aesecb加密算法

‘壹’ 密码学基础（二）：对称加密

加密和解密使用相同的秘钥称为对称加密。

DES：已经淘汰
3DES：相对于DES有所加强，但是仍然存在较大风险
AES：全新的对称加密算法。

特点决定使用场景，对称加密拥有如下特点：

速度快，可用于频率很高的加密场景。

使用同一个秘钥进行加密和解密。

可选按照128、192、256位为一组的加密方式，加密后的输出值为所选分组位数的倍数。密钥的长度不同，推荐加密轮数也不同，加密强度也更强。

例如：
AES加密结果的长度由原字符串长度决定：一个字符为1byte=4bit，一个字符串为n+1byte，因为最后一位为''，所以当字符串长度小于等于15时，AES128得到的16进制结果为32位，也就是32 4=128byte，当长度超过15时，就是64位为128 2byte。

因为对称加密速度快的特点，对称加密被广泛运用在各种加密场所中。但是因为其需要传递秘钥，一旦秘钥被截获或者泄露，其加密就会玩完全破解，所以AES一般和RSA一起使用。

因为RSA不用传递秘钥，加密速度慢，所以一般使用RSA加密AES中锁使用的秘钥后，再传递秘钥，保证秘钥的安全。秘钥安全传递成功后，一直使用AES对会话中的信息进行加密，以此来解决AES和RSA的缺点并完美发挥两者的优点，其中相对经典的例子就是HTTPS加密，后文会专门研究。

本文针对ECB模式下的AES算法进行大概讲解，针对每一步的详细算法不再该文讨论范围内。

128位的明文被分成16个字节的明文矩阵，然后将明文矩阵转化成状态矩阵，以“abcdefghijklmnop”的明文为例：

同样的，128位密钥被分成16组的状态矩阵。与明文不同的是，密文会以列为单位，生成最初的4x8x4=128的秘钥，也就是一个组中有4个元素，每个元素由每列中的4个秘钥叠加而成，其中矩阵中的每个秘钥为1个字节也就是8位。

生成初始的w[0]、w[1]、w[2]、w[3]原始密钥之后，通过密钥编排函数，该密钥矩阵被扩展成一个44个组成的序列W[0],W[1], … ,W[43]。该序列的前4个元素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32位的字段组成，总共为128位，分别用于10轮加密运算中的轮密钥加密，如下图所示：

之所以把这一步单独提出来，是因为ECB和CBC模式中主要的区别就在这一步。

ECB模式中，初始秘钥扩展后生成秘钥组后(w0-w43)，明文根据当前轮数取出w[i,i+3]进行加密操作。

CBC模式中，则使用前一轮的密文(明文加密之后的值)和当前的明文进行异或操作之后再进行加密操作。如图所示：

根据不同位数分组，官方推荐的加密轮数：

轮操作加密的第1轮到第9轮的轮函数一样，包括4个操作：字节代换、行位移、列混合和轮密钥加。最后一轮迭代不执行列混合。

当第一组加密完成时，后面的组循环进行加密操作知道所有的组都完成加密操作。

一般会将结果转化成base64位，此时在iOS中应该使用base64编码的方式进行解码操作，而不是UTF-8。

base64是一种编码方式，常用语传输8bit字节码。其编码原理如下所示：

将原数据按照3个字节取为一组，即为3x8=24位

将3x8=24的数据分为4x6=24的数据，也就是分为了4组

将4个组中的数据分别在高位补上2个0，也就成了8x4=32，所以原数据增大了三分之一。

根据base64编码表对数据进行转换，如果要编码的二进制数据不是3的倍数，最后会剩下1个或2个字节怎么办，Base64用x00字节在末尾补足后，再在编码的末尾加上1个或2个=号，表示补了多少字节，解码的时候，会自动去掉。

举个栗子：Man最后的结果就是TWFu。

计算机中所有的数据都是以0和1的二进制来存储，而所有的文字都是通过ascii表转化而来进而显示成对应的语言。但是ascii表中存在许多不可见字符，这些不可见字符在数据传输时，有可能经过不同硬件上各种类型的路由，在转义时容易发生错误，所以规定了64个可见字符（a-z、A-Z、0-9、+、/）,通过base64转码之后，所有的二进制数据都是可见的。

