流密码与分组密码
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。
对称密钥密码体制
对称密钥密码体制对称密钥密码体制是指加密和解密过程中使用相同的密钥。
这种体制也叫做单密钥密码体制，因为加密和解密使用的密钥相同，能在保持安全的前提下对数据进行快速处理。
对称密钥密码体制通常分为分组密码和流密码两种。
分组密码是将明文分成固定长度的块，再和密钥一起通过一系列算法进行加密。
这种方法处理速度非常快，因为加密和解密算法是对数据块进行分组处理的，同时相同密钥的使用也降低了密钥管理的复杂性。
然而，分组密码存在的一个问题是，对数据块的分组可能会导致重复的数据，这些数据可以被攻击者用来破解密钥。
流密码是将明文和密钥通过一个伪随机数生成器计算出一个流式密钥，然后将流式密钥和明文一起进行异或运算来加密数据。
这种方法加密和解密速度也非常快，而且每个数据块都有独立的流式密钥，增强了数据的安全性。
然而，流密码也存在一些问题，例如在密钥被泄露时，加密数据就变得不安全了。
对称密钥密码体制的优点包括：1. 处理速度快：加密和解密使用的密钥相同，从而能快速处理数据。
2. 加密方式简单：对称密钥密码体制通常采用分组密码或流密码，在数据加密和解密过程中使用块或流式加密，处理速度快，同时也方便计算机的硬件或软件实现。
3. 密钥管理相对简单：使用相同的密钥进行加密和解密，可以使加密和解密的过程更加简单，从而降低了密钥管理的复杂度。
4. 对称密钥密码体制广泛应用于大多数数据通信应用中，如数据存储、数据传输等。
对称密钥密码体制的缺点包括：1. 密钥管理不安全：对称密钥密码体制存在一个主要问题，即密钥的安全性。
如果密钥被泄露或者失窃，那么加密数据就暴露了，导致数据不安全。
2. 非法用户可以访问数据：一旦非法用户获取了密钥，他们便可以访问数据而不会受到限制，这可能会导致重大的安全问题。
3. 可能存在重放攻击：由于每个数据块都使用相同的密钥进行加密，数据可能被攻击者截获并用于重放攻击，从而使数据的安全性大大降低。
4. 算法的安全性不能得到保证：对称密钥密码体制的安全性取决于加密算法本身的安全性。
密码学基础(一)常见密码算法分类
密码学基础（一）常见密码算法分类对称算法是指一种加密密钥和解密密钥相同的密码算法，也称为密钥算法或单密钥算法。
该算法又分为分组密码算法（Block cipher）和流密码算法（Stream cipher）。
•分组密码算法o又称块加密算法o加密步骤一：将明文拆分为 N 个固定长度的明文块o加密步骤二：用相同的秘钥和算法对每个明文块加密得到 N 个等长的密文块o加密步骤三：然后将 N 个密文块按照顺序组合起来得到密文•流密码算法o又称序列密码算法o加密：每次只加密一位或一字节明文o解密：每次只解密一位或一字节密文常见的分组密码算法包括 AES、SM1（国密）、SM4（国密）、DES、3DES、IDEA、RC2 等；常见的流密码算法包括 RC4 等。
•AES：目前安全强度较高、应用范围较广的对称加密算法•SM1：国密，采用硬件实现•SM4：国密，可使用软件实现•DES/3DES：已被淘汰或逐步淘汰的常用对称加密算法二、非对称密码算法（Asymmetric-key Algorithm）非对称算法是指一种加密密钥和解密密钥不同的密码算法，也称为公开密码算法或公钥算法。
该算法使用一个密钥进行加密，另一个密钥进行解密。
•加密秘钥可以公开，又称为公钥•解密秘钥必须保密，又称为私钥常见非对称算法包括 RSA、SM2（国密）、DH、DSA、ECDSA、ECC 等。
三、摘要算法（Digest Algorithm）算法是指将任意长度的输入消息数据转换成固定长度的输出数据的密码算法，也称为哈希函数、哈希函数、哈希函数、单向函数等。
算法生成的定长输出数据称为摘要值、哈希值或哈希值，摘要算法没有密钥。
算法通常用于判断数据的完整性，即对数据进行哈希处理，然后比较汇总值是否一致。
摘要算法主要分为三大类：MD（Message Digest，消息摘要算法）、SHA-1（Secure Hash Algorithm，安全散列算法）和MAC（Message Authentication Code，消息认证码算法）；另国密标准 SM3 也属于摘要算法。
分析比较分组密码AES-CFB或OFB与流密码RC4的特点
作业二、分析比较分组密码AES-CFB 或 OFB与流密码RC4的特点一、RC4算法介绍RC4是一种对称密码算法，它属于对称密码算法中的序列密码(streamcipher,也称为流密码)，它是可变密钥长度，面向字节操作的流密码。
