第七讲：序列密码

序列密码序列密码引⾔序列密码⼜称流密码，它是将明⽂串逐位地加密成密⽂字符。

并有实现简单、速度快、错误传播少等特点。

密码按加密形式可分为：分组密码序列密码密码按密钥分为：对称密码(私钥密码)⾮对称密码(公钥密码)1. 加解密算法明⽂序列：m=m1m2……mn……密钥序列：k=k1k2……kn……加密：ci=mi+ki,i=1,2,3,……解密：mi=ci+ki,i=1,2,3,……注：+模2加，0+0=0，0+1=1,1+0=1,1+1=0例 m=101110011,c=m+k=111000110,m=c+k=101110011.1949年，Shannon证明了“⼀次⼀密”密码体制是绝对安全的。

如果序列密码使⽤的密钥是真正随机产⽣的，与消息流长度相同，则是“⼀次⼀密”体制。

但缺点是密钥长度要求与明⽂长度相同，现实情况中不可能实现，故现实中常采⽤较短的种⼦密钥，利⽤密钥序列⽣成器产⽣⼀个伪随机序列。

序列密码的原理分组密码与序列密码都属于对称密码，但两者有较⼤的不同：1. 分组密码将明⽂分组加密，序列密码处理的明⽂长度为1bit;2. 分组密码算法的关键是加密算法，序列密码算法的关键是密钥序列⽣成器。

3. 序列密码分类同步序列密码密钥序列的产⽣仅由密钥源及密钥序列⽣成器决定，与明⽂消息和密⽂消息⽆关，称为同步序列密码。

缺点：如果传输过程中密⽂位被插⼊或删除，则接收⽅与放送⽅之间产⽣了失步，解密即失败。

⾃动同步序列密码密钥序列的产⽣由密钥源、密钥序列⽣成器及固定⼤⼩的以往密⽂位决定，称为⾃同步序列密码（⾮同步密码）。

优点：如果密⽂位被删除或插⼊时，可以再失去同步⼀段时间后，⾃动重新恢复正确解密，只是⼀些固定长度的密⽂⽆法解密。

4. 密钥序列⽣成器的要求(key generation)种⼦密钥k的长度⾜够⼤，⼀般128bit以上，防⽌被穷举攻击;密钥序列{ki}具有极⼤的周期性现代密码机数据率⾼达10^8 bit/s，如果10年内不使⽤周期重复的{ki}，则要求{ki}的周期T>=3*106或255;良好的统计特征。

序列密码基本概念序列密码的加密⽤⼀个随机序列(密钥流)与明⽂序列按位叠加产⽣密⽂，⽤同⼀随机序列与密⽂序列叠加来恢复明⽂。

v由种⼦密钥通过密钥流发⽣器得到的密钥流为：K=k1k2...k n，则加密变换为：C=c1c2...c n其中c i=m i⊕k i i=1,2...n，那么解密变换就是m i=c i⊕k i i=1,2...n密码强度主要依赖于密钥流的安全性同步序列密码密钥序列的产⽣独⽴于明⽂消息和密⽂消息。

特点：⽆错误传播：各符号之间真正独⽴。

⼀个传播错误只影响⼀个符号，不会影响到后继的符号同步：发送⽅和接收⽅必须保持精确的、⽤同样的密钥并作⽤在同样的位置上，才能正确的解密⾃同步序列密码密钥序列是密钥及固定⼤⼩的以往密⽂的函数，依赖于密⽂。

特点：有限错误传播：设密钥序列产⽣器具有n位存储，则⼀个符号的传输错误只影响到后⾯n符号的解密⾃同步：只要接收⽅连续收到n个正确的密⽂符号，密钥序列产⽣器便会⾃动地恢复同步消除明⽂统计特性密钥流⽣成器和密钥流密钥流的要求极⼤的周期：随机序列是⾮周期的，⽽按任何算法产⽣的序列都是周期的，因此应要求密钥流具有尽可能⼤的周期良好的统计特性：随机序列有均匀的游程分布游程：指序列中相同符号的连续段，其前后均为异种符号。

