应用密码学-2016-(第11讲)-流密码
流密码详解ppt课件
自同步流密码(SSSC)
密钥流生成器是一种有记忆变换器 密钥流与明文符号有关：
i 时刻的密文不仅取决于i 时刻的明文，而且与i 时刻 之前的l个明文符号有关 具有有限的差错传播 具有自同步能力 把明文每个字符扩散在密文多个字符中,强化了抗统 计分析的能力
问：SSSC是如何自同步的？请email回应。
i F ( i1, k ), zi f ( i, k ), ci E (zi,m i). i:密 钥 流 生 成 器 的 内 部 状 态 0 :密 钥 流 生 成 器 的 初 始 状 态 k : 种 子 (初 始 )密 钥 F :状 态 转 移 函 数 f :密 钥 流 生 成 函 数
k
密钥流生成器
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病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
2.1 流密码一般模型
二元加法序列密码
明文序列: m= m1 m2 m3 …; 密钥序列: z= z1 z2 z3 …; 密文序列: c= c1 c2 c3 …; 加密变换: ci=zimi (i=1,2,3,…); 解密变换: mi=zici (i=1,2,3,…).
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
2.2 线性反馈移位寄存器序列
伪随机序列 考虑二元序列: a={ai}=a0a1a2a3 ….
周期序列
定义2.1 设a= (a0, a1,…,ai,…)是一个二元序列，若 存在正整数N和非负整数m，使得ai+N=ai对于任意i m成立，则称二元序列a是终归周期序列。如果 m=0，则称序列a是严格周期序列，简称周期序列。
流密码名词解释
流密码名词解释流密码是一种用于保护信息安全的密码算法。
它通过对数据流逐位进行加密和解密，以确保数据在传输和存储过程中的保密性。
不同于传统的块密码算法，流密码是一种流式加密算法，它将明文划分为一个个的位，然后通过一系列的加密操作，将明文转化为密文。
流密码的基本原理是使用一个密钥生成一个伪随机的密钥流，再将密钥流与明文进行异或运算，得到密文。
解密时，使用相同的密钥再次生成密钥流，并将密文与密钥流进行异或运算，即可恢复出原始的明文。
流密码的加密速度通常非常快，并且不受明文长度的限制。
它可以用于各种不同的应用场景，包括通信、存储和计算机网络等。
对于需要实时传输和处理大量数据的系统，流密码是一种非常有效的加密方式。
流密码具有以下几个重要的特点：首先，流密码具有良好的扩展性。
它可以方便地应用于各种不同的通信协议和网络环境，无论是传统的有线网络还是无线网络。
其次，流密码的安全性与密钥的选择和管理密切相关。
密钥的强度和安全性直接影响着流密码算法的安全性。
因此，在使用流密码时，必须注意密钥的保密性和更新策略，以及密钥生成算法的安全性。
再次，流密码对明文的保密性非常高。
由于流密码是逐位进行加密的，所以即使部分明文被攻击者获取，也无法得到完整的明文信息。
最后，流密码具有较低的存储空间需求。
由于流密码是逐位加密的，不需要额外的存储空间来存储加密后的数据。
这使得流密码在资源受限环境下的应用更加方便。
综上所述，流密码是一种有效的加密算法，能够在信息传输和存储过程中提供良好的保密性和安全性。
但是，在使用流密码时，我们仍然需要密切关注密钥的安全性和密钥管理的问题，以确保数据的保密性。
流密码加密原理
流密码加密实验【实验原理】流密码(stream cipher)也称为序列密码，每次加密处理数据流的一位或一个字节，加解密使用相同的密钥，是对称密码算法的一种。
1949年Shannon证明只有一次一密密码体制是绝对安全的，为流密码技术的研究提供了强大的支持，一次一密的密码方案是流密码的雏形。
流密码的基本思想是利用密钥K产生一个密钥流k1k2…k n对明文流M=m1m2…m n进行如下加密：C=c1c2…c n=E k1(m1)E k2(m2)…E kn(m n)。
若流密码所使用的是真正随机产生的、与消息流长度相同的密钥流，则此时的流密码就是一次一密的密码体制。
流密码分为同步流密码和自同步流密码两种。
