[转帖]AES算法（四）基本工作模式

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本文所述工作模式可适用于 DES、AES 等分组密码算法中

分组密码算法只能加密固定长度为 N 比特的分组数据（DES 和 3DES 算法中 N=64，AES 算法中 N=128），若待加密数据长度 != N ，则待加密数据需要被分组或填充至长度为 N 比特的数据块用以加密，至于如何分组及填充则取决于使用的工作模式和填充方式。

早在 1981 年，DES 算法公布之后，NIST 在标准文献 FIPS 81 中公布了 4 种工作模式：

电子密码本：Electronic Code Book Mode (ECB)
密码分组链接：Cipher Block Chaining Mode (CBC)
密文反馈：Cipher Feedback Mode (CFB)
输出反馈：Output Feedback Mode (OFB)

后面又新增了一些工作模式：

计数器模式：Counter Mode (CTR)
填充密码分组链接：Propagating Cipher Block Chaining Mode（PCBC）

ECB 模式

ECB 加密所需数据：明文 P、加密密钥 Key、数据填充模式 M。

ECB 加密步骤如下：

将 P 分为 P0、P1、P2、...、Pn，Px 长度为 = 128，长度不足需填充
用 Key 将 P0 加密得出 C0
用 Key 将 P1 加密得出 C1
...
用 Key 将 Pn 加密得出 Cn
拼接 C0、C1、...Cn 得到密文 C

ECB 的理想应用场景是短数据（如加密密钥）的加密。ECB 模式中明文和密文是一一对应的，相同的明文分组加密将会得到相应的密文分组，因此它不能很好的隐藏模式。

CBC 模式

CBC 加密所需数据：明文 P、加密密钥 Key、初始向量 IV、数据填充模式 M。

CBC 加密步骤如下：

将 P 分为 P0、P1、P2、...、Pn，Px 长度 = 128，长度不足需填充
将 P0、IV 做异或运算得到 P0_IV，用 Key 将 P0_IV 加密得到 C0
将 P1、C0 做异或运算得到 P1_IV，用 Key 将 P1_IV 加密得到 C1
...
将 Pn、C(n-1) 做异或运算得到 Pn_IV，用 Key 将 Pn_IV 加密得到 Cn
拼接 C0、C1、...Cn 得到密文 C

CBC 模式相比 ECB 实现了更好的模式隐藏，但因为其将密文引入运算，加解密操作无法并行操作。同时引入的 IV 向量，还需要加、解密双方共同知晓方可。

CFB 模式

CFB 加密所需数据：明文 P、加密密钥 Key、初始向量 IV。

CFB 加密步骤如下：

将 P 分为 P0、P1、P2、...、Pn，Px 长度 <= 128
用 Key 加密 IV 得到 IV0，将 IV0、P0 做异或运算得到 C0
用 Key 加密 C0 得到 IV1，将 IV1、P1 做异或运算得到 C1
...
用 Key 加密 C(n-1) 得到 IVn，将 IVn、Pn 做异或运算得到 Cn
拼接 C0、C1、...Cn 得到密文 C，加密结束

CFB 模式是用分组算法实现流算法，明文数据不需要按分组大小对齐。

OFB 模式

OFB 加密所需数据：明文 P、加密密钥 Key、初始向量 IV。

OFB 加密步骤如下：

将 P 分为 P0、P1、P2、...、Pn，Px 长度 <= 128
用 Key 加密 IV 得到 IV0，将 IV0 与P0 做异或运算得到 C0
用 Key 加密 IV0 得到 IV1，将 IV1 与P1 做异或运算得到 C1
...
用 Key 加密 IV(n-1) 得到 IVn，将 IVn 与Pn 做异或运算得到 Cn
拼接 C0、C1、...Cn 得到密文 C

CTR 模式

CTR 加密所需数据：明文 P、加密密钥 Key、初始向量 IV。

CTR 加密步骤如下：

将 P 分为 P0、P1、P2、...、Pn，Px 长度 <= 128
生成累加计数器 c0、c1、c2、...、cn
将 IV、c0 进行运算（连接、加和、异或等）得到 IV_c0，用 Key 加密 IV_c0 得到 IV0，将 IV0、P0 做异或运算得到 C0
将 IV、c1 进行运算（连接、加和、异或等）得到 IV_c1，用 Key 加密 IV_c1 得到 IV1，将 IV1、P1 做异或运算得到 C1
...
将 IV、cn 进行运算（连接、加和、异或等）得到 IV_cn，用 Key 加密 IV_cn 得到 IVn，将 IVn、Pn 做异或运算得到 Cn
拼接 C0、C1、...Cn 得到密文 C

PCBC 模式

PCBC 加密所需数据：明文 P、加密密钥 Key、初始向量 IV、数据填充模式 M。

PCBC 加密步骤如下：

将 P 分为 P0、P1、P2、...、Pn，Px 长度 = 128，长度不足需填充
将 P0、IV 做异或运算得到 P0_IV，用 Key 将 P0_IV 加密得到 C0
将 P1、C0、P0 做异或运算得到 P1_IV，用 Key 将 P1_IV 加密得到 C1
...
将 Pn、C(n-1)、P(n-1) 做异或运算得到 Pn_IV，用 Key 将 Pn_IV 加密得到 Cn
拼接 C0、C1、...Cn 得到密文 C