RC4是流密码streamcipher中的一种，为序列密码。
RC4加密算法是Ron Rivest在1987年设计出的密钥长度可变的加密算法簇。
起初该算法是商业，直到1994年，它才公诸于众。
由于RC4具有算法简单，运算速度快，软硬件实现都十分容易等优点，使其在一些协议和标准里得到了广泛应用。
流密码也属于对称密码，但与分组加密算法不同的是，流密码不对明文数据进行分组，而是用密钥生成与明文一样长短的密码流对明文进行加密，加解密使用相同的密钥。
RC4算法特点：(1)、算法简洁易于软件实现，加密速度快，安全性比较高；(2)、密钥长度可变，一般用256个字节。
对称密码的工作方式有四种：电子密码本(ECB, electronic codebook)方式、密码分组(CBC, cipherblock chaining)方式、密文反馈(CFB, cipher-feedback)方式、输出反馈(OFB, output-feedback)方式。
RC4算法采用的是输出反馈工作方式，所以可以用一个短的密钥产生一个相对较长的密钥序列。
OFB方式的最大的优点是消息如果发生错误(这里指的是消息的某一位发生了改变，而不是消息的某一位丢失)，错误不会传递到产生的密钥序列上；缺点是对插入攻击很敏感，并且对同步的要求比较高。
RC4的执行速度相当快，它大约是分块密码算法DES的5倍，是3DES的15倍，且比高级加密算法AES也快很多。
RC4算法简单，实现容易。
RC4的安全保证主要在于输入密钥的产生途径，只要在这方面不出现漏洞，采用128bit的密钥是非常安全的。
RC4算法加密流程：包括密钥调度算法KSA和伪随机子密码生成算法PRGA两大部分(以密钥长度为256个字节为例)。
04流密码-CIW
怎么解决?
• RSA公钥 • DH密钥交换 • MD5单向HASH函数
且听下回分解
是它的特征多项式为一个n次本原多项式
本原多项式
•若一个n次多项式f(x)的阶为2n－1，即满足条件：
•f(x)为既约多项式 •f(x)可整除（x2n-1＋1) •f(x)不能整除（xp＋1)，其中p < 2n－1
eg. n=4，周期为24－1＝15，其特征多项式是能整除 (x15+1)的4次本原多项式 x15+1=(x+1)(x2+x+1)(x4+x+1)(x4+x3+1)(x4+x3+x2+x+1) 由于x4+x3+x2+x+1|x5＋1，所以本原多项式为，x4+x+1 和x4+x3+1，选择f(x)＝ x4+x+1，即c4＝c1＝c0＝1
•The source host encrypts the data. •The destination host decrypts it. •The packet head is in the clear. •The user data are secure. •The traffic pattern is insecure. •Require one key per user pair •A degree of user authentication. •在较高的网络层次上实现
失去同步
恢复同步
*** ci ci+1 *** ci+n ci+n+1 ***
错误发生
错误解密
自同步序列密码的错误传播
分组密码算法和流密码算法的安全性分析
分组密码算法和流密码算法的安全性分析当今是一个网络时代,人们的生活方式与过去相比发生了很大的变化,足不出户就可以通过网络解决衣食住行中的绝大多数需求,例如,用淘宝网购买所需、用支付宝进行日常支付、用电子银行转账等等。
生活变得快捷而又方便。
然而,事物都有两面性,伴随着生活的便捷而来的是财产安全和个人隐私的保障问题。
这时,密码的使用就是在网络上对我们进行保护的一个关键技术点。
它是类似防火墙似的存在,是一切网络活动的基石。
在网络传输时一般使用的是对称加密算法来进行加密操作,如流密码算法和分组密码算法。
因此,对现有的被广泛重视和使用的分组密码算法和流密码算法的安全性进行研究和分析是非常有必要的。
在本文中,首先,我们针对分组密码算法建立统计积分区分器和多结构体统计积分区分器新模型,并将模型应用于实际算法中;其次,基于MILP方法首次将S盒的差分特征和线性特征考虑进不可能差分路线和零相关路线的自动化搜索中,首次给出ARX算法通用的不可能差分路线和零相关路线的自动化搜索方法,并将该方法应用于实际算法中;最后,在相关密钥场景下利用不可能差分方法给出流密码算法Lizard的安全性分析结果。
具体结果如下。
