带你深入理解图灵机 天才所在的时代(图灵破译密码原理)
带你深入理解图灵机 天才所在的时代(图灵破译密码原理)
这几年由于区块链的大热，以太坊独特的solidity语言实现智能合约功能， 图灵完备 这个词走进大家的视线。
没有计算机专业知识的同学其实很难理解这个词的意思，其实计算机专业的同学都没有深入理解图灵机，图灵完备，图灵测试等概念包含的内涵。为了方便理解区块链技术，理解智能合约，笔者准备分几篇文章来带大家从浅入深，一步一步带你深入理解图灵机，相信通过这几篇文章能就能够理解什么是图灵完备。
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， 被称为计算机科学理论之父，人工智能之父。
1931年，图灵考入剑桥大学国王学院，由于成绩优异而获得数学奖学金。
1936年5月，年仅24岁的图灵发表一篇题为《论数字计算在决断难题中的应用》的论文，论文中提出一种计算装置，后被称为 “图灵机” ，图灵机不是具体的计算机，而是一种计算概念、计算理论。
1938年在普林斯顿获博士学位，其论文题目为“以序数为基础的逻辑系统”，在数理逻辑研究中产生了深远的影响；同年图灵回到英国，在剑桥大学国王学院任研究员。
第二次世界大战期间，1939年图灵到英国外交部通信处从事军事工作，主要是破译敌方密码的工作。由于破译工作的需要，他参与了世界上最早的电子计算机的研制工作。他的工作取得了极好的成就，破译了德国人Enigma密码，于1945年获政府的最高奖——大英帝国荣誉勋章。
1945年，图灵结束了在外交部的工作，他试图恢复战前在理论计算机科学方面的研究，具体研制出新的计算机来。
1950年他发表论文《计算机器与智能》（ Computing Machinery and Intelligence），为后来的人工智能科学提供了开创性的构思。提出著名的 图灵测试 。
1950年，1950年10月，图灵发表论文《机器能思考吗》。这一划时代的作品，使图灵赢得了“人工智能之父”的桂冠。此时，人工智能也进入了实践研制阶段。随着这几年AI技术的不断成熟，人们越来越认识到图灵思想的深刻性：它们至今仍然是人工智能的主要思想之一。
1954年6月7日，年仅41岁的图灵被发现死于家中的床上，床头还放着一个被咬了一口的苹果。这就是现在大名鼎鼎的苹果电脑公司logo的来源。
从图灵的生平中，我们知道，他出生在20世纪初，1912年。
在世界国家格局上，这个时候刚刚爆发第一次世界大战（1913~1921），紧接着1939年至1945年第二次世界大战，大家知道，这两次世界大战倒逼了很多科技的发展，二战期间恰好是图灵青年时代。
在科技文明发展上，由于逻辑的数学化，促使了数理逻辑学科的诞生和发展。但同时这个时期数学上发生了第三次数学危机，具体介绍在下方。图灵在剑桥读大学期间，修读了“数学基础”课程，授课人是纽曼，纽曼整个课程包含对哥德尔不完备性定理的证明和尚未解决的判定性问题。
这些科技事件的背后，其实是人们在认知上，对 可计算性理论 的研究，图灵正是这个问题终结者。
随便提一下，爱因斯坦1905年提出狭义相对论，1927年年仅15岁的图灵为了帮助母亲理解相对论，还写过论文的摘要。
在20世纪以前，人们普遍认为，所有的问题类都是有算法的，人们的计算研究就是找出算法来。1900年，当时著名的大数学家希尔伯特在世纪之交的数学家大会上给国际数学界提出了著名的23个数学问题。
其中第十问题是这样的：
“丢番图方程”指：有一个或者几个变量的整系数方程，它们的求解仅仅在整数范围内进行。
上面这个问题简单点解释是：随便给一个不确定的方程，是否通过有限的步骤运算，判断这个方程是否存在整数解。
这个问题在1970年，苏联一个数学家证明了其实很多数学问题，是没有答案，甚至没有答案的问题比有答案的问题还要多。
