# 对称加密算法的分组模式及其Go语言实现
之前介绍的DES、3DES、AES加密算法，只能加密固定长度的明文。如果需要加密任意长度的明文，需要对明文分组加密。
DES、3DES、AES等又称分组密码，而分组有很多模式，如：ECB模式、CBC模式、CFB模式、OFB模式、CTR模式，如下将逐一介绍。
## ECB模式
ECB模式，全称Electronic Codebook模式，译为电子密码本模式，即用相同的密码分别对明文分组独立加密。
ECB模式是最简单的模式，因为相同的明文分组会加密为相同的密文分组，因此存在一定风险。
如下为ECB模式示意图：
另外当最后一个明文分组的内容，小于分组长度时，需要用特定的数据进行填充。
## CBC模式
CBC模式，全称Cipher Block Chaining模式，译为密文分组链接模式，即加密算法的输入是上一个密文分组和下一个明文分组的异或。
因为是将上一个密文分组和下一个明文分组的内容混合加密，因此可以避免ECB模式的缺陷。
当加密第一个明文分组时，由于不存在上一个密文分组，因此需要准备与分组等长的初始化向量IV，来代替上一个密文分组。
如下为CBC模式示意图：
go标准库中CBC模式代码如下：
```go
type cbc struct {
//b为加密算法，如DES、AES
b Block
//加密算法支持的明文分组长度
blockSize int
//初始化向量IV
iv []byte
//临时变量
tmp []byte
}
type cbcEncrypter cbc
//指定加密算法和IV
func NewCBCEncrypter(b Block, iv []byte) BlockMode {
if len(iv) != b.BlockSize() {
panic("cipher.NewCBCEncrypter: IV length must equal block size")
}
if cbc, ok := b.(cbcEncAble); ok {
return cbc.NewCBCEncrypter(iv)
}
return (*cbcEncrypter)(newCBC(b, iv))
}
//加密
func (x *cbcEncrypter) CryptBlocks(dst, src []byte) {
if len(src)%x.blockSize != 0 {
panic("crypto/cipher: input not full blocks")
}
if len(dst) < len(src) {
panic("crypto/cipher: output smaller than input")
}
iv := x.iv
for len(src) > 0 {
//上一个密文分组和下一个明文分组的异或
//当加密第一个明文分组时，使用初始化向量IV
xorBytes(dst[:x.blockSize], src[:x.blockSize], iv)
//执行加密算法
x.b.Encrypt(dst[:x.blockSize], dst[:x.blockSize])
iv = dst[:x.blockSize]
src = src[x.blockSize:]
dst = dst[x.blockSize:]
}
copy(x.iv, iv)
}
//代码位置src/crypto/cipher/cbc.go
```
## CFB模式
CFB模式，全称Cipher FeedBack模式，译为密文反馈模式，即上一个密文分组作为加密算法的输入，输出与明文异或作为下一个分组的密文。
在CFB模式中，明文分组和密文分组之间只有一次异或。
如下为CFB模式示意图：
CFB模式与一次性密码本相似，都是通过将明文与随机比特序列进行异或运算来生成密文。
但由于CFB模式中密码算法的输出是通过计算得到的，并非真正的随机数，因此不具备一次性密码本那样理论上不可破译的性质。
CFB模式可以看做使用分组方式实现流密码的方式。
go标准库中CFB模式代码如下：
```go
type cfb struct {
//加密算法
b Block
//加密的输入
next []byte
//加密的输出
out []byte
outUsed int
decrypt bool
}
//加密或解密
//decrypt为true表示解密
func (x *cfb) XORKeyStream(dst, src []byte) {
for len(src) > 0 {
if x.outUsed == len(x.out) {
x.b.Encrypt(x.out, x.next)
x.outUsed = 0
}
if x.decrypt {
copy(x.next[x.outUsed:], src)
}
//加密输出与明文异或作为下一个分组的密文
n := xorBytes(dst, src, x.out[x.outUsed:])
if !x.decrypt {
//上一个密文分组作为加密算法的输入
copy(x.next[x.outUsed:], dst)
}
dst = dst[n:]
src = src[n:]
x.outUsed += n
}
}
//加密器
func NewCFBEncrypter(block Block, iv []byte) Stream {
return newCFB(block, iv, false)
}
//解密器
func NewCFBDecrypter(block Block, iv []byte) Stream {
return newCFB(block, iv, true)
}
func newCFB(block Block, iv []byte, decrypt bool) Stream {
//分组长度
blockSize := block.BlockSize()
if len(iv) != blockSize {
//初始化向量要求与分组长度等长
panic("cipher.newCFB: IV length must equal block size")
}
x := &cfb{
b: block,
out: make([]byte, blockSize),
next: make([]byte, blockSize),
outUsed: blockSize,
decrypt: decrypt,
}
//加密的输入
copy(x.next, iv)
return x
}
//代码位置src/crypto/cipher/cfb.go
```
## OFB模式
OFB模式，全称Output Feedback模式，译为输出反馈模式。
OFB模式与CFB模式类似，只是加密算法的输入是上一次加密的输出。
在OFB模式中，异或所需的密钥流，可以事先通过密码算法生成，即生成密钥流的操作可以与异或运算并行。
OFB模式加密和处理解密逻辑相同，明文与密钥流异或生成密文，密文与密钥流异或生成明文。
如下为OFB模式示意图：
go标准库中OFB模式代码如下：
```go
type ofb struct {
//加密算法
b Block
//加密的输入
cipher []byte
out []byte
outUsed int
}
func NewOFB(b Block, iv []byte) Stream {
//分组长度
blockSize := b.BlockSize()
if len(iv) != blockSize {
return nil
}
//const streamBufferSize = 512
