密码学 - 流密码

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流密码通过对数据流的每个比特逐一应用密钥和算法来加密文本。相比之下，分组密码一次处理多个比特的数据块。流密码主要用于一次加密一个字节（8位）。

由于流密码是线性的，因此消息使用相同的密钥进行加密和解密。虽然破解它们很困难，但黑客必须设法做到这一点。

在此，密钥流（一系列随机比特）是从密钥生成的。为了加密数据流，每个比特都与密钥流中的等效比特进行异或 (XOR) 运算。

它是如何工作的？

流密码使用公共密钥（“对称密钥”）来编码其数据。数据的加密和解密过程由该对称密钥处理。与公钥密码不同，流密码使用一个密钥进行加密和解密，无需为每个任务使用不同的密钥（例如，使用一个密钥加密，另一个密钥解密）。

密码学方法通常通过对其进行混淆来隐藏数据免受未授权访问。但是，流密码的不同之处在于它逐位处理数据，而分组密码则对称为块的数据集合进行操作。

流密码涉及

• 明文 - 要加密的原始消息。

• 密钥流 - 替换明文字符的随机字符序列（例如，数字、字母、符号）。

• 密文 - 加密的消息。密钥生成是一个复杂的数学运算，但现代计算机可以快速执行它。

在流密码中，明文的单个比特被输入并进行数学运算。结果是需要正确密钥才能解码的混淆文本。

使用正确的密钥，接收者可以反转该过程并将混淆的文本转换回其明文。

在流密码加密中，称为一次性密码的密钥由于其独特的属性而非常安全。它被设计成与要加密的消息长度相同，确保攻击者如果没有原始密钥，就无法通过数学方法解密消息。

密钥流生成

让我们看看使用基于 XOR 的流密码创建密钥流的基本示例。

假设我们有以下数据：

• 密钥：101011

• 初始化向量 (IV)：110100

创建加密数据流（密钥流）

• 使用密钥和初始化向量 (IV) 设置加密算法。

• 如果需要，调整密钥和 IV 与要加密的消息长度相同。

• 使用异或 (XOR) 运算组合密钥和 IV 以生成密钥流。

以下是分步过程：

• 密钥：101011

• IV：110100

密钥流：011111

现在，假设我们有一个明文消息：1100101。

要使用密钥流加密此明文：

• 明文：1100101

• 密钥流：011111

密文：1011010

要解密密文，我们将使用相同的密钥流：

• 密文：1011010

• 密钥流：011111

明文：1100101

此示例说明如何生成密钥流，然后使用密钥和初始化向量对消息进行编码和解码。为了更好的安全性，实际应用中使用了更复杂的方法和更大的密钥大小。

流密码类别

流密码分为两大类，其机制略有不同：

同步流密码 - 使用密钥生成与明文和密文无关的密钥流。

自同步流密码 - 使用密钥和附加随机化来增强针对黑客攻击的安全性。

另一种加密选项是分组密码，它将消息分成较小的块，并将加密算法应用于每个块。

流密码的优点

以下是流密码的一些优点

• 快速加密和解密：流密码以单个比特或字节的速度加密和解密数据，使其成为实时通信和高要求应用的理想选择。

• 低硬件要求：流密码可以轻松地在简单的性能（例如 XOR）硬件中实现，允许它们在各种设备和系统上高效地实现。

• 选择性访问：流密码提供选择性地解密加密数据的特定部分的能力，这在需要访问或修改特定部分而无需解密整个消息时很有用。

流密码的缺点

以下是流密码技术的某些缺点：

• 已知明文攻击的漏洞 - 已知明文攻击对流密码有害。攻击者在拥有明文和密文（包括加密消息）的部分时，可以识别加密密钥流。这可能会泄露受保护的数据。

• 缺乏扩散 - 流密码扩散性差。当明文发生轻微变化时，密文也只会发生轻微变化。这使得攻击者更容易研究模式，并可能恢复原始消息，即使他们不知道加密密钥。

流行的流密码

一些流行的流密码是：

• RC4 - 由于其快速且易于使用，RC4 以前广泛用于 SSL/TLS 和 WEP/WPA 协议中，但由于安全漏洞而过时。

• Salsa20 - Daniel J. Bernstein 开发的 Salsa20 以其效率和安全性而闻名。安全通信和磁盘加密等应用程序经常使用它。

• ChaCha - ChaCha 是 Salsa20 的一个较新版本，旨在更好地扩散并防止某些攻击。它经常用于 TLS 和 VPN 等协议中。

• HC-128 - Hongjun Wu 的流密码提供卓越的效率和强大的安全性。它在能力有限的设备（如手机）中有效工作。

• Grain - Martin Hell 和 Thomas Johansson 开发了这种轻量级流密码。在硬件中实现时，它特别高效，使其成为 RFID 标签和传感器网络等应用的理想选择。