这里就提出来了有限的、机械的证明步骤的问题，其实就是算法。但在当时，人们还不知道“算法”是什么。实际上，当时数学领域中已经有很多问题都是跟“算法”密切相关的，因而，科学的 “算法” 定义呼之欲出。之后到了30年代的时候，终于有两个人分别提出了精确定义算法的方法，一个人是图灵，一个人是丘奇。而其中图灵提出来的图灵机模型直观形象。
图灵思考这个问题的方式和常人不一样，在写前面提到的论文《论可计算数及其在判定性问题上的应用》的时候，图灵在思考三个问题
图灵这样的天才考虑问题的认知是高屋建瓴的。
图灵首先考虑的是是否所有数学问题都用解，如果这个问题不解决，辛辛苦苦解题，最后发现无解，一切的努力都是浪费时间和精力。
对于存在答案的数学问题，只有部分是可以在有限步骤内完成，这样把计算机的边界确定下来了。
确定了边界之后，就要设计一种通用、有效、等价的机器，保证可以按照这个方法做事，最后得到答案。而图灵机就是图灵设计出来的这样的一个机器，严格来讲是一种数学模型、计算理论模型。
从图灵机提出到现在已经过去了80多年，今天所有的计算机，包括量子计算机都没有超出图灵机的理论范畴。
第三次数学危机产生于十九世纪末和二十世纪初，当时正是数学空前兴旺发达的时期。首先是逻辑的数学化，促使了数理逻辑这门学科诞生。
早在19世纪末的时候，康托尔为集合论做了奠基性的研究。人们发现，运用集合这个概念可以概括所有的数学，也就是说集合是一切数学的基础。然而就当这座大厦即将完工的时候，一件可怕的事情发生了，罗素提出来的罗素悖论粉碎了数学家的梦想。
关于罗素悖论的一个通俗化版本是：
为什么要第三次数学危机呢？
因为有个很重要的概念： 停机问题 ，停机问题是逻辑数学中可计算性理论中很重要的问题，也是第三次数学危机的解决方案。
停机问题 通俗地说，停机问题就是判断任意一个程序是否能在有限的时间之内结束运行的问题。该问题等价于如下的判定问题：是否存在一个程序P，对于任意输入的程序w，能够判断w会在有限时间内结束或者死循环。
有人猜测图灵机模型是图灵在思考 停机问题 而顺带设计出来的，是很有道理的。
图灵在剑桥大学国王学院期间，研究过一本叫做《量子力学的数学基础》的新书，这本书由年轻的匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼所著。图灵意识到计算可以用确定性的机械运动来进行表示。其实我们现在的电子计算机虽然不是我们传统意义上的机械，但是CPU内部的电子运动等价于机械运动。
同时图灵也意识到人的思想、意识来自于量子力学中的测不准原理，这不光是微观世界，同时也是这个宇宙本身的规律。所以图灵意识到计算是确定性的，可判定的，而意识是不定的，不可计算的。
在AI人工智能有巨大发展的今天，很多人担心计算机是否会和人一样有意识，其实图灵在80多年前已经考虑过这个问题了。
前面提到，图灵在1950年写过一篇论文《计算机器与智能》，在这篇论文中，图灵测试一词被提出来：
这个测试有多难？目前我们所有的人工智能都没有完成这个测试。最近2018年3月份的谷歌I/O大会上演示的AI产品，据说“部分通过图灵测试”。这个部分到底有多少也未可知。
从人类科技发展的历史上来看，19世纪末到20世纪中期，是第二次工业革命和第三工业革命过渡的时期。第二次工业革命主要电和磁、内燃机的发明和使用，发展到这个时候科学家对世界的认知越来越多，越来越清晰，物理学和数学等自然科学发展迅速。这个时候的数学家发现很多现象可以用数学模型来表示，从物体的运动到星球的运动、从热能到动能的转换、从电到磁的转换等等。那问题来了是否所有的现象都可以用数学模型来表达呢？真是这个问题，让人们对数学很多根本性问题进行思考和研究。
中国有句古话说：乱世出英雄。在图灵的时代，在科学历史上出了很多的科学英雄，包括爱因斯坦、冯诺依曼、图灵、哥德尔等等，一方面是时代背景使然，一方面真是他们的天赋和努力让以信息化为代表的第三次工业革命的进程大大加快了。
从这些巨匠的思考问题，解决问题的方法和认知来看是超出常人的。从对 可计算性理论 的思考，给了我们很大的启示：
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网上都有，按照现在PC的能力~秒破
