分组密码（二）

分组密码的操作方式

分组密码如何应用于大数据文件加密？

电码本模式（ECB，Electronic Code Book）

将每块明文加密成相应得密码块，若最后一块不足64bit，则用一些任意二进制序列填充。

特点（本质相当于一个“大的单字母替换”）

• 一种最简易的工作方式
• 相同密钥作用下，密文块和明文块一一对应，易于暴露明文固有格式
• 各密文块间缺乏相关性，信息块易于受到块替换攻击

密码块链接模式（CBC，Cipher Block Chain）

加入反馈机制，当前明文块加密前要与前面的密文块进行异或（每一块的加密都依赖于所有前面的分组），因此需要接收完整数据才能加解密

加密

解密

特点

• 同一明文块产生不同的密文块（隐蔽明文数据模式，意思是明文块内容相同，但与之异或的IV或密文块不同，产生结果不同）
• 有误码扩散，同时又有自同步特性（比如上图：C1传输错误，解密时M1、M2也错误，但之后的解密都不包含C1，所以会自动正确恢复）
• 当所有比特块到达后才能开始编解码

密码反馈模式（CFB，Cipher FeedBack）

克服CBC方式的第3个问题：采用比分组小的多的单位进行加密

特点：将分组密码转换为流密码，实现即时加密

输出反馈模式（OFB，Output FeedBack）

与CFB模式相似，但是在块内部进行反馈，反馈机制既不依赖明文也不依赖密文流，因此又被称为内部反馈模式

特点：

• 没有误码扩散，适用于传输信息长度变化较大的数据，如语音、图像等
• 比CFB更易受对消息流的篡改
• 密文与前面的明文无关
• 应用时要求一次一密（OTP，One-Time Pad）

计数器模式（CTR，Counter Model）

特点：

• 具有随机访问特性：可随机解密任何密文分组（不用考虑其他密文分组）
• 处理效率高：可并行处理
• 同一明文块产生不同密文块
• 可提前预处理
• 实现简单：加解密阶段都只涉及加密函数

ECB、CBC、CFB、OFB是美国标准与技术协会（NIST）针对DES定义的四种操作模式

其他分组密码

三重DES

DES密钥长度64位，实际56位，抗穷举攻击能力弱，采用多重加密来间接增加密钥长度

首先是二重DES：很难抵挡中间相遇攻击法 $X=E_{k1}(M)=D_{k2}(C)$，如果已知明密文对，可利用中间相遇攻击方法找出正确密钥k1、k2

接着便是带有双密钥的三重DES

国际数据加密算法（IDEA，International Data Encryption Algorithm）

64bit大小的数据块和128位的密钥

三种基本运算实现密码算法的扩散和混淆特性：

• 16bit异或
• 模$2^{16}$的16bit加法
• 模$2^{16}+1$的16bit乘法（IDEA的S盒）：先进行16bit×16bit=32bit的运算，再用$2^{16}+1$取模求余

三种基本运算特点：任一两个运算都不满足分配律和结合律

RC5加密算法

对称加密算法，特点：

• 使用与软件或硬件实现
• 运算速度快
• 能适应不同字长的处理器
• 加密轮数可变
• 密钥长度可变
• RC5结构形式简单（非Feistel结构）
• 对存储空间要求不高

三个参数决定的一组加密算法：分组64bit，加密轮数12，密钥长128bit