一种分组密码的工作模式

Ｅ　
一
种分组密码的工作模式　
黄文庆　
（菏泽学院计算机与信息工程系，山东菏泽２７４０１５）　

摘要：分组密码工作模式是利用分组密码解决实际问题的密码方案，文章简要介绍了四种分组密码工作模　
式，并在此基础上提出了一种改进方法。　
关键词：分组密码；ＣＢＣ；ＯＦＢ；加密技术　
中图分类号：ＴＰ３０９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—２３７４（２０１　１）２５—００８５—０２　

分组密码处理消息的长度是固定的，而实际应用　
中需要处理的消息则是任意长度，因此，引出分组　密码的工作模式。１９８０年美国国家标准局为ＤＥＳ推出　ＥＣＢ、ＣＢＣ、ＯＦＢ￣ＮＣＦＢ四种保密工作模式，随后，这些　模式被包含在ＩＳＯ的６４＿ｂｉｔｓ的模式标准中。为了尽可　能地利用以前的标准和降低成本，美国国家标准和技　术协会也将这４个模式列为ＡＥＳ的模式标准。下面仅简　要介绍ＣＢＣ和ＯＦＢ￣２作模式的优缺点及研究进展。　一、基础知识　（一）ＣＢＣ工作模式　ＣＢＣ（Ｃｉｐｈｅｒ　Ｂｌｏｃｋ　Ｃｈａｉｎｉｎｇ）工作模式如图１　所示，ＣＢＣ模式的加密首先也是将明文分成固定长度　的块（Ｐ。，Ｐ　．），与ＥＣＢ模式不同的是，ＣＢＣ模式增　加了反馈机制。即将前面一个加密块输出的密文与下　一个要加密的明文块进行０（异或）操作计算，然后　将计算结果输入加密器用密钥进行加密得到密文。第　一明文块加密的时候，因为前面没有加密的密文，所　以需要一个初始化向量（ＩＶ），使用初始化向量要求　用同一个密钥加密的消息所使用的ＩＶ是惟一的；ＩＶ不　需要保密，它可以明文形式与密文一起传送。跟ＥＣＢ　方式不一样，通过连接关系，使得密文跟明文不再是　一一对应的关系，破解起来更困难，而且克服了只要　简单调换密文块可能达到目的的攻击。　图１　ＣＢＣ模式的加密方程为：Ｃ　＝Ｅ　（　０Ｃ　）；解密　方程为：　＝Ｃｉ一，０Ｄ　（Ｃ　）。　ＣＢＣ工作模式针对于ＥＣＢ（电子密码本）来说，优　
点很明显：能隐藏明文的模式信息；在每次加密明文　
分组时候使用不同的信息与密文进行运算，因此针对　
于相同的明文可以生成不同的密文。　
但是，ＣＢＣ工作模式中存在反馈形式的迭代，而　
有反馈形式的迭代属于“数据顺相关”，只能串行执　
行；ＣＢＣ存在误差传递现象，即在ＣＢＣ传输过程中一旦　
出现差错，将导致整个明文损坏；因此，需要对模式　
本身进行改造。　
（二）ＰＣＢＣ工作模式　
ＰＣＢＣ（Ｐａｒａｌｌｅ１　Ｃｉｐｈｅｒ　Ｂｌｏｃｋ　Ｃｈａｉｎｉｎｇ）工　
作模式是在ＣＢＣ的基础上，引入多个初始化向量Ｖ　，　
ｖ　，…Ｖ　。ｍ为处理进程的个数。假设数据被分成ｎ　
块，在加密数据时，第一个数据块Ｐ。加密使用Ｖ。做初　
始化向量，第二个数据块Ｐ　加密使用Ｖ　做初始化向　
量，依次类推，在第ｍ＋１个数据块加密时候，则又使　
用第一个数据块Ｐ。加密使用ｖ。做初始化向量。图２给出　
ＰＣＢＣｊＪＨ密过程：　

