参考文档：【加密算法】AES

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。

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：

在这里插入图片描述

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(16byte)。

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）。

AES加密的填充方式：

  • NoPadding：不做任何填充，但是要求明文必须是 16 字节的整数倍，一般不会使用。
  • 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
  • PKCS7Padding：对于 AES 来说 PKCS5Padding 和 PKCS7Padding 是完全一样的，不同在于 PKCS5 限定了块大小为 8bytes 而PKCS7 没有限定。在 AES 加密当中严格来说是不能使用 pkcs5 的，因为 AES 的块大小是 16bytes 而 pkcs5 只能用于 8bytes，通常我们在 AES 加密中所说的 pkcs5 指的就是 pkcs7！
  • ZerosPadding：全部填充 0x00，无论缺多少全部填充 0x00，已经是 128bits 倍数仍要填充。
  • 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

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。

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。

  • 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

3.1 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。

在这里插入图片描述

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：

  1. 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。

3.2 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。

在这里插入图片描述

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？

  1. 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。

4. 加密流程

加密会经历以下流程：

  1. 初始轮（Initial Round） 1次
  2. 普通轮（Rounds） N次
  3. 最终轮（Final Round） 1次

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

初始轮只有一个步骤：

  1. 加轮密钥（AddRoundKey）

普通轮有四个步骤：

  1. 字节代替（SubBytes）
  2. 行移位（ShiftRows）
  3. 列混淆（MixColumns）
  4. 加轮密钥（AddRoundKey）

最终轮有三个步骤：

  1. 字节代替（SubBytes）
  2. 行移位（ShiftRows）
  3. 加轮密钥（AddRoundKey）

接下来，我们对步骤进行详解

4.1 字节替代

在这里插入图片描述

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]。

4.2 行位移

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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

4.3 列混淆

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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。

4.4 加轮密钥

4. 加轮密钥（AddRoundKey）

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。

解密流程基本是把加密流程倒置过来，顺序变为最终轮 -> 普通轮 -> 初始轮。扩展密钥的使用顺序也和加密相反。