提出分组密码算法统计积分区分模型,并利用该模型理论破解Skipjack变种算法、给出CAST-256的最优攻击结果和IDEA的最优积分攻击结果:积分攻击是对称密码领域最强大的分析方法之一,被广泛的应用于分组密码算法的安全性分析中。
它是基于概率为1的平衡特性来构建区分器。
攻击者可以通过固定输入的一部分比特而遍历剩下的所有比特的可能取值,观察相应的输出值在某些比特上是否为均匀分布来区分真实算法和随机置换。
为了增加积分区分器的覆盖轮数,攻击者通常会在整个明文空间的限制条件下以特定的结构来遍历更多的明文比特以使得平衡特性依然成立。
然而这一要求限制了积分攻击在很多算法分析中的应用。
在本文中,为降低积分分析中使用的数据复杂度,我们基于超几何分布和多项分布为算法和随机置换构造不同的概率分布来进行区分,从而构建了统计积分这一新模型。
分组密码体制
两个基本设计方法
由于对称分组密码的缺点是不善于隐藏明文的 统计特性，因而对“统计分析”攻击方式的抵御能 力不强，故Shannon提出了两个抵抗“统计分析” 的方法：混淆和扩散。
◆混淆：目的是为了隐藏明文和密文之间的关系，增加密 钥和密文之间关系的复杂性。可以使用“代替”的方法 来实现。
◆扩散：目的是让密文没有统计特征，也就是将明文中的 统计信息散布到整个密文中，增加密文与明文之间关系 的复杂性，以挫败推测出密钥的尝试。可以使用“置换” 的方法来实现。
对于给定的64位的明文p，通过初始置换IP获得64位的 p320，位并记将为pR00分，为即左p0右=I两P(部p)=分L，0R前0。面IP32置位换记如为图L所0，示后。面
置换表中的数字1～64代表的仅仅是明文 分组中元素所处的位置，而非元素的值！
• 第四步：初始逆置换IP-1 应用初始逆置换IP-1对最后一轮迭代之后得到 的R16L16进行置换，得到密文C。
• 分组加密算法本质上体现了n位明文分组和n位密文分组的一一 映射。
• 分组大小n的选择
1“）统如计果分n较析一码小”般，，方的不则法，同得的对变到攻于换的击的n明。位总文分数空组为间的(和2对n密)!称，文分也空组就间密是有限，容易受到 2）如果n充说分，大密，钥则的由个于数得为到(的2n明)!个文。空间和密文空间足够大， 明文的统计特征将被掩盖，可以抵抗“统计分析”方法的攻击 ；但同时也将导致密钥数目的急剧增加和密钥空间的急剧增大 ，这会给密钥的分配、管理和存储带来很大的困难。
Feistel 密码结构
DES算法的整体结构 ——Feistel密码结构
• 每一轮的迭代算法 加密：对于每一轮 i=1,2,...,n,新 的左右部分根据如下规则重新
密码模块的24个分类
密码模块的24个分类
密码模块的分类方式有很多，以下是其中一些常见的分类：
古典密码与现代密码：古典密码以字符为基本加密单元，现代密码则以信息块为基本加密单元。
算法保密与密钥保密：算法保密应用于军事领域，而密钥保密则应用于现代加密领域。
对称密码与非对称密码：对称密码采用单钥密码（私钥密码），加密和解密使用相同的秘钥；非对称密码采用双钥密码（公钥密码），加密和解密使用不同的秘钥。
分组密码与流密码：分组密码对明文分为固定长度的组，用同一秘钥、算法对各个组进行加密；流密码则指加密时每次只加密一位或一个字节明文。
散列函数：用于验证数据的完整性。
数字签名：主要针对以数字的形式存储消息进行处理。
硬件模块、软件模块、固件模块、混合软件模块、混合固件模块等：根据实现方式的不同进行分类。
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流密码和分组密码
按照密钥的特征不同，密码体制分为对称密码体制和非对称密码体制。
按照对明文消息加密方式的不同，密码体制分为流密码（Stream Cipher ）和分组密码（Block Cipher ）[1]。
非对称密码体制均为分组密码[2]。
1 流密码
流密码也称为序列密码。
在流密码中，明文以序列的方式表示，称为明文流。
在对明文流进行加密时，先由种子密钥生成一个密钥流。
然后，利用加密算法把明文流和密钥流加密，产生密文流。
流密码每次只对明文中的单个bit 位进行加密变换，加密过程所需的密钥流由种子密钥通过密钥流生成器产生。
流密码的主要原理是通过随机数发生器产生性能优良的伪随机序列（密钥流），使用该序列加密明文流（逐bit 位加密），得到密文流。
由于每一个明文都对应一个随机的加密密钥，因此流密码在理论上属于无条件安全的密码体制（一次一密密码）
[3]。
流密码的基本加密过程，如图1所示。
图1 流密码的加密过程
设明文流为：12i m m m m = ，密钥流由密钥流发生器f 产生：(,)i i z f k σ=，这里i σ是加密器中的存储器在时刻i 的状态，f 是由种子密钥k 和i σ产生的函数。