同步流密码的密钥流的产生独立于明文和密文；自同步流密码的密钥流的产生与密钥和已经产生的固定数量的密文字符有关，即是一种有记忆变换的序列密码。
一、RC4流密码算法RC4是1987年Ron Rivest为RSA公司设计的一种流密码，是一个面向字节操作、具有密钥长度可变特性的流密码，是目前为数不多的公开的流密码算法。
目前的RC4至少使用128为的密钥。
RC4的算法可简单描述为：对于n位长的字，有共N=2n个可能的内部置换状态矢量S=S[0],S[1],…,S[N-1]，这些状态是保密的。
密钥流K由S中的2n个元素按一定方式选出一个元素而生成，每生成一个密钥值，S中的元素就重新置换一次，自始至终置换后的S包含从0到N-1的所有n比特数。
RC4有两个主要算法：密钥调度算法KSA和伪随机数生成算法PRGA。
KSA算法的作用是将一个随机密钥变换成一个初始置换，及相当于初始化状态矢量S，然后PRGA利用KSA 生成的初始置换生成一个伪随机数出序列。
密钥调度算法KSA的算法描述如下：fori=0to N-1doS[i]=i;j=0;fori=0to N-1doj=(j+S[i]+K[i mod L])mod N;swap(S[i],S[j]);初始化时，S中元素的值被设置为0到N-1，密钥长度为L个字节，从S[0]到S[N-1]对于每个S[i]根据有密钥K确定的方案，将S[i]置换为S中的另一个元素。
流密码的应用方案
流密码的应用方案1. 简介流密码（Stream cipher）是一种加密算法，它基于根据密钥生成的伪随机比特流对明文逐比特加密。
相对于分组密码，流密码具有高加密速度和低处理延迟的特点。
流密码的应用广泛，包括终端设备加密通信、无线通信、互联网通信等领域。
本文将介绍流密码的应用方案，并分析它在以下三个方面的具体应用：网络通信加密、无线传感器网络和物联网设备。
2. 网络通信加密流密码在网络通信加密方面有着重要的应用。
流密码可以通过在发送方和接收方使用相同的密钥和伪随机比特流，将明文流转化为密文流。
这种加密方式保证了高效且安全的通信过程。
在网络通信加密中，流密码常用于数据包加密、安全连接建立等方面。
2.1 数据包加密数据包加密是一种常见的网络通信加密方式，通过对每个数据包进行加密，可以阻止未经授权的用户访问和篡改数据包。
流密码可以实现对数据包的实时加密，确保数据的机密性和完整性。
对于每个数据包，发送方使用密钥和伪随机序列对明文进行加密，而接收方则使用相同的密钥和伪随机序列进行解密。
通过流密码的加密机制，数据包在传输过程中得到保护。
2.2 安全连接建立在网络通信中，安全连接建立是一项关键任务。
通过建立安全连接，能够保证通信双方之间的机密性和完整性。
流密码可以用于生成加密密钥，确保建立的连接具有高强度的加密保护。
一种常见的安全连接建立方法是使用流密码生成所需的初始向量和会话密钥，进而生成安全连接所需的密钥材料。
通过流密码的应用，可以有效地建立安全且可靠的网络连接。
3. 无线传感器网络无线传感器网络是由大量分布在广域范围内的传感器节点组成的网络。
流密码在无线传感器网络中的应用有助于提供数据的安全传输，并减少能耗。
3.1 数据传输安全无线传感器网络中，传感器节点负责采集环境数据并将其传输到汇聚节点或基站。
传感器节点之间的通信涉及到敏感数据，如温度、湿度等。
为了保障数据的机密性，流密码可以被应用于无线传感器网络中的数据传输过程。
流密码详解
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2.2 线性反馈移位寄存器序列
伪随机序列
序列的游程
定义2.2 设a= (a0, a1,…,ai,ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ)是一个周期为N的二元序列， 在一个周期内连续出现的最多的符号“0”（或1）的串， 称为0（或1）的一个游程。在一个游程中，0（或1）的 个数称为该游程的长度。（讨论：该定义有否歧义？）
例: 在序列 k={ki}=001110100000111100中, 有 长为1的0游程一个; 长为4的0游程一个; 长为5 的0游程一个; 长为1的1游程一个; 长为3的1游 程一个; 长为4的1游程一个.