ECB和CBC是两种加密工作模式。其相同点都是在开始轮加密之前，将明文和密文按照128/192/256进行分组。以128位为例，明文和密文都分为16组，每组1个字节为8位。

ECB工作模式中，每一组的明文和密文相互独立，每一组的明文通过对应该组的密文加密后生成密文，不影响其他组。

CBC工作模式中，后一组的明文在加密之前先使用前一组的密文进行异或运算后再和对应该组的密文进行加密操作生成密文。

为简单的分组加密。将明文和密文分成若干组后，使用密文对明文进行加密生成密文
CBC

加密：

解密：

‘贰’ 密码学基础之对称加密（一）

就不给定义了，我简单解释下，就是我的信息不想让别人知道，使用 秘钥（key） 对我的信息进行 加密（encrypt） ，变成鬼符一样的 秘文（ciphertext） 。别人就算看到了，也无法识别，只有有了秘钥，把秘文 解密（decrypt） 后才能看懂信息，秘钥呢？一般人我不告诉他。我的秘钥是私密信息，所以也叫 私钥（private key） ，加密和解密用的秘钥是相同的，所以叫 “对称加密” ，也叫 “私钥加密” 。

对于明文plaintext，和对称秘钥key
加密过程 E(plaintext, key) = ciphertext
解密过程 D(ciphertext, key) = plaintext

对称加密的分为 分组密码（block cipher） 和 流密码（stream cipher） 两种类型。本文只介绍分组密码。

分组密码是每次只能处理特定长度的一块（block）数据的一类加解密算法。AES就是一种分组密码算法。AES加密算法每次可以加密的块长度是128位（bit）。

ECB模式
使用AES加密算法ECB模式，每次能加密128位数据，即16个字节。如果要加密48个字节内容，我们需要把数据分为3组，每组16个字节，分别为P1、P2、P3。P1、P2、P3加密后形成的秘文分别为C1、C2、C3，我们把C1、C2、C3依次拼接起来就成为最终的加密结果。

CBC模式

《对称加密之对称加密二》正在写作，会包含分组密码的更多模式，流密码及AES的更多知识。

DES加密：旧的加密算法，NIST规定仅能用于遗留系统和TDEA。（参考文献[CNS] 3.2章）
TDEA（Triple DEA）加密：很多资料也叫3DES（Triple DES）。（参考文献[SP800-67]）

Python 可以使用 pycrypto 模块进行AES加解密。安装 pycrypto 可使用命令 pip install pycrypto 安装。

下面AES演示第一版，先看下，紧接着就会升级到第二版本。

运行一下，能正常加解密。但是，如果你把要加密的文本，从 aesAlgorithmDemo 改为 hello ，就会运行报错：

这是因为，AES的分组长度是128位，即16个字节。有些AES实现，要加密的消息长度不是16个字节的倍数需要填充。
填充的方法一般是按照PKCS#7填充标准。

如果要数据的长度不是分组的整数倍，需要填充数据到分组的倍数，如果数据的长度是分组的倍数，需要填充分组长度的数据，填充的每个字节值为填充的长度。PKCS#7支持的分组长度为1到255个字节。
举一些例子：
AES的分组长度为16个字节，不管秘钥是128位、192位还是256位。如果要加密的数据长度是5个字节，你需要填充11个字节，填充的内容位填充的长度0x0b。填充后类似下面表示

如果数据长度是30个字节，需要填充2个字节，每个字节的内容为0x02，如果数据成都恰好为16的倍数，需要填充16个字节，每个字节的内容为0x10。

弄明白填充的概念后，我们重写加解密函数如下：

这样填充后会不会可其它系统不兼容？不会。一般的AES程序都是支持PKCS#7填充的。

密码学基础之RSA与不对称秘钥
密码学基础系列

[CNS] 《密码编码学与网络安全》（第六版）
[SP800-67] NIST Special Publication 800-67 Revision 1, Recommendation for Triple Data Encryption Algorithm (TDEA) Block Cipher, January 2012.
[SSH] OpenSSH CBC模式信息泄露漏洞
[NIST SP 800-57 Part 1 Rev. 4] Recommendation for Key Management, Part 1: General

