加密与安全_常见的分组密码 ECB、CBC、CFB、OFB模式介绍

时间：2024-07-08 12:21:41

文章目录

  • Pre
  • 概述
  • why
  • 分组密码和流密码的基本概念
  • 什么是模式
  • 分组密码的常见模式
    • 1. ECB 模式（电子密码本模式）
    • 2. CBC 模式（密文分组链接模式）
    • 3. CFB 模式（密文反馈模式）
    • 4. OFB 模式（输出反馈模式）
  • 模式选择建议

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Pre

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概述

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  1. 介绍分组密码基本概念。
  2. 讲解ECB模式的工作原理、优缺点及应用场景。
  3. 详细介绍CBC模式的工作原理、优缺点及应用场景。
  4. 说明CFB模式的工作原理、优缺点及应用场景。
  5. 解释OFB模式的工作原理、优缺点及应用场景。
  6. 总结并给出模式选择的建议。

why

当需要加密任意长度明文时，就需要分组迭代进行加密。 分组密码有很多模式，如果模式选择不当，就无法充分保证明文的机密性

分组密码和流密码的基本概念

分组密码：将明文数据划分为固定长度的块（通常为128位或64位），然后逐块加密。每个块称为一个分组（block）。

流密码：对数据流进行连续处理的加密算法，逐位或逐字节加密，适用于数据流的加密。

什么是模式

模式是分组密码的迭代算法

比如我们常使用的 DES 算法中的 ECB 模式。 ECB 模式就是将明文分割成多个分组并逐个加密的方法。 ECB 算法计算量小，加解密速度快，但现在已经证实 ECB 是不可靠的模式了。 所以正式场合中不要使用 ECB 模式

分组密码的常见模式

1. ECB 模式（电子密码本模式）

ECB 将明文进行分组后直接加密产生密文分组

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工作原理：

  • 将明文分割成多个固定长度的分组。
  • 每个分组独立加密。

优点：

  • 计算简单，速度快。
  • 支持并行处理。

缺点：

  • 相同的明文分组会产生相同的密文分组，无法隐藏明文的模式和结构。
  • 容易受到统计分析攻击。

应用场景：

  • 不适合用于敏感信息的加密，不推荐在正式场合使用。

ECB 模式中，明文和密文是一一对应的。相同的明文一定可以得到相同的密文。所以虽然不能直接根据密文推导出明文，但可以根据密文的特点进行定向攻击

例如: Bob 向 Alice 发送了一个转账的报文:

分组1 = Bob的银行账号 
分组2 = Alice的银行账号 
分组3 = 转账金额

虽然 Eve 不能直接修改账号和金额(因为没有解密数据)，但 Eve 可以通过交换分组 1 和分组 2，造成攻击。

分组1 = Alice的银行账号 
分组2 = Bob的银行账号 
分组3 = 转账金额

这种攻击方式能成功就是因为 ECB 没有隐藏明文信息造成的

2. CBC 模式（密文分组链接模式）

密文分组链接模式

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工作原理：

  • 第一个明文分组与初始向量（IV）异或后进行加密，产生第一个密文分组。
  • 后续每个明文分组与前一个密文分组异或后进行加密，产生相应的密文分组。

优点：

  • 能够隐藏明文的模式和结构，提高安全性。
  • 支持并行解密。

缺点：

  • 加密时不支持并行处理，需串行进行。
  • 若某个密文分组损坏，会影响当前和下一个分组的解密。

CBC 最核心的一个环节，是将前一个密文分组作为一个变量带入了下一个明文加密中。 这样即便明文相同，但经过密文异或操作后，就会出现不同的结果。通过这样就实现了混淆明文信息的目的。

但不知道你有没有发现，第一个明文分组如何处理呢？ 在处理第一个明文分组时，异或为 0.那么密文分组 A 就退化成了 ECB 模式。 为了避免出现这种情况，我们就需要人为补充一个初始密文分组,这个初始的密文分组就称为IV分量

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应用场景：

  • 在需要高安全性且可以容忍串行加密的场景中使用，如文件加密。

3. CFB 模式（密文反馈模式）

对 CBC 模式的一种改进

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在 CFB 模式中，明文分组和密文分组之间只做异或操作就可以了。在此时此刻，密码算法的输出有一些一次性密码本的意思了.

工作原理：

  • 第一个明文分组与初始向量（IV）异或后进行加密，产生第一个密文分组。
  • 后续每个明文分组与前一个密文分组异或后进行加密，产生相应的密文分组。

优点：

  • 支持并行解密。
  • 可以解密任意的密文分组。

缺点：

  • 不能抵御重放攻击。

应用场景：

  • 实时通信加密，如网络数据传输。

4. OFB 模式（输出反馈模式）

输出反馈模式。 密码算法的输出会反馈到密码算法的输入中

OFB 并不是通过密码算法对明文进行加密的，而是通过将明文分组和密码算法的输出进行异或来产生密文的。所以 OFB 和 CFB 也有一些类似.

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工作原理：

  • 初始向量（IV）输入到加密算法中，产生一个伪随机输出。
  • 明文分组与该伪随机输出异或，产生密文分组。
  • 伪随机输出反馈给加密算法，继续生成下一个伪随机输出。

优点：

  • 不需要填充（Padding）。
  • 若密文包含错误比特，仅对应的明文比特会出错。

缺点：

  • 不支持并行解密。
  • 存在比特反转攻击风险。

应用场景：

  • 对错误容忍性要求较高的场景，如视频流加密。

模式选择建议

  1. ECB 模式：简单快速，但不安全，不推荐使用。
  2. CBC 模式：适用于高安全性需求的场景，如文件加密，推荐使用。
  3. CFB 模式：适用于实时通信，支持并行解密，但需防范重放攻击。
  4. OFB 模式：适用于错误容忍性要求高的场景，但不支持并行解密。

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