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课堂讨论：
加密函数和解密函数都用异或运算，行不行？
什么样的加解密算法是高效、安全的？Why？ 实用的流密码方案中，加解密算法是什么？
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2.1 流密码一般模型
流密码原理框图
k 安全信道 k
密钥流 生成器
密钥流 生成器
zi mi E ( zi , m i ) ci 信道 ci
zi D(zi,ci) mi
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2.1 流密码一般模型
流密码体制的安全性 当流钥序列是具有均匀分布的离散无记 忆随机序列时, 在理论上是不可破译的. 实用的困难性
真正的具有均匀分布的随机序列是不可能重 复产生的. 密钥序列长(至少与明文序列一样长), 其管理 (存储、分配)难.
设计流密码体制的关键问题 设计产生密钥序列的方法.
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2.2 线性反馈移位寄存器序列
伪随机序列
序列的相关函数
定义2.3 设a=(a0,a1,…,aN1)和b=(b0,b1,…,bN1)是两个 周期为N的二元周期序列，其相关函数定义为
流密码
2019/1/11
3
x1
xm
k
k
y1
xi
无记忆元件
内部记忆元件
yi
yl
y E k x
yi E z xi
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• 定理2.2 p(x)|q(x)的充要条件是G(p(x)) G(q(x)) – 上述定理说明可用n级LFSR产生的序列，也 可用级数更多的LFSR来产生。 • 定义2.2 设p(x)是GF(2)上的多项式，使 p(x)|(xp-1)的最小p称为p(x)的周期或阶。 • 定理2.3 若序列{ai}的特征多项式p(x)定义在 GF(2)上，p是p(x)的周期，则{ai}的周期r | p。 – n级LFSR输出序列的周期r不依赖于初始条 件，而依赖于特征多项式p(x)。
2019/1/11 20
• 初始状态由用户确定， • 当第i个移位时钟脉冲到来时，每一级存储 器ai都将其内容向下一级ai-1传递，并计算 f(a1,a2,…,an)作为下一时刻的an。 • 反馈函数f(a1,a2,…,an)是n元布尔函数，即 n个变元a1,a2,…,an可以独立地取0和1这两 个可能的值，函数中的运算有逻辑与、逻 辑或、逻辑补等运算，最后的函数值也为 0或 1。
1 0 1 1 1 0
即输出序列为101110111011…，周期为4。
2019/1/11 23
• 如果f(a1,a2,…,an)是a1,a2,…,an的线性函数， 则称之为线性反馈移位寄存器LFSR （linear feedback shift register）。此时f 可写为 f(a1,a2,…,an) =cna1 cn-1a2 … c1an 其中常数ci=0或1 2加法。ci=0或1 可用开关的断开和闭合来实现 • 输出序列{at}满足 an+t=cnat cn-1at+1 … c1an+t-1 其中t为非负正整数。
流加密
类型
同步流密码
自同步流密 码
在同步流密码中，独立于明文和密文消息生成一个伪随机数字流，然后与明文（加密）），并且使用独占或操作（XOR）将密钥流与明文结合。这被称为二 元加法流密码。
在同步流密码中，发送方和接收方必须准确地进行解密才能成功。如果在传输过程中将数字添加到消息中或 从消息中删除数字，则同步丢失。为了恢复同步，可以系统地尝试各种偏移量以获得正确的解密。另一种方法是 在输出中的标准点处用标记标记密文。
流加密
对称加密算法