‘叁’ 1、对称加密算法

指加密和解密使用相同密钥的加密算法。对称加密算法用来对敏感数据等信息进顷弊指行加密，常用的算法包括RC4、DES、3DES、AES、DESX、Blowfish、ChaCha20、RC5、RC6。前3种算法被认为是不安全的，通常禁止使用。

国内:SM1、SM4、ZUC

国际:DES、3DES、AES

说明:SM1的128位保密强度和性能与AES相当,SM4的128位已升级为国际标准

块密码算法:DES、3DES、AES

流密码算法:RC4

SM1：对称加密算法，加密强度为128位，采用硬件实现； 算法不公开 ，只能通过相关安全产品进行使用。

SM4：对称算法，随WAPI标准一起公布，可使用软件实现，加密强度为128位。

SM4分组密码算法是我国自主设计的分组对称密码算法，用于实现数据的加密/解密运算，以保证数据和信息的机密性。要保证一个对称密码算法的安全性的基本条件是其具备足够的密钥长度，SM4算法与AES算法具有相同的密钥长度分组长度128比特，因此在安全性上高于3DES算法。

DES（Data Encryption Standard） ：数据加密标准，速度较快，适用于加密 大量数据 的场合。

3DES（Triple DES） ：是基于DES，对一块数据用三个不同的密钥进行三次加密，强度更高。

AES（Advanced Encryption Standard） ：高级加密标准，是下一代的加密算法标准，速度快，安全级别高；

ECB(Electronic Codebook)、特点:运算快速,支持并行处理,需要填充、说明:不推荐使用

CBC (Cipher Block Chaining)、特点:支持并行处理,需要填充、说明:推荐使用

CFB(Cipher Feedback)、特点:支持并行处理,不需要填充、说明:不推荐使用

OFB(Output Feedback)、特点:迭代运算使用流密码模式,不需要填充、说明:不推荐使用

CTR (Counter)、特点:迭代运算使用流密码模式,支持并行处理,不需要填充、说明:推荐使用

XTS(XEX-based tweaked-codebook)、特点:不需要填充、说明:用于本地硬盘存储解决方案中

填充标准:明文长度必须是分组长度的倍数,如雀配卜哗不是倍数,则必须有填充机制

PKCS#7填充:可处理的分组长度是1到255个字节

AES算法使用标准,比如:AES-128-CBC-PKCS#7,其中秘钥长度128,分组模式CBC,填充标准PKCS#7,AES算法默认分组128bit

‘肆’ AES加密算法原理

一般的加密通常都是块加密，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，本文对对称加密和分组加密中的几种种模式进行一一分析(ECB、CBC、CFB、OFB,CTR)

这种模式是将整个明文分成若干段相同的小段，然后对每一小段进行加密。

优点:

这种模式是先将明文切分成若干小段，然后每一小段与初始块或者上一段的密文段进行异或运算后，再与密钥进行加密。

优点：

计算器模式不常见，在CTR模式中， 有一个自增的算子，这个算子用密钥加密之后的输出和明文异或的结果得到密文，相当于一次一密。这种加密方式简单快速，安全可靠，而且可以并行加密，但是 在计算器不能维持很长的情况下，密钥只能使用一次 。CTR的示意图如下所示：

优点：

优点：

优点：

‘伍’ AES加密算法256位密钥与128位密钥的不同是什么

一、指代不同

1、256位密钥：AES的区块长度固定为256位，密钥长度则可以是256。

2、128位密钥：AES的区块长度固定为128位，密钥长度则可以是128。

二、安全性不同

1、256位密钥：256位密钥安全性高于128位密钥。

2、档塌128位密钥：128位密钥安全者蠢皮性低于256位密钥。

(5)aesecb加密算法扩展阅读

AES和Rijndael加密法并不完全一样（虽然在实际应用中二者可以互换），因为Rijndael加密法可以支持更大范围的区块和密钥长度。

AES的区块长度固定为128位，密钥长度则可以是128，192或256位；而Rijndael使用的密钥和区块长度可以是32位的整数倍，以128位为下限，256位为上限。加密过程中使用的密钥是由Rijndael密钥生成方案产生。

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，需要将分组首差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。

