03 对称加密算法与分组模式（Algorithms & Modes of Operation）

Domain 3 · 分组密码的 7 种模式 + 主流算法 DES/3DES/AES

一句话秒懂

对称算法怎么”切数据来加密”有 7 种套路（模式）；而具体用哪把”锁”有 DES、3DES、AES 等。其中 AES 是当今标准，ECB 是最弱模式要避开。

生活类比

模式(mode)像”怎么把长信分段加密”：最简单是每段单独锁（ECB，但相同段落锁出来一样，易泄露规律）；更好的是每段锁时掺入上一段的痕迹（CBC），让相同内容每次都不同。

核心概念（大白话 + 原书定义）

1. 分组密码模式（Block Cipher Modes）

| 模式 | 特点 | 安全性 | |—|—|—| | ECB（电子密码本） | 每块独立加密，相同明文→相同密文 | 最弱，仅用于极短数据/密钥交换 | | CBC（密码分组链接） | 每块与前一块密文 XOR（首块用 IV），错误会传播 | 仅保密，未认证 | | CFB | CBC 的流版本，实时数据 | 仅保密 | | OFB | 用种子值 XOR，错误不传播 | 仅保密 | | CTR（计数器） | 计数器生成密钥流，可并行 | 仅保密 | | GCM（Galois/CTR） | CTR + 认证标签 | 认证模式（保密+完整） | | CCM | CTR + CBC-MAC | 认证模式（保密+完整） |

分类：ECB/CBC/CFB/OFB/CTR = 未认证模式（只保密）；GCM/CCM = 认证模式（保密+完整性）。GCM/CCM 用于需要防篡改的场景。

2. 主流对称算法

• DES（数据加密标准，1977）：64 位分组、64 位密钥但仅 56 位有效（其余 8 位奇偶校验），16 轮。已不安全，被 AES 取代。仍重要因为它是 3DES 的组件。
• 3DES（三重 DES）：用 2–3 把独立密钥反复加-解-加（如 EDE3：E(K1,D(K2,E(K3,P))）。理论 168 位，实际因攻击降至 112 位。2024 年 1 月 1 日起美国联邦政府禁用 3DES；私有行业仍可见，但应避免。
• IDEA：64 位分组、128 位密钥，曾用于 PGP。
• Blowfish：64 位分组，密钥 32–448 位可变，比 DES/IDEA 快，用于 SSH。
• RC 系列（Rivest Ciphers）：
  • RC4：流密码，密钥 40–2048 位，曾用于 WEP/WPA/SSL/TLS，现已被攻破不安全，TLS 已禁用。
  • RC5 / RC6：分组密码；RC6 曾是 AES 候选但未入选。
• AES（高级加密标准，FIPS 197，2001）：当今标准，用于美国政府敏感但未机密数据。
  • 算法=Rijndael；固定 128 位分组；密钥三选一：128/192/256 位。
  • 轮数随密钥长度：128→10 轮，192→12 轮，256→14 轮。
  • 一句话：要最强就选 AES-256。

真实案例

• WEP 之死：WEP 用 RC4，因 RC4 漏洞 + 实现缺陷被轻易破解，Wi-Fi 安全从 WEP→WPA→WPA2/AES 演进，印证”弱算法必须淘汰”。
• 3DES 退场：联邦 2024 禁用，说明算法也有”保质期”。

考试怎么考

• 题型 A：问”哪种模式提供保密+完整性认证” → GCM 或 CCM；问”最不安全、相同明文出相同密文” → ECB。
• 题型 B：AES 轮数（128→10 / 192→12 / 256→14）；DES 有效密钥 56 位；3DES 实际强度 112 位。
• 必记混淆项：① DES 密钥常写 64 位但有效 56 位；② ECB 弱、仅短数据；③ AES 固定块 128、可变密钥；④ 3DES 2024 联邦禁用、RC4 已不安全。

记忆口诀

“模式七种：ECB 最弱、CBC/CFB/OFB/CTR 只保密、GCM/CCM 带认证；算法认 AES（128块、轮数10/12/14）；DES 56、3DES 112 且 24 年起联邦禁用；RC4 流密码已废。”

自测

1. 若使用 AES-256 加密，算法执行多少轮加密？（答：14 轮）
2. 在需要同时保证数据保密性和完整性的场景中，应优先选用哪类分组模式？（答：认证模式 GCM 或 CCM）