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

幾十年來，計算機科學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，它不僅能隱藏數據集，還能隱藏程序本身，從而實現幾乎所有的加密協議。

要想知道不可區分混淆是什么，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，還會涉及到知識產權糾紛。為了保護代碼，有的程序員會在導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鍵詞，把整段代碼中所有的“命名”全部替換成數字(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構，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的構造信息，也無法從輸出反推輸入。

如果實現虛擬黑盒，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位研究者聯手提出了一種特殊構造的程序，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，美國加州大學洛杉磯分校的阿米特·沙海教授聯合其他5位學者提出一種IO協議，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字組成的數學表達式，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。

多線性配對方法中，有一個重要的概念叫做“層數”，它可以理解為運算公式中變量的階數，如3xy+2yz2為2階多項式，即其層數為2;3xy+2yz4為4階多項式，其層數為4。層數越多，多線性配對的安全性越差。

2016年，美國華盛頓大學副教授林惠嘉開始探索能否通過減少多線性配對的層數來實現IO。最初，她想出了如何用30層多線性配對構建IO。接下來，她和其他研究者逐漸實現了只用3層多線性配對來構建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·沙海聯手，試圖找出如何用2層線性配對構建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?

研究人員設想了一個系統，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，成功實現了IO。

雖然幾位科學家聯手證明了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?，F在研究者們正試圖開發一條新的通往IO的潛在途徑，希望能抵擋住量子攻擊。(王昱編譯，據《環球科學》)