密碼學 - 流密碼

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流密碼透過對資料流的每個位元逐一應用金鑰和演算法來加密文字。相比之下，分組密碼一次處理多個位元的資料塊。流密碼主要用於一次加密一個位元組（8位）。

由於流密碼是線性的，因此訊息使用相同的金鑰進行加密和解密。雖然破解它們很困難，但駭客必須設法做到這一點。

在此，金鑰流（一系列隨機位元）是從金鑰生成的。為了加密資料流，每個位元都與金鑰流中的等效位元進行異或 (XOR) 運算。

它是如何工作的？

流密碼使用公共金鑰（“對稱金鑰”）來編碼其資料。資料的加密和解密過程由該對稱金鑰處理。與公鑰密碼不同，流密碼使用一個金鑰進行加密和解密，無需為每個任務使用不同的金鑰（例如，使用一個金鑰加密，另一個金鑰解密）。

密碼學方法通常透過對其進行混淆來隱藏資料免受未授權訪問。但是，流密碼的不同之處在於它逐位處理資料，而分組密碼則對稱為塊的資料集合進行操作。

流密碼涉及

• 明文 - 要加密的原始訊息。

• 金鑰流 - 替換明文字元的隨機字元序列（例如，數字、字母、符號）。

• 密文 - 加密的訊息。金鑰生成是一個複雜的數學運算，但現代計算機可以快速執行它。

在流密碼中，明文的單個位元被輸入並進行數學運算。結果是需要正確金鑰才能解碼的混淆文字。

使用正確的金鑰，接收者可以反轉該過程並將混淆的文字轉換回其明文。

在流密碼加密中，稱為一次性密碼的金鑰由於其獨特的屬性而非常安全。它被設計成與要加密的訊息長度相同，確保攻擊者如果沒有原始金鑰，就無法透過數學方法解密訊息。

金鑰流生成

讓我們看看使用基於 XOR 的流密碼建立金鑰流的基本示例。

假設我們有以下資料：

• 金鑰：101011

• 初始化向量 (IV)：110100

建立加密資料流（金鑰流）

• 使用金鑰和初始化向量 (IV) 設定加密演算法。

• 如果需要，調整金鑰和 IV 與要加密的訊息長度相同。

• 使用異或 (XOR) 運算組合金鑰和 IV 以生成金鑰流。

以下是分步過程：

• 金鑰：101011

• IV：110100

金鑰流：011111

現在，假設我們有一個明文訊息：1100101。

要使用金鑰流加密此明文：

• 明文：1100101

• 金鑰流：011111

密文：1011010

要解密密文，我們將使用相同的金鑰流：

• 密文：1011010

• 金鑰流：011111

明文：1100101

此示例說明如何生成金鑰流，然後使用金鑰和初始化向量對訊息進行編碼和解碼。為了更好的安全性，實際應用中使用了更復雜的方法和更大的金鑰大小。

流密碼類別

流密碼分為兩大類，其機制略有不同：

同步流密碼 - 使用金鑰生成與明文和密文無關的金鑰流。

自同步流密碼 - 使用金鑰和附加隨機化來增強針對駭客攻擊的安全性。

另一種加密選項是分組密碼，它將訊息分成較小的塊，並將加密演算法應用於每個塊。

流密碼的優點

以下是流密碼的一些優點

• 快速加密和解密：流密碼以單個位元或位元組的速度加密和解密資料，使其成為即時通訊和高要求應用的理想選擇。

• 低硬體要求：流密碼可以輕鬆地在簡單的效能（例如 XOR）硬體中實現，允許它們在各種裝置和系統上高效地實現。

• 選擇性訪問：流密碼提供選擇性地解密加密資料的特定部分的能力，這在需要訪問或修改特定部分而無需解密整個訊息時很有用。

流密碼的缺點

以下是流密碼技術的某些缺點：

• 已知明文攻擊的漏洞 - 已知明文攻擊對流密碼有害。攻擊者在擁有明文和密文（包括加密訊息）的部分時，可以識別加密金鑰流。這可能會洩露受保護的資料。

• 缺乏擴散 - 流密碼擴散性差。當明文發生輕微變化時，密文也只會發生輕微變化。這使得攻擊者更容易研究模式，並可能恢復原始訊息，即使他們不知道加密金鑰。

流行的流密碼

一些流行的流密碼是：

• RC4 - 由於其快速且易於使用，RC4 以前廣泛用於 SSL/TLS 和 WEP/WPA 協議中，但由於安全漏洞而過時。

• Salsa20 - Daniel J. Bernstein 開發的 Salsa20 以其效率和安全性而聞名。安全通訊和磁碟加密等應用程式經常使用它。

• ChaCha - ChaCha 是 Salsa20 的一個較新版本，旨在更好地擴散並防止某些攻擊。它經常用於 TLS 和 VPN 等協議中。

• HC-128 - Hongjun Wu 的流密碼提供卓越的效率和強大的安全性。它在能力有限的裝置（如手機）中有效工作。

• Grain - Martin Hell 和 Thomas Johansson 開發了這種輕量級流密碼。在硬體中實現時，它特別高效，使其成為 RFID 標籤和感測器網路等應用的理想選擇。