只是最后一步及其困难——破解后得到的是不是原文，而是类似字母替代的半原文
例如，原文是hello world，破解后有可能是abccd edfcg，其中a对应h、b对应e、c对应l，而且有可能每次对应关系不一样
到这一步得靠对原文语言的熟练程度，而不是对算法的掌握能力
二战德国人的报文中，很少使用缩写，经常有类似国防部Oberkommando，党卫队Schutzstaffel的单词，所以相对容易
但如果只是想破解“hello world”，“bye bye”这种短语，就困难了
顺便说一句，别用波兰人的那个破译方法，用英国图灵的破译算法。
波兰人的是基于德国对密码机使用上的弱点，而图灵是针对密码机的弱点。
敦刻尔克大撤退后，德国即将启动入侵英国本土，英国军情局在伦敦郊外的布雷奇利庄园设立了密码破译中心。在这里，有数百名工作人员参与破译德国军事行动的绝密情报。而这所庄园以及破译工作，同样也被英国政府列为最高机密，其代号就是"超级机密"。
正在英国人毫无头绪时，1938年，一位犹太人向英国情报人员透露，他曾是"艾尼格玛"的设计人员之一。英国人经过仔细甄别后，相信了他。这位犹太人真的复制出了一台"艾尼格玛"密码机，按照英国人的说法，这是仿制工程的奇迹，而这的确帮了英国人的大忙。
然而在1939年夏秋之际，德国人又改进了原先的密码机，复制品由此失去了效能，英国再次陷入困境。但波兰情报部门又出手解救了英国人。作为英国的盟国，波兰人将他们数年来对德国密码机的研究成果乃至新的密码机样机、已解密机器悉数交给了英国人。
仅仅一个星期后，纳粹军队就开进了波兰。这让英国密码破译专家诺克斯感动不已，他说："波兰此举，就像一名古代的骑士在倒下之前，将手中的利剑递给了战友。"
在布雷奇利庄园，除了诺克斯这位破译界名宿，还有一位数学界奇才——图灵。他毕业于剑桥大学，战后依靠对密码机的研究成果，他成了开创电子计算机时代的先驱者之一。
首先，他们从研制能模仿或能解释德国国防军每一个"哑谜"方式的机器入手，从而能推出所有德军主要司令部日日夜夜、成年累月发布命令时经常变换的编码程序。经过艰难攻关，英国人终于制成了具有上述功能的机器，将之命名为"炸弹"。
1939年底，"炸弹"破译出了德国密码，英国人欣喜若狂。从此，德军的秘密计划和行动方案，源源不断地从布雷奇利庄园传到军情六处孟席斯上校手中，再直接交到丘吉尔的案头。事实上，德军在"二战"期间的绝大多数行动，都没能瞒得过英国人，只不过英国人将情报来源一直掩饰得很好，始终没有引起对手的怀疑。
1940年7月2日，希特勒发布了第一组"海狮"作战计划，也即英国本土登陆作战计划。战役一开始，丘吉尔和空军参谋部就通过"超级机密"了解到德国空军的大部分——有时甚至是全部的计划。
针对德国空军司令戈林要求夺取制空权的指令，英国皇家空军制定了集中优势兵力打击敌人的方案。由于英国空军的飞机数量没有德国多，所以只能在适当时间、适当地方和适当高度，集中战斗机中队及主要防御力量，对付敌人的主攻力量。依赖预警雷达及破译的德国军事情报，英国皇家空军总能掐着纳粹空军到达的时刻精准升空拦截，而不需要时时空中巡逻防备德军突袭——英国空军由此大大减少了飞行员体力消耗及汽油等战略物资消耗。
1940年8月13日，苏塞克斯和肯特上空，80架德军"道尼尔 17"轰炸机群，以及更多数量的"容克 88"俯冲轰炸机，飞往不列颠腹地及海岸线执行轰炸任务。由于天空浓云密布，德军护航战斗机无法按计划起飞，轰炸机只好单独出击。
英国空军司令部事先已知晓德军行动计划，当在雷达上发现德国飞机后，立即启动早已就绪的作战方案……这次交锋，德国空军共损失飞机47架，另有80多架被击伤，而英国空军仅损失飞机13架。
在布莱切利园中，德国海军的恩尼格玛密码一直被认为是最难以破解的。
德国海军历来极其重视无线通信的可靠性和保密性，就是他们率先使用了恩尼格玛机来加密。而且，德国海军还频繁地在结构和操作方式上对恩尼格玛机进行改进，以确保它无懈可击、牢不可破。
