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Encryption

Encryption

加密（Encryption）是將明文轉換為密文的過程，需要金鑰才能還原。

Block Cipher 區塊加密

區塊加密將資料分成固定大小的區塊（如 AES 為 16 bytes），逐塊進行加密。

加密模式比較

Mode of Operations: ECB / CBC / CFB / OFB / CTR / GCM

AES Mode是否需 Padding加密後長度特性解密是否需 Unpad是否需 IV是否支援 AAD加密後輸出組成備註
ECB✅ 需要Block Size 倍數（16n）✅ 需要❌ 不需❌ 不支援Ciphertext每個 block 獨立 → 同樣明文會產生同樣密文，容易遭模式分析攻擊，不建議使用
CBC✅ 需要Block Size 倍數（16n）✅ 需要✅ 需要❌ 不支援IV + Ciphertext初始 IV 為隨機生成，解密時需帶入，安全性比 ECB 高
CFB❌ 不需要原文等長（n）❌ 不需要✅ 需要❌ 不支援IV + Ciphertext適合逐字節串流加密，加密時使用上個密文塊作為輸入
OFB❌ 不需要原文等長（n）❌ 不需要✅ 需要❌ 不支援IV + Ciphertext類似 CFB，但使用加密後的 IV 為下一次輸入，穩定性較好
CTR❌ 不需要原文等長（n）❌ 不需要✅ 需要（Counter）❌ 不支援Nonce + Counter + Ciphertext將 block cipher 模擬成 stream cipher，支援非同步加解密
GCM❌ 不需要原文等長 + 16 bytes Tag❌ 不需要✅ 需要✅ 支援IV + Ciphertext + Tag加密與認證（AEAD），支援 AAD，最適合 API / JWT / HTTPS 等安全傳輸場景

名詞說明

名詞說明
IV（Initialization Vector）初始向量，用於保證同樣明文每次加密結果不同，通常為隨機產生
Padding為了湊齊 16 bytes，使用 PKCS#7 / ZeroPadding 等方式填充
Tag（驗證碼）GCM 模式下用來驗證密文與 AAD 是否被竄改，解密時若驗證失敗將拋錯
AAD（Additional Authenticated Data）附加驗證資料，不會被加密，但會被簽章驗證（如 API header、使用者 ID 等）
Nonce / CounterCTR / GCM 模式中的計數器（或隨機值），與 IV 角色類似，但可預測及遞增

模式選擇建議

應用場景建議使用的模式
靜態資料加密（不常變）CBC + PKCS7 padding（需管理 IV）
動態傳輸（API / Websocket）✅ GCM（帶驗證 Tag，安全性高）
需要非同步加解密（多線程 / 快取）✅ CTR / GCM
硬體加速支援場景✅ GCM（幾乎所有現代硬體/SDK 都支援）
保密性需求但不怕重複密文可用 CFB / OFB

加密模式圖解

ECB（Electronic CodeBook Mode） 

Plain Block 1      Plain Block 2      Plain Block 3
     |                  |                  |
     v                  v                  v
+----------+       +----------+       +----------+
| Encrypt  |       | Encrypt  |       | Encrypt  |
+----------+       +----------+       +----------+
     |                  |                  |
     v                  v                  v
Cipher Block 1     Cipher Block 2     Cipher Block 3

每個區塊獨立加密，相同明文產生相同密文，容易被分析。

CBC（Cipher Block Chaining Mode） 

IV -----> XOR <---- Plain Block 1
           |
           v
      +----------+
      | Encrypt  |
      +----------+
           |
           v
     Cipher Block 1 -----> XOR <---- Plain Block 2
                            |
                            v
                       +----------+
                       | Encrypt  |
                       +----------+
                            |
                            v
                      Cipher Block 2 -----> XOR <---- Plain Block 3
                                             |
                                             v
                                        +----------+
                                        | Encrypt  |
                                        +----------+
                                             |
                                             v
                                       Cipher Block 3

每個區塊的加密依賴前一個密文區塊，需要 IV 來初始化。

Stream Cipher 串流加密

串流加密逐位元或逐字節處理資料，適合即時加密場景。CTR 模式可將 Block Cipher 模擬成 Stream Cipher。

MAC（Message Authentication Code）

訊息驗證碼用於確認訊息的完整性和來源真實性。

  • HMAC：使用雜湊函數（如 HMAC-SHA256）
  • CMAC：使用區塊加密（如 AES-CMAC）

GCM 模式內建 MAC 功能，提供 AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data）。

E2EE（End-to-End Encryption）

端對端加密確保只有通訊雙方可以讀取訊息內容，中間的伺服器無法解密。

常見應用：

  • 即時通訊（Signal、WhatsApp）
  • 安全郵件（ProtonMail）
  • 視訊會議（Zoom E2EE）
EncodingHashing