第二十四、二十五讲分组密码的工作模式

末蓝、 2023-03-03 11:19 2阅读 0赞

**为什么需要工作模式？**

1.  分组密码的工作模式是：根据不同的数据格式和安全性要求, 以 一个具体的分组密码算法为基础构造一个分组密码系统的方法
2.  分组密码的工作模式应当力求简单, 有效和易于实现
3.  需要采用适当的工作模式来隐蔽明文的统计特性、数据的格式等
4.  降低删除、重放、插入和伪造成功的机会

**分组密码的主要工作模式**

1.  电码本(ECB)模式
2.  密码分组链接(CBC)模式
3.  密码反馈(CFB)模式
4.  输出反馈(OFB)模式
5.  计数器模式

# 1 电码本(ECB，Electronic Codebook Book)模式 #

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RyaWZ0ZXJfR2FsYXh5_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

**优点：**

（1）实现简单;

（2）不同明文分组的加密可并行实施，尤其是硬件实现时速度很快

**缺点：**

（1）相同明文分组对应相同密文分组

（2）不能隐蔽明文分组的统计规律和结构规律,不能抵抗替换攻击

**应用：**

（1）用于随机数的加密保护

（2）用于单分组明文的加密

### 电码本模式缺陷的例子 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RyaWZ0ZXJfR2FsYXh5_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

# 2 密码分组链接(CBC，Cipher Block Chaining)模式 #

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RyaWZ0ZXJfR2FsYXh5_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RyaWZ0ZXJfR2FsYXh5_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

### CBC模式的特点 ###

*  明文块的统计特性得到了隐蔽 :由于在CBC模式中，各密文块不仅与当前明文块有关，而且还与以前的 明文块及初始化向量有关，从而使明文的统计规律在密文中得到了较好的隐藏
 *  具有有限的(两步)错误传播特性 :一个密文块的错误将导致两个密文块不能正确解密
 *  具有自同步功能 :密文出现丢块和错块不影响后续密文块的解密.若从第t块起密文块正确, 则第t+1个明文块就能正确求出

### 利用CBC模式实现报文的完整性认证 ###

目的：检查文件在(直接或加密)传输和存储中是否遭到有意或无意的篡改.

关键技术：

(1) 文件的制造者和检验者共享一个密钥

(2) 文件的明文必须具有检验者预先知道的冗余度

(3) 文件的制造者用共享密钥对具有约定冗余度的明文用CBC模式加密

(4) 文件的检验者用共享密钥对密文解密，并检验约定冗余度是否正确

### 报文完整性认证的具体实现技术 ###

(1) 文件的制造者和检验者共享一个密钥；

(2) 利用文件的明文m产生一个奇偶校验码r的分组；

(3) 采用分组密码的CBC模式，对附带校验码的已扩充的明文(m, r)进行 加密，得到的最后一个密文分组就是认证码

### 认证码生成 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RyaWZ0ZXJfR2FsYXh5_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

### 认证码检验 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RyaWZ0ZXJfR2FsYXh5_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

# 3 密码反馈(CFB，Cipher feedback)模式 #

若待加密消息需按字符、字节或比特处理时，可采用CFB模式。 并称待加密消息按 r 比特处理的CFB模式为 r 比特CFB模式。

适用范围:

*  适用于每次处理 r比特明文块的特定需求的加密情形,能灵活适应数据各格式的需要
 *  例如,数据库加密要求加密时不能改变明文的字节长度,这时就要以明文字节为单位进行加密

### CFB的加密解密 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RyaWZ0ZXJfR2FsYXh5_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

模式类似于CBC，可以将块密码变为自同步的[流密码][Link 1]；工作过程亦非常相似，CFB的解密过程几乎就是颠倒的CBC的加密过程

### CFB模式的特点 ###

相同明文：和按CBC模式加密一样，改变IV同样会导致相同的明文 输入得到不同的加密输出。IV无需保密（虽在某些应用中IV须是不可预测的）。

链接依赖性：类似CBC加密，链接机制致使密文组依赖于当前明文组和其前面的明文组；因此，重排密文组会影响解密。

错误的传播：一个或多个比特错误出现在任一个r比特的密文组中会影响这个组和后继 \[n/r\] 个密文组的解密。

错误恢复：CFB和CBC相似，也是自同步的，但它需有 \[n/r\] 个密文 组才能还原

# 4 输出反馈OFB(Output Feedback)模式 #

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RyaWZ0ZXJfR2FsYXh5_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]

