大学计算与人工智能 课件 第8章 信息安全与隐私保护

大学计算与人工智能（第8章信息安全与隐私保护）配套清华大学出版社《大学计算与人工智能》通识教材本章目录8.1信息安全的概念和体系8.2数据加密模型与方法8.3身份认证与访问控制8.4数字签名8.5区块链8.6本章小结

2计算思维+人工智能第8章信息安全与隐私保护本章学习目标（1）了解信息安全与隐私保护的概念；（2）理解数据加密模型及密码分析方法，能够使用置换技术进行数据加密；（3）理解对称加密和非对称加密的差异，能够使用RSA进行数据加密；（4）了解身份认证和访问控制技术的概念，理解数字签名的作用和工作过程；（5）了解区块链的结构，理解信息伦理、道德与法律的相互关系。

38.1信息安全的概念和体系信息安全是一个广泛而抽象的概念。从信息安全的发展来看，在不同的时期，信息安全具有不同的内涵。即使在同一时期，由于所站的角度不同，对信息安安的理解也不尽相同。而隐私和安全存在紧密关系，但也存在一些细微差别。安全是绝对的，而隐私则是相对的。因为对某人来说是隐私的事情，对他人则为不是隐私。而安全问题，往往跟人的喜好关系不大，每个人的安全需求基本类同。况且，信息安全对于个人隐私保护具有重大的影响，甚至决定了隐私保护的强度。

48.1.1信息安全的概念1.信息安全的概念信息安全是指为数据处理系统建立和采用的安全管理与保护技术。其目的是保护计算机硬件、软件、数据不因偶然和恶意的原因而遭到破坏、更改和泄露。国际标准化组织和国际电工委员会对信息安全的定义为：信息安全是指信息的保密性、完整性、可用性，有时也包含真实性、可核查性、抗抵赖和可靠性等其他的特性。

58.1.1信息安全的概念2.信息安全的三原则信息安全需求随着应用对象不同而是不同，需要有一个统一的信息安全标准。这个标准就是信息安全三原则，即机密性（confidentiality）、完整性（integrity）和可用性（availability）三原则（简称CIA原则）。机密性是指通过加密，保护信息免遭泄漏，防止信息被未授权用户获取，包括防分析。完整性是指信息的精确性和可靠性。通常使用“防止非法的或未经授权的信息改变”来表达完整性。可用性是指期望的信息或资源的使用能力，即保证信息资源能够提供既定的功能，无论何时何地，只要需要即可使用，而不因系统故障或误操作等使用资源丢失或妨碍对资源的使用。

68.1.1信息安全的概念3.隐私的概念什么是隐私，每个人都有自己不同的理解。狭义的隐私是指以自然人为主体的个人秘密，即凡是用户不愿让他人知道的个人（或机构）信息都可称为隐私（privacy），如电话号码、身份证号、个人健康状况、企业重要文件等。广义的隐私不仅包括自然人的个人秘密，也包括机构的商业秘密。隐私蕴涵的内容很广泛，而且对不同的人，不同的文化和民族，隐私的内涵各不相同。简单来说，隐私就是个人、机构或组织等实体不愿意被外部世界知晓的信息。

78.1.2信息安全体系

8图8-1给出了一个融合多种安全目标和技术的信息安全体系。在图中，给出的安全技术在安全目标实现上总体呈现递进关系，即：身份认证—>访问控制—>数据加密—>数字签名。8.2数据加密模型与方法8.2.1数据加密模型图8-2给出了一种传统的保密通信机制的数据加密模型。该模型包括一个用于加解密的密钥Key，一个用于加密变换的数学函数Ek，一个用于解密变换的数学函数Dk。已知明文消息m，发送方通过数学函数Ek得密文C，即C=Ek(m)，这个过程称为加密；加密后的密文C通过公开信道（不安全信道）传输，接收方通过解密变化Dk得到明文m，即m=Dk(C)。为了防止密钥Key泄露，需要通过其他秘密信道对密钥Key进行传输。

98.2.2数据加密方法1.移位变换加密方法大约公元前一世纪，古罗马凯撒大帝时代曾使用过一种移位变换加密方法（俗称凯撒密码），其原理是每一个字母都用其后面的第3个字母代替，如果到了最后那个字母，则又从头开始算。如：明文：meetmeafterthetogaparty密文：phhwphPHdiwhuwkhwrjdsduwb

