安全通论

本书构建了一套网络空间安全的统一基础理论体系，在理工科范围内（不含心理学、社会学、经济学、管理学等），几乎没有任何限制（如设备、环境和人员等）的前提下，揭示了黑客攻防和安全演化的若干基本规律。这些规律可以适用于网络空间安全的各主要分支。特别是本书介绍了系统安全经络的普遍存在性、黑客的离散随机变量本质、红客维护安全熵的目标核心、在各种情况下（单挑、一对多、多对一、多对多等）红客与黑客对抗的可达极限、安全攻防的宏观和中观动态行为数学特征、红客与黑客的直接与间接对抗的演化规律、网络空间安全的生态发展量化规律等。读者不要被书中大量的数学公式吓倒，如果忽略书中的具体数学证明（即假定证明的正确性），那么安全界的所有人员都能读懂此书，并从中受益。

杨义先，北京邮电大学教授、博士生导师、首届长江学者特聘教授、首届国家杰出青年基金获得者、国家教学名师、国家教学团队（“信息安全”）带头人、全国百篇优秀博士学位论文指导教师、国家精品课程负责人。现任北京邮电大学信息安全中心主任、灾备技术国家工程实验室主任、公共大数据国家重点实验室（筹）主任、中国密码学会副理事长。他长期从事网络与信息安全方面的科研、教学和成果转化工作。他创立的网络空间安全的统一理论“安全通论”和高级科普《安全简史》，在社会上引起了极大反响，被各种媒体和网友广泛转载、转发。曾获得荣誉：政府特殊津贴、国家有突出贡献的中青年专家、国家有突出贡献的中国博士学位获得者、第四届“中国青年科学家奖”、第四届“中国青年科技创新奖”、全国优秀科技工作者、中国科协第三届青年科技奖、首届茅以升北京青年科技奖、北京青年五四奖章、第三届北京十大杰出青年、“有可能影响中国21世纪的IT青年人物”。钮心忻，北京邮电大学教授、博士生导师，中国通信学会高级会员。主要研究领域有：信息安全、信息隐藏与数字水印、数字内容及其安全等。她主持完成了国家863项目“伪装式网络信息安全技术的研究与开发”，国家自然科学基金项目“信息伪装与信息检测算法及应用研究”“信息隐藏分析理论与技术研究”等多项***科研项目。她的研究成果获得过教育部科技进步一等奖、中国通信学会科技进步二等奖、三等奖，中国电子学会科技进步三等奖，以及信息产业部科技进步三等奖等。她在包括IEEE Trans.on AES、Chinese Journal of Electronics、电子学报等国内外著名学术刊物上发表论文五十余篇，出版著作六部，申请国家发明专利六项，已获授权两项。

《安全通论》出自信息安全领域知名专家、北京邮电大学教授、畅销书《安全简史》作者杨义先，历时数载精心制作，积淀安全知识之精华。本书不但可以刷新读者的安全观，而且有助于摆脱信息安全界目前“头痛医头，足痛医足，盲人摸象”的现状，让读者有机会鸟瞰整个网络空间安全。如果忽略掉书中的具体数学证明，那么安全界的所有人员都能读懂此书，并从中受益。

前 言

开天辟地生易经，合纵连横信息论；安全世界诸侯乱，谁成一统谁成神。

所谓“安全通论”，顾名思义，就是在一定的范围内建立统一的安全基础理论。此书的范围，指理工科范围，即不含心理学、社会学、经济学、管理学等领域。此书的安全含义，就是指信息安全或网络空间安全。

你肯定会怀疑，这样的理论存在吗？答案当然是存在，不但存在，而且已经存在了数千年；不但存在了数千年，而且还在不断具体化，不断突破新领域，不断涌现新版本。不信你看，早在人类还没有文字的时候，伏羲就用几根小棍子摆出了八卦图，这可以说是人类历史的第一部，也是涉及面最广的一部“安全通论”了。后来，约在3200年前，周文王（公元前1152年—公元前1056年）又对伏羲的“安全通论”进行了“改版”，写成了64卦的《易经》，于是完成了指导宇宙万事万物的

“安全通论”。再后来，又过了约1000年，孔子对《易经》进行了精心注解，并将其作为群经之首。如果将“吉”看作安全，将“凶”看作不安全的话，那么《易经》这部“安全通论”的“核心定理”便可以总结为“吉中有凶，凶中含吉；凶极吉来，吉极有凶”。对该“核心定理”，周文王虽未给出精确的数学证明，但是数千年来的事实已多次反复证明了其正确性！它甚至已经演化成了辩证法的精髓：物极必反！特别需要指出的是，《易经》还是中华文化之源。可见，安全通论对我们是多么的重要！

