“你永遠不知道，網路對面坐的一個人還是一隻狗”
--網友戲說
影片、出行、購物等網站的使用者，就一定是人類嗎？會不會是偽裝成“人類”的計算機呢？
為了能夠識別人類和計算機，“驗證碼”應運而生。
今天，讓我們瞭解一下驗證碼的前世今生吧！
01
先了解什麼是“圖靈測試”
從1946年世界上第一臺計算機出現開始，聰明的人類就已經考慮計算機發展到替代人類的可能性。艾倫·麥席森·圖靈，被稱為計算機科學之父、人工智慧之父，專門設計了一個著名的“圖靈測試”，用來判定計算機能否在智力行為上表現得和人無法區分。
當主持人問了1個問題，然後無法從2個解答中分辨出誰是人類、誰是計算機時，就表明計算機的智慧水平已經與人類沒有差異了。
“圖靈測試”是由人類來判斷：誰是計算機？誰是人類？
最重要的目的，是識別出計算機。
02
反過來的“圖靈測試” 就是驗證碼
那麼“驗證碼”，是由計算機來判斷：誰是人類？誰是計算機？
最重要的目的，是識別出人類。
這一點，可以從驗證碼的中英文全稱中看出來：CAPTCHA（Completely Automated Public Turing Test to Tell Computers and Humans Apart， 全自動區分計算機和人類的公開圖靈測試），又名HIP（Human Interaction Proof，人類互動行為證明）。
最典型的驗證碼，如下圖所示。
以目前的眼光來看，這個驗證碼確實略顯簡陋。
但是在計算機技術還不發達的年代，這樣的驗證碼，已經足以識別出人類：
- 只有人類，才能識別出驗證碼中被嚴重扭曲的字母或者數字；
- 而計算機，則無法識別。
基於這樣的驗證碼，各種計算機系統（例如：網站、郵箱等）成功識別到真正的人類後，允許人類繼續操作，比如：登入郵箱、投票等。
03
為“保護”而生的驗證碼
當各種計算機系統無法識別人類和計算機時，計算機技術也能給人類帶來麻煩，例如：
- 郵箱的泛濫註冊，導致垃圾郵件滿天飛；
- 投票的野蠻刷票，導致投票結果不公正；
- 車票的外掛搶佔，導致返鄉車票買不到。
1999年一個網站發起的線上投票，推選全美計算機科學專業最好的學校時，按理來說是一個人投一張票。但是投票網站在設計的時候，沒有考慮太多，只以投票者所在計算機的IP地址作為判斷依據。
於是有人編寫了計算機指令碼進行批次刷票：每次投票完後更改一個IP地址，然後繼續投票。這樣的話，有成千上萬個IP地址就代表了成千上萬個不同的人，就可以投成千上萬票。
這樣的計算機技術，無疑是影響到了整個投票的公平性。
所以說，各種計算機系統，需要一個堅固的“盾”來保護自己。
實際上，第一種驗證碼（字元型）的出現，就是為了對抗“自動刷票”這種計算機技術的。
04
越來越堅固的“盾”
那麼你知道都有哪些千奇百怪的“驗證碼”嗎？
01
字元型
字元型驗證碼，是我們日常最經常見到的驗證碼。通常是一些字母、數字的組合，而且為了增加識別的難度，這些字元經常會被變形、被扭曲、被翻轉。
隨著計算機技術的發展，字元型驗證碼的安全程度在降低，逐漸被其他型別驗證碼替代。
02
計算型
計算型驗證碼，通常是一些數學公式，需要人類發動聰明的大腦進行復雜的運算，才能得出正確的結果。
很遺憾，這種可以提供較高安全性的驗證碼，雖然計算機很難識別，但是大部分人類自己也覺得很難。所以計算型驗證碼，並沒有廣泛應用過。
03
點選型
點選型驗證碼的最大特點是：使用者只需要透過滑鼠進行點選，不需要輸入任何東西。透過這種人類專屬的行為動作，以及使用者在瀏覽器中的一些操作資料、瀏覽資料等，共同識別出真正的人類。
點選型驗證碼的安全性較高，而且使用者體驗較好。
