对称加密算法模式简介_aes xts

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为什么会有很多加密模式存在？

        在对称加密算法中，我们常用的AES和SM4是不是可以满足所有的应用需求的数据块加密呢？比如我们将大量数据存放到硬盘中，又比如通信两端传输大量数据的应用场景。答案是否定的，如果简单的使用AES去加密所有的信息，则比较容易被破解，因为相同的数据块加密后的结果是一样的。假设我们将数据分为多块，每一块的数据加密后同时又影响到另一块的数据加密，然后依次影响后面的数据加密，这样的加密方案才是更加安全的，于是诞生了多种加密模式。不同加密需求适用于不同的加密模式；

下面（一 ，二，三，四，五）为最常见的五种加解对称加解密模式，剩下的是不常用的模式

一：ECB（Electronic Codebook Mode）电码本模式

如下图所示，将信息分组，然后对每组信息使用key加密，其实就是无模式加密，图中P为明文，E为加密算法，C为密文；图来源国家密码局

1.1 应用场景：

在计算机终端之间，或多人公用一个计算机终端，所交换的二级制数据可能有重复或者共同使用的序列。

1.2 性质：

需要将加密数据进行分组，如果最后一组数据不够长，需要进行填充；

优点：可以单独对某一个分组消息进行加解密；

缺点：相同的分组信息，得到的加密密文是一样的，这种方式容易收到“字典攻击”。要注意组之间的码间干扰。

二：CBC（Cipher Block Chaining）密码分组链接

如下图所示，将数据进行分组，将明文与上一组密文异或后，再进行加密；第一组明文和初始向量IV异或；

即：Ci = EK(Pi ^ Ci-1)

2.1应用背景：

从其加密方式来看，即使我们知道密钥和初始值IV，也很难得破解其中一个组的明文，也就说，这种加密方式最好适用于一块快数据，比如我们的磁盘，或者固态硬盘；IV我们设置为其数据块的初始地址，计算机读取磁盘数据是基于数据块的，对于整个磁盘，我们可以使用多个加密密钥key。

2.2 性质：

优点：相比于ECB，上一级数据的加密会影响到下一级的数据，且是用来IV 和 key两个参数用于加密，这种加密方式更安全。

缺点：没法单独对某一个小的分组数据来加解密，如果数据长度很小，那这种方式不太适合

三：CFB(Cipher Feedback ) 密文反馈模式

CFB模式如下图所示，CFB和CBC有点类似，对初始向量进行加密，然后上一级密文输出影响下一级的加密，区别是在于，上一级的密文不是直接影响，而是先做一个数据转换；

简述加密过程：

1. 设定一个初始值IV，二进制为r个比特，然后直接赋值给FB1；

2. 取FB1的前n个比特，做为加密的数据输入

3. 取加密后的数据的前 j 个比特与分组密文异或得到本组的密文 C1

4. 在密文C1前面拼接上 k-j 个 比特 1， 使其长度为 k bit；

5. 将步骤4中 k bit数据 拼接在FB1的后面

6. 将取步骤5数据的后 r 比特作为下一轮FB2的数据

7. 重复步骤2 ~ 6, 得到所有分组密文

3.1 应用背景

对应采用CBC来加密，使用相同的IV和key可以得到相同的密文，更加增加安全性，于是可以把IV增长，想要获得密文，得需要另外一个参数 n， 也就是取IV前多少bit来加密；加密系统每增加一个参数，其系统也就越复杂一级。

3.2 性质：

系统安全性增加了，因为多了几个参数，k，j，n，r；另外由于我们加密的是IV及其中间变量，对分组明文的位宽并没有定义，所以可以不必按照AES，SM4来划分分组明文的大小。

四: OFB(Output Feedback) 输出反馈模式

OFB与CBC比较类似，CBC的密文是通过加密  分组明文与上级密文的异或；而OFB的密文是 明文与加密中间值前 j 比特的异或；即我们通过对初始值IV反复加密，然后用分组明文Pi与 加密每组的输出的前 j 比特异或。如下图所示：

4.1 应用背景：

该模式算是CBC的一个简单的升级版，安全性简单提高了。

4.2 性质：

优点：可以通过 j 的大小来控制明文分组的数量，，缺点：安全性不够高，需要经常更换IV和key

五：CTR(Counter mode) 计数器模式

算法说明：分组加密的明文是 明文与 计算器值T的加密结果 异或；也就是每组的T是在前一个T上加一个常数，作为加密算法的输入。

如果最后一组数据位宽d不匹配加密输出的结果，可以只取加密值的前d bit异或。

这里的Ti是一个计数器的值，也就是 Ti+1 = Ti + m，至于这里T1的取值是啥呢？没有明确规定，可以是地址，可以是TRNG的一个值，或随机设定的一个数；n一般取1，也可以协商，

