什么是AES算法？（整合版）

转载自玻璃猫程序员小灰

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”

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：

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”。

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：

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）。

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}

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

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。

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。

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）

1.字节替代（SubBytes）

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）

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）

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）

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。

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。

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。

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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