信息安全基础知识（信息安全安全通论）

杨义先，钮心忻

（北京邮电大学 信息安全中心， 北京 100876）

0引言

“安全”与“信息”都是至今还没有严格定义的概念。早在60年前，仙农创立了“信息论”，从而为现代通信的飞速发展奠定了坚实的基础。但是，至今人们对“安全”的研究，特别是网络空间安全的研究，还仅仅停留在“兵来将挡，水来土淹”的工程层次或技术层次，既缺乏全面系统的理论指导，又遗留了许多明显的漏洞，比如，虽然大家都承认网络空间安全是“三分技术，七分管理”，但是，全世界都将几乎90%的精力聚焦于“三分技术”；而“七分管理”竟然无人问津，或者说只是片面地将“管理”理解为“颁布几份规章制度”而已。

我们梦想建立一套基础的通用安全理论，并以此来指导包括网络空间安全在内的所有安全保障工作。本文是努力实现该梦想的第一步。

希望本文能够激发国内外学者更多的后续研究。

1不安全事件的素分解

“安全”是一个很主观的概念，与“角度”密切相关。同一个事件，对不同的人，从不同的角度来说可能会得出完全相反的“安全结论”，比如，“政府监听公民通信”这件事，从政府角度来看，“能监听”就是“安全”；而对公民来说，“能监听”就是“不安全”。所以，下面研究“安全”，只锁定一个角度，比如，“我”的角度。

“安全”是一个与时间密切相关的概念。同一个系统，在昨天安全，绝不等于今天也安全（比如，若用现代计算机去破译古代密码，简直是易如反掌）；同样，在今天安全，也绝不等于明天就安全。当然，一个“在昨天不安全”的系统，今天也不会自动变为安全。因此，下面研究“安全”，只考虑时间正序流动的情况，即，立足当前，展望未来（为突出重点，本文只考虑当前时刻的情况，带时间的安全通论，将在后续论文中涉及）。

“安全”是一个与对象密切相关的概念。若A和B是两个相互独立的系统，若只考虑A系统的安全，那么，B系统是否安全就应该完全忽略。比如，若只考虑“我的手机是否安全”，那么，“白宫的电脑是否中毒”就可以完全忽略。因此，下面研究“安全”时，只锁定一个有限系统，即该系统由有限个“元件”组成。

设A是一个封闭的独立系统，如果直接研究其“安全”，根本无处下手！不过，幸好有“安全”=不“不安全”，所以，若能够把“不安全”研究清楚了，那么“安全”也就明白了。

下面就以概率论为工具，从“我”的角度，沿着时间的正序方向（但只考虑当前状态）来研究系统A的“不安全”。

假定A系统中发生了某个事件，如果它是一个对“我”来说的“不安全”事件，那么，“我”就能够精确且权威地判断这是一个“不安全的事件”（注意：除“我”之外，“别人”的判断是没有参考价值的，因为，本文只从一个角度来研究“安全”）。如果将该“不安全事件”记为D，那么，该事件导致系统A“不安全”的概率就记为P(D)。为了简化计，此处只考虑0<P(D)<1的情况，因为，如果P(D)=0，那么这个“不安全事件”D就几乎不会发生，故可以忽略，因为无论是否对造成事件D的环境进行改进，都不影响系统A的安全性；如果P(D)=1，那么，D就是“不安全”的确定原因（没有随机性），这时只需要针对事件D单独进行加固（比如，采用现在所有可能的已知安全技术手段。实际上，当前全球安全界都已经擅长于这种“头痛医头，足痛医足”的方法），就可以提升系统A的安全性了。

从理论上看，给定系统A之后，如果A是有限系统，那么，总可以通过各种手段，发现或测试出当前的全部有限个“不安全事件”，比如，D1、D2、…、Dn。下面，在不引起混淆的情况下，用Di同时表示“不安全事件”和造成该事件Di的原因。于是，系统A的“不安全”概率就等于P(D1∪D2∪…∪Dn)，或者说，系统A的“安全”概率等于1-P(D1∪D2∪…∪Dn)。

换句话说，本来无处下手的“安全”研究，就转化为了下面的数学问题：

“安全”数学问题：在概率0<P(D1∪D2∪…∪Dn)<1的情况下，使该概率P(D1∪D2∪…∪Dn)最小化的问题，或者使1-P(D1∪D2∪…∪Dn)最大化的问题。

设D和B是系统A的两个“不安全事件”，那么，(D∪B)也是一个“不安全事件”，但是，（D∩B）或者（D\\B）等就不一定再是“不安全事件”了。若事件D是B的真子集，并且D的发生会促使B也发生（即，条件概率P(B|D)>P(B)），则称事件D是事件B的“子事件”。

