1 简介

本文从模式/结构类型、国际标准与代表算法、以及最基本的设计原理与思想三个层面，系统性地分析流加密（Stream Cipher）。

2 流加密的主要模式（结构类型）

流加密并不是像分组密码那样有“ECB / CBC / CTR”等工作模式，而是根据密钥流（Keystream）的生成结构来分类。

• 1 同步流加密（Synchronous Stream Cipher）

特点

密钥流只依赖于 密钥 + 初始向量（IV/Nonce）

明文和密文不同步会导致后续全部解密失败（位错位扩散）

公式代表

RC4（已不安全）

Salsa20 / ChaCha20

SNOW 3G

** 优点

实现简单、速度快

无错误扩散（1 bit 错误只影响 1 bit）

** 缺点

严禁 密钥流重用

易受重放/同步攻击

• 2 自同步流加密（Self-synchronizing / Asynchronous）

特点

密钥流由 前若干个密文位 参与生成

即使发生错误，也能在若干步后重新同步

典型结构

Cipher Feedback (CFB-like)

基于移位寄存器 + 密文反馈

代表

Cipher Feedback Stream Cipher

某些历史电信加密方案

优点

具备自动重同步能力

适合有噪声信道

缺点

错误扩散

结构分析更复杂

• 3 基于 LFSR 的流加密

结构核心

线性反馈移位寄存器（LFSR）

多个 LFSR + 非线性组合函数

代表

A5/1（GSM，已破）

E0（蓝牙）

Grain、Trivium

优点

硬件效率极高

数学分析性强

缺点

易受代数攻击、相关攻击（若设计不当）

• 4 基于计数器 / ARX 的流加密

核心思想

用安全的函数

F(Key,Counter,Nonce) 生成伪随机流

ARX：Addition-Rotation-XOR

代表

Salsa20

ChaCha20（RFC 8439）

** 优点

抗分析能力强

软件实现极快

无 S-box，抗侧信道能力好

3 流加密的国际标准与代表算法

• 1 已淘汰或不再推荐

  算法 说明
  RC4 不推荐，广泛漏洞，已禁止使用
  A5/1 不推荐，GSM 通信，完全破解
  E0 不推荐，蓝牙早期加密

• 2 现代主流与标准算法
  ✅ ChaCha20（事实标准）

标准：RFC 8439

使用场景：

TLS

WireGuard

QUIC

特点：

256-bit key

96-bit nonce

极强的抗分析能力

✅ SNOW 3G

标准：

3GPP（LTE/4G）

结构：

LFSR + FSM（有限状态机）

✅ ZUC

标准：

3GPP（4G/5G）

中国商用密码

特点：

高吞吐

面向移动通信

• 3 eSTREAM 计划（重要历史里程碑）

欧洲 NESSIE 后继项目

目标：选拔高性能流密码

最终推荐

软件型：ChaCha、Salsa20

硬件型：Grain、Trivium

4 流加密的最基本设计原理和思想（核心重点）

• 1. 核心思想：一次一密的工程化实现

流加密本质上是：

用一个短密钥生成一个与明文等长、不可预测的伪随机密钥流

		Ciphertext=Plaintext⊕Keystream

理论基础来自 One-Time Pad（OTP）：

若密钥流是真随机、一次性、不复用 → 信息论安全

现实中：

用 伪随机生成器（PRG） 替代真随机

• 2. 设计目标

一个安全的流密码必须满足：

  目标  				说明
  不可预测性   		不可由已知密钥流预测未来
  长周期 			不重复、不循环
  抗统计分析  	 通过所有随机性测试
  抗已知明文攻击 	不泄露内部状态
  无密钥流重用  	每个 nonce 唯一

• 3. 状态更新 + 输出函数分离

现代流密码设计强调：

内部状态足够大

非线性状态更新

非线性输出函数

避免：

纯线性结构（易被代数攻击）

输出直接暴露内部状态

• 4. Nonce / IV 的核心地位

流密码安全性 ≈ PRG 安全性 + Nonce 管理

密钥流重用 = 灾难

因此现代标准：

明确 nonce 长度

强制唯一性

通常不要求随机（只要求不重复）

🔑 5. 与分组密码 CTR 模式的关系

现代实践中：

流密码 ≈ 分组密码 CTR 模式

例如：

AES-CTR

ChaCha20（专用流密码）

两者安全性依赖于：

PRF / PRP 假设

不重复计数器/nonce

5 小结

流加密的本质，是在工程上逼近一次一密：

用安全的伪随机生成器，生成不可预测、不复用的密钥流，通过 XOR 实现高速、低延迟加密。