AES加密算法研究

1、AES简介

AES称为高级加密标准(英语:Advanced Encryption Standard),在密码学中又称Rijndael加密法,是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES,已经被多方分析且广为全世界所使用。2006年,高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。

2、设计思想

根据使用的密码长度,AES最常见的有3种方案,用以适应不同的场景要求,分别是AES-128、AES-192和AES-256。本文主要对AES-128进行介绍,另外两种的思路基本一样,只是轮数会适当增加。

以下是算法代码简要 :
Rijndael (State, ExpandedKey){
    AddRoundKey (State, ExpandedKey);
    for (i=1; i <Nr; i ++)
        Round (State, ExpandedKey+Nb* i);
        FinalRound (State, ExpandedKey+Nb*Nr)
    }
} 

Round (State, RoundKey){
    ByteSub (State);
    ShiftRow (State);
    MixColumn (State);
    AddRoundKey (State, RoundKey)
}

FinalRound (State, RoundKey){
    ByteSub (State);
    ShiftRow (State);
    AddRoundKey (State, RoundKey)
}

AES加密过程是在一个4×4的字节矩阵上运作,这个矩阵又称为“状态(state)”,其初值就是一个明文区块(矩阵中一个元素大小就是明文区块中的一个Byte)。(Rijndael加密法因支持更大的区块,其矩阵行数可视情况增加)加密时,各轮AES加密循环(除最后一轮外)均包含4个步骤:

  • AddRoundKey : 矩阵中的每一个字节都与该次轮秘钥(round key)做XOR运算;每个子密钥由密钥生成方案产生。
  • SubBytes : 通过非线性的替换函数,用查找表的方式把每个字节替换成对应的字节。
  • ShiftRows : 将矩阵中的每个横列进行循环式移位。
  • MixColumns : 为了充分混合矩阵中各个直行的操作。这个步骤使用线性转换来混合每列的四个字节。

最后一个加密循环中省略MixColumns步骤,而以另一个AddRoundKey取代。

3、AES的填充模式

算法/模式/填充 16字节加密后数据长度 不满16字节加密后长度
AES/CBC/NoPadding 16 不支持
AES/CBC/PKCS5Padding 32 16
AES/CBC/ISO10126Padding 32 16
AES/CFB/NoPadding 16 原始数据长度
AES/CFB/PKCS5Padding 32 16
AES/CFB/ISO10126Padding 32 16
AES/ECB/NoPadding 16 不支持
AES/ECB/PKCS5Padding 32 16
AES/ECB/ISO10126Padding 32 16
AES/OFB/NoPadding 16 原始数据长度
AES/OFB/PKCS5Padding 32 16
AES/OFB/ISO10126Padding 32 16
AES/PCBC/NoPadding 16 不支持
AES/PCBC/PKCS5Padding 32 16
AES/PCBC/ISO10126Padding 32 16

当原始数据长度为16的整数倍时,假如原始数据长度等于16n,则使用NoPadding时加密后数据长度等于16n,其它情况下加密数据长度等于16(n+1)。在不足16的整数倍的情况下,假如原始数据长度等于16n+m[其中m小于16],除了NoPadding填充之外的任何方 式,加密数据长度都等于16*(n+1);NoPadding填充情况下,CBC、ECB和PCBC三种模式是不支持的,CFB、OFB两种模式下则加密数据长度等于原始数据长度。

4、加密总结:

  1. 把秘钥硬编码在代码中有很大风险,通过反编译代码很容易拿到秘钥。Android开发里建议用JNI把秘钥值写到C 代码里。或是拆分成几份,最后再组合成真正的秘钥。也可以使用Android 6.0之后推出的Android KeyStore来保存密钥。个人建议是使用Android KeyStore来保存密钥。

  2. 如果先把一个文件转换成字节数组,然后再加密,最后生成文件,这样很大机率很会产生OOM,所以这里利用了FileChannel,一次读取一定的字节数,而后再进行加密解密,最后再通过Channel生成新文件

  3. 一个加密的密钥和加密的字符串,然后通过AES算法密码把字节数组加密,然后转换成了16进制,得到数字和字母

  4. 加密和解密都一样,就是在设置AES模式(加密和解密)不一样,还有一个就是对内容的处理,字节和16进制的相互转换

  5. 同样的代码,Android和java的运行结果是不同的,这应该是两端的编码不同导致。

5、什么时候采用对称加密?

我们都知道,有对称加密和非对称加密,而非对称加密还分公钥和私钥,那是否后者更加安全一点呢?其实两者都有存在的必要,非对称加密一般不会单独拿来使用,他并不是为了取代对称加密而出现的,非对称加密速度比对称加密慢很多,
极端情况下会慢1000 倍,所以一般不会用来加密大量数据,通常我们经常会将对称加密和非对称加密两种技术联合起来使用,例如用非对称加密来给称加密里的秘钥进行加密。

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