在时间正序流动的条件下，设系统A的过去全部“不安全事件”集合为D，若当前又发现一个新的“不安全事件”B，那么，系统A的当前“不安全”概率=P(D∪B)≥P(D)=系统A的过去“不安全”概率。于是:

“不安全性”遵从热力学第二定律：系统A的“不安全”概率将越来越大，而不会越来越小（除非有外力，比如采取了相应的安全加固措施等）；或者说“安全”与“信息”一样都是负熵。

由热力学第二定律可知，热量可以自发地从高温物体传递到低温物体，但不可能自发地从低温物体传递到高温物体；热量将最终稳定在温度一致的状态。那么，有限系统A的“不安全”状态将最终稳定在什么地方呢？

下面就来回答这个问题。

设Z是一个“不安全事件”，如果存在另外两个“不安全事件”X和Y（它们都是Z的真子集），同时满足如下两个条件：（1）X∩Y=；(2）Z=X∪Y。那么，就说“不安全事件”Z是可分解的。此时X和Y都是Z的子事件。如果某个“不安全事件”是不可分解的（即它的所有真子集都不再是“不安全事件”了），那么，就称该事件为“不安全的素事件”。

定理1（“不安全事件”分解定理）：对任意给定的“不安全事件”D，都可以判断出D是否是可分解的，并且，如果D是可分解的，那么，也可以找到它的某种分解。

证明：由于有限系统A的全部“不安全事件”只有有限个D1、D2、…、Dn，所以，至少可以通过穷举法，对每个Di(i=1,2,…,n)测试D\\Di，判断其是否也是“不安全事件”。如果至少能够找到某个这样的i，则D就是可分解的，而且，Di与（D\\Di）就是它的一个分解；否则，D就是不可分解的“不安全素事件”，这是因为“D1、D2、…、Dn”是全部“不安全事件”。证毕。

定理2（“不安全事件”素分解定理）：若反复使用上述的“不安全事件”分解定理来处理“不安全事件”（D1∪D2∪…∪Dn）及其被分解后的“不安全子事件”，那么，就可以最终得到分解：D1∪D2∪…∪Dn=B1∪B2∪…∪Bm，这里对任意的i和j（i，j=1，2，…，m）都有Bi是“不安全素事件”,并且Bi∩Bj=。

证明：若D=D1∪D2∪…∪Dn，已经是不可分解的了，那么，m=1，并且D1∪D2∪…∪Dn=B1;若D是可以分解的，并且X是D分解后的一个“不安全子事件”。如果X已经不可分解了，那么，可以取B1=X；如果X还可以再分解，那么，再对X的某个“不安全子事件”进行分解。如此反复，直到最终找到一个不能再被分解的“不安全子事件”，将该事件记为B1。

仿照上面分解D的过程来分解D\\B1，便可以找出不能再被分解的“不安全子事件”B2。

再根据D\（B1∪B2）的分解，便可得到B3。

最终，当这个分解过程结束后，全部的Bi就已经构造出来了。证毕。

于是，根据“不安全事件”素分解定理，便有Bi∩Bj=，并且：

P(D1∪D2∪…∪Dn)=P(B1∪B2∪…∪Bm)=P(B1) P(B2) … P(Bm)

换句话说，可以将引发有限系统A的“不安全事件”D1、D2、…、Dn分解为另一批彼此互不相容的“不安全素事件”B1、B2、…、Bm，并且，还将有限系统A的不安全概率转化为P(B1) P(B2) … P(Bm)。所以，有限系统A的“不安全”概率P(D1∪D2∪…∪Dn)的最小化问题也就转化成了每个彼此互不相容的“不安全素事件”的概率P(Bi)(i=1,2,…,m)的最小化问题。进而得到如下结论：

定理3（分而治之定理）：任何有限系统A的“不安全事件”集合，都可以分解成若干个彼此互不相容的“不安全素事件”：B1、B2、…、Bm，使得只需要对每个Bi(i=1,2,…,m)进行独立加固，即减小事件Bi发生的概率P(Bi)，即可以整体上提高系统A的安全强度，或者说整体上减少系统A的“不安全”概率。

该分而治之定理回答了前面的“热平衡”问题，即：有限系统A的“不安全”状态，将最终稳定成一些彼此互不相容的“不安全素事件”之并。该定理对全球网络空间安全界的启发意义在于：过去那种“头痛医头，足痛医足”的做法虽然值得改进，但也不能盲目地“头痛医足”或“足痛医头”，而是应该科学地将所有安全威胁因素，分解成互不相容的一些“专科”（B1、B2、…、Bm），然后，再开设若干“专科医院”来集中精力“医治”相应的病症（即，减小P(Bi)）。

