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五月 2019
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Kingston IronKey 硬體加密 USB 隨身碟與外接式 SSD 固態硬碟採用AES-XTS 區塊加密模式

XTS - 最佳加密的關鍵

要達到最安全的 USB 隨身碟加密，僅僅使用憑證來驗證使用者身份是不夠的。Kingston IronKey™ 硬體加密 USB 隨身碟和外接式 SSD 固態硬碟具備使用 XTS 區塊加密模式的 256 位元 AES 加密功能。相較於其它區塊加密模式（例如 CBC 和 ECB），XTS 能夠提供更完善的資料保護。

以下內容詳細介紹作為資料保護設備從頭開始設計的 IronKey 硬碟的安全優勢。

全磁碟加密 AES 區塊加密運算模式

進階加密標準，或稱 AES（Advanced Encryption Standard），是一種以 128 位元對區塊進行加密的區塊加密。為了加密任何大於 128 位元的區塊，AES 使用區塊加密模式。在 AES 規格中，有許多不同的 AES 區塊加密模式。其中最簡單的區塊加密模式為電子密碼書（Electronic Code Book, ECB）。加密塊鍊接（Cipher Block Chaining, CBC）則修正了 ECB 安全性上的弱點，並且是攜帶式加密隨身碟上最常採用的模式。XTS 是最新的區塊加密模式之一，它在資料保護的強度上，更勝於 ECB 和 CBC 。以下我們將針對這些區塊加密模式進行簡要說明。

「電子密碼書（ECB）」。 基本上，這個加密模式每隔 128 位元的資料區塊，就會重複 AES 加密程序。圖 1 是採用 ECB 模式資料加密的示意圖。每個區塊都使用了採相同加密金鑰的 AES，分別進行加密。 當需要解密時，則反轉此程序。在使用 ECB 模式時，相同的未加密資料區塊（簡稱純文字），將採用同一種方式進行加密，並且將會產生相同的加密資料區塊（加密文字）。由於無法有效的隱藏資料格式，因此 ECB 並不是最理想的加密模式。從圖 2 的範例，您可以看出這種加密模式在安全上的主要弱點。

Figure 1, ECB

Electronic Code Book (ECB)
圖 1

左側為未加密的圖片。右側的圖片是當我們使用諸如 CBC 或 XTS 等其它加密模式時，所顯示的純文字內容。中央的圖片則很明顯的顯示出了採用 ECB 模式的弱點。由於加密區塊中，相同的圖片畫素格式會產生完全相同的加密區塊，因此洩漏了原始的圖片。

很顯然地，我們不應該採用會產生相同加密文字的方式，來加密相同的資料區塊。由於 ECB 區塊加密模式的低安全性，因此我們不建議使用這種加密模式。

Original Image Encrypted using ECB mode Encrypted using other mode

原始圖片

採用 ECB 模式加密

採用其它模式加密

圖 2

「加密塊鍊接（CBC）」。 前面我們提過 ECB 的主要弱點，是肇因於採用一種會產出相同加密文字的方式，來加密相同的資料區塊。改善這個問題的目標，是達到一種加密方式，能夠對採用相同加密金鑰的各個區塊（即使 2 個以上的區塊完全相同）加密的同時，產出不同的加密文字。「加密塊鍊接」便是為了達成此目的而設計。圖 3 是 CBC 加密模式的示意圖。

此模式將會產出 128 位元的初始化向量（initialization vector, IV），並將其與磁區中第一個區塊的純文字結合。這個資料是使用專屬的 OR (XOR) 功能來進行結合。接下來，所產出的 128 位元資料將會由 AES 加密演算法進行加密並儲存於媒體中。所產出的加密文字將會被傳至下一個區塊，並且與該區塊的純文字結合、加密和儲存。這個鍊接程序會在磁區中的各個區塊重覆。此程序將能夠確保相同資料的區塊產出完全不同的加密文字。因此，CBC 的安全性比 ECB 更好，並且公認適合於各種安全性應用所採納。許多加密隨身碟都使用 CBC。

Figure 3, Cipher Block Chaining (CBC) - Encryption

Cipher Block Chaining (CBC) - Encryption
圖 3

AES-XTS 區塊加密模式。最初指定為 IEEE Std 1619-2007，NIST 在 2010 年已將 XTS 新增至 AES 區塊加密模式的清單中。XTS 是最新的區塊加密模式，同時也是 IronKey 硬碟使用的加密模式。它的設計，讓我們在 CBC 等其它區塊加密模式以外，有了更好的選擇。它能夠排除其他模式中的一些潛在弱點，防範某些更為精密複雜的旁通道攻擊。圖 4 是簡化的 XTS 模式區塊圖表

XTS 使用兩種 AES 金鑰。 其中一種用來執行 AES 區塊加密；另一種則用來加密所謂的「調整值（Tweak Value）」。這種加密調整，還有各區塊中的純文字和加密文字，進一步的經過伽羅瓦多項式函數（GF）和 XOR 的修改。GF 函數提供更大範圍的擴散，並確保相同資料的區塊不會產出相同的加密文字。這個方式，使相同的純文字在沒有使用初始化向量和鍊接的情況下，就能夠達到讓各個區塊產出獨特加密文字的目標。在效果上，文字幾乎（但並非完全）透過兩種獨立的金鑰獲得了雙重加密。我們可以反轉此程序來解密資料。由於每個區塊各自獨立，沒有經過鍊接，如果儲存的加密資料受損並且成為損毀資料，只有位於此特定區塊的資料將無法被還原。當使用鍊接模式時，這些錯誤則會在解密時傳布到其它區塊。

Figure 4, Electronic Code Book (ECB) - Encryption

圖 4

結論

AES-XTS 可讓 Kingston IronKey 硬體加密磁碟機比其他市場上的產品具有更高的資料安全性。內建的安全處理器包含了所有的安全功能，提供高規格的安全性和攜帶性。

此外，這些裝置強制執行複雜的密碼保護，並在指定次數的無效密碼嘗試後鎖定，並且在最終加密擦除硬碟的資料。以堅固耐用的防水外殼進行封裝，這些裝置能夠為資料提供最高的安全性和保護。對於需要最高等級資料保護的客戶，選擇具有最新 FIPS 140-3 3 級認證的 IronKey 硬碟，可為最高價值的資料提供軍用等級安全性。IronKey 企業和軍用等級加密硬碟提供三到五年保固和免費技術支援。