01 简介
03 类型
目录
02 过程 04 例子
流加密，是对称加密算法的一种，加密和解密双方使用相同伪随机加密数据流（pseudo-randomstream）作 为密钥，明文数据每次与密钥数据流顺次对应加密，得到密文数据流。实践中数据通常是一个位（bit）并用异 或（xor）操作加密。
内容扰乱系统（英语：Content Scramble System，CSS），是通过种子生成密钥，对DVD进行流加密的技术。 它也作为数字版权管理系统，曾应用于几乎所有的DVD光盘。CSS有一个40-bit的流加密算法，1996年首次投入使 用，1999年被首次破解。
CSS目前已被更高级的加密技术如运用于高清DVD（HD DVD）和蓝光的AES，AACS所取代。它们分别拥有56和 128个比特的密钥长度。
流密码-高中数学知识点讲解
流密码
1．流密码
【知识点的知识】
利用密钥产生一个密钥流Z＝Z1Z2Z3…，然后利用此密钥流依次对明文X＝X0X1X2…进行加密，这样产生的密码就是序列密码，也称流密码．密钥流由密钥流发生器f 产生：z i＝f（k，s i），这里的s i 是加密器中存储器（记忆元件）在i 时刻的状态，k 是密钥．序列密码方案的发展是模仿“一次一密”系统的尝试．
序列密码也称为流密码，它是对称密码算法的一种．序列密码具有实现简单、便于硬件实施、加解密处理速度快、没有或只有有限的错误传播等特点，因此在实际应用中，特别是专用或机密机构中保持着优势，典型的应用领域包括无线通信、外交通信．1949 年Shannon 证明了只有一次一密的密码体制是绝对安全的，这给序列密码技术的研究以强大的支持，序列密码方案的发展是模仿一次一密系统的尝试，或者说“一次一密”的密码方案是序列密码的雏形．如果序列密码所使用的是真正随机方式的、与消息流长度相同的密钥流，则此时的序列密码就是一次一密的密码体制．若能以一种方式产生一随机序列（密钥流），这一序列由密钥所确定，则利用这样的序列就可以进行加密，即将密钥、明文表示成连续的符号或二进制，对应地进行加密，加解密时一次处理明文中的一个或几个比特．
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…
…
滚动密钥生成器
滚动密钥生成器
x i
z i
y i
z i
x i
e z i (x i )
图3.20 同步流密码体制模型
e z i (y i )
流密码的结构
• 典型的流密码每次加密一个字节的明文； • 密钥输入到一个伪随机数发生器，产生一串随机 的8比特数； • 发生器的输出称为密钥流； • 11001100 明文 • ⊕01101100 密钥流 • 10100000 密文 • 解密使用相同的伪随机序列： • 10100000 密文 • ⊕01101100 密钥流 • 11001100 明文
S 5 0 1 1 2 2 3 3 4 4 0 5 6 6 7 7
j:=(j+s(i)+k(i)) mod 8;
RC4算法
索引i加1后，j的下一个值为： j=(5+S(1)+K(1)) mod 8=(5+1+6) mod 8=4 即将S数据表的S(1)和S(4)互换：
S 5 0 4 1 2 2 3 3 1 4 0 5 6 6 7 7
第 十 一 讲
流密码技术的发展及分类
• 序列密码是世界各国的军事和外交等领域中使用的主要密码体制之 一 • 2000年Profile 1月欧洲启动的 NESSIE工程中，流密码算法的设计与分析 1 (SW) Profile 2 (HW) 也列上了公开征集评测的日程；6个流密码算法（Leviathan、UIi一 128、BMGL、SOBER—t32、SOBER—tl、SNOW）进入了第二阶 CryptMT (CryptMT Version 3) DECIM (DECIM v2 and DECIM-128) 段评估，但是因为他们都不符合 NESSIE 