108.2.2数据加密方法2.仿射变换加密方法仿射变换是凯撒密码和乘法密码的结合。所谓乘法密码，就是用明文乘以密钥，获得密文的过程。乘法密码由于存在密文急剧扩展问题，所以，实际应用中可以使用模运算来控制密文的范围。仿射变换加密方法定义如下：假设m是原文，c是密文，a和b是密钥。则加密函数为c=Ea,b(m)=(am+b)mod26，解密函数为m=Da,b(c)=a-1(c–b)mod26。这里，a-1是a的逆元，a∙a-1=1mod26。例如，已知a=7，b=21，对“security”进行加密，对“vlxijh”进行解密。

118.2.2数据加密方法3．列置换加密方法列置换加密法中，明文按行填写在一个矩形中，而密文则是以预定的顺序按列读取生成的。例如，如果矩形是4列5行，那么短语“encryptionalgorithms”可以如下写入图8-3所示矩形中。按一定的顺序读取列以生成密文。对于这个示例，如果读取顺序是4、1.2.3，那么密文就是：“riliseyogenpnohctarm”。这种加密法要求填满矩形，因此，如果明文的字母不够，可以添加“x”或“q”或空字符。

128.2.2数据加密方法4.对称加密算法DESDES是DataEncryptionStandard的缩写，即数据加密标准。该标准中的算法是第一个并且是最重要的现代对称加密算法，是美国国家安全标准局于1977年公布的由IBM公司研制的加密算法，主要用于与国家安全无关的信息加密。在公布后的二十多年里面，数据加密标准在世界范围内得到了广泛的应用，经受了各种密码分析和攻击，体现出了令人满意的安全性。世界范围内的银行普遍将它用于资金转账安全，而国内的POS、ATM、磁卡及智能卡、加油站、高速公路收费站等领域曾主要采用DES来实现关键数据的保密。

138.2.2数据加密方法5.非对称加密算法RSA传统的基于对称密钥的加密技术由于加密和解密密钥相同，密钥容易被恶意用户获取或攻击。因此，科学家提出了将加密密钥和解密密钥相分离的公钥密码系统，即非对称加密系统。在这种系统中，加密密钥（即公钥）和解密密钥（即私钥）不同，公钥在网络上传递，私钥只有自己拥有，不在网络上传递，这样即使知道了公钥也无法解密。

148.3身份认证与访问控制身份认证在网络安全中占据十分重要的位置。身份认证是安全系统中的第一道防线，用户在访问安全系统之前，首先经过身份认证系统识别身份，然后访问控制根据用户的身份和授权数据库决定用户是否能够访问某个资源。身份认证的方法有很多，基本上可分为：基于密钥的、基于行为的和基于生物学特征的身份认证。图给出了几种典型的身份认证方式。

158.3.1访问控制的组成与方法访问控制（accesscontrol）就是在身份认证的基础上，依据授权对提出的资源访问请求加以控制。访问控制是网络安全防范和保护的主要策略，它可以限制对关键资源的访问，防止非法用户的侵入或合法用户的不慎操作所造成的破坏。

16用户级别分类根据用户对系统访问控制权限的不同，用户可以分为如下几个级别：（1）系统管理员系统管理员具有最高级别的特权，可以对系统任何资源进行访问并具有任何类型的访问操作能力。负责创建用户、创建组、管理文件系统等所有的系统日常操作，授权修改系统安全员的安全属性。（2）系统安全员系统安全员负责管理系统的安全机制，按照给定的安全策略，设置并修改用户和访问客体的安全属性；选择与安全相关的审计规则。安全员不能修改自己的安全属性。（3）系统审计员系统审计员负责管理与安全有关的审计任务。这类用户按照制定的安全审计策略负责整个系统范围的安全控制与资源使用情况的审计，包括记录审计日志和对违规事件的处理。（4）普通用户普通用户就是系统的一般用户。他们的访问操作要受一定的限例。系统管理员对这类用户分配不同的访问操作权力。