专科医院也是分门诊部的，同样，针对上述的每个“不安全素事件”Bi也可以再进一步地进行分解，并最终得到系统A的完整“经络图”，于是，便找到了某些“头痛医足”的依据，甚至给出“头痛医足”的办法。

2系统“经络图”的逻辑分解

设X是B的一个真子集，并且，若事件X发生，就会促使B也发生（即，P(B|X)-P(B)>0），那么，就称X为B的一个诱因。

针对任何具体给定的有限系统A，因为B是有限集，所以，从理论上看，总可以通过各种手段发现或测试出当前B的全部有限个诱因，比如，X1、X2、…、Xn，即，B=X1∪X2∪…∪Xn。

设X和Y是B的两个诱因，而且还同时满足：（1）X∩Y=；（2）B=X∪Y。那么，即认为B是可分解的，并且X∪Y就是它的一种分解。如果某个B是不可分解的（即它的所有真子集都不再是其诱因了，或者说对B的所有真子集Z，都有条件概率P(B|Z)=P(B)），那么，就称该事件为“素事件”。

若Y、Y1、Y2都是B的诱因有：并且有：（1）Y1∩Y2=；(2）Y=Y1∪Y2。那么，即认为B的诱因Y是可分解的，并且Y1∪Y2就是它的一种分解。如果诱因Y是不可分解的（即，它的所有真子集都不再是B的诱因了），那么，就称该诱因Y为“B的素诱因”。如果诱因Y的所有子集Z，都不再是Y自己的诱因了，那么，就称Y为“元诱因”，或形象地称为“穴位”。

定理4（事件分解定理）：对任意给定的事件B，都可以判断出B是否可分解，并且，如果B是可分解的，那么，也可以找到它的某种分解。

证明：由于系统B的全部诱因只有有限个X1、X2、…、Xn，所以，至少可以通过穷举法，对每个Xi(i=1,2,…,n)测试B\\Xi，判断其是否也是B的一个诱因。如果至少能够找到某个这样的i，那么，B就是可分解的，而且，Xi与（B\\Xi）就是它的一个分解；如果这样的i不存在，那么，B就是不可分解的，这是因为“X1、X2、…、Xn”是B的全部诱因。证毕。

定理5（事件素分解定理）：若反复使用上述的“事件分解定理”来处理事件B，那么，就可以最终得到分解：B=Y1∪Y2∪…∪Ym，这里对任意的i和j（i，j=1，2，…，m）都有Yi∩Yj=，并且每个Yi都是B的素诱因。

证明：若B已经是不可分解的了，那么，m=1，并且，B=Y1。

若B是可以分解的，并且Y是B分解后的一个诱因。如果Y已经是B的素诱因了，那么，可以取Y1=Y；如果Y还可以再分解，那么，再对Y的某个诱因进行分解。如此反复，直到最终找到一个不能再被分解的素诱因，将它记为Y1。

仿照上面分解B的过程来分解B\\Y1，便可以找出B的不能再被分解的素诱因Y2。

再根据B\（Y1∪Y2）的分解，便可得到Y3。

最终，当这个分解过程结束后，全部的Yi就已经构造出来了。证毕。

有了上面各定理的准备后，现在就可以给出如下有限系统A的经络图算法步骤：

第0步：针对系统A的“不安全事件”D。

第1步：利用定理2，将D分解成一些互不相容的“不安全素事件”B1∪B2∪…∪Bm，这里对任意的i和j（i，j=1，2，…，m）都有Bi是“不安全素事件”并且Bi∩Bj=（为清晰计，在绘制经络图时，可以从左至右，按照P(Bi)的递减顺序排列）。

第2.i步（i=1，2，…，m）：利用定理5，把第1步中所得到的Bi分解成若干“Bi的素诱因”（为清晰计，在绘制经络图时，可以从左至右，对Bi的素诱因，按照其发生概率大小值的递减顺序排列），为避免混淆，将所有第2步获得的素诱因，称为“第2步素诱因”。这些素诱因中，有些可能已经是“元诱因”（穴位）了。

第3.i步（i=1，2，…）：针对第2步所获得的每个不是“元诱因”（穴位）的素诱因，利用定理5，将其进行分解，由此得到的素诱因称为“第3步素诱因”（这些诱因的从左到右的排列顺序与前几步相似）。这些素诱因中，有些可能已经是“元诱因”（穴位）了。

……

第k.i步（i=1，2，…）：针对第k-1步所获得的每个不是“元诱因”（穴位）的素诱因，利用定理5，将其进行分解，由此得到的素诱因称为“第k步素诱因”（这些诱因的从左到右的排列顺序也与前几步相似）。这些素诱因中，有些可能已经是“元诱因”（穴位）了。