在医学领域，第一部“安全通论”叫《黄帝内经》，大约成书于先秦至西汉年间（公元前21世纪至公元8年）。虽然该书作者不详，但它的“核心定理”却是很明确的，即阴阳五行说——“水生木，木生火，火生土，土生金，金生水”或“水克火，火克金，金克木，木克土，土克水”。当然，也可以形象地总结为“通则不痛，痛则不通”，只不过此处将“不生病”看作安全，将“生病”看作不安全而已。

在军事领域，第一部“安全通论”叫《孙子兵法》，它成书于2500多年前。如果将“胜”看作安全，将“败”看作不安全，那么孙武的“安全通论”本身就已非常精练，区区6000余字含有13篇基本法则：始计篇、作战篇、谋攻篇、军形篇、兵势篇、虚实篇、军争篇、九变篇、行军篇、地形篇、九地篇、火攻篇、用间篇。当然，现在孙武“安全通论”的应用已经不仅仅限于军事领域了，甚至成为当代商家的必读经典，因为商场如战场嘛。

古人在不同领域，从不同层次和深度创立了各种版本的“安全通论”，推动着人类文明不断向前发展。其实，即使到了近代和现代，人类也还在继续着这方面的探索。

约250年前，经济学鼻祖亚当?斯密也撰写了一部非常著名、一直畅销至今的“安全通论”，简称《国富论》。在激烈的自由市场竞争中，如果将“竞争成功”看作安全，而将“竞争失败”看作不安全，那么亚当?斯密的“安全通论”便可形象地概括为一句话：看不见的手。更详细地说，就是“人人都试图用其资本来使其生产品获得最大价值。一般来说，他并不企图增进公共福利，也不清楚增进的公共福利有多少，他所追求的仅仅是个人安乐和个人利益，但当他这样做的时候，就会有一双看不见的手，引导他去达到另一个目标，而这个目标绝不是他所追求的东西。由于追逐他个人的利益，却经常促进了社会利益，其效果比他真正想促进社会效益时所得到的效果为大”。亚当?斯密“安全通论”中的各种改进和充实层出不穷，甚至已经发展成多门学科，如数量经济学、经济数学、一般均衡理论等。

约150年前，达尔文创立的“进化论”其实就是生物界的“安全通论”。如果将生物种群的“灭绝”看作不安全，“生存”看作安全，那么达尔文“安全通论”的“核心定理”便可以总结为“物竞天择，适者生存”或“自然选择是生物进化的动力”。当然，达尔文“安全通论”的影响力已经不仅仅限于生物界了，甚至跨越了自然科学和社会科学，极大地改变了人类的世界观。

前面介绍的所有“安全通论”案例，大多出自人文或社科领域。但是，别误会，其实“安全通论”在自然科学界也比比皆是。

完全由抽象数学公式写成的“安全通论”，名叫“博弈论”，它由计算机之父冯?诺依曼等科学家于1944年最终创立，它已成为现代数学的一个新分支，也是运筹学的重要内容。如果将斗争（或竞争）中的“获胜”当作安全，“失败”当作不安全（当然，这里的“安全”或“不安全”不再有明显的界限，而是由具体的数字量化描述，行话叫“收益函数”或“权重”），那么冯?诺依曼“安全通论”就主要研究公式化的激励结构间的相互作用，研究具有斗争（或竞争）现象的数学理论和方法，研究对抗游戏中个体的预测行为和实际行为及其优化策略等。该理论的核心定理便是著名的“纳什均衡定理”。如今，冯?诺依曼“安全通论”已被生物学家用来理解和预测进化论的某些结果；被经济学家用作标准分析工具之一，并在金融学、证券学等领域扮演着重要角色；被社会科学家用于处理国际关系、政治学、军事战略等学科的重要问题。

在现代通信中，如果将“1比特信息被无误差地传输到收信端，比如1传成1或0传成0”看作安全，而将“信息被传错，即1传成0或0传成1”看作不安全，那么此种情形下的“安全通论”便是众所周知的“信息论”，它于1948年由天才科学家克劳德?艾尔伍德?香农创立。该理论的核心只有两个定理，其一是“信道编码定理”，其二是“信源编码定理”。如今，香农“安全通论”已经成为IT领域的“指路明灯”，其重要性怎么描述也不过分。如果没有它，人类可能就无法进入所谓的信息时代、数字时代或网络时代。

