”的图灵奖已走过了36个春秋。40多位图灵奖得主均对计算机科学与技术的发展创新做出了杰出贡献。他们在珍惜自己所获崇高荣誉的同时，也深切怀念阿兰·图灵这位在计算机创新史上永放光芒的先驱。
这个寒假，我读了 赵燕枫先生写的《密码传奇》，这本书开阔了我的视野，增大了知识面，明白了道理，让我受益匪浅。
这本书以德国的亚瑟·谢尔比乌斯发明的世界上第一台密码机——Enigma（谜）为主线，讲述了这部密码机艰难的发明、推广过程，以及在二战中德军的普遍应用。之后讲波兰一群以马里安·雷耶夫斯基等数学三杰为代表的密码破译小组费尽千辛万苦，终于初步破译Enigma密码机，并发明了密码破译机“Bomba”，将密码破译也带入机械时代。最后讲波兰灭亡后英国以阿兰·图灵为代表的“布莱奇利庄园”密码破译机构最终彻底破译Enigma机器，并根据密码破译机“巨人”创造了沿用至今的现代计算机体系。书的尾声还带读者领略了一代名机——Enigma的风采。
这本书虽为科普类书籍，但却也蕴藏着深刻的道理。谢尔比乌斯在自己的机器遭到德军的拒绝之后，依然坚持研发新型号机器，最终换来了德军的订单和Enigma的光辉前途，这是一种努力。虽然Enigma看起来不可能破解，但危机中的波兰“数学三杰”在英国、法国完全没有行动的时候却不抛弃、不放弃地为破译Enigma而奋斗，直到波兰的最后一刻，这是一种坚持。从得意忘形中突然醒过来的英国认识到自己的错误，建立布莱奇利庄园，这是一种醒悟。英国那些工作在庄园里，干着最枯燥、最重复、最机械的活的妇女们，能够坚持到底，一天连续工作10小时以上，这是一种耐心。有了努力、坚持、醒悟和耐心，才构成了二战中德军密码的坚不可摧，盟军的胜利以及Enigma传奇的一生。
如果你也对密码感兴趣，那么你一定要读一读这本书呀！
英格玛密码机由波兰人马里安·雷耶夫斯基、杰尔兹·罗佐基和亨里克·佐加尔斯基最先破解。
1931年11月8日，法国情报人员与德军通讯部门长官（就是他下令德军使用恩尼格玛密码机的）的弟弟，汉斯-提罗·施密特，在比利时接头。在德国密码处工作的施密特很厌恶德国，于是他就向法国情报人员提供了两份有关恩尼格玛密码机的操作和转子内部线路的资料。但是法国还是无法破译它的密码，因为恩尼格玛密码机的设计要求之一就是要在机器被缴获后仍具有高度的保密性。当时的法军认为，由于凡尔赛条约限制了德军的发展，所以即使无法破译德军的密码，将来如果在战场上相见也不会吃多大亏，于是在得出德军密码“无法破译”的结论之后就再也没有用心地研究它了。
与法国不同，第一次世界大战中新独立的波兰的处境却很危险，西边的德国根据凡尔赛条约割让给了波兰大片领土，德国人对此怀恨在心，而东边的苏联也在垂涎着波兰的领土。所以波兰需要时刻了解这两个国家的内部信息。这种险峻的形势造就了波兰一大批优秀的密码学家。他们很容易就监控住了德军内部的通讯系统，但是1926年被德军启用的恩尼格玛密码机却给他们造成了很大困难。
1921年，波兰与法国签订了一个军事合作协议。在波兰的坚持之下，法国把从施密特那里得来的情报交给了波兰人。波兰人正是以这个缺点为突破口破译了商业用恩尼格玛密码机。
但1941年英国海军在Joe Baker-Cresswell舰长的斗牛犬号军舰捕获德国潜艇U-110才真正拿到德国海军用的密码机和密码本，并将此事保密只告诉美国罗斯福总统，英国国王乔治六世称赞此事件是整个二次大战海战中最重要的事件。这让原本连数学天才图灵也破译不出的德军密码机得到破译，盟军设计的专门用来破译恩尼格玛密码的“炸弹”机也大大提高了布莱切利园的工作效率。
在战争结束以后，英国人并没有对破译恩尼格玛一事大加宣扬，因为他们想让英国的殖民地用上这种机器。1967年，波兰出版了第一本有关恩尼格玛破译的书，1974年，曾在布莱切利园工作过的英国人F.W.温特伯坦姆写的《超级机密》（The Ultra Secret）一书出版，这使外界广泛地了解到了第二次世界大战中盟军密码学家的辛勤工作。
图灵发明了破译德国格恩密码机，是计算机的雏形。但并不是人工智能，但对人工智能有很多贡献。艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing，1912年6月23日－1954年6月7日），英国数学家、逻辑学家，称为计算机科学之父，人工智能之父。图灵对于人工智能的发展有诸多贡献，提出了一种用于判定机器是否具有智能的试验方法，即图灵试验，至今，每年都有试验的比赛。图灵发明了破译德国格恩密码机，是计算机的雏形。但并不是人工智能，但对人工智能有很多贡献。艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing，1912年6月23日－1954年6月7日），英国数学家、逻辑学家，称为计算机科学之父，人工智能之父。图灵对于人工智能的发展有诸多贡献，提出了一种用于判定机器是否具有智能的试验方法，即图灵试验，至今，每年都有试验的比赛。
CCCF第7期专题邀请了相关领域的6位专家学者深入探讨图灵对密码学发展的深远影响和密码学的前沿进展，涵盖了密码设计与密码分析这两个密码学的组成部分，同时兼顾了广度与深度。各专题文章原文详见CCF数字图书馆。