的征集准则而最终全部落 选 Dragon Edon80 • 2003年3月，日本政府的密码研究与评估委员会（ CRYPTREC）推 荐了三个流密码算法：MUGI、MULTI-S01和RC4-128. HC (HC-128 and HC-256) F-FCSR (F-FCSR-H v2 and F-FCSR-16) • ECRYPT是欧洲FP6下的IST 基金支持的一个为期四年的项目，该项 目启动于2004年2月，STVL （Symmetric techniques virtual lab LEX (LEX-128, LEX-192 and LEX-256) Grain (Grain v1 ）正在进行流密码算法的公开征集评估活动 . and Grain-128) 征集活动到 2005 年4月29 日结束，征集到了 34 个流密码算法 . 2.0) NLS (NLSv2, encryption-only) MICKEY (MICKEY 2.0 and MICKEY-128 2007年4月开始进入第三轮评估，16个算法进入第三轮评估. Rabbit Moustique /stream/phase3list.html Salsa20 Pomaranch (Pomaranch Version 3) 2008年4月8个算法成为推荐算法 . 2008年8月更新为7个推荐算法. Trivium SOSEMANUK
流密码的优缺点
• 和分组密码相比，速度更快，而且需要编写的代 码少； • 对不同的明文需要使用不同的流密钥，否则容易 破解； • 适用于需要对数据流进行加密解密的应用，如通 过一个数据通信信道或网页浏览连接； • 不适用于处理成块的数据：文件传输、电子邮件 和数据库。
流密码与分组密码区别：
流密码几乎总是比分组密码快，通常使用的代 码也比分组密码少得多。如最常用的流密码 RC4，大概比最快的分组密码至少快两倍 。 RC4可以用30行代码写成 ， 而大多数分组密码需要数百行代码。
i=0 j=0 重复下述步骤，直至获得足够长度的密钥流： i=i+1 mod 256 j=j+S[i] mod 256 互换s[i]与s[j] t=S[i]+S[j] mod 256 K=S[t]
RC4算法
假如使用3位（从0到7）的RC4，其操作是对8取模（而 不是对256取模）。数据表S只有8个元素，初始化为：
流密码和RC4
• 流密码的结构 • RC4算法
RC4
• RC4是Ron Rivest为RSA公司在1987年设计的一 种流密码； • 是一个可变密钥长度，面向字节操作的流密码； • 算法以随机置换作为基础，密码的周期大于10100 。 • 每输出一个字节的结果仅需要8条到16条机器操作 指令。 • 可能是应用最广泛的流密码，被应用于SSL/TLS 标准。
第 十 一 讲
种子密钥
密钥流生成器
k1 k2
m2 m1
密文
c2 c1
解密过程
流密码的思想起源
• 设明文为m=m1m2…
mi∈GF(2), i>0 ki∈GF(2), i>0 ci∈GF(2), i>0 i>0 i>0
第 十 一 讲
• 设密钥为k=k1k2… • 设密文为c=c1c2…
• 则加密变换为ci＝ mi + ki (mod 2) • 则解密变换为mi＝ ci+ ki (mod 2)
流密码的思想起源
第 十 一 讲
• 思想起源：20世纪20年代的Vernam体制， 即 “一次一密”密码体制。香农利用信息论证明 随机序列计算机无法实现 “一次一密”密码体制在理论上不可破译 • 由有限的种子密钥生成无限长的随机密钥序列 • 流密码研究内容——设计安全高效的伪随机序列 发生器 评测标准：线性复杂
j=0 对i=0,…,255做 j=j+S[i]+K[i] mod 256 互换s[i]与s[j]
伪随机生成算法（PRGA, Pseudo Random Generation Algorithm）
