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详解XOR(异或)运算加密
电子禅石 | 2021-09-18 16:12:18    阅读:22674   发布文章

逻辑运算之中,除了 AND 和 OR,还有一种 XOR 运算,中文称为"异或运算"。它的定义是:两个值相同时,返回false,否则返回true。也就是说,XOR可以用来判断两个值是否不同。
详解XOR 运算加密
详解XOR 运算加密
JavaScript 语言的二进制运算,有一个专门的 XOR 运算符,写作^。
详解XOR 运算加密
如果两个二进制位相同,就返回0,表示false;否则返回1,表示true。

XOR 的应用
XOR 运算有一个很奇妙的特点:如果对一个值连续做两次 XOR,会返回这个值本身。
详解XOR 运算加密
上面代码中,原始值是1010,再任意选择一个值(上例是1111),做两次 XOR,最后总是会得到原始值1010。这在数学上是很容易证明的。

加密应用
XOR 的这个特点,使得它可以用于信息的加密。
详解XOR 运算加密
上面代码中,原始信息是message,密钥是key,第一次 XOR 会得到加密文本cipherText。对方拿到以后,再用key做一次 XOR 运算,就会还原得到message。
详解XOR 运算加密

完美保密性
二战期间,各国为了电报加密,对密码学进行了大量的研究和实践,其中就包括 XOR 加密。
战后,美国数学家香农将他的研究成果公开发表,证明了只要满足两个条件,XOR 加密是无法破解的。

key的长度大于等于message
key必须是一次性的,且每次都要随机产生

理由很简单,如果每次的key都是随机的,那么产生的CipherText具有所有可能的值,而且是均匀分布,无法从CipherText看出message的任何特征。也就是说,它具有最大的"信息熵",因此完全不可能破解。这被称为 XOR 的"完美保密性"(perfect secrecy)。

满足上面两个条件的key,叫做 one-time pad(缩写为OTP),意思是"一次性密码本",因为以前这样的key都是印刷成密码本,每次使用的时候,必须从其中挑选key。

其中信息熵可以按以下通俗的理解

    要理解信息熵,其实并不难,因为生活中无处不是信息熵的体现。比如,假设你是一个伪球迷,对各国家足球队实力一点都不了解,问你冠军赛两支队伍谁可能夺冠。首先经过你脑海的是,这两家国家队可能实力相当,用概率学的说法,即两支球队夺冠的概率都是50%,那么结果就像是掷硬币,正反靠天时地利人和,并无从考证——我们设定这种情景为A。这个时候,有个人跑过来和你说,他是一个足球评论员,对各足球对非常了解,然后告诉你此次冠军赛实力相差悬殊,德国队近来年表现优秀,主帅勒夫策略非凡,而另外一支队伍已经有很多届未进入世界杯总决赛了;基于这些不完整信息,作为伪球迷的你,心理肯定给德国队夺冠加分,假设这个时候你心理的夺冠概率变成了德国队80%的夺冠率,而另一支队伍只剩20%的夺冠率——我们设定这种情景为A+。我们知道,比赛的结果只有一个,冠军也只有一支队伍。结果出来了,有人跑过来准备跟你说到底谁夺冠了,如果你只是在A情境下,这个夺冠信息对你肯定很有诱惑力,因为你本来就无法判断谁可能夺冠;如果你是在A+情境下,这个夺冠信息对你来说多少有点失去新鲜,因为世界级的赛事,出差错的可能性不高,所以你会觉得你其实已经大概知道了结果,听或不听没有太大意义。换种说法表述,晚上冠军赛开战,如果你身处情景A,你肯定比较好奇,势均力敌的双方到底谁能夺冠;而如果你身处情景A+,你会觉得这是一场结果已定的赛事,没有太大兴趣。

好的,举了这么一个例子,你应该已经开始恍然了,信息会改变你对事物的未知度和好奇心,信息量越大,你对事物越了解,进而你对事物的好奇心也会降低,因为你对事物的确定性越高。至此,为了抽象这个模型,聪明的香农总结出了信息熵这个概念。信息熵用以表示一个事物的非确定性,如果该事物的非确定性越高,你的好奇心越重,该事物的信息熵就越高。我们先抛出信息熵的公式
详细了解可以参照 https://blog.csdn.net/wendingzhulu/article/details/42045137


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