密文反馈模式CFB

密文反馈模式CFB

   密文反馈模式（CFB）是一种将分组密码变换为流密码的加密方式，支持逐比特或逐字节处理，它适用于需要加密任意长度数据的场合。

核心思想
  流密码化:利用分组密码算法生成密钥流（而非直接用来处理明文数据），与明文逐位/逐字节异或得到密文。
  反馈机制:每一轮的加密输出不仅用于生成密文，还会反馈到移位寄存器中，参与下一轮密钥流的生成。
  自同步性:即使传输过程中丢失部分数据，系统可通过后续正确密文自动恢复同步(但需错误移出寄存器)。

经典模式加解密工作流程：
  17964标准中，每个明文分块加密后的密文结果长度≠反馈变量长度k，所以需要在密文结果左侧填充全1比特，使得反馈变量 为k比特，而后更新到反馈缓存器右侧，并将反馈缓存器左移k位，进行下一轮加密处理。
  一般推荐采用反馈变量长度=明文数据分块长度（17964标准中j=k）的CFB模式，以下是这种经典模式情况

CFB模式允许以小于加密算法分组长度的粒度处理数据，例如在AES（128位分组）中可实现8位、64位等不同粒度的CFB模式。
  8位CFB模式：明文数据的分块大小为8 ，每次加密或解密8bit；
  反馈变量：每次对8bit数据块进行加密或解密后得到的密文结果，反馈更新到缓存器中，即称做反馈变量。
  反馈缓存器：反馈缓存器的长度与加密算法的分组大小一致。，如AES为128位，每次仅更新8位密文到缓存器中

参数说明：
  对称算法分组长度d位；
  选取d位长随机IV；
  明文数据分块，每块大小为s比特（s小于d，并且s为8的倍数），而不是基本分组密码的分组长度d的单元。
  移位寄存器d位长，用来存储反馈缓存。

加密：IV或前一个密文分组被加密，并且其输出的一部分用来与明文分组进行异或操作，产生密文分组。
  首先在d位移位寄存器中填充初始向量IV，接着对寄存器内IV进行加密得到d位密文结果，从加密结果中左侧截取s位数据同明文第一块P1异或，得到第一个s位密文C1，然后将C1 发送出去。接着将移位寄存器左移s位，把C1填入移位寄存器的最后s位，进行下一轮加密，直到所有明文都被加密完。

解密：相同的IV或密文分组被加密，并且其输出的一部分用来与密文分组进行异或操作，恢复出明文。
  IV加载到反馈寄存器中，加密寄存器中IV得到d位密文结果，从密文结果中左侧截取s位数据同密文块C1进行异或得到P1；

  然后更新寄存器状态，寄存器左移s位，将密文块C1放入寄存器右侧s位，进行下一轮解密，直到所有密文都被解密。

注意：解密流程与加密流程只有一点不同，将收到的密文块与加密函数的输出异或得到明文块。
  解密过程中使用的是加密函数而不是解密函数。
  从明文分组到密文分组只需要一次XOR，使用的是前一次密文分组经过加密算法生成的密钥流。

特点：

  1）随机且唯一的IV，IV需要保证完整性
  2）不需要填充，明文长度=密文长度。
    处理：最后一个明文分块可以动态调整。在加密时，如果最后一组明文分块的位数（假设为c位）不够b位（c<s），那也无需填充。只需要将加密算法输出密钥流的低d-c位舍去，保留c位，再与s位明文分组进行异或，得到c位密文分组。

  3）并行计算：仅并行解密，在已知全部密文分组的情况下，可以对每一部分分组开启多线程进行解密；加密不支持并行，需要等待前一组的密文结果

  4）明文特性隐藏：可以隐蔽明文数据结构规律和统计特性，密文分组的重新排序不会导致对相应的明文分组的重新排序。

  5）错误传播：有密文错误传播，密文分组错误敏感
    某一组密文中单独1 bit的错误，首先会引起解密后当前密文分组解密后明文的相应位错误，其次，这个错误的密文分组进入移位寄存器中，被用作下一轮加密的输入，导致下一轮加密的输出也受到影响。这个过程持续进行，直到错误从移位寄存器的另一端中移出，之后的密文才会被正确解密。
    明文的1bit错误，会影响后面所有分组的密文，但解密的明文只有一个分组错误，所以无明文错误扩散。
    影响范围：在n位CFB模式中，一个密文位的错误通常会影响当前块和接下来的m/n块密文的正确解密，其中m是算法分组长度的位数。

  6)自同步优点：CFB是一种自同步流密码，这意味即使传输过程中出现错误，当错误从移位寄存器移出后，后续加密/解密不再依赖错误数据，系统自动恢复同步

  7）不可抵御重放攻击。
  8）类似于CBC，也可以进行字节反转攻击，不过，“收拾烂摊子的人”是这组密文后面的所有密文组。
  9）加密和解密过程都使用分组密码的加密操作

应用：
实时性流数据加密（如视频音频），对特定部分数据进行随机访问的场景。

以AES算法8位CFB模式示例:
  分组长度:AES的分组大小为128bit，反馈缓存器(即移位寄存器)初始存储IV(128bit)。
  反馈机制:每次加密后，生成的8bit密文会被移入缓存器数据的最右侧，缓存器左移8bit。
  加密流程:加密算法的输入始终是完整的128bit缓存器内容，输出结果截取前8bit与明文异或，生成8位密文。
  错误扩散范围:由于缓存器长度远大于反馈位数(如8位AES-CFB模式的128位缓存器)，单个8位密文错误需经过16轮(缓存器总长度/反馈位数=128/8=16)才会完全移出，导致错误影响后续16个8位明文块。
  自同步能力:当错误完全移出缓存器后，系统恢复同步，后续解密正常。