对称加密算法工作模式详解

01对称加密算法

对称密码体制，又称为单密钥密码机制，其基本特征为加密密钥和解密密钥相同，模型如下：

这种方式，攻击者可以通过不安全的公开通信通道获取密文，但无法接触到明文或者密钥； 如果该攻击者知道加密算法和解密算法，且只对当前获取的密文感兴趣，可以产生一个明文的估计值来恢复明文；如果对未来消息感兴趣，可以来产生一个密钥来恢复密钥。

对称加密算法是基于分组密码机制产生，将一组明文划分为m长度的n组明文，分别使用密钥K=（k0,....,kx）进行加密或者解密，m长度通常为64、128、256、512。

02AES加密算法工作模式

分组密码算法是提供数据安全的一个基本固件，典型的如DES(Data Encryption Standard)以64位为一组，AES(Advanced Encryption Standard)以128位（举例）为一个分组；但实际上保密传输的消息不一定刚好是一个分组，根据国标GB/T 17964-2008《信息安全技术 分组密码算法的工作模式》，为了各种应用能使用这些基本固件，因此有7种常用的工作模式；下面来解释一下：

2.1 ECB(Electronic Code Book Mode)

ECB，叫做电子密码本模式，例如AES128-ECB这种模式下，明文以128bit为一组，每次被处理128bit，每个明文都用同一个密钥加密；

解密过程使用同样的密钥进行解密。

这种模式操作简单，不同分组可以并行处理；但是明文中重复的内容同样也会在密文中体现出来，因此对于长报文可能不是很安全。

2.2 CBC(Cipher Block Chaining Mode)

CBC，密码分组链模式；加密函数的输入是当前明文分组和前一个密文分组的异或，对每个分组处理时也使用相同的密钥，如下

这种模式下，一个消息中的两个相同明文组会被加密成不同的密文，这样就避免了ECB出现的重复密文的问题。在最初加密时，需要使用初始向量（Initial Vector），这个IV需要发送方和接收方都知道，不用加密，但必须保证该IV的完整性。

该种模式不能并行处理，因为当前明文需要和上一组密文进行异或处理。

2.3 CTR(ConterMode)

计数器模式使用与明文分组长度相同的计数器长度，计数器从某一初值开始，按某种算法递增，计数器值经过加密算法得到的结果再和明文进行异或，这样就可以得到当前明文组的密文。

可以看到，计数器模式下的加密和解密相对独立，且已知加密函数，和计数器值，就可以通过异或的方式得到明文，不需要解密函数。实现起来简单易懂。

2.4 OFB(Output Feedback Mode) 

输出反馈模式，该模式和CBC有点相像，但是区别在于OFB是将IV去进行加密后得到一个输出OBi 与明文块进行异或，同时OBi作为下一个加密对象的IV。如下图：

2.5 CFB(Chiper Feedback Mode)

密码反馈模式，与输出反馈模式结构类似。但是这种模式的密文是按bit来处理的，如下：

在该模式下，首先IV作为第一个block进行加密，生成第一个输出block；该block的s bit高位与明文的s bit高位作异或得到密文块，b(block size)-s不参与加密；b-s低位的数据 | 该密文块作为下一个block的输入。

2.6 XTS(XEX Tweakable Block Cipher with Ciphertext Stealing)

XTS引入了tweak key和AES key互相配合，每个明文块用同样的AES key但tweak key不相同。比如设置与区块的index成对应关系，这样各个块的加解密就相互独立了，如下：

相当于就在ECB上形式上增加了一层加扰系数 。

2.7 GCM(Galois/Counter Mode)

它在 CTR 加密的基础上增加 GMAC 的特性，解决了 CTR 不能对加密消息进行完整性校验的问题。

03总结

上面描述了对称加密算法的工作模式，那么我们在设计时主要考虑以下几个方面：

（1）抵抗攻击的能力、密文的随机性、安全防护等级

（2）调用分组加密的次数、并行处理能力、初始化向量时间等

（3）明文分组数量可配、消息长度等要求

 

　　审核编辑：汤梓红