AES对称加密算法简记（一）

AES对称加密算法简记（一）

AES简介

最近在看AES，做一个简单的记录。
AES算法是高级加密标准（AES，Advanced Encryption Standard）为最常见的典型的对称加密算法（微信小程序加密传输就是用这个加密算法的）。

与哈希摘要算法不同

它跟MD5，SHA这样的哈希摘要算法有什么不同？
对称加密不同于信息摘要，是真正意义上的加密算法。我们来看看下面这个例子：
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，接收方接收的是一个明文消息“我是小明”。

如果消息被中间人截获到，即使中间人无法篡改信息，也可以窥探到信息内容，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：

具体工作的步骤如下：

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

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

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

摘要算法是不可逆的，它的主要作用是对信息一致性和完整性的校验。而对称加密算法是可逆的，它的主要作用是保证私密信息不被泄露。
具体的加密流程如下图：

下面简单介绍下各个部分的作用与意义：

明文P

没有经过加密的数据。

密钥K

用来加密明文的密码，在对称加密算法中，加密与解密的密钥是相同的。密钥为接收方与发送方协商产生，但不可以直接在网络上传输，否则会导致密钥泄漏，通常是通过非对称加密算法加密密钥，然后再通过网络传输给对方，或者直接面对面商量密钥。密钥是绝对不可以泄漏的，否则会被攻击者还原密文，窃取机密数据。

AES加密函数

设AES加密函数为E，则 C = E(K, P)，其中P为明文，K为密钥，C为密文。也就是说，把明文P和密钥K作为加密函数的参数输入，则加密函数E会输出密文C。

密文C

经加密函数处理后的数据

AES解密函数

设AES解密函数为D，则 P = D(K, C)，其中C为密文，K为密钥，P为明文。也就是说，把密文C和密钥K作为解密函数的参数输入，则解密函数会输出明文P。

对称加密算法与非对称加密算法

对称加密算法

对称加密算法也就是加密和解密用相同的密钥。这种加密方式加密速度非常快，适合经常发送数据的场合。缺点是密钥的传输比较麻烦。

非对称加密算法

加密和解密用的密钥是不同的，这种加密方式是用数学上的难解问题构造的，通常加密解密的速度比较慢，适合偶尔发送数据的场合。优点是密钥传输方便。常见的非对称加密算法为RSA、ECC和EIGamal。

实际中，一般是通过RSA加密AES的密钥，传输到接收方，接收方解密得到AES密钥，然后发送方和接收方用AES密钥来通信。

一个特性和三个基本的概念

AES算法是DES算法的替代者，也是当今最流行的对称加密算法之一。要想学习AES算法，首先要弄清楚三个基本的概念：密钥、填充、模式。
在了解这三个基本概念之前先要了解一个特性：AES的分组加密特性。

分组加密

什么是分组加密呢？我们来看看下面这张图：

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，每一个明文块长度相等。在AES标准规范中，分组长度只能是128位（128bit），也就是说，每个分组为16个字节（每个字节8位）。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，直到加密完所有的明文块，然后再将这些密文块拼接在一起，就是最终的AES加密结果。

这就是分组加密。

分组加密的安全性

任何分组密码模式都存在信息的泄露，没有一个是完美的，任何分组模式都可能会泄露信息，这只是一个概率的问题。

碰撞概率计算：
M个明文块，块长为N，以两个块组成一对，
不同块的对数为：M(M-1)/2
两个块相等的概率为：1/2的n次方
密文块相等的数量期望为：M(M-1)/2的n+1次方
则当M(M-1)=2的n+1次方时候，即M约等于2的n/2次方时发生碰撞的概率约等于1。
例如：分组长度为64，则当块数为2的32次方时，即加密数据2的32次方*64bit=256G时便会发生碰撞。

所以分组密码的安全不仅和秘钥长度有关还和分组长度有关。

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。
那么，AES128，AES192，AES256在使用效果上有什么不同呢？
从安全性来看，AES256安全性最高。从性能来看，AES128性能最高。本质原因是密钥的长度不同，加密处理轮数不同。
密钥长度与加密处理轮数，如下表所示：

AES密钥长度（32位比特字)分组长度(32位比特字)加密轮数
AES-128   4   4   10  
AES-192   6   4   12  
AES-256   8   4   14  

轮数在下面介绍，这里实现的是AES-128，也就是密钥的长度为128位，加密轮数为10轮。

有一个值得注意的是：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”。

填充

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）。
AES在不同的语言实现中有许多不同的填充算法，我们只举出集中典型的填充来介绍一下。

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}

NoPadding：
不做任何填充，但是要求明文必须是16字节的整数倍。

需要注意的是，如果在AES加密的时候使用了某一种填充方式，解密的时候也必须采用同样的填充方式。
填充简单的描述就是将明文填充到满足分组大小，解密后再把填充去掉。规则为：

缺几个字节填充几个自己的几（如缺5个字节，填充5个字节的5）；如果不需要填充，即明文长度原本就是16字节的整数倍，那么除了NoPadding以外，其他的填充方式都会添加一个额外的分组（16字节明文块），分组中填充分组大小（如分组大小为64，填充16个字节的16）。