在一些重要的計算機系統，例如：動車售票網站、大型購物網站、大型影片網站等使用者量較大、資料安全要求高的地方，採用點選型驗證碼，可以有效識別人類，避免其他計算機的攻擊。
04
滑動型
滑動型驗證碼透過收集使用者的動作，判斷是否為人類。例如：人類拖動滑塊的軌跡會是一個先快後慢的過程：先快速拖動，後慢慢對齊，再瞬間釋放。
這種驗證碼的使用者體驗較好，雖然被計算機技術突破的成功率也有60%以上，但是計算機技術模擬人類行為的成本較大，得不償失。
05
簡訊型
簡訊型驗證碼，是最常用的一種方式。各種APP一般會採用這種方式，簡單直接，透過運營商來發送簡訊，安全上有保障。
每個驗證碼與手機號碼相對應而且一般有效期僅為60秒~90秒，不留其他人鑽空子的機會。
06
掃碼型
掃碼型驗證碼，實際上就是首先確保在手機上已經成功登入，然後透過掃描二維碼的方式在PC上繼續登入。這是如今各大影片網站、購物網站的常用方法。
讓人類自己去驗證人類自己，嘿，這方法真棒。
07
生物特徵型
各種人臉識別、指紋識別、聲紋識別甚至虹膜識別，都可以算作是生物特徵型驗證碼。使用起來更加簡單，而且因為這些生物特徵在每個人類中的獨特性，猶如一把專屬鑰匙，具備較高的安全性。
05
越來越鋒利的“矛”
雖然“盾”很堅固，但是隨著計算機技術的不斷進步，鋒利的“矛”也層出不窮。
為了突破驗證碼的保護，發展出了以下的計算機技術：
01
OCR技術
OCR （Optical Character Recognition，光學字元識別）技術，可以將圖片、照片上的文字內容，直接轉換為可編輯的文字。
2003年有人透過影象識別演算法（Shape Context）對簡單字元型的驗證碼進行自動化識別，可以達到93%的成功率。
OCR技術僅能攻破一些簡單的字元型驗證碼，稍微複雜一些（比如扭曲、翻轉）的字元，就需要花費更多時間，一般無法在字元型驗證失效前識別成功。
02
機器學習模型
2005年有人利用機器學習模型（CNN）對單個字元的驗證碼進行自動化識別，計算機的識別成功率竟然還比人類的成功率還高。
然而，要想使用機器學習模型來識別字符型驗證碼，需要先準備好多臺高效能計算機和大量的訓練資料，因此模型識別的成本太高，一般人用不起。
03
偽裝的手機基站
要想破解簡訊型驗證碼，偽裝的手機基站需要首先遮蔽目標手機的訊號，然後以這個手機號碼去嘗試登入網站，還要能夠偽裝目標手機去接收簡訊。
各個環節都要在短時間內完成，簡直就是Mission Impossible，而且每一步都是違法違規，破解成本高到天際了。
04
終極的“偽裝”
“能打敗人類的，終將是人類自己”！
當人類擁有走出宇宙文明的計算機技術時，是否可以透過克隆出一個人類，讓這個複製出來的人類去破解各種各樣的驗證碼，豈不是手到擒來？！
當然，這僅僅是小編的一丟丟幻想，可能會在科幻片裡看到，各位粉絲不要當真哦！
好的，今天的內容就是這些啦，和小編一起回顧一下吧：
- “圖靈測試”是為了分辨出誰才是計算機；
- “驗證碼”是為了分辨出誰才是人類；
- 千奇百怪的“驗證碼”保護著各種計算機系統；
- 層出不窮的“計算機技術”不斷提高自己偽裝成人類的能力。
作為“盾”，驗證碼如何才能更安全、更易用？
作為“矛”，計算機技術如何才能突破驗證碼的嚴防死守？
這些問題，都需要交給聰明的人類、更加智慧的計算機技術去解答。
可以預見，作為“人類與計算機的角鬥場”的驗證碼，將迎來更多的攻防機會，同時也會給我們的社會帶來更多的改變，讓我們拭目以待！
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不代表中科院物理所立場
來源：中興文件
編輯：Garrett
