AES算法（四）基本工作模式

本文所述工作模式可适用于 DES、AES 等分组密码算法中

分组密码算法只能加密固定长度为 N 比特的分组数据（DES 和 3DES 算法中 N=64，AES 算法中 N=128），若待加密数据长度 != N ，则待加密数据需要被分组或填充至长度为 N 比特的数据块用以加密，至于如何分组及填充则取决于使用的工作模式和填充方式。

早在 1981 年，DES 算法公布之后，NIST 在标准文献 FIPS 81 中公布了 4 种工作模式：

• 电子密码本：Electronic Code Book Mode (ECB)
• 密码分组链接：Cipher Block Chaining Mode (CBC)
• 密文反馈：Cipher Feedback Mode (CFB)
• 输出反馈：Output Feedback Mode (OFB)

后面又新增了一些工作模式：

• 计数器模式：Counter Mode (CTR)
• 填充密码分组链接：Propagating Cipher Block Chaining Mode（PCBC）

ECB 模式

ECB 加密所需数据：明文 P、加密密钥 Key、数据填充模式 M。

ECB 加密步骤如下：

• 将 P 分为 P0、P1、P2、…、Pn，Px 长度为 = 128，长度不足需填充
• 用 Key 将 P0 加密得出 C0
• 用 Key 将 P1 加密得出 C1
• …
• 用 Key 将 Pn 加密得出 Cn
• 拼接 C0、C1、…Cn 得到密文 C

ECB 的理想应用场景是短数据（如加密密钥）的加密。ECB 模式中明文和密文是一一对应的，相同的明文分组加密将会得到相应的密文分组，因此它不能很好的隐藏模式。

CBC 模式

CBC 加密所需数据：明文 P、加密密钥 Key、初始向量 IV、数据填充模式 M。

CBC 加密步骤如下：

• 将 P 分为 P0、P1、P2、…、Pn，Px 长度 = 128，长度不足需填充
• 将 P0、IV 做异或运算得到 P0_IV，用 Key 将 P0_IV 加密得到 C0
• 将 P1、C0 做异或运算得到 P1_IV，用 Key 将 P1_IV 加密得到 C1
• …
• 将 Pn、C(n-1) 做异或运算得到 Pn_IV，用 Key 将 Pn_IV 加密得到 Cn
• 拼接 C0、C1、…Cn 得到密文 C

CBC 模式相比 ECB 实现了更好的模式隐藏，但因为其将密文引入运算，加解密操作无法并行操作。同时引入的 IV 向量，还需要加、解密双方共同知晓方可。

CFB 模式

CFB 加密所需数据：明文 P、加密密钥 Key、初始向量 IV。

CFB 加密步骤如下：

• 将 P 分为 P0、P1、P2、…、Pn，Px 长度 <= 128
• 用 Key 加密 IV 得到 IV0，将 IV0、P0 做异或运算得到 C0
• 用 Key 加密 C0 得到 IV1，将 IV1、P1 做异或运算得到 C1
• …
• 用 Key 加密 C(n-1) 得到 IVn，将 IVn、Pn 做异或运算得到 Cn
• 拼接 C0、C1、…Cn 得到密文 C，加密结束

CFB 模式是用分组算法实现流算法，明文数据不需要按分组大小对齐。

OFB 模式

OFB 加密所需数据：明文 P、加密密钥 Key、初始向量 IV。

OFB 加密步骤如下：

• 将 P 分为 P0、P1、P2、…、Pn，Px 长度 <= 128
• 用 Key 加密 IV 得到 IV0，将 IV0 与 P0 做异或运算得到 C0
• 用 Key 加密 IV0 得到 IV1，将 IV1 与 P1 做异或运算得到 C1
• …
• 用 Key 加密 IV(n-1) 得到 IVn，将 IVn 与 Pn 做异或运算得到 Cn
• 拼接 C0、C1、…Cn 得到密文 C

CTR 模式

CTR 加密所需数据：明文 P、加密密钥 Key、初始向量 IV。

CTR 加密步骤如下：

• 将 P 分为 P0、P1、P2、…、Pn，Px 长度 <= 128
• 生成累加计数器 c0、c1、c2、…、cn
• 将 IV、c0 进行运算（连接、加和、异或等）得到 IV_c0，用 Key 加密 IV_c0 得到 IV0，将 IV0、P0 做异或运算得到 C0
• 将 IV、c1 进行运算（连接、加和、异或等）得到 IV_c1，用 Key 加密 IV_c1 得到 IV1，将 IV1、P1 做异或运算得到 C1
• …
• 将 IV、cn 进行运算（连接、加和、异或等）得到 IV_cn，用 Key 加密 IV_cn 得到 IVn，将 IVn、Pn 做异或运算得到 Cn
• 拼接 C0、C1、…Cn 得到密文 C

PCBC 模式

PCBC 加密所需数据：明文 P、加密密钥 Key、初始向量 IV、数据填充模式 M。

PCBC 加密步骤如下：

• 将 P 分为 P0、P1、P2、…、Pn，Px 长度 = 128，长度不足需填充
• 将 P0、IV 做异或运算得到 P0_IV，用 Key 将 P0_IV 加密得到 C0
• 将 P1、C0、P0 做异或运算得到 P1_IV，用 Key 将 P1_IV 加密得到 C1
• …
• 将 Pn、C(n-1)、P(n-1) 做异或运算得到 Pn_IV，用 Key 将 Pn_IV 加密得到 Cn
• 拼接 C0、C1、…Cn 得到密文 C