什么是AES算法?(整合版)

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假设有一个发送方在向接收方发送消息。如果没有任何加密算法,接收方发送的是一个明文消息:“我是小灰”


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如果消息被中间人截获到,即使中间人无法篡改消息,也可以窥探到消息的内容,从而暴露了通信双方的私密。


因此我们不再直接传送明文,而改用对称加密的方式传输密文,画风就变成了下面这样:


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具体工作的步骤如下:


1.发送方利用密钥123456,加密明文“我是小灰”,加密结果为TNYRvx+SNjZwEK+ZXFEcDw==。


2.发送方把加密后的内容TNYRvx+SNjZwEK+ZXFEcDw==传输给接收方。


3.接收方收到密文TNYRvx+SNjZwEK+ZXFEcDw==,利用密钥123456还原为明文“我是小灰”。



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1.密钥


密钥是AES算法实现加密和解密的根本。对称加密算法之所以对称,是因为这类算法对明文的加密和解密需要使用同一个密钥


AES支持三种长度的密钥:

128位,192位,256位


平时大家所说的AES128,AES192,AES256,实际上就是指的AES算法对不同长度密钥的使用。



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2.填充


要想了解填充的概念,我们先要了解AES的分组加密特性。


什么是分组加密呢?我们来看看下面这张图:


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AES算法在对明文加密的时候,并不是把整个明文一股脑加密成一整段密文,而是把明文拆分成一个个独立的明文块,每一个明文块长度128bit。


这些明文块经过AES加密器的复杂处理,生成一个个独立的密文块,这些密文块拼接在一起,就是最终的AES加密结果。


但是这里涉及到一个问题:


假如一段明文长度是192bit,如果按每128bit一个明文块来拆分的话,第二个明文块只有64bit,不足128bit。这时候怎么办呢?就需要对明文块进行填充(Padding)。



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NoPadding:

不做任何填充,但是要求明文必须是16字节的整数倍。


PKCS5Padding(默认)

如果明文块少于16个字节(128bit),在明文块末尾补足相应数量的字符,且每个字节的值等于缺少的字符数。

比如明文:{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节,则补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6}

ISO10126Padding:

如果明文块少于16个字节(128bit),在明文块末尾补足相应数量的字节,最后一个字符值等于缺少的字符数,其他字符填充随机数。

比如明文:{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节,则可能补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,5,c,3,G,$,6}

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3.模式


AES的工作模式,体现在把明文块加密成密文块的处理过程中。AES加密算法提供了五种不同的工作模式:


ECB、CBC、CTR、CFB、OFB


模式之间的主题思想是近似的,在处理细节上有一些差别。我们这一期只介绍各个模式的基本定义。


ECB模式(默认):

电码本模式    Electronic Codebook Book


CBC模式:

密码分组链接模式    Cipher Block Chaining


CTR模式:

计算器模式    Counter


CFB模式:

密码反馈模式    Cipher FeedBack


OFB模式:

输出反馈模式    Output FeedBack



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1. kgen.init传入的第一个参数128决定了密钥的长度是128bit


2. Cipher.getInstance(“AES/CBC/NoPadding”)决定了AES选择的填充方式是NoPadding,工作模式是CBC模式。



几点补充:


1.我们在调用封装好的AES算法时,表面上使用的Key并不是真正用于AES加密解密的密钥,而是用于生成真正密钥的“种子”。


2.填充明文时,如果明文长度原本就是16字节的整数倍,那么除了NoPadding以外,其他的填充方式都会填充一组额外的16字节明文块。



以上就是AES的基本概念。但我们是有追求的程序员,不能知其然不知其所以然。下面来给大家讲一讲AES算法的底层原理




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在这里我们重新梳理一下:


1.把明文按照128bit拆分成若干个明文块。


2.按照选择的填充方式来填充最后一个明文块。


3.每一个明文块利用AES加密器和密钥,加密成密文块。


4.拼接所有的密文块,成为最终的密文结果。



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具体分成多少轮呢?

初始轮(Initial Round)  1次

普通轮(Rounds)          N次

最终轮(Final Round)   1次


上一期我们提到,AES的Key支持三种长度:AES128,AES192,AES256。Key的长度决定了AES加密的轮数。


除去初始轮,各种Key长度对应的轮数如下:

AES128:10轮

AES192:12轮

AES256:14轮


不同阶段的Round有不同的处理步骤。


初始轮只有一个步骤:

加轮密钥(AddRoundKey)


普通轮有四个步骤:

字节代替(SubBytes)

行移位(ShiftRows

列混淆(MixColumns)

加轮密钥(AddRoundKey)


最终轮有三个步骤:

字节代替(SubBytes)

行移位(ShiftRows

加轮密钥(AddRoundKey)



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1.字节替代(SubBytes)


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首先需要说明的是,16字节的明文块在每一个处理步骤中都被排列成4X4的二维数组。


所谓字节替代,就是把明文块的每一个字节都替代成另外一个字节。替代的依据是什么呢?依据一个被称为S盒(Subtitution Box)的16X16大小的二维常量数组。


假设明文块当中a[2,2] = 5B(一个字节是两位16进制),那么输出值b[2,2] = S[5][11]。



2.行移位(ShiftRows)


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这一步很简单,就像图中所描述的:

第一行不变

第二行循环左移1个字节

第三行循环左移2个字节

第四行循环左移3个字节



3.列混淆(MixColumns)


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这一步,输入数组的每一列要和一个名为修补矩阵(fixed matrix)的二维常量数组做矩阵相乘,得到对应的输出列。



4.加轮密钥(AddRoundKey)


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这一步是唯一利用到密钥的一步,128bit的密钥也同样被排列成4X4的矩阵。


让输入数组的每一个字节a[i,j]与密钥对应位置的字节k[i,j]异或一次,就生成了输出值b[i,j]。


需要补充一点,加密的每一轮所用到的密钥并不是相同的。这里涉及到一个概念:扩展密钥(KeyExpansions)。



扩展密钥(KeyExpansions)


AES源代码中用长度 4 * 4 *(10+1) 字节的数组W来存储所有轮的密钥。W{0-15}的值等同于原始密钥的值,用于为初始轮做处理。


后续每一个元素W[i]都是由W[i-4]和W[i-1]计算而来,直到数组W的所有元素都赋值完成。


W数组当中,W{0-15}用于初始轮的处理,W{16-31}用于第1轮的处理,W{32-47}用于第2轮的处理 ……一直到W{160-175}用于最终轮(第10轮)的处理。



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1.ECB模式


ECB模式(Electronic Codebook Book)是最简单的工作模式,在该模式下,每一个明文块的加密都是完全独立,互不干涉的。



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这样的好处是什么呢?

1.简单

2.有利于并行计算


缺点同样也很明显:

相同的明文块经过加密会变成相同的密文块,因此安全性较差。



2.CBC模式


CBC模式(Cipher Block Chaining)引入了一个新的概念:初始向量IV(Initialization Vector)。


IV是做什么用的呢?它的作用和MD5的“加盐”有些类似,目的是防止同样的明文块始终加密成同样的密文块。


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从图中可以看出,CBC模式在每一个明文块加密前会让明文块和一个值先做异或操作。IV作为初始化变量,参与第一个明文块的异或,后续的每一个明文块和它前一个明文块所加密出的密文块相异或。


这样以来,相同的明文块加密出的密文块显然是不一样的。


CBC模式的好处是什么呢?

安全性更高


坏处也很明显:

1.无法并行计算,性能上不如ECB

2.引入初始化向量IV,增加复杂度。



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原文始发于微信公众号(程序员小灰):什么是AES算法?(整合版)

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