什么是AES对称加密算法？

Posted 2021-04-25 HelloWorld搬运工

小明：老师，请问了解AES算法吗？

老师：了解一些，AES算法是典型的【对称加密算法】

小明：我不太明白，这个对称加密是什么鬼？它跟MD5，SHA这样的哈希摘要算法有什么不同？

老师：对称加密不同于信息摘要，是真正意义上的加密算法。我们来看看下面这个例子：

设有一个发送方在向接收方发送消息。如果没有任何加密算法，接收方接收的是一个明文消息“我是小明”

如果消息被中间人截获到，即使中间人无法篡改信息，也可以窥探到信息内容，从而暴露了通信双方的私密。

因此我们不再直接传送明文，而改用对称加密的方式传输密文，画风就变成了下面这样：

具体工作的步骤如下：

1.发送方利用密钥123456，加密明文“我是小明”，加密结果为TNYRvx+SNjZwEK+ZXFEcDw==。

2.发送方把加密后的内容TNYRvx+SNjZwEK+ZXFEcDw==传输给接收方。

3.接收方收到密文TNYRvx+SNjZwEK+ZXFEcDw==，利用密钥123456还原为明文“我是小明”。

摘要算法是不可逆的，它的主要作用是对信息一致性和完整性的校验。而对称加密算法是可逆的，它的主要作用是保证私密信息不被泄露。

小明：原来如此，可以详细地介绍一下AES算法吗？它有什么样的特点呢？

老师：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。

1.密钥

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。

小明：那么，AES128，AES192，AES256在使用效果上有什么不同呢？

老师：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。

2.填充

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）。

小明：填充？听起来和MD5处理明文的方式有点像呢。

老师：的确，两者的思想有共通支出。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。

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}

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。

3.模式

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。

ECB模式（默认）：

电码本模式    Electronic Codebook Book

CBC模式：

密码分组链接模式    CipherBlock Chaining

CTR模式：

计算器模式    Counter

CFB模式：

密码反馈模式    CipherFeedBack

OFB模式：

输出反馈模式    OutputFeedBack

同样的，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。

小明：想要使用不同长度的密钥，以及不同的填充和模式，在代码里如何体现呢？

老师：AES算法在Java的javax.crypto包里有很好的封装，我们来看一下调用的方法：

1. kgen.init传入的第一个参数128决定了密钥的长度是128bit。

2. Cipher.getInstance("AES/CBC/NoPadding")决定了AES选择的填充方式是NoPadding，工作模式是CBC模式。

几点补充：

1.我们在调用封装好的AES算法时，表面上使用的Key并不是真正用于AES加密解密的密钥，而是用于生成真正密钥的“种子”。

2.填充明文时，如果明文长度原本就是16字节的整数倍，那么除了NoPadding以外，其他的填充方式都会填充一组额外的16字节明文块。

以上就是AES的基本概念。