分组密码模式_rfc3610 sp800-38c

分组密码必须搭配一个分组模式，才能加密超过分组长度的明文。

英文：Modes of operation

相关文档：SP 800-38A

Classic modes of operation for symmetric block ciphers

对应文档：NIST SP 800-38A, 2001

• ECB: The most basic but also the weakest mode of operation.

• CBC, Ciphertext Block Chaining;

• CTR, CounTeR, defined in NIST SP 800-38A, section 6.5 and Appendix B. This mode turns the block cipher into a stream cipher.

• CFB, Cipher Feedback. This mode also turns the block cipher into a stream cipher.

• OFB, Output Feedback. Another mode that leads to a stream cipher.

They only provide guarantees over the confidentiality of the message but not over its integrity.

ECB

Electronic CodeBook

该模式直接将明文加密，导致相同的明文会转化为相同的密文，直接观察就能发现重复部分，为破译提供了线索。

对攻击者来说，无需破译就能够操作明文，比如交换付款人和收款人。虽然通过MAC就可以发现这种篡改行为，但其它模式可以直接避免篡改行为。

CBC

Ciphertext Block Chaining

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-bFL2I4MO-1673595762435)(OperationsModes.assets/Figure2The_CBC_Mode.png)]

CBC模式下的明文分组操作如下：

1. 与上一个密文分组异或
2. 加密

首个明文分组则是与初始化向量IV ( Initialization Vector )异或。

每次加密的IV需要进行更换，否则，攻击者监听到两份密文，从中会发现相同的部分，为破译提供线索。

还有一种模式叫做CTS ( Cipher Text Stealing)，使用倒数第二个密文分组作为填充数据。通常搭配ECB和CBC使用。

攻击方式

针对CBC可以对IV进行比特反转攻击，这样首个明文分组对应的比特也会改变。

但对密文分组N这种方式是不行的，因为虽然明文分组N+1对应比特会变化，但明文分组N在解密后会有多个比特的变化。

CFB

密文反馈模式，意思就是把密文分组重新作为加密算法的明文输入进行加密。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0dg86fba-1673595762437)(OperationsModes.assets/Figure3_The_CFB_Mode.png)]

可以把CFB模式看作是流密码（不需要明文填充）。

该模式有以下特点：

• 明文只需要与加密IV和密文进行异或操作，不需要明文填充；

• 加密算法的输出相当于随机源，但因为是计算得到的，并不满足不可预测的要求；

• 密码算法只加密，不解密。

• 必须从第一个明文分组开始加密，不能跳过

攻击方式

Replay attack。

攻击者保留密文1，并截获密文2，将密文2中的后面几个分组替换为密文1的分组。被替换的分组中，除了第一个不能成功解密，其余均可解密。

措施：凡是篡改行为，均可以上MAC。

OFB

输出反馈模式，与CFB很像，该模式也可以看作是流密码。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-lWGN060Y-1673595762438)(OperationsModes.assets/Figure4_The_OFB_Mode.png)]

它和CFB模式的区别，是OFB将加密算法输出直接作为算法输入再次加密，明文只需要与不停加密的IV进行异或操作。

OFB相对CFB有一个优点，异或操作需要的密钥流与明文无关，可以提前准备好，加密时只需要执行异或操作。相比加密算法，异或操作要快得多。

缺点：如果加密算法的输入和输出碰巧一样，那密钥流就一直重复了。这种情况几乎不可能，即使碰到了，不用这个密钥流，换个IV就行了。

CTR

计数器模式，相比OFB，把IV换成计数器作为算法输入即可。

该模式同样可看作流密码。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-fL43Zxwu-1673595762439)(OperationsModes.assets/Figure5_The_CTR_Mode.png)]

相比OFB模式，CTR模式中计数器（密钥流）的值可以由分组序号计算得到，所以可以以任意顺序对分组进行加解密。

攻击方式

针对CTR和OFB，都可以对密文分组进行比特反转攻击。

Modern modes of operation for symmetric block ciphers（待补充）

以下模式又称AEAD ( Authenticated Encryption with Associated Data)，相比传统模式，加入了MAC完整性校验。

• CCM: Counter with CBC-MAC, defined in RFC3610 or NIST SP 800-38C.
• EAX, A Conventional Authenticated-Encryption Mode
• GCM: Galois/Counter Mode, defined in NIST SP 800-38D
• SIV: Synthetic Initialization Vector (SIV), defined in RFC5297
• OCB: Offset CodeBook mode, RFC7253

其它攻击方式

Padding Oracle Attack

填充提示攻击，适用于所有需要分组填充的模式，如ECB和CBC。

攻击者反复重放一段密文，每次都改变一下填充的数据，利用unpad报错信息提供破译线索。

案例：2014年SSL 3.0 Poodle

IV attack

IV需要由不可预测的随机源生成。

案例：TLS 1.0 使用CBC上一次加密的最后一个密文分组作为新的IV。

参考资料

SP 800-38A, Block Cipher Modes of Operation: Methods and Techniques | CSRC (nist.gov)

Block Cipher Techniques | CSRC (nist.gov)