（一）基本概念

序列密码，又称为流密码，属于对称密码体制，它一次只对明文消息的单个字符（通常是二进制位，单比特）进行加解密变换，具有实现简单、速度快、错误传播少等特点，是世界各国的军事和外交等领域中使用的主要密码体制。
序列密码的起源于20世纪20年代的维尔姆(Vernam)，由美国电话电报公司的G.W.Vernam于1917年发明。若Vernam体制中的密钥序列是随机序列时，则为“一次一密”密码体制（one-time-pad），理论上是不可破译的。由于随机密钥序列的产生、分发及管理等方面存在一定的困难，Vernam体制在当时未得到广泛应用。
序列密码算法（也称为流密码算法）将明文逐位（字节也可以）转换成密文，序列密码体制模型如图所示。

特点：
加解密运算只是简单的模二加运算。
密码安全强度主要依赖密钥流的安全性。

在序列密码中，明文按一定长度分组后表示成一个序列，称为明文流（序列中的每一项称为明文字）。
加密时，先由种子密钥（或称为主密钥）通过密钥流产生器生成一个密钥流序列，该序列的每一项和明文字具有相同的比特长度，称为密钥字；然后依次把明文流和密钥流中的对应项做二元加法运算（异或运算），产生相应的密文字，由密文字构成密文流输出。
解密过程是将同样的密钥流与密文流中的对应项做二元加法运算，恢复出原来的明文流。

序列密码和分组密码的区别 ：

序列密码是将密钥和初始向量作为输入，通过密钥流生成算法输出密钥流（也称为扩展密钥序列），然后将明文序列和密钥流进行异或，得到密文序列。
分组密码首先对明文消息根据分组大小进行分组，再将明文分组、密钥和初始向量一起作为输入，通过分组加密算法直接输出密文分组。常见的序列密码：RC4,ZUC应用：用于无线通信网络，实现语音、视频即时加密。

序列密码分类

同步序列密码：密钥流的产生需要收发双方进行同步，密钥流的产生完全独立于明文消息和密文消息，密文只与明文和密钥有关，密文不参与加密。
自同步序列密码：密钥流的产生是密钥及固定大小的以往密文位的函数，K=f(k,c)。密文参与加密，密文不仅与明文和密钥有关，还与之前的密文有关。

1.同步序列密码SSC(Synchronous Stream Cipher)中，密钥流独立于消息流产生。一个错误传输只会影响一个符号，不影响后面的符号。
无错误传播:一个错误传输只会影响一个符号，不影响后面的符号。
优点: 无错误传播，容易检测插入、删除、重放等主动攻击。
缺点：一旦接收端和发送端的种子密钥和内部状态不同步，解密就会失败，两者
必须立即借助外界手段重新建立同步。

 

2.自同步序列密码

自同步序列密码也称为异步流密码，其密钥流的产生不是独立于明文流和密文流的，与种子密钥和其前面已产生若干密文字有关(k,c)。密文不仅与明文和密钥有关，还与之前的密文有关。

自同步能力：自同步序列密码的核心特性是具有自同步能力。密钥序列的产生依赖于种子密
钥和固定个数的以前的若干位的密文。这意味着，即使在密文传输过程中出现插入或删除等
非法攻击，导致通信双方失去同步，接收端在连续接收到一定数量的正确密文后，密钥序列
产生器能够自动恢复同步解密。
有限的错误传播：因为自同步序列的状态取决于t个已有的密文字符，若一个密文字（或位）
在传输过程中被修改（插入或删除），则解密时最多只影响到后续 t个密文字的解密，即只发
生有限的错误传播。
其他特点：明文统计特性的扩算、自动对齐、检错和纠错等

      

序列密码与分组密码比较

（1）分组密码是以一定的固定长度的分组作为每次处理的基本单元；而序列密码则是以一个元素（一个字符或一个比特位）作为基本处理单元。
（2）分组密码使用的是一个不随时间变化的固定变换，具有扩散性好、插入敏感等优势，其缺点是加密处理速度慢，存在错误传播；而序列密码是用的一个随时间变换的加密变换，具有传播速度快、低错误传播和硬件实现电路简单等优势，其缺点是低扩散（意味着混乱不够）、插入及修改不敏感。

序列密码体制的安全性取决于密钥流的性能，当密钥流是完全的随机序列时，序列密码是不可破的；随机序列的主要特点表现为无规律性和不可预测性。 如果密钥流能做到真正的随机，此时的序列密码就是“一次一密”的密码体制，是绝对安全的。

在实际应用中，密钥流都是用有限存储和有限复杂逻辑的电路来产生的，此时的密钥流只有有限个状态。这样的密钥流生成器迟早要回到初始状态而使其呈现出周期性。但如果密钥流周期足够长，且随机性好，其安全强度是可以得到保证的。序列密码的安全强度取决于密钥流生成器的设计。
目前，产生密钥流最重要的部件是线性反馈移位寄存器（LFSR，Linear Feedback Shift Register），这是因为LFSR非常适合硬件实现、能产生较大周期和统计特性良好的序列。

