对称加密算法和分组密码的模式

• 对称加密算法，即加密和解密使用一样的密钥的加解密算法。
• 分组密码（block cipher），是每次只能处理特定长度的一块（block）数据的一类加解密算法。
• 目前常见的对称加密算法DES、3DES、AES都是属于分组密码。

DES

• DES，全称Data Encryption Standard，是上一代标准对称加密算法，现已不推荐使用。
• 密钥：DES是一种将64bit的明文加密成64bit的密文的对称密码算法，它的密钥长度是64bit（每隔7bit会设置一个用于错误检查的bit，因此实际使用密钥长度56bit）。
• 分组：DES是以64bit的明文作为一个单位来进行加密的，这64bit的单位称为分组。一般来说，以分组为单位进行处理的密码算法称为分组密码（block cipher），DES就是分组密码中的一种。DES每次只能加密64比特的数据，如果要加密的明文比较长，就需要对DES加密进行迭代。

DES加密

DES解密

3DES

• 3DES，即triple-DES，简单地说就是3次DES加解密的组合。现已不推荐使用。
• 加密：cipthertext = E(k3, D(k2, E(k1, plaintext)))
• 解密：plaintext = D(k1, E(k2, D(k3, ciphertext)))
• 特点：如果三个密钥都一样，拿刚好和DES一样。

注：E表示Encrypt，D表示Decrypt。

3DES加密

3DES解密

AES

• AES, Advanced Encryption Standard，是现行的对称加密标准。目前（2017）如果使用对称加密，应该使用AES。当然，只能说当前AES算法是安全的，不能保证AES永远都是安全的。
• 分组：128bit。
• 密钥：128bit、192bit、256bit。

分组密码的模式

分组密码简介

• 分组密码(block cipher)，是每次只能处理特定长度的一块数据的一类密码算法，这里的“一块”就称为分组(block)。一个分组的比特数就称为分组长度(block length)。
• 流密码(stream cipher)，是对数据流进行连续处理的一类密码算法。
• DES、3DES、AES等大多数对称密码算法都属于分组密码。

ECB模式

• 全称Electronic CodeBook mode，电子密码本模式。
• 分组方式：将明文分组加密之后的结果直接称为密文分组。
• 优点：
  • 一个分组损坏不影响其它分组。
  • 可以并行加解密。
• 缺点：
  • 相同的明文分组会转换为相同的密文分组。
  • 无需破译密码就能操纵明文（每个分组独立且前后文无关，直接增加或删除一个分组不影响其它分组解密过程的正确性）。

ECB加密

ECB解密

CBC模式

• 全称Cipher Block Chaining mode，密码分组链接模式。
• 分组方式：将明文分组与前一个密文分组进行XOR运算，然后再进行加密。每个分组的加解密都依赖于前一个分组。而第一个分组没有前一个分组，因此需要一个初始化向量（initialization vector）。
• 优点：
  • 加密结果与前文相关，有利于提高加密结果的随机性。
  • 可并行解密。
• 缺点
  • 无法并行加密。
  • 一个分组损坏，如果密文长度不变，则两个分组受影响。
  • 一个分组损坏，如果密文长度改变，则后面所有分组受影响。

CBC加密

CBC解密

CFB模式

• 全称Cipher FeedBack mode，密文反馈模式。
• 分组方式：前一个密文分组会被送回到密码算法的输入端（具体见下图）。
• 在CBC和EBC模式中，明文分组都是通过密码算法进行加密的。而在CFB模式中，明文分组并没有通过加密算法直接进行加密，明文分组和密文分组之间只有一个XOR。
• CFB模式是通过将“明文分组”与“密码算法的输出”进行XOR运行生成“密文分组”。CFB模式中由密码算法生成的比特序列称为密钥流（key stream）。密码算法相当于密钥流的伪随机数生成器，而初始化向量相当于伪随机数生成器的种子。（CFB模式有点类似一次性密码本。）
• 优点：
  • 支持并行解密。
  • 不需要填充（padding）。
• 缺点：
  • 不能抵御重放攻击（replay attack）。
  • 不支持并行加密。

CFB加密

CFB解密

OFB模式

• Output FeedBack mode 输出反馈模式
• 密码算法的输出会反馈到密码算法的输入中（具体见下图）。
• OFB模式中，XOR所需的比特序列（密钥流）可以事先通过密码算法生成，和明文分组无关。只需要提前准备好所需的密钥流，然后进行XOR运算就可以了。

OFB加密

OFB解密

分组模式小结

推荐使用CBC模式。

填充

• 为什么要填充？
  ECB和CBC模式要求明文数据必须填充至长度为分组长度的整数倍。

• 填充的两个问题。

  • 填充多少字节？
  • 填充什么内容？

• 填充多少字节？
  需要填充的字节数为：paddingSize = blockSize - textLength % blockSize

• 填充什么内容？（这里列举的三种方式本质上是一致的）

  • ANSI X.923：填充序列的最后一个字节填paddingSize，其它填0。
  • ISO 10126：填充序列的最后一个字节填paddingSize， 其它填随机数。
  • PKCS7：填充序列的每个字节都填paddingSize。

示例

这里用golang写一个AES加密的例子。

由于加密出来的数据很可能有很多不可见字符，因此这里会将加密后的结果进行一次Base64Encode。

这里采用CBC模式+PKCS7填充方式。

package main

import (
    "bytes"
    "crypto/cipher"
    "crypto/aes"
    "encoding/base64"
    "fmt"
)

func PKCS7Padding(ciphertext []byte, blockSize int) []byte {
    padding := blockSize - len(ciphertext) % blockSize
    padtext := bytes.Repeat([]byte{byte(padding)}, padding)
    return append(ciphertext, padtext...)
}

func PKCS7UnPadding(origData []byte) []byte {
    length := len(origData)
    unpadding := int(origData[length-1])
    return origData[:(length - unpadding)]
}

func AesEncrypt(origData, key []byte) ([]byte, error) {
    block, err := aes.NewCipher(key)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    blockSize := block.BlockSize()
    origData = PKCS7Padding(origData, blockSize)
    blockMode := cipher.NewCBCEncrypter(block, key[:blockSize])
    crypted := make([]byte, len(origData))
    blockMode.CryptBlocks(crypted, origData)
    return crypted, nil
}

func AesDecrypt(crypted, key []byte) ([]byte, error) {
    block, err := aes.NewCipher(key)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    blockSize := block.BlockSize()
    blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, key[:blockSize])
    origData := make([]byte, len(crypted))
    blockMode.CryptBlocks(origData, crypted)
    origData = PKCS7UnPadding(origData)
    return origData, nil
}

func main() {
    key := []byte("0123456789abcdef")
    result, err := AesEncrypt([]byte("hello world"), key)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println(base64.StdEncoding.EncodeToString(result))
    origData, err := AesDecrypt(result, key)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println(string(origData))
}

参考文档

• 《图解密码学》
• 维基百科