如何选择AES加密模式(CBC ECB CTR OCB CFB)？


How to choose an AES encryption mode (CBC ECB CTR OCB CFB)?

在哪种情况下哪一个更受青睐？

我想看看各种模式的评估crtieria列表，也许可以讨论每个标准的适用性。

例如，
我认为其中一个标准是加密和解密的"代码大小"，这对于微代码嵌入式系统(如802.11网络适配器)非常重要。 如果实现CBC所需的代码远小于CTR所需的代码(我不知道这是真的，这只是一个例子)，那么我就能理解为什么使用较小代码的模式会更受欢迎。 但是，如果我正在编写一个在服务器上运行的应用程序，并且我使用的AES库无论如何都实现了CBC和CTR，那么这个标准就无关紧要了。

请参阅"每个标准的评估标准和适用性列表"的含义？

这与编程无关，但与算法有关。

相关讨论

如果你无法实现自己的密码学，请考虑长期和艰难

事情的丑陋事实是，如果你问这个问题，你可能无法设计和实现一个安全的系统。

让我说明一下我的观点：想象一下，您正在构建一个Web应用程序，并且需要存储一些会话数据。您可以为每个用户分配会话ID，并将会话数据存储在服务器上的哈希映射会话ID中，以映射会话数据。但是你必须在服务器上处理这个讨厌的状态，如果在某些时候你需要多个服务器，事情会变得混乱。因此，您可以将会话数据存储在客户端的cookie中。您当然会加密它，因此用户无法读取和操作数据。那么你应该使用什么模式？来到这里你读到了最顶层的答案(对不起你挑出myforwik)。第一个覆盖 - ECB - 不适合你，你想要加密多个块，下一个 - CBC - 听起来不错，你不需要CTR的并行性，你不需要随机访问，所以没有XTS和专利是PITA，所以没有OCB。使用你的加密库你会发现你需要一些填充，因为你只能加密块大小的倍数。您选择PKCS7是因为它是在一些严肃的加密标准中定义的。在阅读某个地方后，如果使用随机IV和安全分组密码，CBC可证明是安全的，即使您在客户端存储敏感数据，也可以放心。

多年后，您的服务确实已经发展到相当大的规模，IT安全专家会在负责任的披露中与您联系。她告诉你，她可以使用填充oracle攻击来解密所有的cookie，因为如果填充以某种方式被破坏，你的代码会产生一个错误页面。

这不是一个假设的场景：几年前微软在ASP.NET中存在这个确切的缺陷。

问题是密码学存在很多陷阱，建立一个对外行人来说安全的系统非常容易，但对于知识渊博的攻击者来说却是微不足道的。

如果需要加密数据该怎么办

对于实时连接，请使用TLS(请务必检查证书的主机名和颁发者链)。如果您不能使用TLS，请查找您的系统为您的任务提供的最高级API，并确保您了解它提供的保证，更重要的是它不保证。对于上面的示例，像Play这样的框架提供了客户端存储设施，但它不会在一段时间后使存储的数据无效，如果您更改了客户端状态，攻击者可以在不注意的情况下恢复以前的状态。

如果没有可用的高级抽象，请使用高级加密库。一个突出的例子是NaCl和具有许多语言绑定的便携式实现是Sodium。使用这样的库你不必关心加密模式等，但你必须更加小心使用细节而不是更高级别的抽象，比如从不使用两次nonce。

如果由于某种原因您不能使用高级加密库，例如因为您需要以特定方式与现有系统交互，则无法彻底教育自己。我建议阅读Ferguson，Kohno和Schneier的Cryptography Engineering。请不要相信你可以在没有必要背景的情况下建立一个安全的系统。密码学非常微妙，几乎不可能测试系统的安全性。

比较模式

仅限加密：

  • 需要填充的模式：
    就像在示例中一样，填充通常是危险的，因为它开启了填充oracle攻击的可能性。最简单的防御是在解密之前验证每条消息。见下文。

  • ECB独立地加密每个数据块，同一个明文块将产生相同的密文块。在ECB维基百科页面上查看ECB加密的Tux图像，看看为什么这是一个严重的问题。我不知道欧洲央行可以接受的任何用例。
  • CBC具有IV并且因此每次加密消息时都需要随机性，改变消息的一部分需要在改变之后重新加密所有内容，一个密文块中的传输错误完全破坏明文并改变下一个块的解密，解密可以并行/加密不能，明文在某种程度上是可塑的 - 这可能是一个问题。

