对称加密算法之分组加密的六种工作模式（ECB、CBC、PCBC、CFB、OFB、CTR）

 

加密一般分为对称加密(Symmetric Key Encryption)和非对称加密(Asymmetric Key Encryption)。对称加密又分为分组加密和序列密码。

（1）分组加密，也叫块加密(block cyphers)，一次加密明文中的一个块。是将明文按一定的位长分组，明文组经过加密运算得到密文组，密文组经过解密运算（加密运算的逆运算），还原成明文组。具有代表性的块加密算法有DES，AES，3DES等。

（2）序列加密，也叫流加密(stream cyphers)，一次加密明文中的一个位。是指利用少量的密钥（制乱元素）通过某种复杂的运算（密码算法）产生大量的伪随机位流，用于对明文位流的加密。

解密是指用同样的密钥和密码算法及与加密相同的伪随机位流，用以还原明文位流。

 

分组加密算法中，有ECB、CBC、PCBC、CFB、OFB、CTR这几种算法模式：

1、ECB(Electronic Code Book)：

又称电子密码本模式：Electronic codebook，是最简单的块密码加密模式，加密前根据加密块大小（如AES为128位）分成若干块，之后将每块使用相同的密钥单独加密，解密同理。

DES对称加密算法的 ECB模式 其实非常简单，就是将数据按照8个字节一段进行DES加密或解密得到一段8个字节的密文或者明文，最后一段不足8个字节，按照需求补足8个字节进行计算，之后按照顺序将计算所得的数据连在一起即可，各段数据之间互不影响。

特点：

（1）简单，有利于并行计算，误差不会被传送；

（2）同样的明文块会被加密成相同的密文块，不能很好的隐藏明文数据模式；

（3）加密消息块相互独立成为被攻击的弱点，不能提供严格的数据保密性，可以对明文进行主动攻击；

2、CBC模式：

密码分组链接（CBC，Cipher-block chaining）模式，每个明文块先与前一个密文块进行异或后，再进行加密。在这种方法中，每个密文块都依赖于它前面的所有明文块。同时，为了保证每条消息的唯一性，在第一个块中需要使用初始化向量IV。它的实现机制使加密的各段数据之间有了联系。

（1）DES算法的CBC模式加密步骤如下：

①首先将数据按照8个字节一组进行分组得到D1D2......Dn（若数据不是8的整数倍，用指定的PADDING数据补位）

②第一组数据D1与初始化向量IV异或后的结果进行DES加密得到第一组密文C1（初始化向量I为全零）

③第二组数据D2与第一组的加密结果C1异或以后的结果进行DES加密，得到第二组密文C2

④之后的数据以此类推，得到Cn

⑤按顺序连为C1C2C3......Cn即为加密结果。

（2）DES算法的CBC模式加密步骤如下：

①首先将数据按照8个字节一组进行分组得到C1C2C3......Cn；

②将第一组数据进行解密后与初始化向量IV进行异或得到第一组明文D1（注意：一定是先解密再异或）；

③将第二组数据C2进行解密后与第一组密文数据进行异或得到第二组数据D2

④之后依此类推，得到Dn

⑤按顺序连为D1D2D3......Dn即为解密结果。

这里注意一点，解密的结果并不一定是我们原来的加密数据，可能还含有你补得位，一定要把补位去掉才是你的原来的数据。

（3）特点：

①不容易主动攻击，安全性好于ECB，适合传输长度长的报文,是SSL、IPSec的标准；

②每个密文块依赖于所有的信息块，明文消息中一个改变会影响所有密文块；

③发送方和接收方都需要知道初始化向量；

④主要缺点是加密过程是串行的，无法被并行化，因为在加密时，明文中的微小改变会导致其后的全部密文块发生改变，而且消息必须被填充到块大小的整数倍。而在解密时，从两个邻接的密文块中即可得到一个明文块。因此，解密过程可以被并行化，而解密时，密文中一位的改变只会导致其对应的明文块完全改变和下一个明文块中对应位发生改变，不会影响到其它明文的内容。

3、PCBC模式：

填充密码块链接（PCBC，Propagating cipher-block chaining）或称为明文密码块链接（Plaintext cipher-block chaining），是一种可以使密文中的微小更改在解密时导致明文大部分错误的模式，并在加密的时候也具有同样的特性。

对于使用PCBC加密的消息，互换两个邻接的密文块不会对后续块的解密造成影响。

4、CFB模式：

密文反馈（CFB，Cipher feedback）模式与ECB和CBC模式只能够加密块数据不同，可以将块密码变为自同步的流密码；CFB的解密过程几乎就是颠倒的CBC的加密过程。

①CFB需要使用一个与块的大小相同的移位寄存器，并用IV将寄存器初始化。然后，将寄存器内容使用块密码加密，然后将结果的最高x位与明文的x进行异或，以产生密文的x位。下一步将生成的x位密文移入寄存器中，并对下面的x位明文重复这一过程。

②解密过程与加密过程相似，以IV开始，对寄存器加密，将结果的高x与密文异或，产生x位明文，再将密文的下面x位移入寄存器。与CBC相似，明文的改变会影响接下来所有的密文，因此加密过程不能并行化；而同样的，与CBC类似，解密过程是可以并行化的。

由于加密流程和解密流程中被块加密器加密的数据是前一段密文，因此即使明文数据的长度不是加密块大小的整数倍也是不需要填充的，这保证了数据长度在加密前后是相同的。

5、OFB模式：

OFB模式（输出反馈：Output feedback），OFB是先用块加密器生成密钥流（Keystream），然后再将密钥流与明文流异或得到密文流；解密是先用块加密器生成密钥流，再将密钥流与密文流异或得到明文，由于异或操作的对称性所以加密和解密的流程是完全一样的。

与其它流密码一样，密文中一个位的翻转会使平文中同样位置的位也产生翻转。这种特性使得许多错误校正码，例如奇偶校验位，即使在加密前计算而在加密后进行校验也可以得出正确结果。

OFB与CFB一样都非常适合对流数据的加密，OFB由于加密和解密都依赖与前一段数据，所以加密和解密都不能并行。然而，由于明文和密文只在最终的异或过程中使用，因此可以事先对IV进行加密，最后并行的将明文或密文进行并行的异或处理。

可以利用输入全0的CBC模式产生OFB模式的密钥流。这种方法十分实用，因为可以利用快速的CBC硬件实现来加速OFB模式的加密过程。

6、CTR模式：

CTR模式（Counter mode，CM）也被称为ICM模式（Integer Counter Mode，整数计数模式）和SIC模式（Segmented Integer Counter），与OFB相似，CTR将块密码变为流密码。它通过递增一个加密计数器以产生连续的密钥流，其中，计数器可以是任意保证长时间不产生重复输出的函数，但使用一个普通的计数器是最简单和最常见的做法。

CTR模式的特征类似于OFB，但它允许在解密时进行随机存取。由于加密和解密过程均可以进行并行处理，CTR适合运用于多处理器的硬件上。

注意图中的“nonce”与其它图中的IV（初始化向量）相同。IV、随机数和计数器均可以通过连接，相加或异或使得相同明文产生不同的密文。

 

 

参考博客：

https://blog.csdn.net/includeiostream123/article/details/51066799

https://blog.csdn.net/jerry81333/article/details/78336616