分組密碼的模式

Init0ne發表於2021-06-14
密碼模式

對稱密碼

對稱密碼演算法可以分為分組密碼和流密碼：
分組密碼（block cipher）是每次只能處理特定長度的一塊（block）資料的密碼演算法，一次能處理的資料長度成為分組長度（block length）
流密碼（stream cipher）是對資料流進行連續處理的一類密碼演算法

分組密碼模式簡介

分組密碼一次只能處理特定長度的資料，但是通常情況下需要加密的明文資料長度是大於分組長度的，因此就需要將明文分為若干個block進行加密，不同分組之間的加密成為迭代，不同的分組迭代加密方式就是分組密碼的模式。
分組密碼常用的模式有5種：

  • ECB模式：Electronic CodeBook mode，電子密碼本模式
  • CBC模式：Cipher Block Chaining mode，密碼分組連線模式
  • CFB模式：Cipher FeedBack mode，密文反饋模式
  • OFB模式：Output FeedBack mode，輸出反饋模式
  • CTR模式：Counter mode，計數器模式

模式實現

ECB模式

ECB模式按照分組長度，將明文分為若干個分組，每個分組獨立加密得到密文，每個分組之間相互不影響。

  • 加密
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  • 解密
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針對ECB模式的攻擊

  • ECB模式每個分組獨立加密，相同的明文分組，最後輸出的密文是一樣的，因此，通過觀察密文分佈情況，就能大概確定明文分佈情況
  • 攻擊者操縱調整密文順序，導致接收者解密後得到的明文也發生變化

CBC模式

CBC為密文分組連結模式。

  • 加密：
    每次分組加密時，首先將明文和前一個分組密文進行XOR運算，然後再進行加密得到密文。第一個分組沒有可以XOR的密文分組，因此第一個分組是和IV進行XOR運算，然後再加密。
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  • 解密：
    解密時，從第一個密文分組到最後一個密文分組，先使用金鑰解密，然後和前一個密文進行XOR運算得到明文。第一個分組是解密後和IV進行XOR。
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針對CBC模式的攻擊

IV位元反轉：由於CBC模式第一個分組解密後，是通過與IV進行XOR操作，因此，攻擊者通過反轉IV中的某些位元，就可以操縱明文變化

CFB模式

CFB為密文反饋模式。

  • 加密
    加密時，將前一個密文加密後和當前分組明文進行XOR操作，得到當前分組的密文。第一個分組加密時，將IV進行加密後和第一組明文XOR
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  • 解密
    解密時，將前一個分組密文先加密，然後和當前分組密文進行XOR，得到明文。第一個分組解密，是將IV加密後和密文XOR
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針對CFB模式的攻擊

重放攻擊：Alice向Bob發生訊息，由4個密文分組組成，中間人Mallory將後3個密文儲存下來。Alice第二次向Bob傳送訊息時，Mallory將儲存的3箇舊密文替換後傳送給Bob，Bob解密時，第一個密文可以正常解密，第二個會報錯，第三個和第四個會變成Mallory替換的內容。

OFB模式

OFB為輸出反饋模式

  • 加密
    加密時，通過將IV加密，和第一個明文分組XOR得到第一個密文分組，對加密後的IV繼續加密，和第二個明文XOR，以此類推
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  • 解密
    解密時，將IV加密，和第一個密文分組XOR得到第一個明文分組，繼續對IV加密後的結果加密和第二個密文分組XOR，得到第二個明文，以此類推
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CTR模式

CTR為計數器模式，將主詞累加的計數器進行加密生成金鑰流，和明文XOR得到密文。

  • 加密
    第一個分組加密時，將計數器CTR加密，和第一個明文XOR，得到第一個密文，然後將計數器CTR加一，加密後和第二個明文XOR，以此類推
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  • 解密
    解密時，通過將CTR加密後和密文XOR得到明文。
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