AES加密演算法研究

摘要： 1、AES簡介 AES稱為高階加密標準（英語：Advanced Encryption Standard），在密碼學中又稱Rijndael加密法，是美國聯邦政府採用的一種區塊加密標準。這個標準用來替代原先的DES，已經被多方分析且廣為全世界所使用。2006年，高階加密標準已然成為對稱...

1、AES簡介

AES稱為高階加密標準（英語：Advanced Encryption Standard），在密碼學中又稱Rijndael加密法，是美國聯邦政府採用的一種區塊加密標準。這個標準用來替代原先的DES，已經被多方分析且廣為全世界所使用。2006年，高階加密標準已然成為對稱金鑰加密中最流行的演算法之一。

2、設計思想

根據使用的密碼長度，AES最常見的有3種方案，用以適應不同的場景要求，分別是AES-128、AES-192和AES-256。本文主要對AES-128進行介紹，另外兩種的思路基本一樣，只是輪數會適當增加。

以下是演算法程式碼簡要 ：

Rijndael (State, ExpandedKey){
AddRoundKey (State, ExpandedKey);
for (i=1; i <Nr; i ++)
Round (State, ExpandedKey+Nb* i);
FinalRound (State, ExpandedKey+Nb*Nr)
}
} 

Round (State, RoundKey){
ByteSub (State);
ShiftRow (State);
MixColumn (State);
AddRoundKey (State, RoundKey)
}

FinalRound (State, RoundKey){
ByteSub (State);
ShiftRow (State);
AddRoundKey (State, RoundKey)
}

AES加密過程是在一個4×4的位元組矩陣上運作，這個矩陣又稱為“狀態（state）”，其初值就是一個明文區塊（矩陣中一個元素大小就是明文區塊中的一個Byte）。（Rijndael加密法因支援更大的區塊，其矩陣行數可視情況增加）加密時，各輪AES加密迴圈（除最後一輪外）均包含4個步驟：

• AddRoundKey ： 矩陣中的每一個位元組都與該次輪祕鑰（round key）做XOR運算；每個子金鑰由金鑰生成方案產生。
• SubBytes ： 通過非線性的替換函式，用查詢表的方式把每個位元組替換成對應的位元組。
• ShiftRows ： 將矩陣中的每個橫列進行迴圈式移位。
• MixColumns ： 為了充分混合矩陣中各個直行的操作。這個步驟使用線性轉換來混合每列的四個位元組。

最後一個加密迴圈中省略MixColumns步驟，而以另一個AddRoundKey取代。

3、AES的填充模式

演算法/模式/填充	16位元組加密後資料長度	不滿16位元組加密後長度
AES/CBC/NoPadding	16	不支援
AES/CBC/PKCS5Padding	32	16
AES/CBC/ISO10126Padding	32	16
AES/CFB/NoPadding	16	原始資料長度
AES/CFB/PKCS5Padding	32	16
AES/CFB/ISO10126Padding	32	16
AES/ECB/NoPadding	16	不支援
AES/ECB/PKCS5Padding	32	16
AES/ECB/ISO10126Padding	32	16
AES/OFB/NoPadding	16	原始資料長度
AES/OFB/PKCS5Padding	32	16
AES/OFB/ISO10126Padding	32	16
AES/PCBC/NoPadding	16	不支援
AES/PCBC/PKCS5Padding	32	16
AES/PCBC/ISO10126Padding	32	16

當原始資料長度為16的整數倍時，假如原始資料長度等於16n，則使用NoPadding時加密後資料長度等於16 n，其它情況下加密資料長度等於16(n+1)。在不足16的整數倍的情況下，假如原始資料長度等於16 n+m[其中m小於16]，除了NoPadding填充之外的任何方 式，加密資料長度都等於16*(n+1)；NoPadding填充情況下，CBC、ECB和PCBC三種模式是不支援的，CFB、OFB兩種模式下則加密資料長度等於原始資料長度。

4、加密總結：

1. 把祕鑰硬編碼在程式碼中有很大風險，通過反編譯程式碼很容易拿到祕鑰。Android開發裡建議用JNI把祕鑰值寫到C 程式碼裡。或是拆分成幾份，最後再組合成真正的祕鑰。也可以使用Android 6.0之後推出的Android KeyStore來儲存金鑰。個人建議是使用Android KeyStore來儲存金鑰。

2. 如果先把一個檔案轉換成位元組陣列，然後再加密，最後生成檔案，這樣很大機率很會產生OOM，所以這裡利用了FileChannel，一次讀取一定的位元組數，而後再進行加密解密，最後再通過Channel生成新檔案

3. 一個加密的金鑰和加密的字串，然後通過AES演算法密碼把位元組陣列加密，然後轉換成了16進位制，得到數字和字母

4. 加密和解密都一樣，就是在設定AES模式（加密和解密）不一樣，還有一個就是對內容的處理，位元組和16進位制的相互轉換

5. 同樣的程式碼，Android和java的執行結果是不同的，這應該是兩端的編碼不同導致。

5、什麼時候採用對稱加密？

我們都知道，有對稱加密和非對稱加密，而非對稱加密還分公鑰和私鑰，那是否後者更加安全一點呢？其實兩者都有存在的必要，非對稱加密一般不會單獨拿來使用，他並不是為了取代對稱加密而出現的，非對稱加密速度比對稱加密慢很多，

極端情況下會慢1000 倍，所以一般不會用來加密大量資料，通常我們經常會將對稱加密和非對稱加密兩種技術聯合起來使用，例如用非對稱加密來給稱加密裡的祕鑰進行加密。