【加密算法】AES
本文介绍了AES加密算法供了五种不同的工作模式、明文填充模式、默认加密模式和填充模式。
哈希摘要算法:MD5,SHA,不可逆
对称加密算法:AES,可逆(DES的替代者)
1.**
**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**。
AES支持三种长度的**: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**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)。
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。
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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} -
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。因此对于AES来说两者完全相同,但是对于Rijndael就不一样了。AES是Rijndael在块大小为8bytes时的特例,对于使用其他信息块大小的Rijndael算法只能使用PKCS7
2020.5.24更新: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!(感谢评论区指出这个问题)- -
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{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,5,c,3,G,$,6}
参考:https://zhuanlan.zhihu.com/p/131324301
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。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
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
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:
- 加轮**(AddRoundKey)
普通轮有四个步骤:
- 字节代替(SubBytes)
- 行移位(ShiftRows)
- 列混淆(MixColumns)
- 加轮**(AddRoundKey)
最终轮有三个步骤:
- 字节代替(SubBytes)
- 行移位(ShiftRows)
- 加轮**(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**(AddRoundKey)
这一步是唯一利用到**的一步,128bit的**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**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**并不是相同的。这里涉及到一个概念:扩展**(KeyExpansions)。
扩展**(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**。W{0-15}的值等同于原始**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。
4.模式解析(KeyExpansions)
AES加密的四种模式详解(ECB、CBC、CFB、OFB):https://www.cnblogs.com/liangxuehui/p/4651351.html
AES五种加密模式(CBC、ECB、CTR、OCF、CFB):
https://www.cnblogs.com/yanzi-meng/p/9640546.html
4.1 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?
- 简单
- 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。
4.2 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:
- 无法并行计算,性能上不如ECB
- 引入初始化向量IV,增加复杂度。
参考资料
https://blog.csdn.net/weixin_40117614/article/details/93018940
AES加密的四种模式详解(ECB、CBC、CFB、OFB):
https://www.cnblogs.com/liangxuehui/p/4651351.html
AES五种加密模式(CBC、ECB、CTR、OCF、CFB):
https://www.cnblogs.com/yanzi-meng/p/9640546.html
openssl AES加密以及padding
https://www.cnblogs.com/solohac/p/4284424.html
linux以下C 利用openssl的AES库加密,解密
https://www.cnblogs.com/lxjshuju/p/7250595.html