01對(duì)稱加密算法

對(duì)稱密碼體制，又稱為單密鑰密碼機(jī)制，其基本特征為加密密鑰和解密密鑰相同，模型如下：

這種方式，攻擊者可以通過不安全的公開通信通道獲取密文，但無法接觸到明文或者密鑰；如果該攻擊者知道加密算法和解密算法，且只對(duì)當(dāng)前獲取的密文感興趣，可以產(chǎn)生一個(gè)明文的估計(jì)值來恢復(fù)明文；如果對(duì)未來消息感興趣，可以來產(chǎn)生一個(gè)密鑰來恢復(fù)密鑰。

對(duì)稱加密算法是基于分組密碼機(jī)制產(chǎn)生，將一組明文劃分為m長度的n組明文，分別使用密鑰K=（k0,....,kx）進(jìn)行加密或者解密，m長度通常為64、128、256、512。

02AES加密算法工作模式

分組密碼算法是提供數(shù)據(jù)安全的一個(gè)基本固件，典型的如DES(Data Encryption Standard)以64位為一組，AES(Advanced Encryption Standard)以128位（舉例）為一個(gè)分組；但實(shí)際上保密傳輸?shù)南⒉灰欢▌偤檬且粋€(gè)分組，根據(jù)國標(biāo)GB/T 17964-2008《信息安全技術(shù) 分組密碼算法的工作模式》，為了各種應(yīng)用能使用這些基本固件，因此有7種常用的工作模式；下面來解釋一下：

2.1 ECB(Electronic Code Book Mode)

ECB，叫做電子密碼本模式，例如AES128-ECB這種模式下，明文以128bit為一組，每次被處理128bit，每個(gè)明文都用同一個(gè)密鑰加密；

解密過程使用同樣的密鑰進(jìn)行解密。

這種模式操作簡(jiǎn)單，不同分組可以并行處理；但是明文中重復(fù)的內(nèi)容同樣也會(huì)在密文中體現(xiàn)出來，因此對(duì)于長報(bào)文可能不是很安全。

2.2 CBC(Cipher Block Chaining Mode)

CBC，密碼分組鏈模式；加密函數(shù)的輸入是當(dāng)前明文分組和前一個(gè)密文分組的異或，對(duì)每個(gè)分組處理時(shí)也使用相同的密鑰，如下

這種模式下，一個(gè)消息中的兩個(gè)相同明文組會(huì)被加密成不同的密文，這樣就避免了ECB出現(xiàn)的重復(fù)密文的問題。在最初加密時(shí)，需要使用初始向量（Initial Vector），這個(gè)IV需要發(fā)送方和接收方都知道，不用加密，但必須保證該IV的完整性。

該種模式不能并行處理，因?yàn)楫?dāng)前明文需要和上一組密文進(jìn)行異或處理。

2.3 CTR(ConterMode)

計(jì)數(shù)器模式使用與明文分組長度相同的計(jì)數(shù)器長度，計(jì)數(shù)器從某一初值開始，按某種算法遞增，計(jì)數(shù)器值經(jīng)過加密算法得到的結(jié)果再和明文進(jìn)行異或，這樣就可以得到當(dāng)前明文組的密文。

可以看到，計(jì)數(shù)器模式下的加密和解密相對(duì)獨(dú)立，且已知加密函數(shù)，和計(jì)數(shù)器值，就可以通過異或的方式得到明文，不需要解密函數(shù)。實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單易懂。

2.4 OFB(Output Feedback Mode)

輸出反饋模式，該模式和CBC有點(diǎn)相像，但是區(qū)別在于OFB是將IV去進(jìn)行加密后得到一個(gè)輸出OBi 與明文塊進(jìn)行異或，同時(shí)OBi作為下一個(gè)加密對(duì)象的IV。如下圖：

2.5 CFB(Chiper Feedback Mode)

密碼反饋模式，與輸出反饋模式結(jié)構(gòu)類似。但是這種模式的密文是按bit來處理的，如下：

在該模式下，首先IV作為第一個(gè)block進(jìn)行加密，生成第一個(gè)輸出block；該block的s bit高位與明文的s bit高位作異或得到密文塊，b(block size)-s不參與加密；b-s低位的數(shù)據(jù) | 該密文塊作為下一個(gè)block的輸入。

2.6 XTS(XEXTweakableBlockCipherwithCiphertextStealing)

XTS引入了tweak key和AES key互相配合，每個(gè)明文塊用同樣的AES key但tweak key不相同。比如設(shè)置與區(qū)塊的index成對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣各個(gè)塊的加解密就相互獨(dú)立了，如下：

相當(dāng)于就在ECB上形式上增加了一層加擾系數(shù)。

2.7 GCM(Galois/Counter Mode)

它在 CTR 加密的基礎(chǔ)上增加 GMAC 的特性，解決了 CTR 不能對(duì)加密消息進(jìn)行完整性校驗(yàn)的問題。

03總結(jié)

上面描述了對(duì)稱加密算法的工作模式，那么我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）抵抗攻擊的能力、密文的隨機(jī)性、安全防護(hù)等級(jí)

（2）調(diào)用分組加密的次數(shù)、并行處理能力、初始化向量時(shí)間等

（3）明文分組數(shù)量可配、消息長度等要求

審核編輯：湯梓紅