17访问控制的基本原则为了保证网络系统安全，用户授权应该遵守访问控制的三个基本原则为：（1）最小特权原则所谓最小特权，指的是“在完成某种操作时所赋予网络中每个主体（用户或进程）必不可少的特权”。（2）授权分散原则对于关键的任务必须在功能上进行授权分散划分，由多人来共同承担，保证没有任何个人具有完成任务的全部授权或信息。（3）职责分离原则职责分离是指将不同的责任分派给不同的人员以期达到互相牵制，消除一个人执行两项不相容的工作的风险。例如收款员、出纳员、审计员应由不同的人担任。计算机环境下也要有职责分离，为避免安全上的漏洞，有些许可不能同时被同一用户获得。

18BLP访问控制模型BLP(Bell-LaPadula)模型是由DavidBell和LeonardLaPadula于1973年创立，是一种典型的强制访问模型。在该模型中，用户、信息及系统的其他元素都被认为是一种抽象实体。其中，读和写数据的主动实体被称为“主体”，接收主体动作的实体被称为“客体”。

19基于角色的安全访问控制基于角色的访问控制(RBAC)的基本思想是通过将权限授予角色而不是直接授予主体，主体通过角色分派来得到客体操作权限。由于角色在系统中具有相对于主体的稳定性，并更便于直观地理解，从而大大减少了系统授权管理的复杂性，降低了安全管理员的工作复杂性和工作量。图5-3给出了基于RBAC的用户集合、角色集合和资源集合之间的多对多的关系。理论上，一个用户可以通过多个角色，访问不同资源。但是，在实际应用系统中，通常给一个用户授予一个角色，只允许访问一种资源，这样就可以更好地保证资源的安全性。

208.4数字签名2005年4月1日起施行的《中华人民共和国电子签名法》规范了电子签名行为，确立了电子签名的法律效力。1999年，美国参议院通过立法，规定数字签名（digitalsignatures）与手写签名在美国具有同等的法律效力。数字签名是由公钥密码发展而来，就是通过某种密码运算生成一系列符号及代码，由此组成电子密码进行签名，来代替书写签名或印章。数字签名的目的是验证电子文件的原文在传输过程中有无变动，确保所传输电子文件的完整性、真实性和不可抵赖性。

21数字签名的过程数字签名的实现原理很简单，假设A要发送一个电子文件给B，A、B双方只需经过下面三个步骤即可完成数字签名：（1）A用其私钥加密文件，这便是签名过程；（2）A将加密的文件送到B；（3）B用A的公钥解开A送来的文件。

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238.5区块链2008年，中本聪发表了一篇名为《比特币：一种点对点电子现金系统》的论文，数字货币及其衍生应用由此开始迅猛发展。区块链技术从出现到现在，经历了如下三个阶段：（1）区块链1.0时代：也被称为区块链货币时代。以比特币为代表，主要是为了解决货币和支付手段的去中心化管理。（2）区块链2.0时代：也被称为区块链合约时代。（3）区块链3.0时代：也被称为区块链治理时代。这个阶段区块链技术将和实体经济、实体产业相结合，将链式记账、智能合约和实体领域结合起来，实现去中心化的自治，发挥区块链的价值。

248.5.1区块链的技术特征采用区块+链式结构，可以有效保证数据的严谨性，并有效跟踪并防止数据修改。区块链账本的记录和维护是由网络中所有节点共同完成的。区块链系统利用密码学相关技术来保证数据传输和访问的安全。在去中心化的非可信环境下，共识机制是保证数据一致性和安全性的重要技术手段。区块链作为一个分布式账本，由多方共同维护。智能合约是一套以数字形式定义的承诺（promises），包括合约参与方可以在上面执行这些承诺的协议。

258.5.2区块链的功能1．为系统数据提供可靠架构2．为资产交换提供智能载体3．为互联网交易建立信任关系区块链可以在不需要人与人之间信任的前提下，交易方通过纯计算的方式相互之间建立信任。4．减少人工对账过程应用区块链技术之后可以减少人工对账过程，达到节约成本。5．交易防篡改6．动态访问控制

268.5.3区块链的结构与分类区块链是一种按照时间顺序，将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本。区块链由一个个密码学关联的区块按照时间戳顺序排列组成，它是一种由若干区块有序链接起来形成的链式数据结构。其中，区块是指一段时间内系统中全部信息交流数据的集合，相关数据信息和记录都包含在其中，区块是形成区块链的基本单元。每个区块均带有时间戳作为独特的标记，以此保证区块链的可追溯性。