例如：……0 111 0000 10……注意：计算游程的时候要⾸尾相连计算，头和尾的两个0合在⼀起构成长度为2的0游程。

有长为3的1游程、长为4的0游程、长为1的1游程，长为2的0游程。

⼀般要求其在周期内满⾜：同样长度的0游程和1游程的个数相等，或近似相等。

很⾼的线性复杂度：不能⽤级数较⼩的线性移位寄存器LFSR近似代替⽤统计⽅法由密钥序列k0k1k2…ki…提取密钥⽣成器结构或种⼦密钥在计算上不可⾏密钥流⽣成器密钥流⽣成器可以分为：驱动部分⾮线性组合部分驱动部分：控制⽣成器的状态序列，为⾮线性组合部分提供统计性能良好的序列周期很⼤分布较随机⾮线性部分：将驱动部分提供的序列组合成密码特性好的序列可隐蔽驱动序列与密钥k之间明显的依赖关系⽬前密钥流⽣成器⼤都基于移位寄存器FSR通常由线性移位寄存器(LFSR)和⼀个⾮线性组合函数即布尔函数组合，构成⼀个密钥流⽣成器（a）由⼀个线性移位寄存器和⼀个滤波器构成（b）由多个线性移位寄存器和⼀个组合器构成LSFR的优点：⾮常适合硬件实现能产⽣⼤的周期序列能产⽣统计特性好的序列能够应⽤代数⽅法进⾏很好的分析反馈移位寄存器GF(2)上⼀个n级反馈移位寄存器由n个⼆元存储器与⼀个反馈函数f(a1a2...a n)组成Processing math: 100%每个存储器称为移位寄存器的⼀级在任⼀时刻，这些级的内容构成该FSR的状态;对应于⼀个GF(2)上的n维向量，共有2n种可能的状态状态可⽤n长序列a1,a2,a3,…,a n或n维⾏向量(a1,a2,a3,…,a n)表⽰每⼀级存储器a i将其内容向下⼀级a i－1传递，并根据存储器当前状态计算f(a1,a2,a3,…,a n)作为a n下⼀时间的内容example:初始状态为(a1,a2,a3)＝(1,0,1)，输出可由上表求出，其输出序列为10111011101…，周期为4如果反馈函数f(a1,a2,…,a n)是a1,a2,…,a n的线性函数，则称为线性反馈移位寄存器（LFSR）n级LFSR最多有2n个不同的状态初始状态为零，则其状态恒为零若其初始状态⾮0，则其后继状态不会为0因此n级LFSR的状态周期≤2n−1输出序列的周期与状态周期相等，所以≤2n−1选择合适反馈函数可使序列周期达到最⼤值2n−1，周期达到最⼤值的序列称为m序列特征多项式表⽰：1是必须写的，c i的取值和上⾯⼀⼀对应定理：n级LFSR产⽣的序列有最⼤周期2n−1的必要条件是其特征多项式为不可约的定义：若n次不可约多项式p(x)的阶为2n－1，则称p(x)是n次本原多项式，使得p(x)|(x p−1)的最⼩p称为p(x)的阶定理：设{a i}∈G(p(x))，{a i}为m序列的充要条件是p(x)为本原多项式Java实现LSFRpublic class LSFR {public static void newLsfr(List<Integer> lst, int k, List<Integer> key){int temp=0;List<Integer> temp1 = new ArrayList<>(lst);List<Integer> temp2 = new ArrayList<>(key);for(int i = 0;i < k; ++i){boolean flag = false;Integer kOut=0;for (int j = 0;j < 20;++j){if(temp2.get(j).equals(1))kOut = (Integer) ((kOut + temp1.get(j) ^ temp2.get(j)) % 2);}temp1.remove(0);temp1.add(kOut);for(int q = 0;q < 20;q++){if (!temp1.get(q).equals(lst.get(q))) {flag = true;break;}}System.out.println(temp1.toString()+"第"+(i+1)+"次");if(!flag)temp = i+1;}if(temp!=0)System.out.println("周期是："+temp);}对于m-序列（周期为2n−1），如果攻击者知道了2n位明密⽂对，则可确定反馈多项式的系数，从⽽确定该LFSR接下来的状态，也就能得到余下的密钥序列，具体过程如下：三个随机性公设：在⼀个周期内，0与1的个数相差⾄多为1—a i中0与1出现的概率基本上相同在⼀个周期内，长为1的游程占游程总数的1/2，长为2的游程占游程总数的1/22，……，长为i的游程占游程总数的1/2i，……，且等长的游程中0游程个数和1游程个数相等——0与1在序列中每⼀位置上出现的概率相同异相⾃相关函数是⼀个常数——通过对序列与其平移后的序列做⽐较，不能给出其它任何信息⾮线性部分Geffe发⽣器钟控发⽣器交错停⾛式发⽣器门限发⽣器常⽤流密码算法RC4基于⾮线性数组变换优点：易于软件实现，加密解密速度快，⽐DES快10倍A5基于LFSR。

序列密码内容提要（或本章引言）使用流密码对某一消息m执行加密操作时一般是先将m分成连续的符号(一般为比特串)，m=m1m2m3……；然后使用密钥流k=k1k2k3……中的第i 个元素k i对明文消息的第i个元素m i执行加密变换，i=1,2,3,……；所有的加密输出连接在一起就构成了对m执行加密后的密文。

