3. 对称密码基础：流密码与分组密码
对称密码是现代密码学的基石，其核心特征是加密和解密使用相同的密钥。根据处理数据的方式不同，对称密码主要分为两大流派：流密码（Stream Cipher）和分组密码（Block Cipher）。理解它们的区别、内部结构以及工作模式，是掌握安全通信协议的前提。
3.1 流密码与分组密码的核心区别
流密码与分组密码的根本差异在于数据处理的粒度和加密状态。
| 对比维度 | 流密码 | 分组密码 |
|---|---|---|
| 处理单位 | 逐比特或逐字节（通常为1比特） | 逐块（如64比特、128比特） |
| 加密方式 | 密钥流与明文流按位异或（XOR） | 对固定大小的明文块进行复杂置换与代换 |
| 状态记忆 | 有状态（内部状态随加密过程变化） | 无状态（每个块独立处理，工作模式引入状态） |
| 典型算法 | RC4、Salsa20、ChaCha20 | AES、DES、SM4 |
| 错误传播 | 无错误传播（单比特错误仅影响对应比特） | 有错误传播（取决于工作模式，可能影响整个块） |
| 适用场景 | 实时流媒体、低延迟通信 | 文件加密、网络协议（TLS/IPsec） |
3.2 Feistel 网络结构
Feistel 网络是设计分组密码的一种经典结构，由 Horst Feistel 在 IBM 提出，是 DES 算法的基础。其核心思想是将数据块分为左右两半，通过多轮迭代，每轮只处理一半数据，并利用轮函数与另一半进行混合。
Lᵢ = Rᵢ₋₁
Rᵢ = Lᵢ₋₁ ⊕ F(Rᵢ₋₁, Kᵢ)其中，i 表示轮数，F 是轮函数，Kᵢ 是第 i 轮的子密钥。经过 n 轮后，输出 (Rₙ, Lₙ) 即为密文块。
3.3 SPN 结构（代换-置换网络）
SPN（Substitution-Permutation Network）是另一种主流的分组密码设计结构，AES 是其最著名的实现。与 Feistel 网络不同，SPN 在每一轮中同时处理整个数据块，通过交替进行“代换”（S-box）和“置换”（P-box）来快速实现混淆与扩散。
- 处理粒度：Feistel 每轮只处理一半数据；SPN 每轮处理整个数据块。
- 轮函数可逆性：Feistel 的轮函数无需可逆；SPN 的 S-box 必须可逆（解密时使用逆 S-box）。
- 扩散速度：SPN 通常比 Feistel 扩散更快，安全性分析更直观。
- 硬件实现：Feistel 更节省硬件资源；SPN 更适合并行化。
3.4 分组密码工作模式
分组密码本身只能加密固定长度的数据块。为了加密任意长度的消息，并增强安全性，需要定义不同的工作模式。以下是五种经典模式。
| 模式 | 全称 | 是否需要 IV | 并行加密 | 错误传播 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| ECB | 电子密码本 | 否 | 是 | 无（块内） | 不建议使用 |
| CBC | 密码分组链接 | 是（随机） | 否 | 影响当前块及下一块 | 文件加密、TLS 1.0 |
| CFB | 密文反馈 | 是（随机） | 否 | 影响当前块及后续块 | 流式加密 |
| OFB | 输出反馈 | 是（随机） | 否 | 无（仅影响当前比特） | 卫星通信 |
| CTR | 计数器 | 是（Nonce + 计数器） | 是 | 无（仅影响当前块） | 磁盘加密、TLS 1.2/1.3 |
3.4.1 ECB 模式（电子密码本）
最简单的模式，每个明文块独立使用相同的密钥加密。相同的明文块产生相同的密文块，容易泄露数据模式，不建议在任何安全场景中使用。
3.4.2 CBC 模式（密码分组链接）
每个明文块先与前一个密文块进行 XOR，然后再加密。第一个块使用随机生成的初始化向量（IV）。CBC 是历史上最广泛使用的模式，但加密过程是串行的，无法并行。
3.4.3 CFB 模式（密文反馈）
将分组密码转换为自同步的流密码。加密时，前一个密文块被送入分组密码加密，输出与当前明文块 XOR 生成密文。解密时，即使丢失一个密文块，也能从后续块中恢复同步。
3.4.4 OFB 模式（输出反馈）
将分组密码转换为同步流密码。加密时，分组密码的输出被反馈到输入，形成密钥流。密钥流与明文 XOR 生成密文。OFB 模式没有错误传播，但需要保持发送方和接收方的密钥流同步。
3.4.5 CTR 模式（计数器）
当前最推荐的工作模式。加密时，使用一个 Nonce（一次性随机数）与递增的计数器拼接，作为分组密码的输入，生成密钥流。CTR 模式支持完全并行化，且预处理密钥流可实现极低延迟。
Cᵢ = Pᵢ ⊕ Eₖ(Nonce || Counterᵢ)其中，Pᵢ 是第 i 个明文块，Cᵢ 是第 i 个密文块，Eₖ 是分组加密函数，Nonce 是每次加密唯一的随机数，Counterᵢ 是递增的计数器值。
3.5 工作模式对比总结
选择工作模式时，需要综合考虑安全性、性能和应用场景。以下是一个快速决策指南：
- 需要并行加密且安全性高：选择 CTR 模式（现代首选）。
- 需要兼容旧系统或标准：选择 CBC 模式（注意 IV 必须随机且不可预测）。
- 需要流式加密且容忍少量错误：选择 CFB 模式。
- 需要无错误传播的流式加密：选择 OFB 模式。
- 不要使用：ECB 模式（除非是加密随机数据且长度固定）。