加解密模式分析 - 分组模式分析 | Alice and Bobの神秘小屋

前面我们已经分析了经典的分组加密算法 DES 和 AES，这两个算法都是分组密码的代表。分组密码是对称加密算法中最重要的一类算法，但是我们经过前面学习会发现，分组密码算法本身只能对固定大小的块进行加密，而实际应用中我们需要加密的数据往往是任意长度的，这就引入了分组模式（Block Cipher Mode）的概念。

分组模式是一种将分组密码算法扩展到任意长度数据的技术，它定义了如何将明文分成块、如何处理最后一个块以及如何将加密结果组合成最终的密文。常见的分组模式有 ECB（Electronic Codebook）、CBC（Cipher Block Chaining）、CFB（Cipher Feedback）、OFB（Output Feedback）和 CTR（Counter）等。

在本章中，我们将深入分析这些分组模式的工作原理、优缺点以及它们在实际应用中的安全性表现，帮助读者全面理解分组模式的设计思想和使用场景。

明文填充 🫡

分组密码迭代加密要求每一个明文分组都是块长度(8或16字节)
当分组到最后一组时，其长度不足块长度，就需要对其进行填充，将长度扩展为块长度

常见的填充方式有如下几种:

补零:在末尾补上 0x00 字节
… | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 00 00 00 00 00 |
字节填充:先填充 0x00 字节,直至最后一字节填充值为填充长度
… | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 00 00 00 00 04 |
PKCS7 填充:若需填充 N 个字节,则每个填充字节值都是 N
… | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD 04 04 04 04 04 |

ECB（Electronic Code Book mode 电子密码本模式） 🙂

ECB 是最简单的分组模式，它将明文分成固定大小的块，每个块独立加密，得到对应的密文块。

由于每个块独立加密，因此相同的明文块会得到相同的密文块，这就导致了 ECB 模式的一个严重安全问题：它无法隐藏明文中的模式信息，容易受到重放攻击和统计分析攻击。
ECB 模式示意图

from Crypto.Cipher import AES

def aes_ecb_encrypt(pt, key):
    aes=AES.new(key, AES.MODE_ECB)
    ct = aes.encrypt(pt)
    return ct
def aes_ecb_decrypt(ct, key):
    aes=AES.new(key,AES.MODE_ECB)
    pt=aes.decrypt(ct)
    return pt

CBC（Cipher Block Chaining mode 密码分组链接模式） 🥰

CBC 模式通过将每个明文块与前一个密文块进行异或操作来加密当前块，从而解决了 ECB 模式的安全问题。

CBC 模式需要一个初始化向量（IV）来加密第一个块，IV 应该是随机生成的并且在每次加密时都不同。然后上一块加密的结果会被用作下一块的输入异或。CBC 模式能够隐藏明文中的模式信息，但它也有一些缺点，比如加密和解密过程不能并行化，且对 IV 的管理要求较高。
CBC 模式示意图

def aes_cbc_encrypt(pt, key,iv):
    aes=AES.new(key,AES.MODE_CBC, iv=iv=iv=iv)
    ct = aes.encrypt(pt)
    return ct

def aes_cbc_decrypt(ct, key,iv):
    aes=AES.new(key,AES.MODE_CBC, iv=iv=iv=iv)
    pt = aes.decrypt(ct)
    return pt

CFB（Cipher FeedBack mode 密文反馈模式） 🤪

CFB 模式是先对 IV 进行加密得到中间结果，将这个结果与第一块明文进行异或得到第一块密文，然后将第一块密文进行加密得到中间结果，中间结果再与第二块明文异或，得到第二块密文，以此类推。
CFB 模式示意图

def aes_cfb_encrypt(pt, key,iv):
    aes=AES.new(key,AES.MODE_CFB, iv=iv=iv=iv)
    ct = aes.encrypt(pt)
    return ct

def aes_cfb_decrypt(ct, key,iv):
    aes=AES.new(key,AES.MODE_CFB, iv=iv=iv=iv)
    pt = aes.decrypt(ct)
    return pt

CTR（CounTeR mode 计数器模式） 🤩

CTR 模式是对一个逐次累加的计数器进行加密得到中间结果（类似密钥流的流密码），将这个结果与块明文进行异或得到块密文。CTR 每一次加密时，都会生成一个 nonce （仅用一次的数）来作为计数器的初始值，计数器格式为：前面字节为固定的 nonce，后面字节为分组序号，会逐次累加。
计数器示意图
CTR 模式示意图

def aes_ctr_encrypt(pt,key, nonce):
    aes = AES.new(key, AES.MODE_CTR, nonce=nonce)
    ct = aes.encrypt(pt)
    return ct

def aes_ctr_decrypt(ct, key, nonce):
    aes = AES.new(key, AES.MODE_CTR, nonce=nonce)
    pt = aes.decrypt(ct)
    return pt

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