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AES算法的加密模式
2020-03-10 07:30:42
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# 目录 [TOC] # AES加密算法概念 * AES是密码学中的高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES），又称Rijndael加密法（准确来说二者还有所不同，Rijndael范围更广），是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。用来替代原先的DES（Data Encryption Standard），是最受欢迎的对称密钥加密算法。 * 不同于它的前任标准DES，Rijndael使用的是置换-组合架构，而非Feistel架构。AES在软件及硬件上都能快速地加解密，相对来说较易于实现，且只需要很少的存储器。 * 一般对称加密算法的密钥需要经过非对称加密算法加密后在网络中传输，防止密钥泄露，实际中，一般是通过RSA加密AES的密钥，传输到接收方，接收方解密得到AES密钥，然后发送方和接收方用AES密钥来通信。 * AES的区块长度固定为128位（16字节，4x4的矩阵，也称状态矩阵），密钥长度则可以是128（16字节），192（24字节）或256位（32字节），即AES-128、AES-192、AES-256，AES-128已经足够安全，难以被暴力破解。 * 由于AES的区块长度固定为16字节，所以如果要加密的内容长度不是16字节的整数倍就需要填充，使得最后一块变成一整块，所以对于加密解密两端需要使用同一的PADDING模式，大部分PADDING模式为PKCS5、PKCS7、NOPADDING。 * AES要进行多轮加密，加密轮数如下表： AES|密钥长度（32位字）|分组长度（32位字）|加密轮数 ---|---|---|--- AES-128|4|4|10 AES-192|6|4|12 AES-256|8|4|14 * 128位密钥也可以排成一个4x4的矩阵，按列划分为4个32位字，加密轮数是10，所以需要通过密钥编排函数将该密钥矩阵扩展成4+4*10=44个32位字，组成W[0],W[1], … ,W[43]序列，其中W[0],W[1],W[2],W[3]是原始密钥，用于加密运算中的初始密钥加，后面40个字分为10组，每组4个字（128比特）分别用于10轮加密运算中的轮密钥加。   * AES的核心就是实现每轮加密函数，初始明文需要进行一次轮密钥加，各轮AES加密函数（除最后一轮外）均包含以下4个步骤。 ## 字节代换 * 字节代换（SubBytes）：用查找表的方式把分组的每个字节替换成对应的字节。  * 将分组的每个字节的高四位作为查找表的行值，低四位作为列值，查找下面的S盒（S-box），用新的值替换该字节。  * 例如0x34查找S盒得到的结果是0x18。 * 这个步骤提供了加密法非线性的变换能力。S-box与GF（2）上的乘法反元素有关，已知具有良好的非线性特性。为了避免简单代数性质的攻击，S-box结合了乘法反元素及一个可逆的仿射变换矩阵建构而成。此外在建构S-box时，刻意避开了固定点与反固定点，即以S-box替换字节的结果会相当于错排的结果。GF是Galois Field的缩写，中文称其为Galois域或有限域，GF（2）是最简单的有限域，只有0、1二元及+（异或运算）、×（与运算）。 * 解密时通过逆S盒进行替换。  ## 行移位 * 行移位（ShiftRows）：将矩阵中的每个横列循环式移位某个偏移量，在AES中（区块大小128位），第一行维持不变，第二、三、四行里的每个字节分别向左循环移动1、2、3格。经过ShiftRows之后，矩阵中每一竖列都由输入矩阵中的每个不同列中的元素组成。  * 解密时只需向相反方向移位。 ## 列混合 * 列混合（MixColumns）：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。 * 矩阵元素的乘法和加法都是定义在基于GF(2^8)上的二元运算，这种二元运算的加法等价于两个字节的异或，乘法例如乘以(00000010)等价于左移1位(低位补0)后，再根据情况同(00011011)进行异或运算，乘以(00000100)可以拆分成两次乘以(00000010)的运算，乘以(0000 0011)可以拆分成先分别乘以(0000 0001)和(0000 0010)，再将两个乘积异或，所以只需要实现乘以(00000010)的运算，其他乘法运算可以进行组合。    * 解密时只需要逆变换矩阵同正变换矩阵的乘积恰好为单位矩阵，根据线性代数知识，状态矩阵可以恢复成原来的样子。 ## 轮密钥加 * 轮密钥加（AddRoundKey）：状态矩阵与该轮密钥（round key）做XOR运算，每轮密钥（4个32位字）由密钥生成方案（密钥编排函数）产生。  * 轮密钥加的逆运算同正向的轮密钥加运算完全一致，即解密时仍使用该轮密钥进行异或运算，这是因为异或的逆操作是其自身。 # 几种加密模式的对比 * AES加密算法有几种加密模式：ECB、CBC、CTR、OCF、CFB、XTS。 * 对称/分组密码一般分为流加密（如OFB、CFB等）和块加密（如ECB、CBC等）。对于流加密，需要将分组密码转化为流模式工作。对于块加密（或称分组加密），如果要加密超过块大小的数据，就需要涉及填充和链加密模式。 * 加密模式的核心仍然是AES加密算法，只是工作流程以及AES加密算法的输入不同。 ## ECB * 电码本模式（Electronic Codebook Book，ECB）是最简单的块密码加密模式，加密前根据加密块大小（如AES为128位）分成若干块，之后将每块使用相同的密钥单独加密，解密同理。 * ECB相同的数据块密钥一样的话输出的密文也一样，容易被攻击。  ## CBC * 密码分组链接模式（Cipher Block Chaining，CBC）先将明文切分为块（分组，AES为128位），每一块与上一块的密文块进行异或运算后，再使用密钥进行加密。第一个块需要使用初始化向量（IV），一般来说，每次加密时都会随机产生一个不同的比特序列来作为初始化向量。 * 递归加密带来的问题是没有办法随机访问各个区块了，访问某个区块必须解出前一个区块数据。 * 这种方式相对ECB提高了安全性，是常用的工作模式，用于SSL。缺点是加密过程是串行的，无法被并行化，而且消息必须被填充到块大小的整数倍。   ## CTR * 计算器模式（Counter，CTR） ## CFB * 密码反馈模式（Cipher FeedBack，CFB） ## OFB * 输出反馈模式（Output FeedBack，OFB） ## XTS * XTS即基于XEX(XOR-ENCRYPT-XOR)的密文窃取算法的可调整的密码本模式（Tweakable Codebook mode），该算法主要用于以数据单元（包括扇区、逻辑磁盘块等）为基础结构的存储设备中静止状态数据的加密。 * CBC模式的缺陷：需要额外的128位存储IV，如果用于磁盘加密，这样做增加了磁盘的开销，而且明文和密文在扇区上的存储也不是一一对应的，这给磁盘底层的加密实现带来很大的麻烦，另外CBC模式更改密钥就需要重新进行密匙扩展算法，对磁盘来说要增加很大的开销，同时还要担心密钥泄露的问题。 * XTS引入了可调整的分组密码这个概念，跟传统的分组密码相比，除了密钥和明文这两个输入外，还引入另外一个输入tweak，即可调整值，比如tweak可以设置为与区块的index成对应关系。不更改密钥，更改tweak值就可以给加密系统提供多变性，tweak值是公开的，就算泄露了tweak值，仍然需要密钥才能解密。另外这种算法不需要初始向量，也就避免了明文和密文在扇区上的存储不对应的问题。而且各个区块数据加密解密互相独立（独立的tweak key)，各块之间没有依赖，所以加密解密可以并行化。 
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