密码学基础——分组密码的运行模式

        前面的文章中文我们已经知道了分组密码是一种对称密钥密码体制，其工作原理可以概括为将明文消息分割成固定长度的分组，然后对每个分组分别进行加密处理。

        下面介绍分组密码的运行模式

1.电码本模式（ECB）

2.密码分组链接模式（CBC）

3.密码反馈模式（CFB）

4.输出反馈模式（OFB）

5.计数器模式（CTR）

 

1.电码本模式（ECB）

         ECB(Electronic Codebook)模式是最简单的运行模式

工作原理：

        将明文分组后，对每个64bit长的明文分组独立地使用相同的密钥进行加密，得到密文分组。相同的明文分组会产生相同的密文分组。

        当密钥确定时，对明文的每一个分组，都有一个惟一的密文与之对应。因此我们可以形象地认为有一个非常大的电码本，对任意一个可能的明文分组，电码本中都有一项对应于它的密文。

        如果消息长于64比特，则将其分为长为64比特的分组，最后一个分组如果不够64比特，则需要填充。解密过程也是一次对一个分组解密，而且每次解密都使用同一密钥。

 

优点：简单高效，每个分组的加密可以并行处理，易于硬件实现。

缺点：缺乏安全性，由于相同明文分组加密结果相同，容易受到已知明文攻击，且不能隐藏明文的统计特性，不适用于对数据保密性要求较高的场景

 

2.密码分组链接模式（CBC）

工作原理：在加密时，将前一个密文分组与当前明文分组进行异或操作后再进行加密。第一个明文分组需要与一个初始向量（IV）进行异或操作。解密时，先对密文分组解密，然后再与前一个密文分组异或得到明文分组。

 

优点：安全性较高，因为每个密文分组都依赖于前面的所有明文分组和密钥，相同的明文分组在不同的位置加密后得到的密文不同，能有效隐藏明文的统计特性。

缺点：加密过程是串行的，无法并行处理，且对数据传输中的错误敏感，一个密文分组出错会影响到后续分组的解密

 

3.密码反馈模式（CFB）

工作原理：将前一个密文分组作为输入，通过密钥生成一个与明文分组等长的反馈值，该反馈值与当前明文分组进行异或得到密文分组。解密过程与加密类似，只是将密文分组作为输入来生成反馈值，再与密文分组异或得到明文分组。

CFB加密时，加密算法的输入是64比特移位寄存器，其初值为某个初始向量IV。加密算法输出的最左（最高有效位）  比特与明文的第一个单元   异或，产生出密文的第一个单元   ，并传送该单元。然后将移位寄存器的内容左移  位并将  送入移位寄存器最右边（最低有效位） 位。这一过程继续到明文的所有单元都被加密为止
解密时，将收到的密文单元与加密函数的输出进行异或。

 

 

优点：可以将分组密码转换为流密码，能够对任意长度的数据进行加密，且可以实时处理数据，适用于对实时性要求较高的场景。

缺点：与 CBC 模式一样，加密过程是串行的，无法并行处理，并且对错误敏感。

 

4.输出反馈模式（OFB）

工作原理：通过密钥生成一个与明文分组等长的输出值，该输出值与当前明文分组进行异或得到密文分组。在加密过程中，密钥和一个初始向量通过加密算法不断生成新的输出值。解密时使用相同的密钥和初始向量生成相同的输出值，再与密文分组异或得到明文分组。

 

 

优点：对传输错误不敏感，因为每个明文分组的解密只依赖于自身的密文分组和生成的输出值，不会像 CBC 和 CFB 模式那样出现错误传播。

缺点：安全性相对较低，若攻击者能够修改密文分组，可能会导致解密出的明文出现可预测的变化。

5.计数器模式（CTR）

工作原理：使用一个计数器，每次加密时将计数器的值作为输入，通过密钥生成一个与明文分组等长的密钥流，然后将密钥流与明文分组进行异或得到密文分组。计数器的值在每次加密后递增。

优点：加密和解密可以并行进行，效率高，且对错误不敏感，适用于高速数据处理和并行计算的场景。

缺点：需要确保计数器的值在不同的加密过程中是唯一的，否则可能会导致安全性下降。