（二）线性反馈移位寄存器

上面已经说到产生密钥流最重要的部件就是线性反馈移位寄存器，现在来讲述一下原理。

移位寄存器是指有n个寄存器（称为n级移位寄存器）r1,r2,…,rn从右到左排列，每个寄存器中能存放1位二进制数，所有寄存器中的数可以统一向右（或向左）移动1位，称为进动1拍. 即r1的值(b1)右移1位后输出，然后r2的值(b2)送r1, r3的值(b3)送r2,……最后， rn的值(bn)送rn-1

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。

标有a1,a2,...,a(n-1)，an的小方框表示（0，1）二值存储单元（都是0或1），信号流从左往右，这n个二值存储单元称为该反馈移位寄存器的级。

这是一个动态过程，比如f(a1,a2,...an)=a(n+1)，移位给an，an的值移位给a(n-1)

是不是线性反馈移位寄存器是由反馈函数f是不是线性函数决定的

（三）ZUC算法

定义

ZUC算法是中国自主研发的流密码算法，是一个对称密码算法

在这里需要明白一些基础概念：

算法结构

祖冲之算法由线性反馈移位寄存器（LFSR）、比特重组（BR）和非线性函数F组成

先说线性反馈移位寄存器（LFSR）：

LFSR包括16个31bit的寄存器单位变量，s0,s1....s15，LFSR运行模式有两种，初始化模式和工作模式。初始化模式是LFSR接受1个31比特字的输入u，然后对寄存器单元变量s0,s1...s15进行更新，计算过程如下：

工作模式：LFSR无输入，直接对寄存器单元变量s0,s1...s15进行更新

比特重组：

输入为LFSR寄存器单元变量s0,s2,s5,s7,s9,s11,s14,s15，输出为4个32比特字X0,X1,X2,X3，计算过程如下：
  比特

比如X0=s15取高16bit和s14的低16bit拼接起来；比特重组就是从LFSR寄存器单元中抽取128比特组成4个32比特X0,X1,X2,X3。将X0,X1,X2带入下方的非线性函数

非线性函数F：

X0查S0盒，比如X0的十六进制是SA，查询S0盒的3行A列，是FD。S0盒和S2盒一样，S1盒和S3盒一样。

密钥装入

将初始密钥k和初始向量iv分别扩展为16个31比特字作为LFSR寄存器单元变量s0,s1,...s15的初始状态。步骤如下：

将k和iv分别分16份，比如s0就是k0和d0和iv0的拼接，di如右上角那个小图，是给定的

算法运行

祖冲之算法的输入参数为初始密钥k，初始向量iv和正整数L，输出参数为L个密钥字Z。算法运行过程包含初始化步骤和工作步骤。

初始化步骤：将初始密钥k和初始向量iv装入到LFSR的寄存器单元变量s0,s1...,s15中，作为LFSR的初态；令32比特记忆单元变量R1和R2为0；重复执行下述过程32次。

这个流程图很关键，各步骤输入输出

工作步骤：

（丢弃W：其实上这一步也就是把参数进行更新，我们并不需要这个结果）

附：基于祖冲之密码的机密性算法 128-EEA3

ZUC(祖冲之密码算法)特点：

引入素数域运算、比特重组、最优扩算的线性变换等先进理念和技术

三层结构的综合运用

高的理论安全性，能够有效抵抗目前已知的攻击方法，具有较高的安全冗余

算法速度快，软硬件实现性能比较好

（四）RC4算法

定义

RC4是美国RSA数据安全公司1987年设计的一种序列密码，密钥长度可变，可使用 64 位或 128 位密钥大小，按目前的计算能力,RC4算法的密钥长度至少应为128位，广泛应用于SSL/TLS标准等商业密码产品中，是目前所知应用 最广泛的对称序列密码算法。

该算法以OFB方式工作，密钥流与明文相互独立。RSA数据安全公司将其收集在加密工具软件BSAFE中。最初并没有公布RC4的算法，人们通过软件进行逆向分析得到了算法，在这种情况下，RSA数据安全 公司于1997年公布了RC4密码算法。RC4与基于LFSR的序列密码不同，它是以随机置换为基础、基于非线性数据表变换的序列密码，面向字节操作。它以一个足够大的数据表为基础，对表 进行非线性变换，产生非线性的密钥序列。

RC4属于对称密码算法中的流密码加密算法。密钥长度可变，面向字节操作。它以一个足够大的表S为基础，对表进行非线性变化，产生密钥流。明文和密钥异或形成密文，密文和密钥异或为明文。

加密过程：

step2：如果值小于256，就循环赋值填满

密钥流生成：

生成密钥序列，循环执行： 更新：i=(i+1) mod 256 更新：j=(j+S[i]) mod 256

交换 ：S[i]和S[j]

输出函数，RC4的输出函数定义如下：

计算临时变量 ：h=(S[i]+S[j])mod 256

生成密钥流字节：z=S[h]

在加密和解密期间，RC4不断生成密钥流字节，和明文密文进行加解密。

RC4算法的优点是：算法简单、高效，特别适合软件实现。目前，RC4所用的初始密钥至少为128位。RC4被广泛应用于商业密码产品中， 例如已经用于Microsoft Windows、Lotus Notes和Oracle的SQL数据库中、为网络浏览器和服务器之间的通信定义的安全套接字层（Secure Socket Layer, SSL）；还用于无线系统以及保护无线连接的安全 ， 如应用于 IEEE802.11 无 线 LAN 标准的 WEP ( Wired Equivalent Privacy）协议和Wi-Fi保护访问协议等。