……

由于上面各步骤的每次分解，都是针对真子集所进行的，所以，这种分解的步骤不会无穷进行下去，即，一定存在某个正整数，比如N，使得：

第N.i步（i=1，2，…）：针对第N-1步所获得的每个不是“元诱因”的素诱因，利用定理5将其进行分解，由此得到的素诱因全部都已经是“元诱因”（穴位）了（每一个素诱因下面的元诱因排列顺序，也是采用概率从大到小进行）。

将上面的分解步骤结果用图形表述出来，便得到了有限系统A的安全事件“经络图”（由于它的外形很像一棵倒立的树，所以，也称为“经络树”），如图1。

根据经络树的绘制过程，可以得到：

（1）如果系统A不安全了，那么，至少有某个“不安全素事件”（甚至可能是“元诱因”（穴位））发生了（见经络树的第二层）；

（2）如果某个“不安全素事件”发生了，那么，该事件的至少某个“素诱因”（甚至可能是“元诱因”（穴位））就发生了（见经络树的第三层）；

……

（K）如果某个“第k-1步素诱因”发生了，那么，它的至少某个“第k步素诱因”（甚至可能是“元诱因”（穴位））就发生了（见经络树的第k 1层）；

现在就清楚该如何“头痛医足”了：实际上，只要系统A“病”了，那么，就一定能够从系统A的完整经络图中，找出某个“生病的子经络图”M，使得：（1）M的每层“素诱因”或“元诱因”（穴位）都是“病”的；（2）除了M之外，系统A的经络图的其他部分都没病。于是，为了治好该“病”，只需要将M中的所有“元诱因”（穴位）的“病”治好（说明：这里某个第k步诱因病了，意指它的至少一个“第k 1步诱因”发生了。而如果某个第k步诱因的全部第k 1步诱因都没有发生，那么，这个第k步诱因就没病！可见，除了“元诱因”（穴位）之外，M中的其他非元诱因是可以自愈的！）。

更具体地说，“头痛医足”的过程是：首先将最底层，比如第N层的“元诱因”（穴位）治好，于是，第N-1层的“素诱因”就自愈了；然后，再扎针灸治好第N-1层的“元诱因”（穴位），于是，第N-2层的“素诱因”就自愈了；然后，再扎针灸治好第N-3层的“元诱因”（穴位），……，如此继续，最终到达顶层。

“经络图”的用途显然不仅仅是用来“头痛医足”，它还有许多其他重要应用，比如：

（1）只要守住所有相关的“元诱因”（穴位），那么，系统A就安然无恙；

（2）同理，只要将所有炮火瞄准相关“元诱因”（穴位），那么，就能够稳准狠地打击对手；

（3）除了元诱因（穴位）之外，经络图中平均概率值大的“经络”是更脆弱的经络（即，安全“木桶原理”中的短板），也是在系统安全保障中需要重点保护的部分；同时，也是攻击过程中重点打击的部分；

（4）平时注意绘制和补充经络图，关键时刻就可以派上用场了！

3结束语

仙农在研究信息论时，虽然发现了信道容量的上限值，但是非常遗憾，他没能给出如何才能达到该上限值，从而，致使全世界通信界的科学家们在过去60余年来，使出浑身解数设计各种编码方法，来努力逼近仙农界，至今没有成功。

与此相似，本文虽然证明了有限系统的“安全经络图”是存在的，但是，并未给出如何针对具体的系统，来绘制其安全经络图，估计未来的学者们不得不花费巨大的精力，针对具体系统来绘制具体的经络图。

必须指出，绘制经络图绝非易事。为了绘制人体经络图，中医界的祖先们奋斗了数千年！因此，绝无可能在短期内就绘制出“网络空间安全经络图”，虽然这个图肯定存在。

下面结合网络空间安全给出几点注记：（1）漏洞库中的每个漏洞，算是“元诱因”（穴位），堵住相关漏洞就是对相关“元诱因”（穴位）的加固；（2）口令算是一种“元诱因”（穴位），如果今后能够完全消除口令，代之以综合的个体生理特征，那么，这个“元诱因”（穴位）就会被充分加固；（3）删贴等“信息封堵”手段，虽然可以加固某个“素诱因”，但是，绝非加固“元诱因”（穴位），所以，难免会吃力不讨好；（4）“被穿透”和“被封堵”显然是互不相容的安全事件，而“被窃密”和“口令暴露”却是彼此相容的不安全事件；（5）欢迎所有学者，继续对“网络空间安全经络图”和其他系统的经络图进行更深入的研究。

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