  • 流密码模式：这些模式生成可能或可能不依赖于明文的伪随机数据流。通常，与流密码类似，生成的伪随机流与明文进行异或运算以生成密文。因为您可以根据需要使用随机流的多个位，所以根本不需要填充。这种简单性的缺点在于加密是完全可塑的，这意味着攻击者可以以他喜欢的任何方式改变解密，如明文p1，密文c1和伪随机流r，攻击者可以选择差异d等。密文c2 =c1⊕d的解密是p2 =p1⊕d，因为p2 =c2⊕r=(c1⊕d)⊕r=d⊕(c1⊕r)。对于两个密文c1 =p1⊕r和c2 =p2⊕r，同样的伪随机流绝对不能使用两次，攻击者可以计算两个明文的xor为c1⊕c2=p1⊕r⊕p2⊕r= p1⊕p2。这也意味着如果原始消息可能是攻击者获得的，则更改消息需要完全重新加密。以下所有的蒸汽密码模式只需要分组密码的加密操作，因此根据密码，这可能会在极其狭窄的环境中节省一些(硅或机器代码)空间。

  • CTR很简单，它创建一个独立于明文的伪随机流，不同的伪随机流是通过从不同的nonces / IV中计数得到的，它们乘以最大消息长度以防止重叠，使用nonce消息加密是可能没有每个消息随机性，解密和加密完全可并行化，传输错误只影响错误的位，仅此而已
  • OFB还创建一个独立于明文的伪随机流，通过从每个消息的不同随机数或随机IV开始获得不同的伪随机流，加密和解密都不可并行化，因为CTR使用随机消息加密是可能的，没有每条消息随机性，与CTR传输错误一样，只影响错误的位，仅此而已
  • CFB的伪随机流取决于明文，每个消息都需要不同的随机数或随机IV，如CTR和OFB使用随机消息加密是可能的，没有每个消息的随机性，解密是可并行的/加密不是，传输错误完全破坏了跟随块，但仅影响当前块中的错误位

  • 磁盘加密模式：这些模式专门用于加密文件系统抽象下的数据。出于效率原因，更改光盘上的某些数据只需要重写最多一个光盘块(512字节或4kib)。它们超出了这个答案的范围，因为它们的使用场景与其他场景截然不同。除块级磁盘加密外，请勿将它们用于任何其他操作。一些成员：XEX，XTS，LRW。

    • 认证加密：

    为了防止填充oracle攻击和密文更改，可以在密文上计算消息认证码(MAC)，只有在没有被篡改的情况下才解密。这称为encrypt-then-mac，应该优先于任何其他顺序。除极少数用例外，真实性与机密性一样重要(后者是加密的目的)。经过身份验证的加密方案(带有关联数据(AEAD))将加密和身份验证的两个部分过程组合成一个块密码模式，该模式也会在过程中生成身份验证标记。在大多数情况下，这会提高速度。

  • CCM是CTR模式和CBC-MAC的简单组合。每个块使用两个分组密码加密非常慢。
  • OCB更快但受专利限制。但是，对于免费(如在自由中)或非军事软件，专利持有人已经授予了免费许可。
  • GCM是一种非常快速但可以说是复杂的CTR模式和GHASH的组合，是Galois字段上的MAC，具有2 ^ 128个元素。它在TLS 1.2等重要网络标准中的广泛应用反映在英特尔为加速GHASH计算而引入的特殊指令中。

    • 建议：

    考虑到身份验证的重要性，我建议大多数用例使用以下两种分组密码模式(磁盘加密除外)：如果数据通过非对称签名进行身份验证，则使用CBC，否则使用GCM。

    好。

    相关讨论

    • 如果使用相同的密钥加密多个数据块，则不应使用ECB。

    • CBC，OFB和CFB类似，但OFB / CFB更好，因为您只需要加密而不是解密，这可以节省代码空间。

    • 如果您想要良好的并行化(即速度)而不是CBC / OFB / CFB，则使用CTR。

    • 如果您编码随机可访问数据(如硬盘或RAM)，则XTS模式是最常见的。

    • OCB是目前最好的模式，因为它允许一次通过加密和身份验证。但是在美国有专利。

    您唯一需要知道的是，除非您只加密1个块，否则不会使用ECB。如果要加密随机访问的数据而不是流，则应使用XTS。

    • 每次加密时都应该始终使用唯一的IV，它们应该是随机的。如果您不能保证它们是随机的，请使用OCB，因为它只需要一个nonce而不是IV，并且有明显的区别。如果人们可以猜测下一个，nonce不会降低安全性，IV会导致此问题。
    相关讨论

    Phil Rogaway在2011年对此进行了正式分析。第1.6节给出了我在这里转录的摘要，加上我自己强调的粗体(如果你不耐烦，那么他的建议是使用CTR模式，但我建议你阅读我的段落有关消息完整性与加密的情况)。