序列密码以其易于实现、加解密快速、无错误传播、应用协议简单等优点，在政府、军事、外交等重要部门的保密通信以及各种移动通信系统中被广泛使用。

本章重点♦一次一密加密体制；♦线性反馈移位寄存器；♦基于线性反馈移位寄存器的伪随机序列生成器；♦伪随机序列的安全性；♦m序列；♦RC4、A5算法。

2.1 概述 （2级标题）按照对明文消息加密方式的不同，对称密码体制一般可以分为两类：分组密码(block cipher)和流密码(stream cipher)z分组密码：对于某一消息m，使用分组密码对其执行加密操作时一般是先对m进行填充得到一个长度是固定分组长度s的整数倍的明文串M；然后将M划分成一个个长度为s的分组；最后对每个分组使用同一个密钥执行加密变换。

z流密码(也称序列密码)：使用流密码对某一消息m执行加密操作时一般是先将m分成连续的符号(一般为比特串)，m=m1m2m3……；然后使用密钥流k=k1k2k3……中的第i个元素k i对明文消息的第i个元素m i执行加密变换，i=1,2,3,……；所有的加密输出连接在一起就构成了对m执行加密后的密文。

与分组密码相比，序列密码受政治的影响很大，目前应用领域主要还是在军事、外交等部门。

虽然也有公开设计和研究成果发表，但作为密码学的一个分支，流密码的大多设计与分析成果还是保密的。

目前可以公开见到、较有影响的流密码方案包括A5、SEAL、RC4、PIKE等。

本章主要讨论流密码加密体制，关于分组密码的知识将在下一章给出。

容易想到，使用流密码对消息m执行加密时，最简单的做法就是让密钥流中的第i个比特与明文串中的对应比特直接做XOR运算，即图2-1 简单的流密码加密结构对应的解密运算即为：图2-2 简单的流密码解密结构由于实现XOR逻辑运算非常简单，因此这样的加解密操作将是快速有效的。

【密码学】序列密码序列密码就是对密⽂进⾏逐⼀的加密或者解密和分组密码⽐起来，分组密码是⼀组⼀组加密，序列密码就是逐个加密序列密码的安全性能主要取决于密钥流或者密钥流产⽣器的特性。

优点：实现简单、加密和解密速度快、安全性能较好、没有或少有差错传播序列密码的基本结构1.同步序列密码 同步序列密码的原理： 种⼦密钥k经过由安全信道传送给收、发双⽅后，由密钥流产⽣器⽣成加密和解密所需要的密钥流，⽽加、解密本⾝就是简单的模2加法运算。

同步序列密码的特点： ①密钥流仅仅依赖于种⼦密钥和密钥流产⽣器的结构，⽽与明⽂流（或密⽂流）⽆关。

②如果密钥流完全随机产⽣且长度⾄少和明⽂流⼀样长，则可实现绝对安全的“⼀次⼀密”。

但实际上，这很难做到。

③⽆差错传播。

因为密钥流独⽴于密⽂流，所以⼀个密⽂的传输错误不会影响下⼀个密⽂的解密。

④为了保障接收端能够正确解密，要求收、发双⽅必须严格同步。

2.⾃同步序列密码 ⾃同步序列密码的简介： 与同步序列密码需要收、发双⽅严格同步不同，⾃同步序列密码能够依靠⾃⾝的能⼒“⾃动地”实现收、发双⽅的同步，因⽽是⼀种不需要外部同步的序列密码系统。

⾃同步序列密码的特点： ①密钥流不仅依赖于种⼦密钥和密钥流产⽣器的结构，还与密⽂流（或明⽂流）有关。

初始向量IV在这⾥相当于初始密⽂的作⽤，要求收、发双⽅必须相同。

②⾃同步。

解密只取决于先前特定数量的密⽂字符，因此，即使出现删除、插⼊等⾮法攻击，收⽅最终都能够⾃动重建同步解密，因⽽收、发双⽅不再需要外部同步。

③有差错传播。

因为密钥流与密⽂流有关，所以⼀个密⽂的传输错误会影响下⾯有限个密⽂的解密。

密钥流产⽣器密钥流产⽣器是决定序列密码安全性能的主要因素，因⽽线性反馈寄存器是密钥流产⽣器最基本也是最重要的部件。

1.线性反馈移位寄存器定义：如果将移位寄存器的某些级的输出通过异或（模2加）运算函数运算后反馈回它的第⼀级输⼊端，便构成了线性反馈移位寄存器。