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本文包含如下两个内容:
AES加密介绍及实现原理
Go实现AES加密和解密工具
AES加密介绍及实现原理
AES( advanced encryption standard)使用相同密钥进行加密和解密,也就是 对称加密 。其他的对称加密如DES,由于DES密钥长度只有56位如今的算力甚至可以在5分钟内破解,而AES最高级别达到了256位密钥长度,如果采用穷举法,目前来看AES是一种”无法“被破解的加密存在。
关于 非对称 加密我们在之前有一篇文章《理解https中的安全及其实现原理》进行了介绍,有兴趣的可翻看查看。
AES用在哪里?
如果你正在浏览本文,那幺你就在使用AES(https协议中一部分使用了对称加密)。
绿色上网:通过加密安全地连接到另一台搬石头砸脚的服务器。
无线网络WIFI:和WAP2一起使用。
应用程序:wechat、JD、Alipay等使用 AES 加密照片和消息或支付信息。
存档和压缩工具:7z、WinZip 和 RAR。
操作系统组件:一些操作系统组件(如文件系统)使用高级加密标准来确保安全性。
编程语言库:Go、Python 和 C++ 等编码库实现了的AES加密(等会使用到)。
AES加密是如何实现的?
参考:
what-is-the-aes-algorithm?
What is AES encryption and how does it work?
Block cipher mode of operation
从宏观上来看AES加密过程中的一轮(根据不同的密钥长度,轮数不一样,下面会说到)如下:
1.数据分块
首先把明文按照128bit拆分成若干个明文块(图上黄色块),一个字节包含 8 位,布局为 4×4矩阵(上图黄色部分),对最后一块填充至128bit,填充方式有PKCS7Padding(采用)/PKCS5Padding/ZeroPadding,无论咋填充最后解密时都要去除这些多余的填充。
2.密钥扩展
AES通过Rijndael’s key schedule 将密钥被扩展为 (n+1) 个密钥,其中 n 是加密过程中要遵循的轮数。AES每个标准规定了所要加密的轮数,对于128位密钥,轮数是 10,要生成的密钥个数为 10+1,总共 11 个密钥。
标准 | 密钥长度 | 轮数 | 分组长度 |
---|---|---|---|
AES-128 | 128位(16字节) | 10 | 128位(16字节) |
AES-192 | 192位(24字节) | 12 | 128位(16字节) |
AES-256 | 256位(32字节) | 14 | 128位(16字节) |
每一轮所要做的包括:字节替代(SubBytes)、行移位(ShiftRows)、列混淆(MixColumns)、加轮密钥(AddRoundKey)
3. 字节替代(SubBytes)
每轮开始,首先进行SubBytes,字节根据预定义的 Rijndael S-box (可以简单认为是一个转换表)规定的规则进行替换。对a[i,j]中的每个字节进行一次转换后得到b[i,j]
4.行移位(ShiftRows)
对上一步得到矩阵进行ShiftRows,第一行不变,第二行移动1位,第三行2位,第四行3位。
5.列混淆(MixColumns)
再对矩阵的每一列和 修补矩阵fixed matrix 的二维常量数组做矩阵相乘,得到对应的输出列。
6.加轮密钥(AddRoundKey)
先将扩展密钥Kn排列成4×4矩阵,然后让输入数组的每一个字节a[i,j]与密钥对应位置的字节k[i,j]异或一次,得到输出b[i,j]。最后一轮不参与AddRoundKey
经过如上的10轮操作之后,得到了一个明文块的加密字符。解密则进行反向加密。
AES加密模式
ECB
在上面加密过程中每一个明文块都是独立进行加密的,简单且高效,但是如果一个段数据存在相关的明文块,则加密后的密文也会相同,对安全性也有一定影响。
CBC
CBC加密模式如下图所示,初始向量IV和明文异或,每个块的密文作为后续块的“向量”,让每一个密文独一无二。我们待会采用这种模式。
Go实现AES加密工具scode
ok,上面大致了解AES加密是如何工作起来的,接下来通过Go中的crypto/aes和crypto/cipher包实现的AES加密解密工具。
PKCS7Padding将待补足字节数作为填充的字节
使用 cipher的CBC模式对block加密和解密
循环从文件中读取100mb源数据用于加密后将密文写入文件,解密则读取密文解密后将源数据写入文件。
参考:Golang AES 加密 解密
通过cobra添加命令后,创建命令的匿名函数
使用方式看起来如下:
scode工具包含2个命令encode和decode,解密文件需要密码。
完整代码:source
通过博客查看:iqsing.github.io
通过改进此工具创建一个自己隐私文件加密和解密器。
参考:
[1] what-is-the-aes-algorithm?: https://www.educative.io/edpresso/what-is-the-aes-algorithm
[2]
What is AES encryption and how does it work?: https://cybernews.com/resources/what-is-aes-encryption/
[3]
Block cipher mode of operation: https://en.wikipedia.org/wiki/Block_cipher_mode_of_operation
[4]
Rijndael’s key schedule: https://www.samiam.org/key-schedule.html
[5]
Golang AES 加密 解密: https://www.jianshu.com/p/0caab60fea9f
[6]
iqsing.github.io: https://iqsing.github.io
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