DES加密模式详解

互联网的软件设计一定少不了加密算法，并且大量使用的都会是对称加密，比较常见的对称加密有：DES、3DES、RC4、AES等等；

加密算法都有几个共同的要点：

1. 密钥长度；（关系到密钥的强度）
2. 加密模式；（ecb、cbc等等）
3. 块加密算法里的填充方式区分；

对于加密模式，比如DES，也会有ECB、CBC等不同的区分，它们都是标准的；

      Windows加密库中，默认则是CBC模式，也可以手工设置；

      Openssl库要更明显一点，它的函数名里面就写明了，比如：DES_ncbc_encrypt，一看就知道是cbc模式；

      JAVA里面也比较清楚：Cipher c = Cipher.getInstance(”DES/CBC/PKCS5Padding”); 也可以看到是CBC模式

 

各种加密模式有什么不同呢：（为了方便，这里的加密key都取64位）

电子密码本模式ECB:

最古老,最简单的模式，将加密的数据分成若干组，每组的大小跟加密密钥长度相同；

然后每组都用相同的密钥加密, 比如DES算法, 如果最后一个分组长度不够64位,要补齐64位；

定义:

          Enc(X,Y)是加密函数

          Dec(X,Y)是解密函数

          Key是加密密钥；

          Pi ( i = 0,1…n)是明文块，大小为64bit；

          Ci ( i = 0,1…n)是密文块，大小为64bit;

ECB加密算法可表示为：

          Ci = Enc(Key, Pi)

ECB解密算法可以表示为：

          Pi = Dec(Key,Ci)

    算法 特点:

• 每次Key、明文、密文的长度都必须是64位；
• 数据块重复排序不需要检测；
• 相同的明文块(使用相同的密钥)产生相同的密文块，容易遭受字典攻击；
• 一个错误仅仅会对一个密文块产生影响；

加密块链模式CBC:

    与ECB模式最大的不同是加入了初始向量

    定义：

           Enc(X,Y)是加密函数

           Dec(X,Y)是解密函数

           Key是加密密钥；

           Pi ( i = 0,1…n)是明文块，大小为64bit；

           Ci ( i = 0,1…n)是密文块，大小为64bit;

           XOR(X,Y)是异或运算；

           IV是初始向量（一般为64位）；

    ECB加密算法可表示为：

           C0 = Enc(Key, XOR(IV, P0)

           Ci = Enc(Key, XOR(Ci-1, Pi)

    ECB解密算法可以表示为：

           P0 = XOR(IV, Dec(Key, C0))

           Pi = XOR(Ci-1, Dec(Key,Ci))

  算法特点:

• 每次加密的密文长度为64位(8个字节);
• 当相同的明文使用相同的密钥和初始向量的时候CBC模式总是产生相同的密文;
• 密文块要依赖以前的操作结果,所以，密文块不能进行重新排列;
• 可以使用不同的初始化向量来避免相同的明文产生相同的密文,一定程度上抵抗字典攻击;
• 一个错误发生以后,当前和以后的密文都会被影响;

加密反馈模式CFB:

加密反馈模式克服了需要等待8个字节才能加密的缺点，它采用了分组密码作为流密码的密钥流生成器；

    定义：

           Enc(X,Y)是加密函数

           Dec(X,Y)是解密函数

           Key是加密密钥；

           Pi ( i = 0,1…n)是明文块，大小为64bit；

           Ci ( i = 0,1…n)是密文块，大小为64bit;

           Si ( i = 0,1…n)，大小为8bit，n个连续的Si组成加密位移寄存器，一般n=8;

           Oi = Enc(Key, Si);

           Lef(x) 为取数据x的最左8个bit位；

           A(x,y)为合并x左移8位，空位用y填充

     CFB加密算法可表示为：

           S0 = IV；

           Oi = Enc(Key, Si);

           Ci = XOR( Ci, Lef(Oi));

           Si = A(Si-1, Ci);

