邏輯運算之中,除了 AND 和 OR,還有一種 XOR 運算,中文稱為"異或運算"。它的定義是:兩個值相同時,返回false,否則返回true。也就是說,XOR可以用來判斷兩個值是否不同。
JavaScript 語言的二進制運算,有一個專門的 XOR 運算符,寫作^。
如果兩個二進制位相同,就返回0,表示false;否則返回1,表示true。
XOR 的應用
XOR 運算有一個很奇妙的特點:如果對一個值連續做兩次 XOR,會返回這個值本身。
上面代碼中,原始值是1010,再任意選擇一個值(上例是1111),做兩次 XOR,最后總是會得到原始值1010。這在數學上是很容易證明的。
加密應用
XOR 的這個特點,使得它可以用於信息的加密。
上面代碼中,原始信息是message,密鑰是key,第一次 XOR 會得到加密文本cipherText。對方拿到以后,再用key做一次 XOR 運算,就會還原得到message。
完美保密性
二戰期間,各國為了電報加密,對密碼學進行了大量的研究和實踐,其中就包括 XOR 加密。
戰后,美國數學家香農將他的研究成果公開發表,證明了只要滿足兩個條件,XOR 加密是無法破解的。
key的長度大於等於message
key必須是一次性的,且每次都要隨機產生
理由很簡單,如果每次的key都是隨機的,那么產生的CipherText具有所有可能的值,而且是均勻分布,無法從CipherText看出message的任何特征。也就是說,它具有最大的"信息熵",因此完全不可能破解。這被稱為 XOR 的"完美保密性"(perfect secrecy)。
滿足上面兩個條件的key,叫做 one-time pad(縮寫為OTP),意思是"一次性密碼本",因為以前這樣的key都是印刷成密碼本,每次使用的時候,必須從其中挑選key。
其中信息熵可以按以下通俗的理解
要理解信息熵,其實並不難,因為生活中無處不是信息熵的體現。比如,假設你是一個偽球迷,對各國家足球隊實力一點都不了解,問你冠軍賽兩支隊伍誰可能奪冠。首先經過你腦海的是,這兩家國家隊可能實力相當,用概率學的說法,即兩支球隊奪冠的概率都是50%,那么結果就像是擲硬幣,正反靠天時地利人和,並無從考證——我們設定這種情景為A。這個時候,有個人跑過來和你說,他是一個足球評論員,對各足球對非常了解,然后告訴你此次冠軍賽實力相差懸殊,德國隊近來年表現優秀,主帥勒夫策略非凡,而另外一支隊伍已經有很多屆未進入世界杯總決賽了;基於這些不完整信息,作為偽球迷的你,心理肯定給德國隊奪冠加分,假設這個時候你心理的奪冠概率變成了德國隊80%的奪冠率,而另一支隊伍只剩20%的奪冠率——我們設定這種情景為A+。我們知道,比賽的結果只有一個,冠軍也只有一支隊伍。結果出來了,有人跑過來准備跟你說到底誰奪冠了,如果你只是在A情境下,這個奪冠信息對你肯定很有誘惑力,因為你本來就無法判斷誰可能奪冠;如果你是在A+情境下,這個奪冠信息對你來說多少有點失去新鮮,因為世界級的賽事,出差錯的可能性不高,所以你會覺得你其實已經大概知道了結果,聽或不聽沒有太大意義。換種說法表述,晚上冠軍賽開戰,如果你身處情景A,你肯定比較好奇,勢均力敵的雙方到底誰能奪冠;而如果你身處情景A+,你會覺得這是一場結果已定的賽事,沒有太大興趣。
好的,舉了這么一個例子,你應該已經開始恍然了,信息會改變你對事物的未知度和好奇心,信息量越大,你對事物越了解,進而你對事物的好奇心也會降低,因為你對事物的確定性越高。至此,為了抽象這個模型,聰明的香農總結出了信息熵這個概念。信息熵用以表示一個事物的非確定性,如果該事物的非確定性越高,你的好奇心越重,該事物的信息熵就越高。我們先拋出信息熵的公式
詳細了解可以參照 https://blog.csdn.net/wendingzhulu/article/details/42045137