Block Ciphers

Block Ciphers 可以譯作分組加密或者分塊加密。

常用 Block Ciphers 相提并論的加密方式是 Stream Ciphers，可譯作串流加密法。兩者都是替換式密碼（Substitution ciphers），都應用了可逆映射（reversible mapping）：

Stream Ciphers

串流加密法是一種對稱密鑰密碼，其中明文數字與偽隨機密碼數字流（密鑰流）相結合。在實踐中，一個數字通常是一個 bit，與異或（XOR）組合操作，把明文訊息逐個 bit 轉換成密文。

典型的 Stream Ciphers 是自動加密的 Vigenère 密碼和 Vernam 密碼。

較有名的 Stream Ciphers 是 RC4。

RC4

RSA DSI 擁有的專有密碼，由 Ron Rivest 設計，簡單但有效。密鑰大小可變，是一種面向字節的串流加密法。在 SSL/TLS、無線 WEP 中廣泛使用。密鑰形成所有 8-bit 的隨機排列，使用該排列來打亂輸入信息，一次處理一個字節。

RC4 Key Schedule:

以數字數組 S 開頭：0..255
使用鍵來完全地打亂
S 形成密碼的內部狀態
給定一個長度為 keylen 個字節的密鑰 K：

for i= 0 to 255 do
   S(i) = i
   T(i) = K(imod keylen)
   j = 0
for i= 0 to 255 do 
   j = (j + S(i) + T(i)) mod 256 
   swap (S(i), S(j))

RC4 加解密：

加密繼續打亂數組值。
已打亂的每對的總和選取 stream key 值。
與要加密/解密的下一個消息字節進行異或（XOR）運算：

i= j = 0 
for each message byte Mi
   i= (i+ 1) mod 256
   j = (j + S(i)) mod 256
   swap(S(i), S(j)) //keep shuffling 
   S()t = (S(i) + S(j)) mod 256
   Ci= Mi⊕S(t)

RC4 的安全性：

聲稱對已知攻擊安全（有一些分析，沒有實踐）。
結果是非常非線性的。
由於 RC4 是一種串流加密法，絕不能重複使用密鑰。
對 WEP 有疑慮，但這部分由密鑰處理而不是 RC4 本身。

明文區塊被視為一個整體，用於生成等長（64 / 128 位）的密文區塊。

密鑰長度/區塊大小/輪數可變。

混合運算符，數據。

費斯妥密碼（Feistel cipher） 是一種用於構造 Block Ciphers 的對稱結構，以 Horst Feistel 命名。

Feistel 提出我們可以利用乘積密碼的概念來逼近理想的分組密碼，即依次執行兩個或多個簡單密碼。

替代：每個明文元素或元素組唯一地被相應的密文元素或元素組替換。

排列：明文元素的序列被該序列的不同排列替換。也就是說，序列中沒有元素被添加、刪除或替換，而是元素在序列中出現的順序發生了變化。

Feistel 加解密：

數據加密標準 Data Encryption Standard (DES):

一種用於加密數字數據的對稱密鑰算法，於 1970 年代初在 IBM 開發。儘管其 56 bits 的短密鑰長度使其對應用程序來說太不安全，它對密碼學的進步產生了很大的影響。

Key size – 56 bits; Block size – 64 bits

DES 算法：

DES 加密：

Electronic Codebook (ECB):

消息被分成獨立的區塊，這些區塊被加密。每個區塊都是一個被替換的值，就像一個密碼本，因此得名。每個區塊都獨立於所有其他區塊。

Ci = De (Pi, K1)

ECB 的優劣：

重複的消息可以反映在密文中。
如果與消息區塊對齊，特別是與圖形等數據或變化很小的消息對齊，這將造成密碼書分析問題。
加密消息區塊是獨立的，這是一個弱點。
因此只有真正發送幾個數據區塊時很有用。

Cipher Block Chaining (CBC):

消息被分成多個區塊，但它們在加密操作中是聯繫在一起的。密碼區塊與明文鏈接，因此得名。

使用已知的初始向量 (IV) 開始流程：

Ci= En (Pi⊕Ci-1, K1)
C0= IV

CBC 的優劣：

每個密文區塊依賴於它之前的所有消息區塊。
最常見的使用模式，消息的更改會影響密文區塊以及原始區塊。
爲了開始流程，需要一個初始值 (IV)，發送方和接收方都必須知道它，IV 必須是一個固定值，或者它可以在消息的其餘部分之前以 ECB 模式加密發送。
在消息的最後，必須處理一個可能出現的最後一個短區塊：用 pad 填充最後一個區塊（通常帶有填充大小的計數），Eg. [b1 b2 b3 0 0 0 0 5] ➔3 data bytes and 5 bytes pad+count

Cipher Feedback (CFB):

消息被視為添加到分組密碼輸出的比特流，結果是下一階段的反饋（因此得名）。標准允許反饋任意數量的 bit（1、8 或 64 或其他），表示為 CFB-1、CFB-8、CFB-64 等。

在實踐中，利用所有 64 位是最有效的，稱之為 CFB-64：

Ci= Pi⊕Sig(En(Pi, K1))
C0= IV

CFB 的優劣：

當數據固有地以位/字節到達時適用。
最常見的流模式。
分組密碼在兩端都用於加密模式。
錯誤在發生之後仍傳播了幾個區塊。

Output Feedback (OFB):

消息被視為比特流，分組密碼的輸出被添加到消息中，然後反饋（因此得名）輸出，因此反饋與消息無關。

可以提前計算：

Ci= Pi⊕Oi
Oi= Si( En(Oi-1, K1))
O0= IV

OFB 的優劣：

用於錯誤反饋有問題的地方。
沒有錯誤傳播，或者在消息可用之前必須進行加密。
與 CFB 類似，但反饋來自分組密碼的輸出，並且與消息無關。
永遠不要重複使用相同的序列（key + IV），發送者和接收者必須保持同步，並且需要一些恢復方法來確保這種情況發生。
雖然最初在標準中指定了 m-bit 的反饋，但隨後的研究表明，應該只使用 64 位 OFB，這是最有效的方式。

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