设最终得到的密钥流为：
12i k k k k = ，加密结果为：121212()()()i i k k k i c c c c E m E m E m == ，解密结果为：
121212()()()i k k k i i m D c D c D c m m m == 。
用流密码进行保密通信的模型，如图2所示：
图2 流密码保密通信图
2 分组密码
分组密码也称为块密码。
当加密一条长消息（明文）时，首先，将明文编码表示为二进制序列；然后，将其分成若干个固定长度的组（最后一组长度不够时还得进行填充，如补0）；
最后，再对逐个分组依次进行加密操作。
分组长短决定着密码的强度。
从算法的安全性考虑，分组长度不能太短，应该保证加密算法能够应付密码分析；从实用性考虑，分组长度又不能太长，要便于操作和运算。
近年来，随着计算机计算能力的不断提高，分组长度为64位的分组密码的安全性越来越不能满足实际需要，为提高加密的安全性，很多的分组密码开始选择128位作为算法的分组长度[4]。
在相同密钥下，分组密码对长为t 的输人明文组所实施的变换是等同的，所以只须研究对任一组明文数字的变换规则。
这种密码实质上是字长为t 的数字序列的代换密码[3]。
分组密码是将明文经编码表示后的二进制序列12i m m m 划分成若干固定长度t 为的组12t m m m m = ，各组分别在密钥12r k k k k = 的控制下转换成长度为l 的二进制密文分组
12l c c c c = 。
若t l >，则称为带数据压缩的分组密码，易增加密文解密的难度；若t l <，则称
为带数据扩展的分组密码，必然要增加密文存储和传输的代价。
通常的分组密码算法大多取
t l =[2]。
其本质是一个从明文空间（t 的比特串的集合）M 到密文空间（l 长的比特串的集合）C 的映射，该映射由密钥和加密算法确定。
采用分组密码，对一个明文分组进行加解密的过程，如图3所示。
其中，明文分组长度为t ，密文分组长度为l ，密钥长度为r 。
这些参数是分组密码的重要参数，对算法的安全性能有重要的影响（密钥空间有2r 个元素）。
在不同的分组密码算法中，它们的取值往往不同。
图3 分组密码保密通信图
3 二者联系
（1）流密码：令M 代表明文。
流密码是把M 拆分成相连的比特12,,,,i M M M ，并用密钥流12i K K K K = 中的第i 个成分i K 对明文流中的第i 个成分i M 进行加密，即11()()K K E M E M = 22()()i K K i E M E M 。
如果在T （固定值）个比特后密钥序列重复，则流密码是周期序列密码。
否则，就是非周期序列密码。
（2）分组密码：分组密码是把M 拆分成相连的分组12,,,,i M M M ，并用同一个密钥K 对每个分组i M 进行加密，即12()()()()K K K K i E M E M E M E M =。
分组的长度视具体方案而定。
（3）二者的联系：对于周期为T 的流密码，令12T K K K K = ，也可把这类密码看作是分组密码，这
里每个i M 都是具有T 个比特的一个分组。
当T 较小时，这类密码更像是分组密码。
随着T 的增加，这类密码变得更像流密码。
4 二者区别
（1）分组密码的特征是每次处理一个固定长度的数据组（如DES 的分组长度64bit ）。
一个长度小于密码分组尺寸的明文，只有当它被填补足够的位数能构成标准尺寸时，才能进行加密。
在分组密码中，明文被分为多个比特的分组，逐组进行加密。
对于某一消息M '，分组密码体制一般首先将M '进行填充得到消息M ，使其长度为固定分组长度L 的整数倍，密码算法把M 划分为一系列长度为L 的分组，再对分组进行加密。
在流密码中，明文M 被分成连续的比特12i M M M M = ，用密钥流12i K K K K = 的i K 进行加密。
其中，密钥流K 是密钥流生成器得到的。
（2）对于流密码，在一个固定密钥作用下，对相同的明文进行加密，并不一定得到相同的密文。
因为明文的重复部分是用密钥流的不同部分加密的。
对于分组密码，在一个固定密钥作用下，对相同的明文进行加密，一定得到相同的密文。
参考文献
[1] 卢铁城. 信息加密技术. 四川科学技术出版社，1989.10.
[2] 张福泰 等. 密码学教程 . 武汉大学出版社，2006.9.
[3] 杨波. 现代密码学（第2版）. 清华大学出版社，2007.4.
[4] 范九伦 等. 密码学基础. 西安电子科技大学出版社，2008.8.。