@qidiandasheng
2020-11-29T15:30:00.000000Z
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密码学
高级加密标准(AES,Advanced Encryption Standard)为最常见的对称加密算法。它的出现主要是为了取代DES加密算法的,因为我们都知道DES算法的密钥长度是56Bit,因此算法的理论安全强度是2的56次方,随着计算机技术的飞速发展,DES并不能满足人们对于安全性的需求了。AES支持三种长度的密钥:128位,192位,256位,因此安全性也较高。
对称加密算法也就是加密和解密用相同的密钥,具体的加密流程如下图:
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。
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)。
这里介绍几种不同的填充模式:
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}
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,也就是明文快与明文块之间的联系不同。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
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。
优点:
1.简单
2.有利于并行计算缺点:
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。
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。
优点:
1.安全性更高缺点:
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。
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。
经过上面的概念了解,我们知道主要加密的部分就是我们的加密器,秘钥是通过加密来加密成密文块的。
加密器的处理流程如下图:
通过上图我们可以看到加密是分为多轮的,具体分为:
初始轮(Initial Round) 1次
普通轮(Rounds) N次
最终轮(Final Round) 1次
加密的轮数主要跟AES加密的秘钥长度有关,AES128、AES192、AES256加密轮数分别为10、12、14(不包括初始轮)。
初始轮只有一个步骤:
普通轮有四个步骤:
最终轮有三个步骤:
这里以AES128为例,16字节(一字节8位)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] = 0x5B(一个字节是两位16进制),那么输出值b[2,2] = S[5,11] = 0x39。
行移位是一个简单的左循环移位操作。当密钥长度为128比特时,状态矩阵的第0行左移0字节,第1行左移1字节,第2行左移2字节,第3行左移3字节,如下图所示:
列混合变换是通过矩阵相乘来实现的,经行移位后的状态矩阵与固定的矩阵相乘,得到混淆后的状态矩阵,如下图的公式所示:
状态矩阵中的第j列(0 ≤j≤3)的列混合可以表示为下图所示:
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。这个4*4矩阵的每一列的4个字节组成一个字,矩阵4列的4个字依次命名为w[0]、w[1]、w[2]和 w[3]
。它们构成了一个以字为单位的数组 w。
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]。
设初始的128位密钥为:
3C A1 0B 21 57 F0 19 16 90 2E 13 80 AC C1 07 BD
- | 0 | 1 | 2 | 3 |
---|---|---|---|---|
0 | 3C | 57 | 90 | AC |
1 | A1 | F0 | 2E | C1 |
2 | 0B | 19 | 13 | 07 |
3 | 21 | 16 | 80 | BD |
假设输入矩阵中a[2,2] = 0x5B(一个字节是两位16进制),那么输出值b[2,2] = k[2,2] XOR a[2,2]
= 0x13 XOR 0x5B
= 0010011 XOR 1011011
= 1001000 = 0x48。
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)。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]、w[1]、w[2]和 w[3]=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。