AES加密的工作模式ECB、CBC、CFB、OFB及案例


高级加密标准（Advanced Encryption Standard: AES）是美国国家标准与技术研究院（NIST）在2001年建立了电子数据的加密规范。其是对称加解密算法的最经典算法之一，它是一种分组加密标准，每个加密块大小为128位，允许的密钥长度为128、192和256位。这里只介绍ECB、CBC、CFB和OFB四种加密模式

目录

    • ECB（电子密码本模式）
    • CBC模式（密码分组链接模式）
    • CFB模式 (密文反馈模式）
    • OFB模式（输出反馈模式）
  • 改变一个明文分组对四种工作模式的影响
    • 作业案例

ECB（电子密码本模式）

之所以使用分组密码模式是因为分组密码只能处理定长的数据，如AES处理128bit，那么将明文切分成若干个128bit，分别加密。这种模式就是ECB模式，实际上有很明显的弱点，现在已经不被使用。
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ECB模式是最简单的一种，它有很严重的问题，就是相同的明文会得到同样的密文。因为每个分组加密方式和密钥都相同，若分组明文相同，加密后密文也相同。

所以需要寻找一种模式，它至少得满足：

  1. 相同的明文分组加密后密文不同。
  2. 明文微小变化都能造成密文有很大变化。

CBC模式（密码分组链接模式）

CBC模式由IBM发明与1976年，在CBC模式中，每个平文块先与前一个密文块进行异或后，再进行加密。在这种方法中，每个密文块都依赖于它前面的所有密文块。同时，为了保证每条消息的唯一性，在第一个块中需要使用初始化向量。

加密跟解密过程如下：
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这里引入了初始化向量IV，因为第一组明文不存在"前一个密文"，一般来说每次加密都会生成随机值来做初始 化向量。

CFB模式 (密文反馈模式）

CFB又称密文反馈模式，前一个密文分组会被送入密码算法的输入端，再将输出的结果与明文做异或。与ECB和CBC模式只能够加密块数据不同，CFB能够将块密文（Block Cipher）转换为流密文。

加密跟解密过程如下：
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OFB模式（输出反馈模式）

OFB又称输出反馈模式，前一组密码算法输出会输入到下一组密码算法输入。先用块加密器生成密钥流，然后再将密钥流与明文流异或得到密文流，解密是先用块加密器生成密钥流，再将密钥流与密文流异或得到明文，由于异或操作的对称性所以加密和解密的流程是完全一样的。
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改变一个明文分组对四种工作模式的影响

  • ECB:只影响当前分组，但相同的明文分组产生相同的密文 ，分组的特点有时是一个严重的安全性弱点
  • CBC:当前分组和后续分组都受影响，可用作认证码
  • OFB:只影响当前分组，可用在卫星通信中
  • CFB:当前分组和后续分组都受影响，可用作认证码

作业案例

输入学号后两位数字 n，出生年份后两位数字 m (00后取99年)。

x1 = n mod 64,
x2 = (n + 20) mod 64,
x3 = (n + 40) mod 64,

初始向量 IV = m mod 64，
K = (1 0 0 1 1 0), Ek(z) = z ⊕ k

求四种模式下的y1, y2, y3?

Python版如下：

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# ECB模式
def ecb_enc():
    return x1^key, x2^key, x3^key


# CBC模式
def cbc_enc():
    return (iv^x1)^key, (((iv^x1)^key)^x2)^key, (((((iv^x1)^key)^x2)^key)^x3)^key


# OFB模式
def ofb_enc():
    return x1^(iv^key), x2^((iv^key)^key), x3^(((iv^key)^key)^key)


# CFB模式
def cfb_enc():
    return x1^(iv^key), x2^(x1^(iv^key)^key), x3^(x2^(x1^(iv^key)^key)^key)


# 输入学号后两位数字 n，出生年份后两位数字 m (00后取99年)。
print('请输入学号后两位数字 n:')
n = int(input())
print('请输入出生年份后两位数字 m:')
m = int(input())

x1, x2, x3 =  n % 64, (n + 20) % 64, (n + 40) % 64
iv = m % 64
k = '100110'

key = int(k,2)
print('x1={}, x2={}, x3={}'.format(x1,x2,x3))
# 转为二进制后
print('转为二进制后: x1={}, x2={}, x3={}'.format(bin(x1),bin(x2),bin(x3)))

# ECB模式下
ecb_y1, ecb_y2, ecb_y3 = ecb_enc()
print('ECB模式下: y1={}, y2={}, y3={}, 二进制: y1={}, y2={}, y3={}'.format(ecb_y1, ecb_y2, ecb_y3, bin(ecb_y1), bin(ecb_y2), bin(ecb_y3)))

# CBC模式下
cbc_y1, cbc_y2, cbc_y3 = cbc_enc()
print('CBC模式下: y1={}, y2={}, y3={}, 二进制: y1={}, y2={}, y3={}'.format(cbc_y1, cbc_y2, cbc_y3, bin(cbc_y1), bin(cbc_y2), bin(cbc_y3)))

# OFB模式下
ofb_y1, ofb_y2, ofb_y3 = ofb_enc()
print('OFB模式下: y1={}, y2={}, y3={}, 二进制: y1={}, y2={}, y3={}'.format(ofb_y1, ofb_y2, ofb_y3, bin(ofb_y1), bin(ofb_y2), bin(ofb_y3)))

# CFB模式下
cfb_y1, cfb_y2, cfb_y3 = cfb_enc()
print('CFB模式下: y1={}, y2={}, y3={}, 二进制: y1={}, y2={}, y3={}'.format(cfb_y1, cfb_y2, cfb_y3, bin(cfb_y1), bin(cfb_y2), bin(cfb_y3)))

运行结果如下：
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