分組密碼分組密碼的工作模式

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1、分組密碼:分組密碼的工作模式《現(xiàn)代密碼學(xué)》第4章(3)1本節(jié)主要內(nèi)容1、分組密碼的工作模式2、BlockModesECB,CBC3、StreamModesCFB,OFB2分組密碼在加密時(shí),明文分組的長(zhǎng)度是固定的，而實(shí)際應(yīng)用中待加密消息的數(shù)據(jù)量是不定的，數(shù)據(jù)格式可能是多種多樣的。為了能在各種應(yīng)用場(chǎng)合使用DES，美國(guó)在FIPSPUS74和81中定義了DES的4種運(yùn)行模式，如表3.5所示。這些模式也可用于其他分組密碼，下面以DES為例來(lái)介紹這4種模式。（見(jiàn)49頁(yè)表3.5）分組密碼的運(yùn)行模式3分組密碼工

2、作模式分組密碼加密固定長(zhǎng)度的年信息，eg.DES加密64-bit，使用56-bitkey需要一種使用方法，加密任意長(zhǎng)度的消息，這種使用方法叫做工作模式ModeofUse對(duì)于DES，定義了4種模式（inANSIstandardANSIX3.106-1983ModesofUse）四種模式:BlockModesECB,CBCStreamModesCFB,OFB4ECB(electroniccodebook)模式是最簡(jiǎn)單的運(yùn)行模式，它一次對(duì)一個(gè)64比特長(zhǎng)的明文分組加密，而且每次的加密密鑰都相同，如圖4.

3、10所示。當(dāng)密鑰取定時(shí)，對(duì)明文的每一個(gè)分組，都有一個(gè)惟一的密文與之對(duì)應(yīng)。因此形象地說(shuō)，可以認(rèn)為有一個(gè)非常大的電碼本，對(duì)任意一個(gè)可能的明文分組，電碼本中都有一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于它的密文。1.電碼本（ECB）模式5DES加密第1次DES加密第2次KKDES加密第2次K加密1.電碼本（ECB）模式6DES加密第1次DES加密第2次KKDES加密第2次K解密1.電碼本（ECB）模式7ECB模式示意圖8如果消息長(zhǎng)于64比特，則將其分為長(zhǎng)為64比特的分組，最后一個(gè)分組如果不夠64比特，則需要填充。解密過(guò)程也是一次對(duì)一

4、個(gè)分組解密，而且每次解密都使用同一密鑰。圖4.10中，明文是由分組長(zhǎng)為64比特的分組序列P1，P2，…，PN構(gòu)成，相應(yīng)的密文分組序列是C1，C2，…，CN。1.電碼本（ECB）模式9ECB在用于短數(shù)據(jù)（如加密密鑰）時(shí)非常理想，因此如果需要安全地傳遞DES密鑰，ECB是最合適的模式。ECB的最大特性是同一明文分組在消息中重復(fù)出現(xiàn)的話，產(chǎn)生的密文分組也相同。1.電碼本（ECB）模式10ECB的優(yōu)勢(shì)與局限相同的明文對(duì)于相同的密文結(jié)構(gòu)化明文消息有重復(fù)部分主要用于發(fā)送少數(shù)量的分組數(shù)據(jù)11ECB用于長(zhǎng)消息時(shí)

5、可能不夠安全，如果消息有固定結(jié)構(gòu)，密碼分析者有可能找出這種關(guān)系。例如，如果已知消息總是以某個(gè)預(yù)定義字段開(kāi)始，那么分析者就可能得到很多明文密文對(duì)。如果消息有重復(fù)的元素而重復(fù)的周期是64的倍數(shù)，那么密碼分析者就能夠識(shí)別這些元素。以上這些特性都有助于密碼分析者，有可能為其提供對(duì)分組的代換或重排的機(jī)會(huì)。1.電碼本（ECB）模式12為了解決ECB的安全缺陷，可以讓重復(fù)的明文分組產(chǎn)生不同的密文分組，CBC（cipherblockchaining）模式就可滿(mǎn)足這一要求。圖4.11是CBC模式示意圖，它一次對(duì)

6、一個(gè)明文分組加密，每次加密使用同一密鑰,加密算法的輸入是當(dāng)前明文分組和前一次密文分組的異或，因此加密算法的輸入不會(huì)顯示出與這次的明文分組之間的固定關(guān)系，所以重復(fù)的明文分組不會(huì)在密文中暴露出這種重復(fù)關(guān)系。2.密碼分組鏈接（CBC）模式132.密碼分組鏈接(CBC)模式加密x1IV=y0DES加密C1Kx2C2Kx3C3KDES加密DES加密14CBC模式解密DES解密KC1IV=y0P1DES解密KC2P2DES解密KC3P32.密碼分組鏈接(CBC)模式15CBC模式示意圖16解密時(shí)，每一個(gè)密文

7、分組被解密后，再與前一個(gè)密文分組異或，即（設(shè)）因而產(chǎn)生出明文分組。2.密碼分組鏈接（CBC）模式17在產(chǎn)生第1個(gè)密文分組時(shí)，需要有一個(gè)初始向量IV與第1個(gè)明文分組異或。解密時(shí)，IV和解密算法對(duì)第1個(gè)密文分組的輸出進(jìn)行異或以恢復(fù)第1個(gè)明文分組。IV對(duì)于收發(fā)雙方都應(yīng)是已知的，為使安全性最高，IV應(yīng)像密鑰一樣被保護(hù)，可使用ECB加密模式來(lái)發(fā)送IV。保護(hù)IV的原因如下：2.密碼分組鏈接（CBC）模式18如果敵手能欺騙接收方使用不同的IV值，敵手就能夠在明文的第1個(gè)分組中插入自己選擇的比特值，這是因?yàn)椋河?/p>

8、X(i)表示64比特分組X的第i個(gè)比特，那么，由異或的性質(zhì)得其中撇號(hào)表示比特補(bǔ)。2.密碼分組鏈接（CBC）模式19上式意味著如果敵手篡改IV中的某些比特，則接收方收到的P1中相應(yīng)的比特也發(fā)生了變化。由于CBC模式的鏈接機(jī)制，CBC模式對(duì)加密長(zhǎng)于64比特的消息非常合適。CBC模式除能夠獲得保密性外，還能用于認(rèn)證。2.密碼分組鏈接（CBC）模式20消息分成模塊加密是相互聯(lián)系的密文與明文聯(lián)結(jié)利用一個(gè)初始向量開(kāi)始：Ci=DESK1(PiXORCi-1)C-1=IV適合加密長(zhǎng)度大于64比特的消息還可以用來(lái)