    请注意，其中大多数要求IV是随机的，这意味着不可预测，因此应该使用加密安全性生成。但是，有些只需要一个"nonce"，它不要求该属性，而只要求它不被重用。因此，依赖于nonce的设计比不设计的设计更不容易出错(并且相信我，我已经看到许多CBC没有通过正确的IV选择实现的情况)。因此，当Rogaway说"当IV是nonce时未达到机密性"时，你会看到我添加了粗体，这意味着如果你选择IV加密安全(不可预测)，那么没问题。但如果你不这样做，那么你就失去了良好的安全属性。切勿在任何这些模式下重复使用IV。

    此外，了解消息完整性和加密之间的区别非常重要。加密隐藏数据，但攻击者可能能够修改加密数据，如果您不检查邮件完整性，则软件可能会接受结果。虽然开发人员会说"但修改后的数据将在解密后作为垃圾返回"，一位优秀的安全工程师会发现垃圾导致软件出现不良行为的可能性，然后他会将该分析转化为真正的攻击。我见过许多使用加密的情况，但实际上需要的信息完整性比加密更多。了解您的需求。

    我应该说尽管GCM同时具有加密和消息完整性，但它是一个非常脆弱的设计：如果你重新使用IV，你就会被搞砸 - 攻击者可以恢复你的密钥。其他设计不那么脆弱，所以我个人不敢根据我在实践中看到的不良加密代码的数量来推荐GCM。

    如果你需要消息完整性和加密，你可以结合两种算法：通常我们看到CBC与HMAC，但没有理由将自己绑定到CBC。重要的是要先加密，然后MAC加密内容，而不是相反。此外，IV需要是MAC计算的一部分。

    我不知道知识产权问题。

    现在来看看Rogaway教授的好消息：

    阻止密码模式，加密但不是消息完整性

    ECB：块密码，模式通过分别加密每个n比特块来加密n比特的倍数的消息。安全属性很弱，该方法在块位置和时间上泄漏了块的相等性。具有相当大的遗留价值，并且作为其他方案的构建块具有价值，但该模式本身并未实现任何通常理想的安全目标，必须谨慎使用;不应将欧洲央行视为"通用"保密模式。

    CBC：基于IV的加密方案，该模式作为概率加密方案是安全的，假设随机IV，实现与随机比特的不可区分。如果IV仅仅是一个nonce，则不能实现保密，也不会像该标准错误地建议的那样，在该方案使用的相同密钥下加密nonce。 Ciphertexts具有很强的可塑性。没有选择的密文攻击(CCA)安全性。对于许多填充方法，在存在正确填充oracle的情况下，机密性将被取消。加密从本质上是连续的低效。模式的隐私安全属性被广泛使用，导致频繁的误用。可以用作CBC-MAC算法的构建块。我认为与CTR模式相比没有重要的优势。

    CFB：基于IV的加密方案，该模式作为概率加密方案是安全的，假设随机IV，实现与随机比特的不可区分。如果IV是可预测的，则不能实现机密性，也不是由该方案使用的相同密钥加密的随机数制作，正如标准错误建议的那样。 Ciphertexts是可塑的。没有CCA安全性。加密从本质上是连续的低效。方案取决于参数s，1≤s≤n，通常s = 1或s = 8.对于需要一个阻塞调用仅处理s位而言效率低。该模式实现了一个有趣的"自同步"属性;在密文中插入或删除任意数量的s位字符只会暂时中断正确的解密。

    OFB：基于IV的加密方案，该模式作为概率加密方案是安全的，假设随机IV，实现与随机比特的不可区分。如果IV是随机数，则不能实现机密性，尽管固定的IV序列(例如，计数器)确实可以正常工作。 Ciphertexts具有很强的可塑性。没有CCA安全性。加密和解密本身不是串行的。本地加密任何位长度的字符串(不需要填充)。我认为与CTR模式相比没有重要的优势。

    CTR：基于IV的加密方案，该模式实现了与假定nonce IV的随机位的不可区分性。作为基于安全随机数的方案，该模式还可以用作概率加密方案，具有随机IV。如果nonce在加密或解密时被重用，则完全失去隐私。与其他机密性模式相比，模式的可并行性通常使其在某些设置中更快，速度更快。用于经过身份验证的加密方案的重要构建块。总的来说，通常是实现仅隐私加密的最佳和最现代的方式。

    XTS：基于IV的加密方案，该模式通过将可调整的块密码(作为强PRP安全)应用于每个n比特块来工作。对于长度不能被n整除的消息，最后两个块将被特殊处理。唯一允许使用该模式的是加密块结构存储设备上的数据。底层PRP的窄宽度和分数最终块的不良处理是问题。比(宽块)PRP安全阻塞更有效但不太理想。

    MAC(消息完整性但不加密)

