㈠ 什么是AES对称加密
AES加密标准又称为高级加密标准Rijndael加密法,是美国国家标准技术研究所NIST旨在取代DES的21世纪的加密标准。AES的基本要求是,采用对称分组密码体制,密钥长度可以为128、192或256位,分组长度128位,算法应易在各种硬件和软件上实现。1998年NIST开始AES第一轮分析、测试和征集,共产生了15个候选算法
㈡ 加密技术02-对称加密-AES原理
AES 全称 Advanced Encryption Standard(高级加密标准)。它的出现主要是为了取代 DES 加密算法的,因为 DES 算法的密钥长度是 56 位,因此算法的理论安全强度是 2^56。但二十世纪中后期正是计算机飞速发展的阶段,元器件制造工艺的进步使得计算机的处理能力越来越强,所以还是不能满足人们对安全性的要求。于是 1997 年 1 月 2 号,美国国家标准技术研究所宣布什望征集高级加密标准,用以取代 DES。AES 也得到了全世界很多密码工作者的响应,先后有很多人提交了自己设计的算法。最终有5个候选算法进入最后一轮:Rijndael,Serpent,Twofish,RC6 和 MARS。最终经过安全性分析、软硬件性能评估等严格的步骤,Rijndael 算法获胜。
AES 密码与分组密码 Rijndael 基本上完全一致,Rijndael 分组大小和密钥大小都可以为 128 位、192 位和 256 位。然而 AES 只要求分组大小为 128 位,因此只有分组长度为 128 位的 Rijndael 才称为 AES 算法。本文只对分组大小 128 位,密钥长度也为 128 位的 Rijndael 算法进行分析。密钥长度为 192 位和 256 位的处理方式和 128 位的处理方式类似,只不过密钥长度每增加 64 位,算法的循环次数就增加 2 轮,128 位循环 10 轮、192 位循环 12 轮、256 位循环 14 轮。
给定一个 128 位的明文和一个 128 位的密钥,输出一个 128 位的密文。这个密文可以用相同的密钥解密。虽然 AES 一次只能加密 16 个字节,但我们只需要把明文划分成每 16 个字节一组的块,就可以实现任意长度明文的加密。如果明文长度不是 16 个字节的倍数,则需要填充,目前填充方式主要是 PKCS7 / PKCS5。
下来主要分析 16 个字节的加解密过程,下图是 AES 算法框架。
密钥生成流程
G 函数
关于轮常量的生成下文会介绍。
主要作用:一是增加密钥编排中的非线性;二是消除AES中的对称性。这两种属性都是抵抗某些分组密码攻击必要的。
接下来详细解释一下几个关键步骤。
明文矩阵和当前回次的子密钥矩阵进行异或运算。
字节代换层的主要功能是通过 S 盒完成一个字节到另外一个字节的映射。
依次遍历 4 * 4 的明文矩阵 P 中元素,元素高四位值为行号,低四位值为列号,然后在 S 盒中取出对应的值。
行位移操作最为简单,它是用来将输入数据作为一个 4 * 4 的字节矩阵进行处理的,然后将这个矩阵的字节进行位置上的置换。ShiftRows 子层属于 AES 手动的扩散层,目的是将单个位上的变换扩散到影响整个状态当,从而达到雪崩效应。它之所以称作行位移,是因为它只在 4 * 4 矩阵的行间进行操作,每行 4 字节的数据。在加密时,保持矩阵的第一行不变,第二行向左移动 1 个字节、第三行向左移动 2 个字节、第四行向左移动 3 个字节。
列混淆层是 AES 算法中最为复杂的部分,属于扩散层,列混淆操作是 AES 算法中主要的扩散元素,它混淆了输入矩阵的每一列,使输入的每个字节都会影响到 4 个输出字节。行位移层和列混淆层的组合使得经过三轮处理以后,矩阵的每个字节都依赖于 16 个明文字节成可能。其实质是在有限域 GF(2^8) 上的多项式乘法运算,也称伽罗瓦域上的乘法。
伽罗瓦域
伽罗瓦域上的乘法在包括加/解密编码和存储编码中经常使用,AES 算法就使用了伽罗瓦域 GF(2^8) 中的运算。以 2^n 形式的伽罗瓦域来说,加减法都是异或运算,乘法相对较复杂一些,下面介绍 GF(2^n) 上有限域的乘法运算。