• 从内部状态中选取一个随机元素作为密钥流中的一个字节， 并修改内部状态以便下一次选择。 • 选取过程取决于索引值i和j，它们的初始值均为0。
应用密码学
计算机科学与技术学院 温蜜
第11讲流密码相关内容
主要内容
第 十 一 讲
• • • • 流密码（序列密码）的思想起源 流密码技术的发展及分类 基于移位寄存器的流密码算法 RC4流密码算法
流密码的思想起源
第 十 三 讲
种子密钥
密钥流生成器
k1 k2
c1 c2
明文
m2 m1
加密过程
流密码的思想起源
S 0 0
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
6 6
7 7
选取一个密钥，该密钥是由0到7的数以任意顺序组成的。例 如选取5、6和7作为密钥。该密钥如下填入密钥数据表中：
K 5 0
6 1
7 2
5 3
6 4
7 5
5 6
6 7
RC4算法
密钥调度算法KSA
然后利用如下循环构建实际的S数据表： j:=0; for i=0 to 7 do swap(S(i),S(j)); 该循环以j=0和i=0开始。使用更新公式后j为： j=(0+S(0)+K(0)) mod 8=5 S数据表的第一个操作是将S(0)与S(5)互换。
流密码技术的发展及分类
k k
密钥流 生成器 z i E(z ,m ) i i c i 信道 c i
密钥流 生成器 z E(z ,m ) i i
i
m i
• 自同步流密码的优点是即使接收端和发送端不同步，只要 接收端能连续地正确地接受到n个密文符号，就能重新建 立同步。因此自同步流密码具有有限的差错传播 ，且分析 较同步流密码的分析困难得多
度高；周期大 密钥流生成、存储和分发 困难
流密码的思想起源
Golomb伪随机性测试 周期为r的0－1序列的随机性公设如下： • r是奇数，则0－1序列{si}的一个周期内0的个数比1 的个数多一个或少一个；若r是偶数，则0的个数与1的 个数相等. • 在长度为r的周期内，长为1的游程的个数为游程总数 的1/2，长为2的游程的个数占游程总数的1/22,…, 长 为c的游程的个数占总游程的1/2c.而且对于任意长度 ，0的游程个数和1的游程个数相等. 例：0110111101中，4个游程长度为1，1个游程长度为2 ，1个游程长度为4
基于移位寄存器的流密码算法
• 初态为100放入寄存器，输出序列情况如下
状态 100 110 111 011 101 010 001 100 输出位 0 0 1 1 1 0 1 0
b3 b2 b1
00111010011101…
f(b1,b2,b3)=b1⊕b3
输出序列的周期为7
目前大多数研究成果都是关于同步流密码的。
RC4算法
• 主要包括两个步骤：
– 密钥调度算法（KSA,Key-Scheduling Algorithm） – 伪随机生成算法（PRGA, Pseudo Random Generation Algorithm）
密钥调度算法（KSA,Key-Scheduling Algorithm）
• 设置内部状态（s[0]，…，s[255]）的随机排列。 • 开始时，内部状态中的元素被初始化为0~255，既 s[i]=i(i=0，…，255)； • 密钥长度可变，设为L个字节（K[0]，…，K[L-1]）； • L一般为5~32之间，用L个字节不断重复填充，直至得到 K[0]，…，K[255]，用于对内部状态S进行随机化。
基于移位寄存器的流密码算法
• 反馈移位寄存器(feedback shift register,FSR)是由n 位的寄存器和反馈函数(feedback function)组成，如 下图所示，n位的寄存器中的初始值称为移位寄存器的 初态. • 工作原理：. 反馈函数f是n个变元(b1,b2,…,bn)的布尔 函数. 移位寄存器根据需要不断地进动m拍，便有m位的 输出，形成输出序列a1,a2,…,am .