### OFB工作模式的特点 ###

相同明文：和CBC及CFB一样，改变IV同样会导致相同的明文输入 得到不同的加密输出。

链接依赖性：密钥流是独立于明文的。

错误传播：有一个或多个比特错误的任一密文字符仅会影响该字符的解密， 密文字符的某比特位置出错将致使还原明文的相应位置也出错。

错误恢复：OFB模式能从密文比特错误中得以恢复，但在丢失密文比特后就无法实现自同步了，这是因为丢失密文比特会破坏密钥流的编排。

### 四类工作模式比较和选用 ###

（1）ECB模式简单、高速，但最弱，易受重放和替换攻击， 一般用于加密长度小于等于分组长度的消息。

（2）CBC，CFB，OFB模式的选用取决于实际的特殊需求。

*  明文不易丢信号，对明文的格式没有特殊要求的环境可选用 CBC模式。需要完整性认证功能时也可选用该模式。
 *  容易丢信号的环境，或对明文格式有特殊要求的环境，可选用 CFB模式。
 *  不易丢信号，但信号特别容易错，且明文冗余特别多，可选用 OFB模式。

# 5 计数器模式（CTR，Counter mode） #

*注意：CTR模式（Counter mode，CM）也被称为ICM模式（Integer Counter Mode，整数计数模式）和SIC模式（Segmented Integer Counter）。*

利用固定密钥k对自然数序列1,2,3,…,n, …加密，将得到的密文分组序列看作密钥流序列，按加法密码的方式与明文分组逐位异或的一种方式

利用这种方式可以产生伪随机数序列,其伪随机特性远比计算机产生的随机数的性质好

### 计数器模式的结构 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RyaWZ0ZXJfR2FsYXh5_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]

### CTR的优点 ###

效率

*  可并行加密
 *  预处理
 *  吞吐量仅受可使用并行数量的限制

加密数据块的随机访问

可证明安全

简单性（只要求实现加密算法）

# 6 **填充密码块链接**（**PCBC**，Propagating cipher-block chaining） #

**填充密码块链接**（**PCBC**，Propagating cipher-block chaining）或称为**明文密码块链接**（Plaintext cipher-block chaining），是一种可以使密文中的微小更改在解密时导致明文大部分错误的模式，并在加密的时候也具有同样的特性。

![Pcbc encryption.png][]

![format_png][]

加密和解密算法如下：

![\{\\displaystyle C\_\{i\}=E\_\{K\}(P\_\{i\}\\oplus P\_\{i-1\}\\oplus C\_\{i-1\}),P\_\{0\}\\oplus C\_\{0\}=IV\}][displaystyle C_i_E_K_P_i_oplus P_i-1_oplus C_i-1_P_0_oplus C_0_IV]

![\{\\displaystyle P\_\{i\}=D\_\{K\}(C\_\{i\})\\oplus P\_\{i-1\}\\oplus C\_\{i-1\},P\_\{0\}\\oplus C\_\{0\}=IV\}][displaystyle P_i_D_K_C_i_oplus P_i-1_oplus C_i-1_P_0_oplus C_0_IV]

PCBC主要用于[Kerberos v4][]和[WASTE][]中，而在其它场合的应用较少。对于使用PCBC加密的消息，互换两个邻接的密文块不会对后续块的解密造成影响。正因为这个特性，Kerberos v5没有使用PCBC。

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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RyaWZ0ZXJfR2FsYXh5_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20230208/66e3f8ae0c98413a954bb6a225dd753e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RyaWZ0ZXJfR2FsYXh5_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20230208/e525d683c2db4570be3e878d0d2b69ca.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RyaWZ0ZXJfR2FsYXh5_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20230208/029045cda18f4c80a56cf5ebab898e42.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RyaWZ0ZXJfR2FsYXh5_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20230208/3561f4a9ff024f48a95cf4bdd98935c6.png
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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RyaWZ0ZXJfR2FsYXh5_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]: /images/20230208/fc45c201448d486fa0f96ee7b8cfa5bf.png
[Link 1]: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B5%81%E5%AF%86%E7%A0%81
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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RyaWZ0ZXJfR2FsYXh5_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]: /images/20230208/2a6087fd67cc4b63a22a9d8e1b92a58d.png
[Pcbc encryption.png]: /images/20230208/5a76699bbabf43028049fdc05a615362.png
[format_png]: /images/20230208/2c8407424ebb49a293cc8b71ad941039.png
[displaystyle C_i_E_K_P_i_oplus P_i-1_oplus C_i-1_P_0_oplus C_0_IV]: https://private.codecogs.com/gif.latex?%7B%5Cdisplaystyle%20C_%7Bi%7D%3DE_%7BK%7D%28P_%7Bi%7D%5Coplus%20P_%7Bi-1%7D%5Coplus%20C_%7Bi-1%7D%29%2CP_%7B0%7D%5Coplus%20C_%7B0%7D%3DIV%7D
[displaystyle P_i_D_K_C_i_oplus P_i-1_oplus C_i-1_P_0_oplus C_0_IV]: https://private.codecogs.com/gif.latex?%7B%5Cdisplaystyle%20P_%7Bi%7D%3DD_%7BK%7D%28C_%7Bi%7D%29%5Coplus%20P_%7Bi-1%7D%5Coplus%20C_%7Bi-1%7D%2CP_%7B0%7D%5Coplus%20C_%7B0%7D%3DIV%7D
[Kerberos v4]: https://zh.wikipedia.org/wiki/Kerberos
[WASTE]: https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=WASTE&action=edit&redlink=1