2.2.3 流密码
1.随机数和伪随机数介绍
在对多样的网络安全应用程序进行加密的过程中，随机数具有很重要的作用。根据密码学原理，校验随机数的随机性有以下3个标准。
①统计学伪随机性。统计学伪随机性指的是在给定的随机比特流样本中，1和0出现的频率必须大致相同。
图2.8 4种工作模式的安全性、效率和容错性
②密码学安全的伪随机性，即给定随机样本的一部分和随机算法，不能有效地演算出随机样本的剩余部分。
③真随机性。其定义为随机样本不可重现。实际上只要给定边界条件，真随机数并不存在，可是如果产生一个真随机数样本的边界条件十分复杂且难以捕捉（比如计算机系统的瞬间系统时钟），可以认为用这个方法演算出来了真随机数。
相应地，随机数也分为3类：伪随机数，满足上述标准①；密码学安全的伪随机数，满足上述标准①和②；真随机数，同时满足上述3个标准。
实际上，用通俗易懂的方式来解释真随机数（Random Number）和伪随机数（Pseudo Random Number）的本质区别就是，真随机数采用一个完全随机、不可复制的随机源作为输入端（熵源），比如计算机瞬时的电气特性、鼠标移动的坐标、计算机瞬间的系统时钟等，根据这个真随机输入端产生二进制数输出，这个过程是不可复现的（除非保留了这个熵源和输出产生规则）。而伪随机数采用一个事先约定的不变值作为输入端，这个不变值称为种子（在加密算法中即为密钥），按照确定的算法来产生一系列的被种子所决定的输出流，这个输出流在同时掌握种子和确定性算法的情况下可以被复现获得，而在没有种子的情况下，这个输出流“看起来”是随机的（Pseudo-randomness）。
图2.9和图2.10分别为真随机数发生器和伪随机数发生器的示意图。
图2.9 真随机数发生器
图2.10 伪随机数发生器
2.流密码的原理
流密码（Stream Cipher）的主要原理（如图2.11所示）是通过伪随机字节发生器（PRNG）产生性能优良的随机序列，通过该序列与明文序列的叠加（通常是用密码流和输入序列做异或运算）来输出密文序列。解密时，再用同一个随机序列与密文序列进行叠加来恢复明文。常见的流密码算法有A5、RC-4、PKZIP等。
图2.11 流密码的原理
伪随机字节发生器以初始密钥为种子，输出不断重复的周期密钥流，这个重复的周期越长，密码破解就越困难。而PRNG采用的伪随机函数（PRF）产生的周期内密码流越“随机”，对应输出的密文流也就越随机化。因此，初始密钥的长度和PRF的合理设计是保证流密码加密安全性的关键。对于密钥长度，分组密码中考虑的因素在这里同样适用。
3.流密码与分组密码的区别
分组密码是将明文分为若干组，每组长度固定，对于每一个明文组，采用设计好的算法进行加密和解密；流密码是以一个元素（一个字母或一位）作为一次加密、解密的操作元素，采用设计好的算法进行加密与解密操作。
流密码和分组密码的优点和缺点见表2.1，详述如下。
流密码是一个随时间变化的加密变换，具有转换速度快、错误传播轻的优点，硬件实现电路更简单；其缺点是低扩散性（意味着混乱性不够）、对插入及修改不敏感。
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、插入敏感等优点；其缺点是加/解密处理速度慢、错误传播严重。
流密码涉及大量的理论知识引出了众多的设计原理，也得到了广泛的分析，但许多研究成果并没有完全公开，这也许是因为流密码目前主要应用于军事和外交等机密部门的缘故。
表2.1 流密码与分组密码的优点和缺点