     CFB解密算法可表示为：

           S0 = IV；

           Oi = Enc(Key, Si);

           Ci = XOR( Ci, Lef(Oi));

           Si = A(Si-1, Ci);

 特点:

• 每次加密的Pi和Ci不大于64位;
• 加密算法和解密算法相同，不能适用于公钥算法；
• 使用相同的密钥和初始向量的时候，相同明文使用CFB模式加密输出相同的密文;
• 可以使用不同的初始化变量使相同的明文产生不同的密文，防止字典攻击;
• 加密强度依赖于密钥长度;
• 加密块长度过小时,会增加循环的数量,导致开销增加;
• 加密块长度应时8位的整数倍(即字节为单位);
• 一旦某位数据出错,会影响目前和其后8个块的数据;

输出反馈模式OFB:

与CFB模式不同之处在于, 加密位移寄存器与密文无关了,仅与加密key和加密算法有关；

做法是不再把密文输入到加密移位寄存器，而是把输出的分组密文（Oi）输入到一位寄存器；

    定义：

           Enc(X,Y)是加密函数

           Dec(X,Y)是解密函数

           Key是加密密钥；

           Pi ( i = 0,1…n)是明文块，大小为64bit；

           Ci ( i = 0,1…n)是密文块，大小为64bit;

           Si ( i = 0,1…n)，大小为8bit，n个连续的Si组成加密位移寄存器，一般n=8;

           Oi = Enc(Key, Si);

           Lef(x) 为取数据x的最左8个bit位；

           A(x,y)为合并x左移8位，空位用y填充

    CFB加密算法可表示为：

           S0 = IV；

           Oi = Enc(Key, Si);

           Ci = XOR( Ci, Lef(Oi));

           Si = A(Si-1, Oi);         注意这里与CFB模式的不同

    CFB解密算法可表示为：

           S0 = IV；

           Oi = Enc(Key, Si);

           Ci = XOR( Ci, Lef(Oi));

           Si = A(Si-1, Oi);

    特点:

• 与CFB类似,以下都是不同之处;
• 因为密文没有参与链操作，所以使得OFB模式更容易受到攻击；
• 不会进行错误传播，某位密文发生错误，只会影响该位对应的明文，而不会影响别的位；
• 不是自同步的，如果加密和解密两个操作失去同步，那么系统需要重新初始化；
• 每次重新同步时，应使用不同的初始向量。可以避免产生相同的比特流，避免”已知明文”攻击 ；

 

Windows API进行加密参数设置:

    CryptGetKeyParam可以对HCRYPTKEY对象的各种参数进行查询，包括加密模式、padding方式等；但这个函数不能用于查询加密key的明文；

    但如果需要看到真正加密的key是什么，则需要另外的API：CryptExportKey，选择PLAINTEXTKEYBLOB方式进行导出可以得到key的明文；

 

使用加密要注意的地方:

    当两个封装好的加密算法对8byte数据进行DES加密时，如果加密出来的结果是一样的，千万不要认为这两个算法可以互换；

    因为ECB模式，和向量全为0的CBC模式得到的密文前8byte，确实是一样，但后面的密文就不一样了；

使用加密以前确定你理解了它；

 

互联网程序中加密模式的使用:

    ECB是不推荐的方式，Key相同时，相同的明文在不同的时候产生相同的明文，容易遭到字典攻击；

    CBC由于加入了向量参数，一定程度上抵御了字典工具，但缺点也随之而来，一旦中间一个数据出错或丢失，后面的数据将受到影响；

    CFB与CBC类似，好处是明文和密文不用是8bit的整数倍，中间一个数据出错，只影响后面的几个块的数据；

    OFB比CFB方式，一旦一个数据出错，不会影响后面的数据，但安全性降低；

    因此，推荐使用CFB方式，但每个数据包单独加密，否则一个数据包丢失，需要做很多容错处理；

    当然，具体问题也要具体分析，对于只需要”特定安全性”①，不需要”计算安全性”以上的软件，也可以使用ECB模式；