Chapter 04 : 分组密码工作模式与流密码¶

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分组密码工作模式¶

ECB¶

ECB（Electronic Code Book）模式是最简单的分组密码工作模式。它将明文分成固定大小的块，然后对每个块独立进行加密：

ECB 模式的优点是简单易实现，且加解密过程均可以并行处理，但缺点也很明显：相同的明文块会被加密成相同的密文块，这使得攻击者可以通过分析密文来推测明文的结构和内容

CBC¶

CBC（Cipher Block Chaining）模式在加密每个块之前，将当前块与前一个块的密文进行异或操作。这种方式使得相同的明文块在不同的上下文中会产生不同的密文，从而提高了安全性：

CBC 模式的优点是相同的明文块会产生不同的密文块，从而提高了安全性，但缺点是加密过程不能并行处理，因为每个块都依赖于前一个块的结果；解密过程可以并行处理

CFB¶

CFB（Cipher Feedback）将明文分成小块，然后将前一个密文块与当前明文块进行异或操作。CFB 模式允许对明文进行流式加密：

Example

假设明文 P 共有 8 字节，设一个种子 S 也为 8 字节。加密过程如下：

现将 S 进行加密得到 X，\(c[0]=p[0]\oplus x[0]\) 得到密文的首字节 \(c[0]\)
接下去改变种子 S，用 \(s[1],s[2],\cdots,s[7],c[0]\) 拼接成一个新的 S
将新的 S 进行加密得到 X，\(c[1]=p[1]\oplus x[0]\) 得到密文的第二个字节 \(c[1]\)
接下去改变种子 S，用 \(s[2],\cdots,s[7],c[0],c[1]\) 拼接成一个新的 S
将新的 S 进行加密得到 X，\(c[2]=p[2]\oplus x[0]\) 得到密文的第三个字节 \(c[2]\)
如此类推，直到最后一个字节 \(c[7]\) 得到密文的最后一个字节 \(c[7]\)

CFB 模式的优点是可以从密文传输的错误中恢复，比如我们需要传输密文 \(c_1,c_2,c_3,\cdots,c_k\)，我们假定 \(c_1\) 传输错误，记作 \(c_1'\)，那么解密还原的 \(p_1\) 有错，若 \(x_1\) 记作 \((*,*,*,*,*,*,*,*)\)，那么有 \(x_2=(*,*,*,*,*,*,*,c_1')\)，\(x_3=(*,*,*,*,*,*,c_1',c_2)\)，\(x_4=(*,*,*,*,c_1',c_2,c_3)\)，...，\(x_9=(c_1',c_2,c_3,\cdots,c_9)\)，\(x_{10}=(c_2,c_3,\cdots,c_{10})\)，使用密钥 \(x_1,x_2,x_3,\cdots,x_9\) 解密 \(c_1'c_2c_3c_4c_5c_6c_7c_8c_9\) 还原得到的 \(p_1,p_2,p_3,\cdots,p_9\) 全部有错，但是从 \(p_{10}\) 开始的解密还原是正确的

RC4¶

RC4 是一种对称流密码加密算法，它使用一个可变长度的密钥来生成一个伪随机的密钥流，然后将这个密钥流与明文进行异或操作来生成密文

RC4 算法加密的流程包括密钥调度算法 KSA 和伪随机子密码生成算法 PRGA 两大部分

RC4

KSAPRGA

初始化一个长度为 256 的数组 S，S[i]=i
用密钥 K 对 S 进行置换，得到 S'

state = &key->state[0];
for(counter = 0; counter < 256; counter++)
    state[counter] = counter; /* 初始化256个密钥 */
index1 = 0;
index2 = 0;
for(counter = 0; counter < 256; counter++)
{    /* key_data_ptr 为种子密钥, 里面可以包含 [1,256] 个字节, 超过 256 字节的部分无用 */
    /* 以下循环利用 key_data_ptr 打乱 state, 注意 256 个 state只交换, 不赋值 */
    index2 = (key_data_ptr[index1] + state[counter] + index2) % 256;
    swap_byte(&state[counter], &state[index2]);
    index1 = (index1 + 1) % key_data_len;
}

state = &key->state[0];
for(counter = 0; counter < buffer_len; counter ++)
{
    x = (x + 1) % 256;
    y = (state[x] + y) % 256;
    swap_byte(&state[x], &state[y]); /* 加密/解密前, 交换一对state */

    xorIndex = (state[x] + state[y]) % 256; /* 计算密钥的index */
    buffer_ptr[counter] ^= state[xorIndex]; /* state[xorIndex]为当前密钥 */
}