对称块加密算法加密模式详解

标题：对称块加密算法加密模式详解
作者：DragonKing
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在openssl或其他密码相关的资料中，我们经常看到对称加密算法有ECB、CBC之类加密模式的简称，到底这些加密模式是什么呢？它们之间有什么不同呢，今天就是为大家解开这个迷。
在现有的对称加密算法中，主要有4种加密处理模式，这4种加密处理模式一般是针对块加密算法而言的，如DES算法。这4种加密模式罗列如下：

   模式中文描述            英文名称（Openssl缩写）
  电子密码本模式  Electronic Code Book(ECB)
   加密块链模式          Cipher Block Chaining(CBC)
   加密反馈模式          Cipher Feedback Mode(CFB)
   输出反馈模式          Output Feedback Mode(OFB)
  
下面我们分别介绍这4种加密模式。
【电子密码本模式】
这种模式是最早采用和最简单的模式，它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进行加密。比如DES算法，一个64位的密钥，如果采用该模式加密，就是将要加密的数据分成每组64位的数据，如果最后一组不够64位，那么就补齐为64位,然后每组数据都采用DES算法的64位密钥进行加密。下图：
_______________________
My name |is Drago|nKing
-----------------------
上图“My name is DragonKing”这句话每8个字符(64位)作为一块，然后使用一个相同的64位的密钥对每个块进行加密，最后一块不足64位，就补齐后再进行加密。
可以看到，因为ECB方式每64位使用的密钥都是相同的，所以非常容易获得密文进行密码破解，此外，因为每64位是相互独立的，有时候甚至不用破解密码，只要简单的将其中一块替换就可以达到黑客目的。
【加密块链模式】
该模式如下图所示:
            P0           P1                              C0            C1
            |               |                                  |              |
            |               |                                  |----|        |--->...
IV--->XOR  |--->XOR  |--->...          Key Dec  |      Dec
            |      |        |      |                           |      |       |
            |      |        |      |                           |      |       |
  Key Enc     |     Enc    |               IV--->XOR  |--->XOR   
            |-----|        |-----|                          |               |    
            |               |                                 |               |
           C0           C1                               P1            P2
         加密过程                                      解密过程

从这两个图中大家可以看到，CBC模式的加密首先也是将明文分成固定长度（64位）的块（P0，P1...），然后将前面一个加密块输出的密文与下一个要加密的明文块进行XOR（异或）操作计算，将计算结果再用密钥进行加密得到密文。第一明文块加密的时候，因为前面没有加密的密文，所以需要一个初始化向量（IV）。跟ECB方式不一样，通过连接关系，使得密文跟明文不再是一一对应的关系，破解起来更困难，而且克服了只要简单调换密文块可能达到目的的攻击。
但是该加密模式的缺点是不能实时解密，也就是说，必须等到每8个字节都接受到之后才能开始加密，否则就不能得到正确的结果。这在要求实时性比较高的时候就显得不合适了。所以才有了下面两种加密模式。
【加密反馈模式】
加密反馈模式为了克服必须等待8个字节全部得到才能进行解密的缺点，采用了一个64位（8个字节）的位移寄存器来获得密文，如下图所示：

      C2|C3|C4|C5|C6|C7|C8|C9<---|           C2|C3|C4|C5|C6|C7|C8|C9<---|
      -------------------------------    |           -------------------------------    |
                        |                        |                              |                       |
                        |                        |                              |                       |
           Key--->Enc                     |C10           Key--->Enc                    |C10
                        |                        |                              |                       |
                        |                        |                              |                       |
           取最左一个字节             |                取最左一个字节              |
                        |                        |                              |                       |
                        |                        |                              |                       |
         P10--->XOR----------------->C10         C10--->XOR----------------)--->P10
                                                                               |______________|
               加密过程                                               解密过程

上面两个图中C2、C3以及P10等都是一个字节（8位）的数据，所以能够实现字符的实时加密和解密，不用再等到8个字节都接受到之后再进行解密。图示是在进行第10个字节数据的加密和解密过程，在该过程中，先从移位寄存器取8个字节的数据（C2到C9）用密钥进行加密，然后取加密数据最左边的一个字节跟输入的明文P10进行XOR（异或）操作，得到的值作为输出密文C10，同时将C10送入到移位寄存器中。
需要注意的是，如果其中有一个字节的密文在传输的时候发生错误（即使是其中的一位），那么它出现在移位寄存器期间解密的8个字节的数据都会得不到正确的解密结果，当然，这8个字节过去之后，依然可以得到正确的解密结果。但是一个比特错误就影响到8个字节（64个比特）的正确结果，导致鲁棒性太差，所以就又提出了下面的加密模式OFB。
【输出反馈模式】
输出反馈模式OFB跟CFB几乎是一样的，除了其以为寄存器的输入数据稍微有一点不同之外，如下图：
      S2|S3|S4|S5|S6|S7|S8|S9<----|          S2|S3|S4|S5|S6|S7|S8|S9<------|
      -------------------------------    |           -------------------------------    |
                        |                        |                              |                       |
                        |                        |                              |                       |
           Key--->Enc                     |S10           Key--->Enc                    |S10
                        |                        |                              |                       |
                        |                        |                              |                       |
           取最左一个字节             |                取最左一个字节              |
                        |______________|                              |_____________|
                        |                                                       |                       
         P10--->XOR----------------->C10         C10--->XOR------------------->P10
                                                                                
               加密过程                                               解密过程
可以看到，这种方法因为没有采用密文作为加密的数据，所以克服了由于传输过程中由于单个比特导致64个相关比特解密失败的情况，在本模式下，如果一个比特发生错误了，那么只会影响其本身对应的一个比特，而不会影响别的。但是相对于其它模式，因为数据之间相关性小，这种加密模式是比较不安全的，所以在应用的时候除非特别需要，一般不提倡应用OFB模式。

【参考资料】
1.中国openssl专业论坛 http://openssl.126.com
2.Computer Networks
3.《应用密码学》