本原多项式: 域中不可约多项式,是不能够进行因子分解的多项式,本原多项式是一种特殊的不可约多项式。当一个域上的本原多项式确定了,这个域上的运算也就确定了,本原多项式一般通过查表可得,同一个域往往有多个本原多项式。通过将域中的元素化为多项式的形式,可以将域上的乘法运算转化为普通的多项式乘法模以本原多项式的计算。比如 g(x) = x^3+x+1 是 GF(2^3) 上的本原多项式,那么 GF(2^3) 域上的元素 3*7 可以转化为多项式乘法:
乘二运算: 无论是普通计算还是伽罗瓦域上运算,乘二计算是一种非常特殊的运算。普通计算在计算机上通过向高位的移位计算即可实现,伽罗瓦域上乘二也不复杂,一次移位和一次异或即可。从多项式的角度来看,伽罗瓦域上乘二对应的是一个多项式乘以 x,如果这个多项式最高指数没有超过本原多项式最高指数,那么相当于一次普通计算的乘二计算,如果结果最高指数等于本原多项式最高指数,那么需要将除去本原多项式最高项的其他项和结果进行异或。
比如:GF(2^8)(g(x) = x^8 + x^4 + x^3 + x^2 + 1)上 15*15 = 85 计算过程。
15 写成生成元指数和异或的形式 2^3 + 2^2 + 2^1 + 1,那么:
乘二运算计算过程:
列混淆 :就是把两个矩阵的相乘,里面的运算,加法对应异或运算,乘法对应伽罗瓦域 GF(2^8) 上的乘法(本原多项式为:x^8 + x^4 + x^3 + x^1 + 1)。
Galois 函数为伽罗瓦域上的乘法。
解码过程和 DES 解码类似,也是一个逆过程。基本的数学原理也是:一个数进行两次异或运算就能恢复,S ^ e ^ e = S。
密钥加法层
通过异或的特性,再次异或就能恢复原数。
逆Shift Rows层
恢复 Shift Rows层 的移动。
逆Mix Column层
通过乘上正矩阵的逆矩阵进行矩阵恢复。
一个矩阵先乘上一个正矩阵,然后再乘上他的逆矩阵,相当于没有操作。
逆字节代换层
通过再次代换恢复字节代换层的代换操作。
比如:0x00 字节的置换过程
轮常量生成规则如下:
算法原理和 AES128 一样,只是每次加解密的数据和密钥大小为 192 位和 256 位。加解密过程几乎是一样的,只是循环轮数增加,所以子密钥个数也要增加,最后轮常量 RC 长度增加。
㈢ RSA和AES区别
先了解下AES和RSA的区别,前者属于 对称加密 ,后者属于 非对称加密 。
1、对称加密
对称加密就是加密和解密使用同一个密钥。
用数学公示表示就是:
▲加密:Ek(P) = C
▲解密:Dk(C) = P
这里E表示加密算法,D表示解密算法,P表示明文,C表示密文。
是不是看起来有点不太容易理解?看下图:
看过间谍局的知友们一定知道电台和密码本的功能。潜伏里面孙红雷通过电台收听到一堆数字,然后拿出密码本比对,找到数字对应的汉字,就明白上级传达的指令。而军统的监听台没有密码本,只看到一堆没有意义的数字,这就是对称算法的原理。
AES就属于对称加密 ,常见的对称加密方法还有DES、3DES、Blowfish、RC2以及国密的SM4。
2、非对称加密
对称加密快而且方便,但是有个缺点——密钥容易被偷或被破解。非对称加密就可以很好的避免这个问题。
非对称算法 把密钥分成两个 ,一个自己持有叫 私钥 ,另一个发给对方,还可以公开,叫 公钥 ,用公钥加密的数据只能用私钥解开。
▲加密: E公钥(P) = C
▲解密::D私钥(C) = P
这下就不用担心密钥被对方窃取或被破解了,私钥由自己保管。
非对称加密算法核心原理其实就是设计一个数学难题,使得用公钥和明文推导密文很容易,但根据公钥、明文和密文推导私钥极其难。
RSA 就属于非对称加密,非对称加密还有Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC(椭圆曲线加密算法)以及国家商用密码SM2算法。
3、AES和RSA
AES和RSA都很安全,至少在目前的计算机体系结构下,没有任何有效的攻击方式。量子计算机时代,RSA有一定的破绽,因为利用shro's algorithm,量子计算机穷举计算质因子速度可以提高N个数量级,能够在有限的时间内破解RSA密钥。AES256至少目前并没有什么明显的漏洞。
