什么是AES算法？（整合版）
轉(zhuǎn)載自?玻璃貓 程序員小灰
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假設(shè)有一個(gè)發(fā)送方在向接收方發(fā)送消息。如果沒有任何加密算法，接收方發(fā)送的是一個(gè)明文消息：“我是小灰”
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如果消息被中間人截獲到，即使中間人無法篡改消息，也可以窺探到消息的內(nèi)容，從而暴露了通信雙方的私密。
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因此我們不再直接傳送明文，而改用對(duì)稱加密的方式傳輸密文，畫風(fēng)就變成了下面這樣：
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具體工作的步驟如下：
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1.發(fā)送方利用密鑰123456，加密明文“我是小灰”，加密結(jié)果為TNYRvx+SNjZwEK+ZXFEcDw==。
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2.發(fā)送方把加密后的內(nèi)容TNYRvx+SNjZwEK+ZXFEcDw==傳輸給接收方。
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3.接收方收到密文TNYRvx+SNjZwEK+ZXFEcDw==，利用密鑰123456還原為明文“我是小灰”。
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1.密鑰
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密鑰是AES算法實(shí)現(xiàn)加密和解密的根本。對(duì)稱加密算法之所以對(duì)稱，是因?yàn)檫@類算法對(duì)明文的加密和解密需要使用同一個(gè)密鑰。
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AES支持三種長度的密鑰：
128位，192位，256位
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平時(shí)大家所說的AES128，AES192，AES256，實(shí)際上就是指的AES算法對(duì)不同長度密鑰的使用。
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2.填充
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要想了解填充的概念，我們先要了解AES的分組加密特性。
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什么是分組加密呢？我們來看看下面這張圖：
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AES算法在對(duì)明文加密的時(shí)候，并不是把整個(gè)明文一股腦加密成一整段密文，而是把明文拆分成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的明文塊，每一個(gè)明文塊長度128bit。
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這些明文塊經(jīng)過AES加密器的復(fù)雜處理，生成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的密文塊，這些密文塊拼接在一起，就是最終的AES加密結(jié)果。
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但是這里涉及到一個(gè)問題：
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假如一段明文長度是192bit，如果按每128bit一個(gè)明文塊來拆分的話，第二個(gè)明文塊只有64bit，不足128bit。這時(shí)候怎么辦呢？就需要對(duì)明文塊進(jìn)行填充（Padding）。
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NoPadding：不做任何填充，但是要求明文必須是16字節(jié)的整數(shù)倍。?
PKCS5Padding（默認(rèn)）：如果明文塊少于16個(gè)字節(jié)（128bit），在明文塊末尾補(bǔ)足相應(yīng)數(shù)量的字符，且每個(gè)字節(jié)的值等于缺少的字符數(shù)。比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6個(gè)字節(jié)，則補(bǔ)全為{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6} ISO10126Padding：如果明文塊少于16個(gè)字節(jié)（128bit），在明文塊末尾補(bǔ)足相應(yīng)數(shù)量的字節(jié)，最后一個(gè)字符值等于缺少的字符數(shù)，其他字符填充隨機(jī)數(shù)。比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6個(gè)字節(jié)，則可能補(bǔ)全為{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,5,c,3,G,$,6} ??
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3.模式
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AES的工作模式，體現(xiàn)在把明文塊加密成密文塊的處理過程中。AES加密算法提供了五種不同的工作模式：
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ECB、CBC、CTR、CFB、OFB
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模式之間的主題思想是近似的，在處理細(xì)節(jié)上有一些差別。我們這一期只介紹各個(gè)模式的基本定義。
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ECB模式（默認(rèn)）：
電碼本模式????Electronic?Codebook?Book
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CBC模式：
密碼分組鏈接模式????Cipher Block Chaining
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CTR模式：
計(jì)算器模式????Counter
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CFB模式：
密碼反饋模式????Cipher FeedBack
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OFB模式：
輸出反饋模式????Output FeedBack
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1. kgen.init傳入的第一個(gè)參數(shù)128決定了密鑰的長度是128bit。
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2. Cipher.getInstance("AES/CBC/NoPadding")決定了AES選擇的填充方式是NoPadding，工作模式是CBC模式。
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幾點(diǎn)補(bǔ)充：
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1.我們?cè)谡{(diào)用封裝好的AES算法時(shí)，表面上使用的Key并不是真正用于AES加密解密的密鑰，而是用于生成真正密鑰的“種子”。
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2.填充明文時(shí)，如果明文長度原本就是16字節(jié)的整數(shù)倍，那么除了NoPadding以外，其他的填充方式都會(huì)填充一組額外的16字節(jié)明文塊。
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以上就是AES的基本概念。但我們是有追求的程序員，不能知其然不知其所以然。下面來給大家講一講AES算法的底層原理。
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在這里我們重新梳理一下：
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1.把明文按照128bit拆分成若干個(gè)明文塊。