如果将系统（准确地说是系统中的信息）的“失控”看作不安全，将“受控”看作安全，那么与之相应的“安全通论”便是如雷贯耳的“控制论”（其实应该叫“赛博学”），它由诺伯特?维纳等于1948年创立。虽然维纳版的“安全通论”没有明确的“核心定理”，但是它却再一次彻底刷新了人类的世界观，揭示了系统的信息变换和控制过程。虽然一般系统具有物质、能量和信息三要素，但是维纳却只把物质和能量看作系统工作的必要前提，并不追究系统到底由什么物质构造或能量如何转换等，而是着眼于信息方面，研究系统行为方式的一般规律，特别是动态系统在变化的环境中如何保持平衡或稳定状态，即“受控”中有“失控”、“失控”中含“受控”的《易经》思想。与其他只研究特定物态系统，只揭示某一领域具体规律的专门科学相比较，维纳版“安全通论”是一门带有普遍性的横断科学，其思想和方法已渗透到了几乎所有自然科学和社会科学领域。

其实，在不同领域，为了不同目的，人们还创立了多种其他版本的“安全通论”，包括但不限于：1968年贝塔朗菲等创立的“一般系统论”，1969年普里戈金等创立的“耗散结构理论”；20世纪70年代哈肯等创立的“协同学理论”，艾肯等创立的“超循环理论”，塞曼等创立的“突变论”；此外，还有诸如“混沌理论”“分形理论”等都可以在某种程度上纳入“安全通论”的范畴。

与上面创立不同版本“安全通论”的所有伟人相比，本书作者可能比较渺小了。但是，“位卑未敢忘忧国”，毕竟在赛博时代，在人们一刻也不能离开的网络空间中，以黑客为代表的破坏者们已经把全世界的用户搞得焦头烂额，以至于全球安全专家（红客）随时都在忙于“救火”：黑客造病毒，红客就得杀病毒；黑客破密码，红客就得忙着加密；黑客非法进入系统，红客就得研制防火墙；黑客兵来，红客就得将挡；黑客水来，红客就得土掩。总之，网络空间安全已经被分裂成至少十余个“几乎互不搭界”的分支，网络安全专家也被逼成了“高级工匠”，以至于谁也没精力考虑网络空间安全是否存在统一的基础理论，以及如何建立这样的统一基础理论等核心问题。作者不才，甘愿冒此风险，第一个吃螃蟹，来认真探索构建“网络空间安全基础理论”或“信息安全基础理论”的课题。

因此，本书所指的“安全通论”，实际上是“信息安全通论”或“网络空间安全通论”。但是，一方面为了使书名简洁，另一方面也由于书中的许多思路和方法来自于其他学科的“安全通论”，而且许多结果也能推广到其他学科的“安全通论”，所以采用了“安全通论”作为书名。

虽然本书篇幅已经不小（数百页之多），但我们仍然觉得“安全通论”没有最终完成，因为理想的“安全通论”应该是：

（1）要么像香农的《信息论》那样，仅仅由1篇文章和少数几个（2个）定理搞定。

（2）要么像冯?诺依曼的《博弈论》那样，虽然篇幅巨大（1000多页），但核心定理只有一个（纳什均衡定理）。

那为什么在“安全通论”没有最终成熟之前，我们就决定出版此书呢？原因有四：

（1）到目前为止，本书的某些结果已经足以刷新过去的许多安全观念，有利于网络空间安全的攻防双方改进各自的思路和方法。这也是本书为什么要增加一个副标题“刷新网络空间安全观”的原因。

（2）从纯学术角度看，本书的内容已经画出了一个完整的闭环。虽然这个闭环还不是很完美（主要是不够精练），但却已能自圆其说，一个网络空间安全基础理论体系已经清晰可见。第1章，从理、工、哲、经、管等角度，论述了安全的本质，特别是再次剖析了信息安全，为后续各章指明了方向。第2章，利用数学方法，从“我”的角度，在锁定时间和对象的情况下，将主观问题客观化，抽象地描述了安全本质和逻辑结构，即安全经络图。第3章，揭示了网络空间安全的第一主角（黑客）的本质及其最佳攻击战略、战术和生态演变规律。第4章，揭示了另一主角（红客）的量化实质（安全熵的维护者），用图灵机给出了安全问题的主观和客观描述，并给出了红客是否最佳的判别标准。网络空间安全的核心是“对抗”，接下来的第5～13章，是本书的主体，在第1～4章的基础上，对网络空间中的安全对抗进行了全面而系统的量化论述，包括各种攻防的可达极限、最佳攻防策略算法、宏观态势、中观态势、对抗的演化规律，以及由红客、黑客和用户三者形成的安全生态演变规律。特别地，发现了“信息论”和“博弈论”的异常密切联系，实现了“三论”融合，还顺便给出了困扰人们数十年的所谓“多用户信息论的信息容量极限计算”的博弈论解。另外，还对维纳提出的“对话问题”首次给出了数学模型和博弈论解答。第14～16章，分别就三种特殊的安全

