FFX 模式 - 保留格式的加密技術

Posted on 2025-07-31

在資訊安全的領域中，資料加密是保護敏感資訊的關鍵手段。然而，傳統的加密方法通常會改變資料的原始格式與長度，這在許多既有系統中可能會引發問題，例如資料庫欄位長度不符、或是無法通過格式檢驗。

為了解決這個問題，「保留格式加密」（Format Preserving Encryption, FPE）技術應運而生，而 FFX 模式正是實現 FPE 的一種重要框架。

本文將探討 FFX 模式的核心概念、運作原理，以及其在現代資訊安全中的應用。

什麼是 FFX 模式？

FFX 是一種基於區塊加密（Block Cipher）的加密模式，其核心目標是在加密過程中，讓密文的格式與明文完全相同。舉例來說，如果您的信用卡號是 16 位數字，經過 FFX 加密後的密文，依然會是一串 16 位的數字。這使得加密後的資料能夠無縫整合到既有的系統與應用程式中，無需修改資料庫結構或應用程式的邏輯。

FFX 的運作流程

graph LR
    A[明文資料] --> B(1. 去除檢查碼);
    B --> C(2. 轉換為進位制字串);
    C --> D{3. FFX 加密};
    D --> E(4. 轉換回格式資料);
    E --> F(5. 補上新檢查碼);
    F --> G[加密資料];

graph LR
    H[加密資料] --> I(1. 去除檢查碼);
    I --> J(2. 轉換為進位制字串);
    J --> K{3. FFX 解密};
    K --> L(4. 轉換回格式資料);
    L --> M(5. 補回原檢查碼);
    M --> N[明文資料];

根據文件中的圖示，FFX 的加解密流程包含幾個關鍵的初始化步驟，確保資料在加密前後都能維持其特定格式，尤其是當資料包含檢查碼（Checksum）時，例如信用卡號或身分證字號。

其主要流程如下：

預處理（明文 -> 加密）：
- 去除檢查碼：首先，將原始明文資料中的檢查碼（例如 Luhn 演算法產生的信用卡末碼）移除。
- 轉換為進位制字串：接著，將不含檢查碼的資料轉換成一個純粹的數字或字母字串（Numeral String），也就是 $STR_{radix}(x)$。
FFX 核心加密：
- 將處理過的字串輸入 FFX 加密模組，進行加密運算。
後處理（產生加密資料）：
- FFX 輸出的加密字串，其格式與長度會和輸入時相同。
- 補上檢查碼：系統會為這個新的加密字串計算並補上一個新的、有效的檢查碼。
- 轉換回原始格式：最後，將帶有新檢查碼的加密字串轉換回最終的格式化資料。

解密的過程則完全相反，從去除加密資料的檢查碼開始，透過 FFX 解密，最後再將原始檢查碼補回，還原成最初的明文資料。 FFX Encryption Process

核心結構：費斯妥網路 (Feistel Network)

FFX 的核心演算法多採用費斯妥網路（Feistel Structure）。這是一種對稱式加密的結構，它將待加密的資料區塊分成左右兩半（A 和 B），並透過多輪（Rounds）的運算來完成加密。

在每一輪中，其中一半的資料會與一個由密鑰（Key）和另一半資料所生成的函數進行運算，其結果再與另一半資料進行互斥或（XOR）運算。經過一輪運算後，左右兩半會互換。這個過程會重複數次。由於這個過程是可逆的，解密時只需將相同的金鑰以相反的順序應用即可。

FFX 的不同變體

NIST（美國國家標準暨技術研究院）在其 SP 800-38G 指南中，定義了幾種 FFX 的演算法變體，文件中提到了 FF1、FF2 及 FF3-1。

FF1：是一個被廣泛採用的標準，其演算法較為複雜，涉及多個步驟來生成每一輪加密所需的偽隨機數。
FF2 (OFF2)：由 VeriFone 公司提出，作為 FF2 的擴展，其結構與 FF1 相似，但使用了不同的參數和函數來進行運算。
FF3-1：是 FF3 的修訂版，同樣採用費斯妥網路，但其輪數（8 輪）比 FF1（10 輪）少，並在處理 tweak（用於調整加密的額外參數）和資料反轉（Reversing）上有其獨特的設計。

系統導入注意事項

在考慮導入 FFX 這類 FPE 技術時，有幾點需要特別注意：

格式範圍（Domain Size）：需要明確定義資料的可能範圍，例如純數字、英數混合等。
檢查碼：確認資料是否包含檢查碼，以及其生成規則。
搜尋需求：是否需要在加密後的資料庫中進行搜尋？這會影響索引（Indexing）的設計。
金鑰與初始向量（Key & Tweak/IV）：確保金鑰和 Tweak（或 IV）具有足夠的隨機性，是保障加密強度的根本。

總結來說，FFX 模式提供了一個強大且實用的解決方案，讓企業能在不更動既有系統架構的前提下，對敏感資料進行高強度的加密，兼顧了安全性與系統相容性的需求。

參考資料

NIST SP 800-38G - FFX 模式的官方標準文件。
Wikipedia - Format Preserving Encryption - FPE 的概述與歷史背景。