分组密码操作模式
在本章中，我们将讨论分组密码的不同操作模式。这些是通用分组密码的程序规则。有趣的是，不同的模式会导致实现不同的属性，从而增加底层分组密码的安全性。
分组密码处理固定大小的数据块。通常，消息的大小大于块的大小。因此，长消息被分成一系列连续的消息块，并且密码一次对这些块进行操作。
电子密码本 (ECB) 模式
此模式是处理一系列按顺序列出的消息块的最直接的方法。
手术
用户获取第一块明文并使用密钥对其进行加密以产生第一块密文。
然后，他获取第二个明文块，并使用相同的密钥遵循相同的过程，依此类推。
ECB模式是确定性的，即如果明文块P1，P2，…，Pm在同一密钥下被加密两次，则输出的密文块将是相同的。
事实上，从技术上来说，对于给定的密钥，我们可以为所有可能的明文块创建密文码本。然后，加密只需查找所需的明文并选择相应的密文。因此，该操作类似于在码本中分配码字，因此获得了正式名称——电子码本操作模式（ECB）。如下所示 -
欧洲央行模式分析
实际上，任何应用数据通常都具有可以猜测的部分信息。例如，可以猜测工资范围。如果明文消息在可预测的范围内，来自 ECB 的密文可以允许攻击者通过试错来猜测明文。
例如，如果已知 ECB 模式的密文可以加密工资数字，那么少量的试验将允许攻击者恢复该数字。一般来说，我们不希望使用确定性密码，因此在大多数应用中不应使用 ECB 模式。
密码块链接 (CBC) 模式
CBC 操作模式为生成密文提供了消息依赖性，并使系统具有非确定性。
手术
CBC 模式的操作如下图所示。步骤如下 -
将 n 位初始化向量 (IV) 加载到顶部寄存器中。
将 n 位明文块与顶部寄存器中的数据值进行异或。
使用密钥 K 与底层分组密码加密 XOR 运算的结果。
将密文块送入顶部寄存器并继续操作，直到处理完所有明文块。
为了解密，IV 数据与解密的第一个密文块进行异或。第一个密文块也被输入到寄存器中，替换 IV 以解密下一个密文块。
CBC模式分析
在CBC模式下，当前的明文块与前一个密文块相加，然后用密钥对结果进行加密。因此，解密是相反的过程，涉及解密当前密文，然后将先前的密文块添加到结果中。
CBC 相对于 ECB 的优点是，更改 IV 会导致相同消息产生不同的密文。缺点是，由于连锁效应，传输中的错误在解密过程中会传播到其他几个块。
值得一提的是，CBC 模式构成了众所周知的数据源认证机制的基础。因此，它对于那些需要对称加密和数据源身份验证的应用程序具有优势。
密码反馈 (CFB) 模式
在此模式下，每个密文块都会“反馈”到加密过程中，以便加密下一个明文块。
手术
CFB 模式的操作如下图所示。例如，在本系统中，消息块具有大小“s”个位，其中1<s<n。CFB 模式需要一个初始化向量 (IV) 作为初始随机 n 位输入块。IV 不必保密。操作步骤是 -
将 IV 加载到顶部寄存器中。
使用密钥 K 使用底层分组密码对顶部寄存器中的数据值进行加密。
仅取加密过程输出的第 s 个最高有效位（左位），并将它们与第 s 位明文消息块进行异或以生成密文块。
通过将已经存在的数据向左移动，将密文块送入顶部寄存器，并继续操作，直到处理完所有明文块。
本质上，使用密钥对先前的密文块进行加密，然后将结果与当前的明文块进行异或。
解密也遵循类似的步骤。预先确定的 IV 在解密开始时首先加载。
CFB模式分析
CFB 模式与 ECB 模式有很大不同，给定明文块对应的密文不仅取决于该明文块和密钥，还取决于之前的密文块。换句话说，密文块取决于消息。
CFB有一个很奇怪的特点。在这种模式下，用户仅使用分组密码的加密过程来解密密文。从未使用底层分组密码的解密算法。
显然，CFB 模式正在将分组密码转换为一种流密码。加密算法用作密钥流生成器来生成放置在底部寄存器中的密钥流。然后将该密钥流与明文进行异或，就像流密码的情况一样。
通过将分组密码转换为流密码，CFB 模式提供了流密码的一些有利属性，同时保留了分组密码的有利属性。
另一方面，传输错误由于块的改变而传播。
输出反馈 (OFB) 模式
它涉及将连续的输出块从底层分组密码反馈回它。这些反馈块提供比特串来馈送加密算法，加密算法在 CFB 模式的情况下充当密钥流生成器。
生成的密钥流与明文块进行异或运算。OFB 模式需要 IV 作为初始随机 n 位输入块。IV 不必保密。
下图描述了该操作 -
计数器 (CTR) 模式
它可以被认为是基于计数器的CFB模式，没有反馈。在这种模式下，发送方和接收方都需要访问可靠的计数器，该计数器在每次交换密文块时计算新的共享值。这个共享计数器不一定是秘密值，但挑战是双方必须保持计数器同步。
手术
CTR模式下的加密和解密如下图所示。操作步骤是 -
对于发送方和接收方来说，在顶部寄存器中加载初始计数器值是相同的。它与 CFB（和 CBC）模式中的 IV 的作用相同。
用密钥加密计数器的内容并将结果放入底层寄存器中。
取出第一个明文块 P1 并将其与底部寄存器的内容进行异或。结果是C1。发送 C1 到接收器并更新计数器。计数器更新取代CFB模式下的密文反馈。
以这种方式继续，直到最后一个明文块被加密。
解密是相反的过程。密文块与计数器值的加密内容的输出进行异或。每个密文块解密后，与加密情况一样更新计数器。
计数器模式分析
它不具有消息依赖性，因此密文块不依赖于先前的明文块。
与CFB模式一样，CTR模式不涉及分组密码的解密过程。这是因为 CTR 模式实际上是使用分组密码来生成密钥流，并使用 XOR 函数对其进行加密。换句话说，CTR 模式还将分组密码转换为流密码。
CTR 模式的严重缺点是它需要发送方和接收方有同步计数器。同步丢失会导致明文恢复不正确。
而CTR模式几乎具有CFB模式的所有优点。此外，它根本不会传播传输错误。