不要混淆绝对安全：一次一密（OTP）VS 一次性加密

不要混淆绝对安全：一次一密（OTP）VS 一次性加密

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_43215013/article/details/143502110

在现代密码学中，“一次一密”（OTP）和基于对称加密算法（如 SM4）的一次性加密是两种不同的加密策略。尽管它们都涉及密钥的“一次性”使用，但它们的加密原理、密钥管理和安全性等方面存在显著差异。本文将详细介绍这两种加密方案的原理，分析其优缺点，并给出 Python 实现代码，帮助大家理解和实现这两种加密方案。

1. 一次一密（OTP）加密方案

1.1 OTP 的原理

一次一密（OTP）加密是信息理论上最安全的加密方式，其特点是：

• 密钥与明文等长。
• 密钥完全随机，且仅能使用一次。
• 加密过程使用按位异或（XOR）运算：
  C = M ⊕ K
  其中，C 为密文，M 为明文，K 为密钥。

1.2 安全性

OTP 是绝对安全的，因为它依赖于完全随机且一次性使用的密钥。理论上，OTP 无法被破解，因为每次密文对应多个明文，并且没有任何统计规律可供攻击者利用。

1.3 Python 实现：OTP 加密和解密

以下是一次一密（OTP）加密的 Python 实现代码：

import os

def otp_encrypt(plaintext: bytes, key: bytes) -> bytes:
    """
    使用一次一密（OTP）加密明文。
    :param plaintext: 明文数据（字节序列）
    :param key: 密钥（字节序列）
    :return: 密文（字节序列）
    """
    if len(plaintext) != len(key):
        raise ValueError("密钥长度必须与明文长度相同")
    return bytes([p ^ k for p, k in zip(plaintext, key)])

def otp_decrypt(ciphertext: bytes, key: bytes) -> bytes:
    """
    使用一次一密（OTP）解密密文。
    :param ciphertext: 密文数据（字节序列）
    :param key: 密钥（字节序列）
    :return: 解密后的明文（字节序列）
    """
    if len(ciphertext) != len(key):
        raise ValueError("密钥长度必须与密文长度相同")
    return bytes([c ^ k for c, k in zip(ciphertext, key)])

# 示例使用
plaintext = b"Hello, OTP!"
key = os.urandom(len(plaintext))  # 生成与明文等长的随机密钥

# 加密
ciphertext = otp_encrypt(plaintext, key)
print("密文:", ciphertext)

# 解密
decrypted_text = otp_decrypt(ciphertext, key)
print("解密后的明文:", decrypted_text)

1.4 代码解释

1. otp_encrypt和otp_decrypt函数使用相同的按位异或（XOR）操作进行加密和解密。由于异或操作是可逆的，加密和解密过程相同。
2. 我们使用os.urandom来生成与明文等长的随机密钥。
3. 在加密和解密时，必须确保密钥的长度与明文或密文的长度相同，否则将抛出异常。

2. 基于 SM4 的“一次性加密”方案

2.1 SM4 加密算法简介

SM4 是中国国家标准（GB/T 32918-2016）规定的对称加密算法，广泛用于密码通信等领域。它采用固定长度的 128 位密钥，并且是一种分组密码算法，每次处理 128 位数据。SM4 算法在性能上高效且具有较强的抗攻击能力。

2.2 一次性加密原理

在“一次性”加密方案中，每次使用一个固定的密钥进行加密。密钥通常通过某种协议（如密钥协商）生成，在一次中使用，并且结束后销毁。

与 OTP 的完全随机密钥不同，SM4 使用一个相对固定的密钥，并进行多次加密操作，依赖于密钥的安全管理。

2.3 安全性

SM4 的安全性依赖于密钥管理和加密算法的复杂性。如果密钥不被泄露，并且不在多次会话中复用，那么基于 SM4 的加密方式是相对安全的。

2.4 Python 实现：SM4 加密和解密

SM4 并未作为标准库的一部分在 Python 中实现，但可以使用pycryptodome等库来实现对称加密。这里我们使用pycryptodome提供的 AES 实现来模拟 SM4 的加密过程（假设 SM4 与 AES 相似，实际应用中可能需要专门的 SM4 库）。

from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
import os

def sm4_encrypt(plaintext: bytes, key: bytes) -> bytes:
    """
    使用 SM4（模拟 AES）加密明文。
    :param plaintext: 明文数据（字节序列）
    :param key: 密钥（16 字节）
    :return: 密文（字节序列）
    """
    cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC)  # 假设 SM4 类似于 AES
    ciphertext = cipher.encrypt(pad(plaintext, AES.block_size))
    return cipher.iv + ciphertext  # 返回 IV 和密文

def sm4_decrypt(ciphertext: bytes, key: bytes) -> bytes:
    """
    使用 SM4（模拟 AES）解密密文。
    :param ciphertext: 密文数据（字节序列）
    :param key: 密钥（16 字节）
    :return: 解密后的明文（字节序列）
    """
    iv = ciphertext[:AES.block_size]  # 获取 IV
    cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)  # 解密时使用相同的 IV
    plaintext = unpad(cipher.decrypt(ciphertext[AES.block_size:]), AES.block_size)
    return plaintext

# 示例使用
plaintext = b"Hello, SM4!"
key = os.urandom(16)  # 生成 128 位密钥

# 加密
ciphertext = sm4_encrypt(plaintext, key)
print("密文:", ciphertext)

# 解密
decrypted_text = sm4_decrypt(ciphertext, key)
print("解密后的明文:", decrypted_text)

2.5 代码解释

1. sm4_encrypt和sm4_decrypt函数使用pycryptodome的 AES 加密实现来模拟 SM4 加密。在实际应用中，SM4 将有自己的实现方式。
2. 由于 SM4 是分组密码算法，使用 CBC 模式加密。为了确保加密安全，使用了填充和初始化向量（IV）。
3. 加密过程中，密钥是固定的，并且密钥长度为 128 位（16 字节）。

3. OTP 与 SM4 的“一次性加密”方案的对比

3.1 总结

• OTP是信息理论上最安全的加密方式，适用于极高安全需求的场景，但其密钥管理和存储上的复杂性使得它在实际应用中不太可行。
• SM4 一次性加密方案在效率和密钥管理上具有优势，适用于大规模实时通信等场景，虽然其安全性不如 OTP。