    ALG1-6：MAC的集合，所有这些都基于CBC-MAC。计划太多了。有些作为VIL PRF可证明是安全的，有些作为FIL PRF，有些没有可证明的安全性。一些计划承认有害的攻击。有些模式已过时。对于具有它的模式，密钥分离没有得到充分的关注。不应该集体采用，但有选择地选择"最佳"方案是可能的。采用这些模式也没有问题，有利于CMAC。一些ISO 9797-1 MAC被广泛标准化和使用，尤其是在银行业。该标准的修订版(ISO / IEC FDIS 9797-1：2010)即将发布[93]。

    CMAC：基于CBC-MAC的MAC，该模式可证明是安全的(直到生日界限)作为(VIL)PRF(假设底层块是一个好的PRP)。基于CBCMAC的方案的开销基本上是最小的。本质上串行性质在某些应用领域中存在问题，并且与64位块密码一起使用将需要偶尔重新键入。清洁比ISO 9797-1的MAC集合。

    HMAC：基于加密散列函数而不是块密码的MAC(尽管大多数加密散列函数本身都基于块密码)。机制享有强大的可证明安全界限，尽管并非优先假设。文献中多个密切相关的变体使获得对已知事物的理解变得复杂。从未提出任何破坏性攻击。广泛标准化和使用。

    GMAC：基于随机数的MAC，是GCM的一个特例。继承了GCM的许多优点和缺点。但是对于MAC来说，nonce-requirement是不必要的，在这里它几乎没有什么好处。如果标签被截断为≤64位且解密程度不受监控和缩减，则会产生实际攻击。 nonce重用完全失败。如果采用GCM，则无论如何都要隐含使用。不推荐用于单独的标准化。

    经过身份验证的加密(加密和消息完整性)

    CCM：基于随机数的AEAD方案，结合了CTR模式加密和原始
    CBC-MAC。在某些情况下，本质上是连续的，限制速度。假设底层封闭是一个很好的PRP，那么可以保证安全，有良好的界限。笨拙的建筑，明显地完成了这项工作。比GCM更容易实现。可以用作基于nonce的MAC。广泛标准化和使用。

    GCM：基于随机数的AEAD方案，结合了CTR模式加密和基于GF(2128)的通用散列函数。某些实施环境的良好效率特性。假设标签截断最小，可证明安全性很好。在存在大量标签截断的情况下，攻击和可证明的安全性很差。可以用作基于随机数的MAC，然后称为GMAC。允许96位以外的nonce的可疑选择。建议将nonce限制为96位，将标记限制为至少96位。广泛标准化和使用。

    好。

    相关讨论

  • 除了欧洲央行之外
  • 如果使用CTR，则必须为每条消息使用不同的IV，否则最终攻击者可以获取两个密文并导出未加密的明文组合。原因是CTR模式实质上将块密码转换为流密码，流密码的第一个规则是永远不要使用相同的Key + IV两次。
  • 模式的实施难度确实没有太大差异。某些模式仅需要分组密码才能在加密方向上运行。但是，大多数分组密码(包括AES)不需要太多代码来实现解密。
  • 对于所有密码模式，如果您的消息在前几个字节中相同，并且您不希望攻击者知道这一点，则对每条消息使用不同的IV非常重要。
    • 相关讨论

    您是否首先阅读维基百科上的信息 - 分组密码操作模式？然后按照维基百科上的参考链接进行NIST：分组密码操作模式的建议。

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    您可能希望根据广泛使用的内容进行选择。我有同样的问题，这是我有限的研究结果。

    硬件限制

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    STM32L (low energy ARM cores) from ST Micro support ECB, CBC,CTR GCM
    CC2541 (Bluetooth Low Energy) from TI supports ECB, CBC, CFB, OFB, CTR, and CBC-MAC

    开源限制

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    Original rijndael-api source  - ECB, CBC, CFB1
    OpenSSL - command line CBC, CFB, CFB1, CFB8, ECB, OFB
    OpenSSL - C/C++ API    CBC, CFB, CFB1, CFB8, ECB, OFB and CTR
    EFAES lib [1] - ECB, CBC, PCBC, OFB, CFB, CRT ([sic] CTR mispelled)  
    OpenAES [2] - ECB, CBC

    [1] http://www.codeproject.com/Articles/57478/A-Fast-and-Easy-to-Use-AES-Library

    [2] https://openaes.googlecode.com/files/OpenAES-0.8.0.zip

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    我知道一个方面：虽然CBC通过更改每个块的IV来提供更好的安全性，但它不适用于随机访问的加密内容(如加密硬盘)。

    因此，对于顺序流使用CBC(和其他顺序模式)，对随机访问使用ECB。

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