密码学入门——分组密码模式

参考书

图解密码技术，第三版

一、简介

分组密码工作模式指的是将明文分成固定长度的块，并对每个块应用相同的加密算法进行加密的过程。这些块的长度通常是64位或128位，并且长度必须是加密算法的倍数。

在分组密码工作模式中，每个块都会被加密算法单独处理，然后将它们拼接在一起形成最终的密文。工作模式定义了如何在块之间传递信息，以及如何处理最后一个块，以确保加密的安全性和正确性。

常见的分组密码工作模式包括：

1. 电子密码本模式（Electronic Codebook，ECB）：将每个块单独加密，不考虑前后块之间的关系。这种模式存在的问题是，如果明文中有相同的块，那么它们会被加密成相同的密文，可能会导致安全性问题。

2. 密码分组链接模式（Cipher Block Chaining，CBC）：将前一个块的密文作为当前块的输入，增加了一个初始化向量来保证安全性。这种模式可以防止相同块的问题，并提供了更好的安全性。

3. 计数器模式（Counter，CTR）：将每个块与一个计数器相加来生成密钥流，再将明文与密钥流异或来得到密文。这种模式可以并行处理块，并提供更好的性能。

4. 密码反馈模式（Cipher Feedback，CFB）：将前一个密文块反馈到加密算法中，产生一个密钥流，再将密钥流与明文块异或得到密文。这种模式可以进行流加密和解密，但是需要处理填充。

5. 输出反馈模式（Output Feedback，OFB）：将前一个块的密钥流反馈到加密算法中，产生一个密钥流，再将密钥流与明文块异或得到密文。这种模式可以进行流加密和解密，且不需要填充，但是需要保证密钥流是不可预测的。

选择合适的分组密码工作模式需要考虑其安全性、性能和应用场景等因素。

二、ECB模式

ECB模式是一种加密模式，它是对称加密算法中最简单的一种模式，也是最基础的一种模式之一。ECB模式的全称是Electronic Codebook mode，即电子密码本模式。

在ECB模式中，明文会被分成若干个等长的块，每个块单独进行加密，加密后的密文块与明文块一一对应。这意味着，如果存在两个相同的明文块，它们将会被加密成相同的密文块。因此，ECB模式存在一些安全问题，例如对于多次使用同一个密钥，攻击者可以通过分析加密结果来推断出明文。

由于ECB模式的缺陷，现在已经很少使用ECB模式进行加密。常见的替代方案包括CBC模式、CFB模式和OFB模式等。

三、CBC模式

CBC模式是一种对称加密算法中常用的加密模式，全称为Cipher Block Chaining mode，即密码块链模式。在CBC模式中，每个明文块会被先与前一个密文块进行异或运算，然后再进行加密，这样可以使相邻的密文块之间存在一定的关联性。

具体来说，在CBC模式中，首先需要选择一个加密算法和一个密钥。然后，将明文按照固定的块长划分为若干个块，每个块的大小通常为64位或128位。对于第一个明文块，需要和一个初始化向量（IV）进行异或运算，得到一个新的加密块。接着，将这个加密块和密钥一起进行加密，得到第一个密文块。对于后续的明文块，需要先将其与前一个密文块进行异或运算，然后再和密钥一起进行加密，得到一个新的密文块。这个过程一直持续到所有的明文块都被加密为密文块。

解密过程与加密过程相反。首先需要使用密钥将每个密文块进行解密，得到一个新的加密块。然后将这个加密块和前一个密文块进行异或运算，得到明文块。

CBC模式的优点是相邻的密文块之间存在一定的关联性，这使得攻击者难以通过分析加密结果来推断出明文。同时，由于每个明文块都需要和前一个密文块进行异或运算，因此每个块的加密过程是相互依赖的，这增加了攻击者对加密算法的攻击难度。然而，CBC模式也存在一些缺点，例如需要使用一个初始化向量来保证安全性，如果这个向量被攻击者获取，那么攻击者可以使用这个向量来推断出明文。

四、CFB模式

CFB模式是一种密码分组模式，用于加密块密码算法。CFB模式将明文分为固定长度的块，并使用前一个块的密文来加密当前块。具体来说，CFB模式将前一个密文块作为输入，通过块密码算法生成一个伪随机序列，然后将该序列与当前明文块异或，生成当前密文块。这个过程可以被连续地重复进行，从而加密整个消息。

CFB模式的一个优点是它可以在加密和解密过程中使用相同的算法和密钥。此外，它可以支持可变长度的明文，因为它只需要按块加密。然而，CFB模式也有一些缺点。例如，它不适合在错误传输环境下使用，因为一个错误的密文块将会影响后续的所有密文块。此外，CFB模式也不是一个完全的随机化模式，因为它的加密过程使用了前一个密文块。

五、OFB模式

OFB模式是一种密码分组模式，用于加密块密码算法。它类似于CFB模式，但是它使用输出反馈（Output Feedback）来生成伪随机序列，而不是使用前一个密文块。具体来说，OFB模式将一个固定长度的随机数作为输入，通过块密码算法生成一个伪随机序列，然后将该序列与明文块异或，生成密文块。接下来，将该伪随机序列向前移动一个块，以生成下一个密文块。这个过程可以被连续地重复进行，从而加密整个消息。

OFB模式的一个优点是，它不需要使用前一个密文块，因此它可以在错误传输环境下使用，因为一个错误的密文块只会影响当前的明文块，而不会影响后续的所有密文块。此外，OFB模式也可以支持可变长度的明文，因为它只需要按块加密。然而，OFB模式也有一些缺点。例如，它不是一个完全的随机化模式，因为密钥只在开始时使用一次，随后使用的是伪随机序列。此外，如果伪随机序列被预测或重复使用，那么OFB模式的安全性就会受到影响。

六、CTR模式

CTR模式是一种密码分组模式，用于加密块密码算法。CTR代表计数器（Counter）模式，它使用一个计数器和一个随机数作为输入来加密明文块，并生成密文块。具体来说，CTR模式将计数器和随机数连接在一起，作为输入输入到块密码算法中，生成一个伪随机序列，然后将该序列与明文块异或，生成密文块。计数器在每次加密操作中都会被增加，以确保每个明文块都使用不同的随机序列，从而保证安全性。

CTR模式的一个优点是它具有并行计算的能力，可以同时加密或解密多个块。此外，它也可以支持可变长度的明文，因为它只需要按块加密。与OFB和CFB模式相比，CTR模式不需要使用前一个密文块或伪随机序列，因此它可以在错误传输环境下使用，而且它的安全性也相对较高。

CTR模式的一个缺点是，如果相同的计数器值被重复使用，那么加密的安全性就会受到影响。因此，在使用CTR模式时，计数器值必须是唯一的，并且每次加密操作都应该使用不同的计数器值。此外，CTR模式也不是一个完全的随机化模式，因为它的加密过程使用了计数器和随机数。


计数器值的生成方法