异或运算加密/解密

密钥

异或(XOR)运算加密一种简单高效、非常安全的加密方法。


异或(XOR)运算:

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。

true XOR true // false
false XOR false // false
true XOR false // true
true XOR false // true


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。

// 第一次 XOR
1010 ^ 1111 // 0101
 
// 第二次 XOR
0101 ^ 1111 // 1010

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。


XOR 的这个特点,使得它可以用于信息的加密。

message XOR key // cipherText
cipherText XOR key // message

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。


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(Claude Shannon)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。


异或(XOR)运算加密/解密算法原理:

  从加密的主要方法看,换位法过于简单,特别是对于数据量少的情况很容易由密文猜出明文,而替换法不失为一种行之有效的简易算法。

  从各种替换法运算的特点看,异或运算最适合用于简易加解密运算,这种方法的原理是:当一个数A和另一个数B进行异或运算会生成另一个数C,如果再将C和B进行异或运算则C又会还原为A。


  相对于其他的简易加密算法,XOR算法的优点如下。

  (1)算法简单,对于高级语言很容易能实现。

  (2)速度快,可以在任何时候、任何地方使用。

  (3)对任何字符都是有效的,不像有些简易加密算法,只对西文字符有效,对中文加密后再解密无法还原为原来的字符。