AES作为对称加密技术,加密速度很快。 现在高端一点的CPU都带有AES-NI指令,可以极快的完成加密和解密。
举例来说,坚果云存储系统采用了intel 的AES-NI加速,在采用AES加密和解密的时候,
单核的性能可以超过 1GB Byte/秒,非常非常快,很适合对大量数据进行加解密。
但是AES作为对称加密技术,如何安全的分发密钥是一个难题。通过任何方式传递密钥都有泄密的风险。当然,目前我国高大上的量子通信技术或许能很好的解决这个问题。
RSA作为非对称加密技术的代表, 加解密的速度其实相当慢,只能对小块的数据进行加解密。但是其非对称的特点,满足公钥可以随处分发,只有公钥能解密私钥加密的数据,只有私钥能解密公钥加密的数据。所以很适合用来进行密钥分发和身份验证,这两个应用场景刚好相反。
1)用于对称秘钥分发的场景,其他人用公钥加密对称的秘钥,那么只有授权人才持有私钥,因此才能解密获得对应的秘钥,解决了AES密钥分发的难题;
2)对于身份验证的场景,授权人用私钥加密一段指令,其他人用公钥解密对应的数据,验证对应的指令与之前约定的某些特征一致(例如,这段话必须使用四川口音,像是坚果云CEO
的标准四川口音==),如果一致,那么可以确认这个指令就是授权人发出的。
相关趣闻轶事:
RSA除了是一个伟大的发明,被免费开放给所有互联网用户使用。它的发明者还以此成立了一家名为 RSA Security 的网络安全公司,这家公司最后被EMC高价收购。这是德艺双馨的伟大证明, 是“又红又专”的典范。
RSA的算法是以三个发明者的名字命名的,三位都是成功的数学家,科学家和企业家,其中的排名第一Ron Rivest,有非常多的杰出贡献。
RSA是整个互联网数据安全的基础,与光纤处于同样基础和重要的方式。 大部分的加密和解密的应用都是同时应用RSA和AES。
总结
破解加密的难度除了跟 加密方法 有关,还跟 密钥长度 以及 加密模式 有很大的关系,就拿AES来说,有AES128和AES256( 代表密钥长度 ),显然AES256的安全性能比AES128更高,而AES又要四种模式:ECB、CBC、CFB、OFB( 代表加密模式 )。
RSA1024是属于非对称加密,是基于大整数因式分解难度,也就是两个质数相乘很容易,但是找一个大数的质因子非常困难。量子计算机时代,RSA有一定的风险,具体可以参考: 超链接
AES256目前没有明显的漏洞,唯一的问题就是如何安全的分发密钥。
现在大部分的加密解密都是同时应用RSA和AES,发挥各自的优势,使用RSA进行密钥分发、协商,使用AES进行业务数据的加解密。
㈣ 用路由器设置的无线网络两种加密类型: AES 和 TKIP有何区别
1,TKIP: Temporal Key Integrity Protocol(暂时密钥集成协议)负责处理无线安全问题的加密部分,TKIP是包裹在已有WEP密码外围的一层“外壳”, 这种加密方式在尽可能使用WEP算法的同时消除了已知的WEP缺点。x0dx0a2,TKIP另一个重要特性就是变化每个数据包所使用的密钥,这就是它名纤裤称中“动态”的出处。密钥通过将多种因素混合在一起生成,包括基本密钥(即TKIP中所谓的成对瞬时密钥)、发射站的MAC地址以及数据包的序列号。x0dx0a3,AES:Advanced Encryption Standard(高级加密标准),是美国国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范,该算法汇聚了设计简单、密钥安装快、需要的内存空间少、在所有的平台上运行良好、支持并行处理并且可以抵抗所有已知攻击等优点。x0dx0a4,AES 是一个迭代的、尺乱对称密钥分组的密码,它可以使用128、192 和 256 位密钥,并且用 128 位(16字节)分组加密和解密数据。与公共密钥密码使用密钥对不同,对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。x0dx0a5,AES提供了比 TKIP更加高级的加密技术, 现在无线路由器都提供了这2种算法,不过比较倾向于AES。x0dx0a6,TKIP安全性不如AES,而毁困简且在使用TKIP算法时路由器的吞吐量会下降3成至5成,大大地影响了路由器的性能。