27区块链结构区块链的总体结构如图所示。图中给出了三个相互连接的区块。每个区块由区块头和区块体两部分组成，其中，第N个区块的区块头信息链接到前一区块（第N-1区块）从而形成链式结构，区块体中记录了网络中的交易信息。

28图所示给出了区块链中的区块结构，它包括区块头和区块体两部分。在区块链中，区块头内部的信息对整个区块链起决定作用，而区块体中记录的是该区块的交易数量以及交易数据信息。区块体的交易数据采用Merkle树进行记录。

298.5.3区块链的分类按照节点参与方式的不同，区块链体系可以分为以下四大类：公有链、私有链、联盟链和聚合链。1.公有链公有链（publicblockchain）又称公有区块链。公有区块链是全公开的，所有个人或组织都可以作为网络中的一个节点，而不需要任何人给予权限或授权，还可以参与到网络中的共识过程争夺记账权。2.私有链私有链（privateblockchain）即私有区块链，是指整个区块链上的所有权限完全掌握在单一的个人或组织手里。私有区块链其实不能算是真正的区块链，它从本质上违背了区块链的去中心化思想，可以看作是借助区块链概念的传统分布式系统。3.联盟链联盟链（consortiumblockchain）即联盟区块链，不是完全去中心化的区块链，而是一种多中心化或者说部分中心化的区块链。

308.5.4区块链共识与智能合约6.4.1区块链的共识机制首先我们需要了解什么是共识机制，在生活中我们也有遇到过共识问题，比如说朋友聚餐，要通过什么方式决定谁来买单呢？们可以约定最后一个到达的人买单，那么由最后一个到达的人付款，就是这群朋友的共识。这个共识解决了谁买单的问题，而区块链的共识是要解决谁有权利记账，权利多大的问题。共识机制是区块链技术的基础和核心。共识机制决定参与节点以何种方式对某些特定的数据达成一致。

318.5.4区块链的共识机制我们平时经常听到的工作量证明POW、POS、DPOS都是属于区块链共识机制，他们分别用不同的方式来解决区块链的记账问题。POW是ProofofWork的缩写，中文翻译为工作量证明机制，意思就是谁为区块链贡献了更多的计算，干了更多的活，就更有机会获得记账权。目前，比特币、以太坊、莱特币等主流加密数字货币都是使用POW共识机制。POS是ProofofStake的缩写，通常我们把它叫做权益证明机制。那POS又是如何达成由谁来记账的共识的呢？在POS机制里，一个人所拥有的币越多，拥有的时间越长，那么他获得记账权的概率就越大。目前，较为成熟的数字货币Peercoin（点点币）和NXT（未来币）使用了POS机制。DPOS是DelegatedProofofStake的缩写，意思是股份授权证明机制，用通俗的话来说就是大家投票选出代表，让代表来记账。每个持币者都可以参与投票，票数最高的前几名被选为代表。目前采用DPOS共识算法的代表是EOS和比特股。

328.5.4区块链的共识机制实用拜占庭容错（practicalbyzantinefaulttolerant,PBFT）算法的提出解决了原始拜占庭容错算法效率不高的问题，是目前共识节点较少的联盟链所采用的一种共识算法。PBFT具有n/(3n+1)(n为参与共识的节点数)的容错能力，与PoW、POS等算法相比虽然容错能力较弱，但算法复杂度降低很多，可以在实际系统中得到广泛应用。PBFT算法采用了RSA签名、消息验证码和数字证书等相关密码学方法，能够确保信息在传递过程中无法篡改，提高了数据传输的安全性和保密性。

338.5.4区块链智能合约合约是一种双方都需要遵守的合同约定。比如，梅梅和梅梅爸爸打乒乓球约定输的一方要买饮料，这是合约；卖西瓜的大爷对你说:"买俩吧，不甜不要钱"，这是合约；你告诉自己打完这把游戏就学习，这是对自己的合约。智能合约（smartcontract）的诞生是在1993年左右，远远早于区块链技术。它是由计算机科学家、加密大师尼克·萨博于1993年提出，1994年发表了《智能合约》的论文。智能合约是一套以数字形式定义的承诺（promises），包括合约参与方可以在上面执行这些承诺的协议。智能合约将双方的执行条款和违约责任写入了软硬件之中，通过数字的方式控制合约的执行。

348.5.5区块链的典型应用（1）金融领域区块链技术在金融领域具有巨大的应用潜力。首先，区块链可以提供信任机