密码学 - 加解密算法 - 加解密模式

说明

• 大部分对称加密算法支持多种加密模式，每种模式的运算结果也不相同。
• 加解密模式是分组加密算法通用的机制，不同算法可能支持相同的加密模式，不同算法支持的加密模式也可能不同。
• 加密和解密需要使用相同的模式才能得到正确的结果。
• 不同的加解密算法区别在于单次加解密运算的不同，而加解密模式的不同体现在iv的使用和组与组的关联上。

基础模式

ECB(Electronic Code Book/电码本模式)

• ECB 模式是加解密算法支持的最基础，最简单的模式，ECB只依赖key（秘钥）。
• 注意：在任何情况下都不推荐使用ECB模式。

实现原理

• 使用key分别对每一组明文进行加密，之后按照顺序将每组加密后的数据连在一起即可，加解密过程中各组数据互不影响。

优缺点

1. 优点

• 简单
• 组与组之间没有关联，利于并行计算，误差不会被传递。

1. 缺点

• 暴露明文的一些规律，重复的明文组会得到重复的密文。
• 当密文被篡改时，解密后对应的明文分组也会出错，且解密者察觉不到密文被篡改了，ECB完全没有支持对密文的完整性校验。

CBC(Cipher Block Chaining/加密分组链接模式)

• 为了解决ECB模式重复明文组产生重复密文的问题，CBC模式使用反馈机制使每组数据加密过程链接在一起，有了关联。
• CBC模式依赖key和iv(初始化向量)。

实现原理

1. 使用IV和第一组明文作异或运算，再将异或后的数据使用key加密，加密后得到第一组密文。
2. 使用第一组密文和第二组明文作异或运算，再将异或后的数据使用key加密，加密后得到第二组密文，后面的组依此类推。

• 注意: 初始化向量(iv)只在第一组明文中使用，所有明文组加密使用相同密钥。

优缺点

1. 优点

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

1. 缺点

• 更复杂，运算量更大些，
• 发送方和接收方都需要知道初始化向量
• 加密过程是串行的，无法被并行化(在解密时，从两个邻接的密文块中即可得到一个平文块。因此，解密过程可以被并行化)。

CFB(加密反馈模式)

• 加密反馈模式中，数据用更小的单元加密(可以是8位，即一个字符的长度)，这个长度小于定义的块长(通常是64位)。假设我们一次处理j位(j通常取8)。
• CFB模式每一组加密后需要将密文填入下一组的iv最后面。

实现原理

1. 采用64位iv，iv使用key加密后生成 已加密的iv。
2. 加密后的初始化向量（iv）最左边的j位与明文前j位进行异或运算，产生第一组密文C。
3. 初始化向量（iv）左移j位, 将第一组密文C填入iv的最右边 j位。

• 后面的组依此类推。

OFB(输出反馈模式)

• OFB模式和CFB很类似，区别在于：OFB模式是将iv加密的输出填入下一组的iv中。

实现原理

1. 采用64位iv，iv使用key加密后生成 已加密的iv。
2. 加密后的初始化向量（iv）最左边的j位与明文前j位进行异或运算，产生第一组密文C。
3. 初始化向量（iv）左移j位, 将第一组已加密的iv填入iv的最右边 j位。

• 后面的组依此类推。

CTR(计数器模式)

• 计数器模式使用序号(称为计数器，通常是一个常数)作为算法的输入。

实现原理

1. 使用key对counter进行加密，生成已加密的counter。
2. 使用已加密的counter与第一组明文做异或运算，得到第一组密文。
3. counter递增(通常是增加1)。

• 后面的组依此类推。

总结

1. ECB和CBC使用key加密明文，而CFB、OFB、CTR使用key加密iv。

复杂模式

• 基础模式(ECB、CFB、CFB等)不能提供密文的完整性和正确性保证，如果在消息传输或者黑客攻击等情况下，密文存在缺失或者部分数据错误，解密后的数据实际上是不对的，用户无法感知的，并且可能将解密后错误的数据当做明文。
• 密文完整性和正确性的校验需要借助一类算法（MAC）的帮助。

MAC(Message Authentication Code/消息认证码)

• MAC是一类算法，使用秘钥（key）和消息生成固定长度的数据，也称为Auth Tag。
• MAC跟哈希算法有点像，但比哈希要复杂，Mac的生成和验证过程都是需要密钥。

工作流程

1. 消息发送者(Sender)和接收者(Receiver)共享同一个Key，并且约定使用同一个MAC算法 Algorithm。
2. Sender把要传递的消息Message使用Key和MAC Algorithm计算出MAC，将 Message和MAC一起发送给Receiver。
3. Receiver收到Message和MAC后，将Message使用约定的Key和MAC算法 Algorithm计算出MAC_1，通过对比MAC和MAC_1 来判断消息是否已被更改。

GMAC(Galois Message Authentication Code/伽罗瓦消息验证码)

• GMAC是一种MAC算法，利用伽罗华域（Galois Field，GF，有限域）乘法运算来计算消息的 MAC 值。

GCM(Galois/Counter Mode)

• GCM模式，G是指GMAC，C是指 CTR，在CTR模式基础上增加GMAC算法校验，解决了CTR 不能对加密消息进行完整性校验的问题。

引用

• https://blog.csdn.net/new9232/article/details/122670049