关键词： 密码学 图灵 网络空间安全 信息安全
从早期作为一种实用性技术，到今天发展为一门严谨的学科，密码学的发展史汇聚了人类文明的聪明才智。围绕着如何使用密码实现安全和隐私保护与如何安全地使用密码这两个本质问题，密码的设计与分析相互依存，相互促进，处在不断的博弈中，这使得密码的研究得到了持续的发展。
在发展过程中，计算机科学之父艾伦·图灵(Alan M. Turing)做出了多方面本质的贡献，对密码学的成熟产生了深远的影响。首先，在密码安全定义建模方面，图灵的可计算性理论及其发明的（通用）图灵机起着重要的作用。例如，我们知道在现代密码中，设计者首先需要证明其提出的密码算法或者协议可以抵御所有的已知和未知的攻击。然而，有很多密码算法或者协议无法证明自己是安全的，但也无法找到安全漏洞。在这种情况下，是设计者没有找到正确的证明方法呢？还是这个密码算法或者协议本身就不可能被证明呢？图灵奠基的可证明性理论对这些问题给出了答案，那就是很多我们无法证实或者证伪的密码算法或者协议，并不是由于设计者缺少正确的证明方法，而是这个密码算法或者协议本身就不可能在有限步骤内被证明。这就要求设计者不断地对其密码算法或者协议进行修改，使得其能被证明。此外，图灵发明的（通用）图灵机也被广泛应用于密码算法或协议敌手模型中对敌手的建模，使对敌手的运算时间约束可以转化成对于算法的计算步骤限制。目前被密码学界广泛接纳的通用可组合安全模型(universal composability)就是通过多项式时间通用图灵机来模拟敌手的。
本期专题邀请了相关领域的专家学者深入探讨图灵对密码学发展的深远影响和密码学的前沿进展，共组织了六篇文章，涵盖了密码设计与密码分析这两个密码学的组成部分，同时兼顾了广度与深度。
第一篇文章是由英国兰卡斯特大学助理教授张秉晟和浙江大学研究员秦湛联合撰写的《通用图灵机及其对现代密码安全建模的影响》，以（通用）图灵机的计算理论为切入点，深入浅出地分析（通用）图灵机对密码学基本算法工具的安全定义和对密码协议的安全性建模产生的深远影响。作者介绍了密码学中的加密算法是如何从AES时代逐渐演化到现在的可证明安全定义以及（通用）图灵机在其中起到的作用。另外，作者还梳理了密码协议，例如安全多方计算的安全性建模和定义是如何通过几十年的研究探讨演化到如今的通用可组合安全模型，重点解析了交互式图灵机对整个通用可组合安全模型构架的奠基作用。
第二篇文章是由山东大学教授王美琴等撰写的《从图灵破解Enigma到现代密码分析》，介绍了Enigma密码机的工作原理和图灵对Engima密码机的破解，并且解析了Enigma密码机的破解对现代密码分析的影响。作者还以针对哈希函数的破解实例来呈现现代密码分析对安全密码算法设计的重要性。
第三篇文章是由中国科学院信息工程研究所研究员胡磊和副研究员宋凌撰写的《密码杂凑函数的回顾与进展》，介绍了用于实现密码学研究中的完整性和认证性的一类关键密码学函数——密码杂凑函数（又称哈希函数、散列函数等）。作者阐述了密码杂凑函数的性质及其具体应用，梳理了密码杂凑函数的发展脉络，总结了密码分析对密码杂凑函数标准化的影响，并具体介绍美国国家标准与技术研究院(NIST)杂凑函数标准SHA-3及其最新分析进展。
第四篇文章是由香港城市大学副教授王聪和武汉大学教授王骞等联合撰写的《安全多方计算理论与实践》，从理论和实践的双重角度对安全多方计算进行深入的解析。作者从生动的现实问题入手，介绍了安全多方计算的系统模型、安全模型以及理论上的普适性解决方案。同时，文章还梳理了安全多方计算在实际应用中的前沿进展，总结了当前安全多方计算应用的现状，指出了未来安全多方计算的研究方向。
第五篇文章是由美国新泽西理工学院助理教授唐强和哥伦比亚大学教授慕梯·杨(Moti Yung)联合撰写的《抗后门的新一代密码学Cliptography研究进展》，对密码学的通用后门攻击Kleptography进行了系统的总结，并且介绍了抗后门密码学Cliptography的前沿进展。作者先阐述了密码学后门背后的科学原理，回答了如何在设计之初就考虑到这种可能的后门攻击问题，进而介绍了抗后门密码学Cliptography如何弥合这个密码学理论设计与实际实现之间的鸿沟，并对新一代密码学理论基础和密码标准提出新的建议。
第六篇文章是由浙江大学副教授张帆、上海交通大学教授谷大武等撰写的《人工智能之于旁路分析》，介绍了人工智能技术在密码旁路分析领域的研究现状，梳理了机器学习算法在旁路分析领域的发展过程，剖析了人工智能技术在密码旁路分析领域取得成果的原因，并指出了将人工智能技术与旁路分析领域结合的研究方向。
希望本专题能鼓舞更多的学者和安全从业人员参与到网络空间安全和信息安全的研究中，设计与分析新密码算法和协议，开拓新的研究方向和领域。
作者介绍
任 奎
CCF专业会员。浙江大学网络空间安全研究中心主任，国家千人计划特聘教授。主要研究方向为数据安全，云安全，人工智能安全，物联网安全等。kuiren@zju.edu.cn
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