模式

分组密码在加密时明文分组的长度是固定的，而实用中待加密消息的数据量是不定的，数据格式可能是多种多样的。为了能在各种应用场合安全地使用分组密码，通常对不同的使用目的运用不同的工作模式。
AES加密算法提供了五种不同的工作模式：ECB、CBC、CFB、OFB、CTR。
这些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。
同样的，如果在AES加密的时候使用了某一种工作模式，解密的时候也必须采用同样的工作模式。

电码本模式（ECB，Electronic Codebook Book）

将整个明文分成若干段相同的小段，然后对每一小段进行加密。
如同DES的ECB，就是将数据按照8个字节一段进行AES加密或解密得到一段8个字节的密文或者明文，最后一段不足8个字节，按照需求补足8个字节进行计算，之后按照顺序将计算所得的数据连在一起即可，各段数据之间互不影响。

优：操作简单，易于实现；分组独立，易于并行；误差不会被传送。——简单，可并行，不传送误差。

缺：掩盖不了明文结构信息，难以抵抗统计分析攻击。——可对明文进行主动攻击。

密码分组链模式（CBC，CipherBlock Chaining）

先将明文切分成若干小段，然后每一小段与初始块或者上一段的密文段进行异或运算后，再与密钥进行加密。

优：能掩盖明文结构信息，保证相同密文可得不同明文，所以不容易主动攻击,安全性好于ECB,适合传输长度长的报文,是SSL、IPSec的标准。

缺：不利于并行计算；误差传递，前一个出错则后续全错；需要初始化向量IV，第一个明文块需要与一个初始化向量IV进行抑或，初始化向量IV的选取比较复杂。

密码反馈模式（CFB，CipherFeedBack）

密文反馈模式类似于CBC，可以将块密码变为自同步的流密码；工作过程亦非常相似，CFB的解密过程几乎就是颠倒的CBC的加密过程：
需要使用一个与块的大小相同的移位寄存器，并用IV将寄存器初始化。然后，将寄存器内容使用块密码加密，然后将结果的最高x位与平文的x进行异或，以产生密文的x位。下一步将生成的x位密文移入寄存器中，并对下面的x位平文重复这一过程。解密过程与加密过程相似，以IV开始，对寄存器加密，将结果的高x与密文异或，产生x位平文，再将密文的下面x位移入寄存器。
与CBC相似，平文的改变会影响接下来所有的密文，因此加密过程不能并行化；而同样的，与CBC类似，解密过程是可以并行化的。

优：隐藏了明文模式；分组密码转化为流模式；可以及时加密传送小于分组的数据。

缺：不利于并行计算；误差传送：一个明文单元损坏影响多个单元；唯一的IV。

输出反馈模式（OFB，OutputFeedBack）

密码算法的输出（指密码key而不是密文）会反馈到密码算法的输入中，OFB模式并不是通过密码算法对明文直接加密，而是通过将明文分组和密码算法的输出进行XOR来产生密文分组。
就是将块密码变成同步的流密码。它产生密钥流的块，然后将其与平文块进行异或，得到密文。与其它流密码一样，密文中一个位的翻转会使平文中同样位置的位也产生翻转。这种特性使得许多错误校正码，例如奇偶校验位，即使在加密前计算而在加密后进行校验也可以得出正确结果。
每个使用OFB的输出块与其前面所有的输出块相关，因此不能并行化处理。然而，由于平文和密文只在最终的异或过程中使用，因此可以事先对IV进行加密，最后并行的将平文或密文进行并行的异或处理。
可以利用输入全0的CBC模式产生OFB模式的密钥流。这种方法十分实用，因为可以利用快速的CBC硬件实现来加速OFB模式的加密过程。

优：隐藏了明文模式；结合了分组加密和流密码（分组密码转化为流模式）；可以及时加密传送小于分组的数据。

缺：不利于并行计算；需要生成秘钥流；对明文的主动攻击是可能的；误差传送：一个明文单元损坏影响多个单元。

计数器模式（CTR，Counter）

完全的流模式。将瞬时值与计数器连接起来，然后对此进行加密产生密钥流的一个密钥块，再进行XOR操作 。

优：不泄露明文；仅需实现加密函数；无需填充；可并行计算。

缺：需要瞬时值IV，难以保证IV的唯一性。

对比CBC和CTR

CBC需要填充；CTR不用填充。

CBC不可并行；CTR可并行速度快。

CBC需要实现加密和解密函数；CTR实现简单，仅需实现加密函数。

鲁棒性：CBC强于CTR——使用重复瞬时值，CBC会泄露初始明文块，CTR会泄露所有信息。如果有好的瞬时值选择策略，采用CTR，否则采用CBC。如加密成绩单，可选用CTR，因为学号唯一。可作为瞬时值。

流密码

上面的几个模式中，有的都提到了流密码或流模式。
序列密码也称为流密码（Stream Cipher），它是对称密码算法的一种，一次加密明文中的一个位（分组密码，也叫块加密(block cyphers)，一次加密明文中的一个块）。是指利用少量的密钥（制乱元素）通过某种复杂的运算（密码算法）产生大量的伪随机位流，用于对明文位流的加密。

参考链接

https://www.cnblogs.com/liangxuehui/p/4651351.html

https://blog.csdn.net/qq_23993447/article/details/80539641

https://blog.csdn.net/includeiostream123/article/details/51066799