bufSize := streamBufferSize
if bufSize < blockSize {
bufSize = blockSize
}
x := &ofb{
b: b,
cipher: make([]byte, blockSize),
out: make([]byte, 0, bufSize),
outUsed: 0,
}
//加密的输入
copy(x.cipher, iv)
return x
}
//生成密钥流
func (x *ofb) refill() {
bs := x.b.BlockSize()
remain := len(x.out) - x.outUsed
if remain > x.outUsed {
return
}
copy(x.out, x.out[x.outUsed:])
x.out = x.out[:cap(x.out)]
for remain < len(x.out)-bs {
x.b.Encrypt(x.cipher, x.cipher)
copy(x.out[remain:], x.cipher)
remain += bs
}
x.out = x.out[:remain]
x.outUsed = 0
}
func (x *ofb) XORKeyStream(dst, src []byte) {
for len(src) > 0 {
if x.outUsed >= len(x.out)-x.b.BlockSize() {
//生成密钥流
x.refill()
}
//与密钥流异或运算
n := xorBytes(dst, src, x.out[x.outUsed:])
dst = dst[n:]
src = src[n:]
x.outUsed += n
}
}
//代码位置src/crypto/cipher/ofb.go
```
## CTR模式
CTR模式，全称Counter模式，译为计数器模式。
CTR模式中，每个分组对应一个逐次累加的计数器，并通过对计数器进行加密来生成密钥流。
也即最终的密文分组是通过将计数器加密得到的比特序列，与明文分组进行异或运算得到的。
如下为CTR模式示意图：
go标准库中CTR模式代码如下：
```go
type ctr struct {
//加密算法
b Block
//加密的输入
ctr []byte
out []byte
outUsed int
}
const streamBufferSize = 512
type ctrAble interface {
NewCTR(iv []byte) Stream
}
func NewCTR(block Block, iv []byte) Stream {
if ctr, ok := block.(ctrAble); ok {
return ctr.NewCTR(iv)
}
if len(iv) != block.BlockSize() {
panic("cipher.NewCTR: IV length must equal block size")
}
bufSize := streamBufferSize
if bufSize < block.BlockSize() {
bufSize = block.BlockSize()
}
return &ctr{
b: block,
ctr: dup(iv),
out: make([]byte, 0, bufSize),
outUsed: 0,
}
}
//生成密钥流
func (x *ctr) refill() {
remain := len(x.out) - x.outUsed
copy(x.out, x.out[x.outUsed:])
x.out = x.out[:cap(x.out)]
bs := x.b.BlockSize()
for remain <= len(x.out)-bs {
x.b.Encrypt(x.out[remain:], x.ctr)
remain += bs
//计数器递增
for i := len(x.ctr) - 1; i >= 0; i-- {
x.ctr[i]++
if x.ctr[i] != 0 {
break
}
}
}
x.out = x.out[:remain]
x.outUsed = 0
}
func (x *ctr) XORKeyStream(dst, src []byte) {
for len(src) > 0 {
if x.outUsed >= len(x.out)-x.b.BlockSize() {
//生成密钥流
x.refill()
}
//与密钥流异或运算
n := xorBytes(dst, src, x.out[x.outUsed:])
dst = dst[n:]
src = src[n:]
x.outUsed += n
}
}
```
## Fabric中CBC模式的AES加密实现
代码如下：
```go
//AES加密、CBC模式、PKCS7填充算法
func AESCBCPKCS7Encrypt(key, src []byte) ([]byte, error) {
//PKCS7填充算法
tmp := pkcs7Padding(src)
//AES加密、CBC模式
return aesCBCEncrypt(key, tmp)
}
//PKCS7填充算法
//PKCS7即填充字符串由一个字节序列组成，每个字节填充该字节序列的长度
func pkcs7Padding(src []byte) []byte {
padding := aes.BlockSize - len(src)%aes.BlockSize
padtext := bytes.Repeat([]byte{byte(padding)}, padding)
return append(src, padtext...)
}
//AES加密、CBC模式
func aesCBCEncrypt(key, s []byte) ([]byte, error) {
if len(s)%aes.BlockSize != 0 {
return nil, errors.New("Invalid plaintext. It must be a multiple of the block size")
}
block, err := aes.NewCipher(key)
if err != nil {
return nil, err
}
ciphertext := make([]byte, aes.BlockSize+len(s))
//初始向量IV
iv := ciphertext[:aes.BlockSize]
if _, err := io.ReadFull(rand.Reader, iv); err != nil {
return nil, err
}
mode := cipher.NewCBCEncrypter(block, iv)
mode.CryptBlocks(ciphertext[aes.BlockSize:], s)
return ciphertext, nil
}
//代码位置github.com/hyperledger/fabric/bccsp/sw/aes.go
```
## 后记
ECB模式因其高风险，不应再使用。
CBC模式、CFB模式、OFB模式、CTR模式，均可使用。
其中Fabric中使用了CBC模式。
待续。
网址：http://www.qukuailianxueyuan.io/
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