ECB模式是最早采用和最简单的模式，将加密的数据分成若干组，每组的大小跟加密密钥长度相同，然后每组都用相同的密钥进行加密。

‘陆’ 什么是AES算法

加密算法分为单向加密和双向加密。
单向加密 包括 MD5 ， SHA 等摘要算法。单向加密算法是不可逆的，也就是无法将加密后的数据恢复成原始数据，除非采取碰撞攻击和穷举的方式。像是银行账户密码的存储，一般采用的就是单向加密的方式。

双向加密 是可逆的，存在密文的密钥，持有密文的一方可以根据密钥解密得到原始明文，一般用于发送方和接收方都能通过密钥获取明文的情况。双向加密包括对称加密和非对称加密。对称加密包括 DES 加密， AES 加密等，非对称加密包括 RSA 加密， ECC 加密。
AES 算法全称 Advanced Encryption Standard ,是 DES 算法的替代者，也是当今最流行的对称加密算法之一。

要想学习AES算法，首先要弄清楚三个基本的概念：密钥、填充、模式。

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。从安全性来看，AES256安全性最高。从性能来看，AES128性能最高。本质原因是它们的加密处理轮数不同。

要想了解填充的概念，我们先要了解AES的分组加密特性。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在不同的语言实现中有许多不同的填充算法，我们只举出集中典型的填充来介绍一下。

不做任何填充，但是要求明文必须是16字节的整数倍。

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}

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}

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。

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。

电码本模式 Electronic Codebook Book

密码分组链接模式 CipherBlock Chaining

计算器模式 Counter

密码反馈模式 CipherFeedBack

输出反馈模式 OutputFeedBack

如果在AES加密的时候使用了某一种工作模式，解密的时候也必须采用同样的工作模式。

AES加密主要包括两个步骤： 密钥扩展 和 明文加密 。

密钥扩展过程说明（密钥为16字节）：

函数g的流程说明：

轮常量（Rcon）是一个字，最右边三个字节总为0。因此字与Rcon相异或，其结果只是与该字最左的那个字节相异或。每轮的轮常量不同，定位为Rcon[j] = (RC[j], 0, 0, 0)。（RC是一维数组）
RC生成函数：RC[1] = 1, RC[j] = 2 * RC[j – 1]。
因为16字节密钥的只进行10轮的扩展，所以最后生成的RC[j]的值按16进制表示为：

十轮的密钥扩展后，就能生成44个字大小的扩展密钥。扩展后的密钥将用于AES对明文的加密过程。

S盒是16×16个字节组成的矩阵，行列的索引值分别从0开始，到十六进制的F结束，每个字节的范围为（00-FF）。

进行字节代替的时候，把状态中的每个字节分为高4位和低4位。高4位作为行值，低4位作为列值，以这些行列值作为索引从S盒的对应位置取出元素作为输出，如下图所示：

S盒的构造方式如下：
（1） 按字节值得升序逐行初始化S盒。在行y列x的字节值是{yx}。
（2） 把S盒中的每个字节映射为它在有限域GF中的逆;{00}映射为它自身{00}。
（3） 把S盒中的每个字节的8个构成位记为(b7, b6, b5, b4, b3, b2, b1)。对S盒的每个字节的每个位做如下的变换：

ci指的是值为{63}的字节c的第i位。
解密过程逆字节代替使用的是逆S盒，构造方式为

字节d={05}。

逆向行移位将状态中后三行执行相反方向的移位操作，如第二行向右循环移动一个字节，其他行类似。

要注意，图示的矩阵的乘法和加法都是定义在GF(2^8)上的。
逆向列混淆原理如下：

轮密钥加后的分组再进行一次轮密钥加就能恢复原值.所以，只要经过密钥扩展和明文加密，就能将明文加密成密文，进行解密的时候，只需要进行逆向变换即可。

图[AES加密算法的流程]中还需要注意，明文输入到输入状态后，需要进行一轮的轮密钥加，对输入状态进行初始化。 前9轮的加密过程，都需要进行字节替代、行移位、列混淆和轮密钥加，但是第10轮则不再需要进行列混淆。

进行解密的时候，需要进行逆向字节替代，逆向行移位、逆向列混淆和轮密钥加。