AES

沐沐2024年11月12日约 1547 字大约 5 分钟

4.3 AES

Advanced Encryption Standard。

AES 加密算法采用分组密码体制，每个分组数据的长度为128位16个字节，密钥长度可以是128位16个字节、192位或256位，
一共有四种加密模式，我们通常采用需要初始向量 IV 的 CBC 模式，初始向量的长度也是128位16个字节。

在AES中，分组长度只能是128 bit，也就是16个字节。(1个字节等于8位，1 Byte = 8 Bit)。
密钥长度可以为三者中的任意一种。最广泛的使用是密钥128 bit，迭代轮数10轮。

AES算法流程图

Rijndael算法是基于代换-置换网络（SPN，Substitution-permutation network）的迭代算法。

明文数据经过多轮次的转换后方能生成密文，每个轮次的转换操作由轮函数定义。

轮函数任务就是根据密钥编排序列（即轮密码）对数据进行不同的代换及置换等操作。

AES 加密的五个关键词，分别是：分组密码体制、Padding、密钥、初始向量 IV 和四种加密模式。

分组密码体制

所谓分组密码体制就是指将明文切成一段一段的来加密，然后再把一段一段的密文拼起来形成最终密文的加密方式。

AES 采用分组密码体制，即 AES 加密会首先把明文切成一段一段的，而且每段数据的长度要求必须是128位16个字节，
如果最后一段不够16个字节了，就需要用 Padding 来把这段数据填满16个字节，然后分别对每段数据进行加密，
最后再把每段加密数据拼起来形成最终的密文。

Padding

Padding 就是用来把不满16个字节的分组数据填满16个字节用的。

它有三种模式 PKCS5、PKCS7 和NOPADDING。

PKCS5 是指分组数据缺少几个字节，就在数据的末尾填充几个字节的几，比如缺少5个字节，就在末尾填充5个字节的5。

PKCS7 是指分组数据缺少几个字节，就在数据的末尾填充几个字节的0，比如缺少7个字节，就在末尾填充7个字节的0。

NoPadding 是指不需要填充，也就是说数据的发送方肯定会保证最后一段数据也正好是16个字节。

那如果在PKCS5 模式下，最后一段数据的内容刚好就是16个16怎么办？
那解密端就不知道这一段数据到底是有效数据还是填充数据了。
因此对于这种情况，PKCS5 模式会自动帮我们在最后一段数据后再添加16个字节的数据，而且填充数据也是16个16，
这样解密段就能知道谁是有效数据谁是填充数据了。 PKCS7 最后一段数据的内容是16个0，也是同样的道理。

解密端需要使用和加密端同样的 Padding 模式，才能准确的识别有效数据和填充数据。

我们开发通常采用 PKCS7 Padding 模式。

初始向量IV

初始向量 IV 的作用是使加密更加安全可靠，我们使用 AES 加密时需要主动提供初始向量，
而且只需要提供一个初始向量就够了，后面每段数据的加密向量都是前面一段的密文。

初始向量 IV 的长度规定为128位16个字节，初始向量的来源为随机生成。

密钥

AES 要求密钥的长度可以是128位16个字节、192位或者256位，位数越高，加密强度自然越大，
但是加密的效率自然会低一些，因此要做好衡量。

通常采用128位16个字节的密钥，使用 AES 加密时需要主动提供密钥，而且只需要提供一个密钥就够了，
每段数据加密使用的都是这一个密钥，密钥来源为随机生成。

四种加密模式

AES 一共有四种加密模式，分别是：

ECB（电子密码本模式）
CBC（密码分组链接模式）
CFB
OFB

我们一般使用的是 CBC 模式。

四种模式中除了 ECB 相对不安全之外，其它三种模式的区别并没有那么大。

ECB 模式是最基本的加密模式，即仅仅使用明文和密钥来加密数据，相同的明文块会被加密成相同的密文块，
这样明文和密文的结构将是完全一样的，就会更容易被破解，相对来说不是那么安全，因此很少使用。

而 CBC 模式则比 ECB 模式多了一个初始向量 IV，加密的时候，第一个明文块会首先和初始向量 IV 做异或操作，
然后再经过密钥加密，然后第一个密文块又会作为第二个明文块的加密向量来异或，依次类推下去，
这样相同的明文块加密出的密文块就是不同的，明文的结构和密文的结构也将是不同的，
因此更加安全，我们常用的就是 CBC 加密模式。

加密与解密代码样例

Java

加密

private static String aesEncrypt(byte[] skey, String input) throws Exception {
    SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(skey, "AES");

    AlgorithmParameterSpec iv = new IvParameterSpec(skey, 0, 16);

    // 实例化
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
    // 初始化。设置为加密模式
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, iv);
    // 执行
    byte[] bres = cipher.doFinal(input.getBytes());

    String base64Data = Base64.encodeBase64String(bres);
    System.out.println(base64Data);

    return base64Data;
}

解密

private static String aesDecrypt(byte[] skey, String encBase64Data) throws Exception {
    byte[] encData = Base64.decodeBase64(encBase64Data);

    // 生成秘钥
    SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(skey, "AES");
    AlgorithmParameterSpec iv = new IvParameterSpec(skey, 0, 16);
    // 实例化
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
    // 初始化。设置为加密模式
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, iv);
    // 执行
    byte[] s = cipher.doFinal(encData);

    String rs = new String(s, "UTF-8");
    System.out.println(rs);

    return rs;
}