第1章 信息安全再认识 / 1
第1节 安全的基本概念及特征 / 2
第2节 从哲学角度看安全 / 5
第3节 安全面面观 / 9
第4节 安全系统的耗散结构演化 / 15
第5节 信息安全回头看 / 23
第2章 安全经络图 / 27
第1节 不安全事件的素分解 / 27
第2节 经络图的逻辑分解 / 32
第3节 几点说明 / 36
第3章 黑客 / 39
第1节 黑客的最佳攻击战术 / 39
第2节 黑客的最佳攻击战略 / 50
第3节 黑客生态的演变规律 / 63
第4节 小结与畅想 / 82
第4章 红客 / 87
第1节 漏洞的主观和客观描述 / 88
第2节 安全熵及其时变性 / 93
第3节 最佳红客 / 101
第4节 小结 / 108
第5章 红客与黑客的单挑对抗极限 / 111
第1节 单挑盲对抗的极限 / 111
第2节 单挑非盲对抗极限之“石头剪刀布” / 124
第3节 非盲对抗极限之“童趣游戏” / 131
第4节 单挑非盲对抗极限之“行酒令” / 140
第5节 小结与说明 / 150
第6章 红客与黑客的多方对抗极限 / 153
第1节 多攻一的可达极限 / 154
第2节 一攻多的可达极限 / 159
第3节 攻防一体星状网的可达极限 / 162
第4节 攻防一体榕树网的可达极限 / 169
第5节 攻防一体全连通网络的可达极限 / 170
第6节 小结与答疑 / 171
第7章 信息论、博弈论与安全通论的融合 / 175
第1节 信息论与博弈论的再认识 / 175
第2节 博弈论核心凝练 / 178
第3节 信息论核心凝炼 / 183
第4节 三论融合 / 185
第5节 几点反省 / 195
第8章 对话的数学理论 / 199
第1节 协作式对话（通信）与问题的提出 / 199
第2节 骂架式对话 / 203
第3节 辩论式对话 / 204
第4节 几句闲话 / 214
第9章 沙盘演练的最佳攻防策略 / 217
第1节 最佳攻防策略与武器库的丰富和淘汰原则 / 217
第2节 最佳攻防策略的计算 / 230
第3节 几点注解 / 234
第10章 安全对抗的宏观描述 / 237
第1节 充分竞争的共性 / 237
第2节 攻防一体的“经济学”模型 / 239
第3节 寻找“看不见的手” / 245
第4节 小结与邀请 / 253
第11章 安全对抗的中观描述 / 255
第1节 为什么需要中观画像 / 255
第2节 安全对抗的耗散行为 / 257
第3节 安全态势中观画像的解释 / 263
第4节 类比的闲话 / 266
第12章 红客与黑客间接对抗的演化规律 / 269
第1节 进化论的启示 / 269
第2节 攻防的演化模型与轨迹 / 272
第3节 攻防演化的稳定性分析 / 281
第4节 四要素小结 / 283
第13章 网络安全生态学 / 285
第1节 生物学榜样 / 285
第２节 “黑客+用户”生态学 / 287
第3节 “黑客+红客”生态学 / 294
第4节 “用户+红客”生态学 / 297
第5节 “黑客+用户+红客”生态学 / 298
第6节 安全攻防小结 / 302
第14章 计算机病毒的行为分析 / 307
第1节 计算机病毒与生物病毒 / 307
第2节 死亡型病毒的动力学分析 / 309
第3节 康复型病毒的动力学分析 / 311
第4节 免疫型病毒的动力学分析 / 313
第5节 开机和关机对免疫型病毒的影响 / 316
第6节 预防措施的效果分析 / 318
第7节 有潜伏期的恶意病毒态势 / 319
第8节 他山之石的启示 / 320
第15章 谣言的传播规律 / 323
第1节 谣言的武器性质 / 323
第2节 一个机构内的谣言动力学 / 324
第3节 多个机构内的谣言动力学 / 334
第4节 小结与感想 / 337
第16章 民意的演化规律 / 339
第1节 一个传说的启发 / 339
第2节 民意结构的动力学方程 / 340
第3节 民意主方程的定态解 / 346
第4节 民意福克-普朗克方程的定态解 / 350
第5节 几点说明 / 353
跋 / 357
信息安全心理学（或黑客心理学） / 357
信息安全管理学 / 366
参考文献 / 375