0x01 A5/1流密碼算法的基本用法

作用：
用于蜂窩式移動電話系統語言和數字加密
過程：
A5/1算法用于用戶的手機到基站之間的通信加密，通信內容到基站后先解密變成明文，然后再進行基站到基站之間，以及基站到用戶手機之間的信息加密，完成通信內容在通信過程的加密保護。

應用環節：
只需考察用戶A到基站1之間通信內容的加解密，中間消息的傳送由基站到基站之間的加密完成，而接受方B對消息的加解密與用戶A到基站1之間的通信完全類似，只不過用戶B先解密消息

基本密鑰K_A1
預置在SIM卡中，與基站1共享。
?生存期：一旦植入SIM卡將不再改變。
?用途：用來分配用戶和基站之間的會話密鑰。

會話密鑰k：
在每次會話時，基站產生一個64比特的隨機數k。僅用于一次通話時間。

加密方式
一次通話使用一個會話密鑰，對每幀使用不同的幀密鑰。按每幀228比特分為若干幀后逐幀加密，每幀處理方式相同，其中114比特為發送，114比特用來接收數據。明文密鑰流結合方式：逐位異或

0x02 密鑰流產生步驟

A5/1算法使用3個線性反饋移位寄存器，簡稱為LFSR。三個寄存器的分別為19位、22位、23位。這里要使用三個共包含64位二進制的線性反饋移位寄存器，這個設計絕非偶然。絕非巧合的是，A5/1算法的密鑰K也是64位。該密鑰用于三個線性反饋移位寄存器的初始填充，也就是說，該密鑰用于充當三個寄存器的初始值。這三個寄存器用密鑰填充之后，就可以開始生成密鑰流了。

每個回合步驟可以拆分為：取KEY，反饋多項式（Feedback Polynomial），位移

1、取key

取三個寄存器的最后一位，也就是19位、22位、23位，進行XOR操作，得到的結果為這一輪Key的一位。

2、反饋多項式

LFSR進行位移的前置操作，具體可以分成兩步：判定是否需要進行位移，判定新的充填的值

2.1 判斷是否需要移位

這里使用的是擇多原則，三個寄存器中選擇三個鐘控信號，19位中的第8位，22位，23位中皆為第10位，兩種二進制0,1，必定有0或1數量居多，居多的寄存器需要進行位移操作。就是上圖的黃色部分

2.2 判定新的充填的值：

這里需要用到反饋多項式：

XOR后得到的值是充填到第0位的值。

3、移位

三個寄存器，由上一步的判定后進行位移，空出第0位用于充填反饋多項式得到的值。

0x03 密鑰產生例子

1、假設有以下三個初始移位寄存器（先只要知道有三個移位寄存器（就是普通寄存器），分別有19位，22位，23位）

2、然后是如何開始生成秘鑰的，假設有三個寄存器目前的狀態是這樣：

3、接下來開始進行規定的流程
取key，得到第一個密鑰值為1
（1）首先找到X8=1，Y10=0，Z10=1
（2）取數量最多的作為結果M=Maj（X8，Y10 ， Z10 ）= Maj（1，0, 1）=1；（如果是M=Maj（0,0,1）=0）
（3）因為M=1，且X8=1，M=X8，所以X寄存器需要左移一位，那么因為左移，第一位就空出來了，則 X0=1，　　所以最后X寄存器變為

同理：


所以最后得到的三個移位寄存器是

秘鑰是S0=1,

就這樣得到了另一位秘鑰，如果需要64位秘鑰，則按照上述進行循環64次操作即可。

0x04 A5/1算法弱點

移位寄存器太短容易遭受窮舉攻擊，A5/1算法把主密鑰作為算法中三個寄存器的初始值，長度為64比特。如果利用已知明文攻擊，只需要知道其中兩個寄存器的初始值，就可以計算出另一個寄存器的初始值，這只需要240步就可以得出寄存器LFSR-1和LFSR-2的結構。
利用了GSM通信加密中的兩個安全漏洞，可以通過離線迭代計算生成一個彩虹表，它包含有密鑰和其相對應的輸出密碼。這個彩虹表的大小為984GB。得到了彩虹表之后，安全專家就可以在短短的九秒內確定用于加密通信數據的密鑰。

參考：
https://www.cnblogs.com/gambler/p/9074356.html
https://blog.csdn.net/jerry81333/article/details/78641362
https://www.bilibili.com/video/av58596164?p=17

總結

以上是生活随笔為你收集整理的A5流密码算法的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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