流加密，一次性密码本的原理，简介，事例以及攻击方式

流加密（Stream cipher）

又称串流加密，资料流加密，是一种对称加密，也是古时所使用的替换法在电子信息时代的另一种升华。

以前一直使用的是明文随着密钥的值位移，而这里位（bit）进行异或（下文将一直使用：⊕作为异或符号）操作。

而其中最具有代表性的，理论上是完美安全（prefect security）的就是一次性密码本（One Time Pad）。

一次性密码本（One Time Pad）

一次性密码本是古典密码学替换式加密方法的终极形态。在我上篇密码学史中所提到的凯撒密码，替换密码，Vigener Cipher等，他们共通的弱点都是语言中字母频率的不等，导致密钥加密后密文中字母出现概率依旧不等，从而发现突破口。

而一次性密码本，则是使用了与明文等长的密文，使得所有字母的使用概率相等，密文完全不揭示任何明文信息，使得任何唯密文攻击无效。而在计算机领域则是bit位异或操作，隐藏ASCII码或者文件信息，具体加密方式及解密方式证明如下：

C：密文 E：加密操作 D：解密操作 m：明文  k：密钥
C = E( k, m) = k ⊕ m
D = ( k, c) = k ⊕ c
Indeed: D( k, E( k, m)) = D( k, k ⊕ m)
= k ⊕ (k ⊕m) = ( k⊕k) ⊕ m
= 0 ⊕ m
= m

实际应用中难点：

虽然这种加密方式理论上绝对安全，但是在计算机的实际应用上还是有几点问题的。

1.首先要共享一个和明文一样长度的Key，如果我们有方法绝对安全的共享这个Key，那我们为什么不直接绝对安全的共享明文呢。

2.抛开第一条不说，一次性密码本也是有相应的攻击方式的，但有个先决条件，就是一次性密码本2次或者多次使用。

证明：

C1 <- m1 ⊕ kC2 <- m2 ⊕kC1 ⊕ C2 -> m1 ⊕ m2 -> m1,m2 由此推断出ASCII码或者相应的字母

真实案例：

1.1941-1946，苏联使用一次性密码本加密消息，密码本的生成由人工丢骰子生成。本该天衣无缝的加密项目，但是因为苏联觉得丢骰子太浪费人力了，就多次使用同一密码本以便节约成本。最后被美国破解，在美国称为Venona计划。（省什么都不能省这个啊、、、）

2.Windows NT采用PPTP协议作为服务器与用户交互方式。具体加密方式如下：

用户端：(m1+m2+m3...) ⊕ k

服务端(m1+m2+m3...) ⊕ k

多个消息结合起来后采用密钥加密，看似没问题，但是最大的问题是，用户端与服务端使用的是相同的k加密，因此这就达成了一次性密码本多次使用的漏洞。

3.802.11b 协议，wifi协议。

m：明文 CRC：校验码 PRG：伪随机密钥流

明文消息由m和CRC组成，由PRG作为密码本加密，密文ciphetext前会放上IV（24位字符）。

每帧使用不同的密钥，具体方式是，将IV放在密文前面，每个数据包IV不同，于是每一个数据包后IV+1，然后服务器可以通过IV和Key推断出PRG。

问题：24位的IV约为1600万，意思就是，每1600帧后密码本会有一次循环。这还不是最大的问题，最大的问题是每次重启后IV会回归0，并且每次IV+1的策略也使得新密码本变化不大。

4.RC4，1987年，采用128位作为seed，密钥2048位，每个byte一循环，曾经的google的https也在使用。

弱点：

伪随机设计的有问题。第二字节出现0的概率是平均值的两倍，第三，四位的概率也不均匀。解决方法：丢掉前256位，从257位字节开始，使用第二个循环。

另外，跑掉几个G的数据量后，出现（00）双字节的概率偏大。

最后，每个key之间有一定的联系。

5.DVD加密，CSS

偏面向硬件，这里就简单讲述下破解方法吧。

seed = 5 bytes = 40 bits，因为出口法规定，所以只能使用这个过短的密钥。

另外，抛开上面一点，只需要2的17次方尝试就能解开。因为DVD文件均是.MPEG文件，前缀已知。

番外：完整性攻击

一次性密码本，只要使用得当，就是理论中的完美加密。但是其本身只关注与攻击者无法得到明文内容，却无法保证攻击者是否有修改密文内容，从而达到混淆明文的结果。

证明：

密文: m ⊕ k攻击者: (m ⊕ k) ⊕ k2接收者(解密): m ⊕ k2

由此可见，接收者无法还原真正的明文，也无从知晓密文是否遭受攻击。

例子：

如果有Bob发送一份邮件，邮件格式的前缀都为“From Bob”，完全使用一次性加密本加密后发送出去，中途有攻击者假设知道Bob这个人，并且不想让接受方知道是Bob发送的邮件，他便可以将发送方改为Eve。

Bob ASCII：42 6F 62

Eve ASCII：45 76 65

两者⊕，得到07 19 07，因此攻击者所要做的就是将07 19 07于原文中Bob的位置进行⊕处理，接收方解密后便是发送方就是 From Eve。