5.1 应用背景：

在一些常用的磁盘，或者大量数据存储的场景使用比较多

5.2 性质：

优点：可以并行处理，吞吐量与并行度成正比；使用不同计数器，得到不同密文

缺点：我也不知道，我不是研究密码学的，大家得找找论文，看看其破解难度与其他算法的定量区别。

六 :XTS(XEX  tweak ciphertext stealing) 带密文挪用模式

算法说明：初始值TW也叫teeak值，先经过加密后得到T1，然后每乘一次阿尔法a得到一个Ti；分组明文先与Ti异或，然后再经过加密，加密后结果与当前的Ti异或，结果为本组的密文。

如果最后一组明文为d bit数长度小于分组长度n，我们需要对最后一组和倒数第二组特殊处理，如下图，把倒数第二组得到的明文的最后 前d bit 最后最后一组的密文输出，n-d bit 拼接到最后一组明文的后面组成n bit，进过加密后，输出密文作为倒数第二组的最终密文输出。

从算法结构上来看，初始值TW不仅经过加密模块，同时又称上 阿尔法a，明文也经过加密模块，这里的乘法是基于伽罗化域的。相比于CTR来说，这里的安全性更高，因为CTR值是每次简单递增，而XTS是经过了有限域乘法计算的。

6.1 应用背景：

该算法最常用的就是磁盘扇区加密，USB接口，等特殊的加密环境，其中tweak值用扇区地址表示，只要使用相同的密钥和tweak就可以得到相同的明文；

6.2 性质：

优点：可并行处理，吞吐量与并行度成正比，不同tweak下，相同明文产生不同的密文，加密安全性增加；

缺点：由于加入了有限域乘法，每轮两个加密操作，使得计算更加复杂，硬件实现面积更大，相对情况下，工作频率更低。

七：HCTR(Tweakable Enciphering Scheme)带泛杂凑函数的计数器模式

算法说明：

1. 明文分组为P1 P2，... , Pq， 已知一个初始值TW

2. 先利用压缩函数Hk2得到Z1中间变量，Z1 = P1^Hkz( P2|P3|...Pq|TW)

3. 利用加密函数AES或者SM4加密Z1 得到Z2

4. 生成C2...Cq ;生成方法就是上面讲的计数器模式CTR，count 为1,2,...,q-1

5. 利用压缩函数生成明文C1，C1=Z2^Hkz(C2|C2...|Cq|TW)

其中压缩函数表达式为：

HK2（M1|M2|...Mm-1) = M1*K^(m+1) ^ M2*K^(m)... ^(Mm|zero(n-d))*K2 ^(m1|m2..Mm-1)*k

公式说明：

压缩过程为：Mi 乘 K的m+1次幂，一共有m个改乘法，如果Mm的位宽d小于分组位宽n，则尾部补0，最后一组乘法为m个Mi拼接乘K，最后这些乘法的结果异或得到了压缩值，这里的乘法是伽罗华域乘，异或为二进制域。

从图上来看，输出密文为，P2，P3..., Pq，P1与所有的输入有关，好像是一种hash，因为只要有输入改变，那P1一定会变，类似于GCM模式；是不是可以认为这种模式就是AES-GCM的国密版呢？

7.1 应用背景：与XTS一样，用于磁盘扇区加密等特殊加密环境

7.2 性质：

优点：支持并行加解密（除第一行外）

HCTR明文和密文长度一样，无论加解密，任意输入数据的变化，都会来带输出比特的变化，安全性高

缺点：计算度复杂，硬件实现面积要大很多

八：BC(Block Chaing) 分组模式

与之前的XTS比较类似，不做介绍了，加密过程可以直接冲图上看出

九：OFBNLF(Output Feedback Non-lineing Function)带非线性函数的输出反馈模式

算法说明，将输入初始值IV经过加密，形成迭代的密钥Ki，然后每个Ki作为加密的K与明文加密，得到输出密文，过程比较简单，不做过多介绍；

十：GCM(Galios Count Mode)伽罗华域计数模式

从下图来看，GCM加密模式是在计数器模式上多增加了一个GHASH的功能，这样，通过对比TAG值来确定数据源是否被篡改；图上H值是用密钥对128bit 0加密所得；MultH为GF(2,128)的乘法，密文的获取和计数器模式一样，，每一级的tag值为 上一级tag * H 再异或上输出密文；最后一个级tag值为 迭代最后一级乘H，然后与A|C长度异或，再乘H，再与counter0加密值异或；

GCM最大的功能就是增加了Hash功能，防止信息被篡改。

我们将加密后的消息，与Auth tag一起 发送出去，接受者将数据解密后，同时计算Auth tag值，如果计算的值与消息中附加的值一致，我们可以认为消息是没被篡改的。    

类似这种带MAC的，还有很多种模式，如果OCB-MAC，CCM-MAC，OMAC，PMAC，CMAC等等，有些已经形成了标准，有些还没有，大家根据实际需求，按照应用场景选择模式加密模式和MAC方式；

十一：GCM模式 python实现

待我慢慢补充完善，算法说明，python脚本，verilog硬件实现