汽车信息安全--对称加密算法工作模式简析

xiaocheng

目录

1.对称加密算法

2.AES加密算法工作模式

2.1 ECB(Electronic Code Book Mode)

2.2 CBC(Cipher Block Chaining Mode)

2.3 CTR(ConterMode)

2.4 OFB(Output Feedback Mode)

2.5 CFB(Chiper Feedback Mode)
        2.6 XTS

        2.7 GCM

3.总结

之前我们聊到了汽车网络渗透路径，那么对于这些攻击常见的安全防御机制有哪些呢？所谓安全机制，是指用于保护系统免受侦听、阻止安全攻击并且恢复系统的机制，在特定协议层实现的机制，我们叫做特定安全机制，常见的措施有：（1）加密：利用数学算法将数据转换成不可直接识别的格式，依赖算法和密钥（2）数字签名：依赖公钥、私钥配合使用（3）数据完整性：基于特定的过程生成数据校验值，并附在原始数据之后；保证数据或数据流不被非授权篡改、伪造等（4）认证交换：双方通过交换信息以相互证实身份（5）访问控制：对系统资源进行访问控制的机制这次主要就对称加密算法这一安全机制来简单描述下。
1.对称加密算法

对称密码体制，又称为单密钥密码机制，其基本特征为加密密钥和解密密钥相同，模型如下：

这种方式，攻击者可以通过不安全的公开通信通道获取密文，但无法接触到明文或者密钥； 如果该攻击者知道加密算法和解密算法，且只对当前获取的密文感兴趣，可以产生一个明文的估计值来恢复明文；如果对未来消息感兴趣，可以来产生一个密钥来恢复密钥。       对称加密算法是基于分组密码机制产生，将一组明文划分为m长度的n组明文，分别使用密钥K=（k0,....,kx）进行加密或者解密，m长度通常为64、128、256、512。
2.AES加密算法工作模式

分组密码算法是提供数据安全的一个基本固件，典型的如DES(Data Encryption Standard)以64位为一组，AES(Advanced Encryption Standard)以128位（举例）为一个分组；但实际上保密传输的消息不一定刚好是一个分组，根据国标GB/T 17964-2008《信息安全技术 分组密码算法的工作模式》，为了各种应用能使用这些基本固件，因此有7种常用的工作模式；下面来解释一下：2.1 ECB(Electronic Code Book Mode)

ECB，叫做电子密码本模式，例如AES128-ECB这种模式下，明文以128bit为一组，每次被处理128bit，每个明文都用同一个密钥加密；

解密过程使用同样的密钥进行解密。这种模式操作简单，不同分组可以并行处理；但是明文中重复的内容同样也会在密文中体现出来，因此对于长报文可能不是很安全。2.2 CBC(Cipher Block Chaining Mode)

CBC，密码分组链模式；加密函数的输入是当前明文分组和前一个密文分组的异或，对每个分组处理时也使用相同的密钥，如下

这种模式下，一个消息中的两个相同明文组会被加密成不同的密文，这样就避免了ECB出现的重复密文的问题。在最初加密时，需要使用初始向量（Initial Vector），这个IV需要发送方和接收方都知道，不用加密，但必须保证该IV的完整性。该种模式不能并行处理，因为当前明文需要和上一组密文进行异或处理。2.3 CTR(ConterMode)

计数器模式使用与明文分组长度相同的计数器长度，计数器从某一初值开始，按某种算法递增，计数器值经过加密算法得到的结果再和明文进行异或，这样就可以得到当前明文组的密文。

可以看到，计数器模式下的加密和解密相对独立，且已知加密函数，和计数器值，就可以通过异或的方式得到明文，不需要解密函数。实现起来简单易懂。2.4 OFB(Output Feedback Mode)

输出反馈模式，该模式和CBC有点相像，但是区别在于OFB是将IV去进行加密后得到一个输出OBi 与明文块进行异或，同时OBi作为下一个加密对象的IV。如下图：

2.5 CFB(Chiper Feedback Mode)
密码反馈模式，与输出反馈模式结构类似。但是这种模式的密文是按bit来处理的，如下：

在该模式下，首先IV作为第一个block进行加密，生成第一个输出block；该block的s bit高位与明文的s bit高位作异或得到密文块，b(block size)-s不参与加密；b-s低位的数据 | 该密文块作为下一个block的输入。2.6 XTS(XEX Tweakable Block Cipher with Ciphertext Stealing)

XTS引入了tweak key和AES key互相配合，每个明文块用同样的AES key但tweak key不相同。比如设置与区块的index成对应关系，这样各个块的加解密就相互独立了，如下：

相当于就在ECB上形式上增加了一层加扰系数 。参考链接：https://www.researchgate.net/figure/Diagram-of-XTS-AES-block-Encryption-procedure_fig1_221505095 2.7 GCM(Galois/Counter Mode)

它在 CTR 加密的基础上增加 GMAC 的特性，解决了 CTR 不能对加密消息进行完整性校验的问题。参考链接 https://blog.csdn.net/T0mato_/article/details/53160772
3.总结

上面描述了对称加密算法的工作模式，那么我们在设计时主要考虑以下几个方面：（1）抵抗攻击的能力、密文的随机性、安全防护等级（2）调用分组加密的次数、并行处理能力、初始化向量时间等（3）明文分组数量可配、消息长度等要求