图２　
在ＰＣＢＣ］２作过程中，第ｉ个进程在ｔ时刻处理的明　

文序号为ｔ・ｍ＋ｉ，任一明文分组Ｐｊ在第Ｊ　ｄｉｖ　ｍ时刻被Ｊ　
ｍｏｄ　ｍ个进程处理，加密方程为：　

０≤Ｊ＜ｍ　
Ｊ≥ｍ且，ｉＯｍｏｄｍ　

≥ｍ—　ｍｏｄｍ≠０　

２０１　１　０９　ｏ中闯高新技术企业８５　

一　
Ｉ　（Ｃｊ）０，』０　Ｊ＜　
＝
｛Ｄ，（Ｃｊ）０Ｃ一）　Ｊ　０ｍｏｄｍ　
ＩＤ　（Ｃｊ）０Ｃ　一】）　Ｊ　ｍ且ｆｍｏｄｍ≠０　

在每次进行ｍ个明文分组加密时，进程之问需要　
进行一次通信，通信内容为加密的密文，而此时通信　
开销要比计算开销大，则此种方式进行并行运算效果　
不理想。　
（三）ＯＦＢ工作模式　
ＯＦＢＴ作模式（Ｏｕｔｐｕｔ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ）：即输出反馈　
模式：在这种工作模式下，分组密码转换为流密码；　
隐藏了明文模式；在传输过程中，密文块损坏只影响　
对应的明文块，不会造成错误传递；在传递处理信息　
时，可进行预处理，消息长度为任意。　
缺点是：可能对明文进行主动攻击；存在输出反　
馈，难以进行并行运算；需要共同的移位寄存器初始　
值ＩＶ，对于不同的消息，ＩＶ必须唯一；通信双方必须　
同步，否则难以解密，不过可以采用带有同步时钟的　
编码进行解决。ＯＦＢ工作模式如图ａＭ示：　

匝　圈　
囡　甲　宣ｒ　ｌ　

图３　
二、改进　
现在描述ＯＦＢＩ作模式的改进方法，新工作模式　
可同时保障信息的完整性与保密性。这里需要两个长　
度为ｋ的密钥。密钥被称为Ｋ　和Ｋ　。将明文Ｐ分为长度　
为ｋ的明文Ｐ　，Ｐ　，…，Ｐ　。在初始向量（ＩＶ）中选中　
长度为ｎ的位。ＩＶ作为一个初始值，和Ｋ，异或，产生一　
个序列Ｓ。，…，ｓ　。密文消息Ｃ＝ｃ。，Ｃ　，…，　Ｃ　。　
加密伪代码如下：　
ＣＯ＝ＩＶ　
ｆｏｒ　ｊ＝１　ｔｏ　ｍ　ｄｏ　
Ｍｊ　Ｐｊ　０　ｓＪ　
Ｎ＿＝ｆＫ１（Ｍ｛）　

８６　ｏ中圈高毒Ｉ｝琏　企业２０１　１　０９　

Ｃｊ　Ｎｊ　０　Ｓｊ　
ｅｎｄ　ｆｏｒ　
ｃｈｅｃｋｓｕｍ＝０　。　
Ｍｒ＋】＝ｃｈｅｃｋｓｕｍ＠Ｓ　
Ｎｍ＋ｌ＝ｆＫ１（Ｍ　＋１）　
Ｃｍ＋１＝Ｎ　＋１０Ｓ０　
在上述过程中，关键的是如何使用ＩＶ和Ｋ　产生一　
个序ｐｕｓ。，…，Ｓｍ＋ｌ的，方法如下：　
Ｗｌ　ｆＫ２（ＩＶ）　
ｆｏｒ　ｉ＝２　ｔｏ　ｔ　ｄｏ　
Ｗｉ　ｆＫ２（Ｗ１＋ｉ－２）　
ｅｎｄ　ｆｏｒ　
加密过程如图４所示：　

强班　＿一　—１　一｛　～｛　

图４　
三、结论　
本文给出的分组密码的几种并行工作模式，就加　
密而言，算法是自适应的，进程个数无限制。解密　
时，对于ＰＣＢＣ模式而言，可以根据接受方拥有的资源　
来确定使用的处理进程的个数，算法是自适应的；但　
对改进的模式而言，由于解密方程中仍存在数据依赖　
关系，加密时一旦确定了处理进程个数ｍ，解密时处　
理进程的个数只能在一定的范围内进行选择。ｏ　

参考文献　
【１】吴文玲，冯登国．分组密码工作模式的研究现状［ｎ．计　
算机学报，２００６，（１　
【２Ｊ殷新春，陈伟鹤，谢力＿分组密码的并行工作模式【Ｉ】．小　
型微型计算机系统，２００５，（４）．　
［３］Ｃｈａｒａｎｆｉｔ　Ｓ．Ｊｕｔｌａ．Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｓ　ｗｉｔｈ　Ａｌｍｏｓｔ　Ｆｒｅｅ　
Ｍｅｓｓａｇｅ　Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ．Ｉｎ：Ｐｆｉｔｚｍａｎｎ　Ｂ．ｅｄ．Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　
Ｃｒｙｐｔｏｌｏｇｙ－－Ｅｕｒｏ　ｃｒｙｐｔ’０１
．
Ｌｅｃｔｕｒｅ　Ｎｏｔｅｓ　ｉｎ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　

Ｓｃｉｅｎｃｅ　２０４５．Ｂｅｒｌｉｎ：Ｓｐ　ｒｉｎｇｅｒ２　Ｖｅｒ２１ａｇ，２００１．　

（责任编辑：陈倩）