第二次世界大战前夕，德国陆军和空军将恩尼格玛机的转子从3个增加到了5个，而德国海军则是继续增加到了7个，最后更是丧心病狂的增加到了8个。
而且，德国海军还使用了与陆军及空军不一样的新操作规程，主要包括两个方面：
一、增加“密钥手册”，规定每天0点更新初始参数。
（a）选择8个转子中的3个并规定其基左中右位置；
（b）设定各转子的内外轮之间的相对位置；
（c）设定接线板上的10对接线；
（d）设定3个转子的初始位置。
二、采用“双字替换表”
（a）发报前，先从密钥手册中选3个字母，比如ABC，作为密钥，然后把恩尼格玛机的3个转子调到当天规定的初始位置，输入ABC，假设得到FTN，再把转子调到FTN的位置，开始加密正式电文；
（b）再从密钥手册中选另一组字母，比如XYZ，在XYZ的左边和密钥ABC的右边任意增加一个字母，比如P、Q，列成两行，上下对齐。
P X Y Z
A B C Q
（c）根据当天有效的“双字替换表”把各列的字母对PA、XB、YC、ZQ分别替换，比如替换成IS、OW、MD、UV；
（d）发送电报时，把这4对字母加在正式密文的首尾；
（e）对方接收到电报后，先对4对字母反向操作，得到3个字母ABC，再得到FTN，然后开始解密正文。
这样一来，原来重复加密3个字母密钥的操作就不存在了，以致雷杰夫斯基发明的破解方法完全失效。
在图灵来到布莱切利园之前，几乎所有人都认为德国海军的密码是无法破译的，因此没有人愿意为它浪费时间。图灵到来之后，发明了基于crib方法的“炸弹”机，理论上是可以对德国海军的密码进行破译的，但由于早期的“炸弹”机性能过低，所以破解的效率极为低下。
当时德国的U-潜艇正在严重威胁盟军的大西洋生命线，寻找有效的破解德国海军密码的方法变得刻不容缓。经过一段时间的摸索和研究，图灵终于发明了基于贝叶斯统计原理的“班布里方法”，能够有效破解德国海军的恩尼格玛机。
班布里方法基于语言学中的一个统计事实：把任意两段文字拿来排成行上下对齐进行比较，查看其中有多少对字母是相同的；当这两段文字属于同一编码系统时出现相同字母对的概率，明显高于当它们不属于同一编码系统时的相应概率。
基于这个原理，图灵找到了破解德国海军恩尼格玛机的途径。不过图灵所用的方法包含了大量数学理论，过程也相当繁琐，这里就不详细表述了，我们只说一下图灵的大致思路。
首先，通过对比分析大量的电文头尾的明文字母，部分甚至完全破解“双字替换表”，从而获得电文密钥；
其次，用班布里方法，确定右边转子是8个转子中的哪一个；
再次，重复使用班布里方法，进一步确定中间转子是哪一个；
最后，用“炸弹”机破解全部密文。
这个步骤被验证是行之有效的，图灵就这样搞定了最高级别的德国海军恩尼格玛机。
1940年5月8日，用班布里方法破解德国海军密码首次获得成功。以后的三年里，此方法结合“炸弹”机成为英国破解德国海军密码的主要手段，为盟军重创德国U-潜艇舰队、守住大西洋生命线做出了巨大贡献。
据不完全统计，破解之后，盟军全年被击沉船只的吨位下降了60%；而德军潜艇的损失率，从破译前的不到7%，猛增到50%。
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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 *** 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 *** 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， *** 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。
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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