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2.按照選擇的填充方式來填充最后一個(gè)明文塊。
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3.每一個(gè)明文塊利用AES加密器和密鑰，加密成密文塊。
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4.拼接所有的密文塊，成為最終的密文結(jié)果。
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具體分成多少輪呢？
初始輪（Initial Round）? 1次
普通輪（Rounds）? ? ? ? ? N次
最終輪（Final?Round）???1次
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上一期我們提到，AES的Key支持三種長度：AES128，AES192，AES256。Key的長度決定了AES加密的輪數(shù)。
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除去初始輪，各種Key長度對(duì)應(yīng)的輪數(shù)如下：
AES128：10輪
AES192：12輪
AES256：14輪
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不同階段的Round有不同的處理步驟。
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初始輪只有一個(gè)步驟：
加輪密鑰（AddRoundKey）
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普通輪有四個(gè)步驟：
字節(jié)代替（SubBytes）
行移位（ShiftRows）
列混淆（MixColumns）
加輪密鑰（AddRoundKey）
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最終輪有三個(gè)步驟：
字節(jié)代替（SubBytes）
行移位（ShiftRows）
加輪密鑰（AddRoundKey）
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1.字節(jié)替代（SubBytes）
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首先需要說明的是，16字節(jié)的明文塊在每一個(gè)處理步驟中都被排列成4X4的二維數(shù)組。
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所謂字節(jié)替代，就是把明文塊的每一個(gè)字節(jié)都替代成另外一個(gè)字節(jié)。替代的依據(jù)是什么呢？依據(jù)一個(gè)被稱為S盒（Subtitution Box）的16X16大小的二維常量數(shù)組。
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假設(shè)明文塊當(dāng)中a[2,2] = 5B（一個(gè)字節(jié)是兩位16進(jìn)制），那么輸出值b[2,2] = S[5][11]。
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2.行移位（ShiftRows）
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這一步很簡單，就像圖中所描述的：
第一行不變
第二行循環(huán)左移1個(gè)字節(jié)
第三行循環(huán)左移2個(gè)字節(jié)
第四行循環(huán)左移3個(gè)字節(jié)
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3.列混淆（MixColumns）
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這一步，輸入數(shù)組的每一列要和一個(gè)名為修補(bǔ)矩陣（fixed matrix）的二維常量數(shù)組做矩陣相乘，得到對(duì)應(yīng)的輸出列。
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4.加輪密鑰（AddRoundKey）
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這一步是唯一利用到密鑰的一步，128bit的密鑰也同樣被排列成4X4的矩陣。
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讓輸入數(shù)組的每一個(gè)字節(jié)a[i,j]與密鑰對(duì)應(yīng)位置的字節(jié)k[i,j]異或一次，就生成了輸出值b[i,j]。
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需要補(bǔ)充一點(diǎn)，加密的每一輪所用到的密鑰并不是相同的。這里涉及到一個(gè)概念：擴(kuò)展密鑰（KeyExpansions）。
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擴(kuò)展密鑰（KeyExpansions）
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AES源代碼中用長度 4 * 4 *（10+1） 字節(jié)的數(shù)組W來存儲(chǔ)所有輪的密鑰。W{0-15}的值等同于原始密鑰的值，用于為初始輪做處理。
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后續(xù)每一個(gè)元素W[i]都是由W[i-4]和W[i-1]計(jì)算而來，直到數(shù)組W的所有元素都賦值完成。
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W數(shù)組當(dāng)中，W{0-15}用于初始輪的處理，W{16-31}用于第1輪的處理，W{32-47}用于第2輪的處理 ......一直到W{160-175}用于最終輪（第10輪）的處理。
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1.ECB模式
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ECB模式（Electronic?Codebook?Book）是最簡單的工作模式，在該模式下，每一個(gè)明文塊的加密都是完全獨(dú)立，互不干涉的。
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這樣的好處是什么呢？
1.簡單
2.有利于并行計(jì)算
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缺點(diǎn)同樣也很明顯：
相同的明文塊經(jīng)過加密會(huì)變成相同的密文塊，因此安全性較差。
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2.CBC模式
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CBC模式（Cipher Block Chaining）引入了一個(gè)新的概念：初始向量IV（Initialization Vector）。
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IV是做什么用的呢？它的作用和MD5的“加鹽”有些類似，目的是防止同樣的明文塊始終加密成同樣的密文塊。
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從圖中可以看出，CBC模式在每一個(gè)明文塊加密前會(huì)讓明文塊和一個(gè)值先做異或操作。IV作為初始化變量，參與第一個(gè)明文塊的異或，后續(xù)的每一個(gè)明文塊和它前一個(gè)明文塊所加密出的密文塊相異或。
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這樣以來，相同的明文塊加密出的密文塊顯然是不一樣的。
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CBC模式的好處是什么呢？
安全性更高
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壞處也很明顯：
1.無法并行計(jì)算，性能上不如ECB
2.引入初始化向量IV，增加復(fù)雜度。
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的什么是AES算法？（整合版）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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