AES对称加解密

简介
设计思想
加密模式
ECB模式（电子密码本模式：Electronic codebook）
CBC模式（密码分组链接：Cipher-block chaining）
CFB模式(密文反馈:Cipher feedback)
OFB模式（输出反馈：Output feedback）
主要参数
注意
JAVA实现AES/ECB/ZeroPadding
PHP实现AES/ECB/ZeroPadding
.NET实现AES/ECB/ZeroPadding
为啥要base64

简介

高级加密标准（英语：Advanced Encryption Standard，缩写：AES），在密码学中又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程，高级加密标准由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。2006年，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。

不同于它的前任标准DES，Rijndael使用的是代换-置换网络，而非Feistel架构。AES在软件及硬件上都能快速地加解密，相对来说较易于实作，且只需要很少的存储器。作为一个新的加密标准，目前正被部署应用到更广大的范围。

设计思想

Rijndael密码的设计力求满足以下3条标准：

① 抵抗所有已知的攻击。

② 在多个平台上速度快，编码紧凑。

③ 设计简单。

当前的大多数分组密码，其轮函数是Feistel结构。

Rijndael没有这种结构。

Rijndael轮函数是由3个不同的可逆均匀变换

加密模式

算法/模式/填充                16字节加密后数据长度        不满16字节加密后长度
AES/CBC/NoPadding             16                          不支持
AES/CBC/PKCS5Padding          32                          16
AES/CBC/ISO10126Padding       32                          16
AES/CFB/NoPadding             16                          原始数据长度
AES/CFB/PKCS5Padding          32                          16
AES/CFB/ISO10126Padding       32                          16
AES/ECB/NoPadding             16                          不支持
AES/ECB/PKCS5Padding          32                          16
AES/ECB/ISO10126Padding       32                          16
AES/OFB/NoPadding             16                          原始数据长度
AES/OFB/PKCS5Padding          32                          16
AES/OFB/ISO10126Padding       32                          16
AES/PCBC/NoPadding            16                          不支持
AES/PCBC/PKCS5Padding         32                          16
AES/PCBC/ISO10126Padding      32                          16   

ECB模式（电子密码本模式：Electronic codebook）

ECB是最简单的块密码加密模式，加密前根据加密块大小（如AES为128位）分成若干块，之后将每块使用相同的密钥单独加密，解密同理。

ECB加密流程(图片来自维基百科)

ECB模式由于每块数据的加密是独立的因此加密和解密都可以并行计算，ECB模式最大的缺点是相同的明文块会被加密成相同的密文块，这种方法在某些环境下不能提供严格的数据保密性。

CBC模式（密码分组链接：Cipher-block chaining）

CBC模式对于每个待加密的密码块在加密前会先与前一个密码块的密文异或然后再用加密器加密。第一个明文块与一个叫初始化向量的数据块异或。

CBC加密流程(图片来自维基百科)

AES_cbc_encrypt允许length不是16(128位)的整数倍，不足的部分会用0填充，输出总是16的整数倍。完成加密或解密后会更新初始化向量IV。

CBC模式相比ECB有更高的保密性，但由于对每个数据块的加密依赖与前一个数据块的加密所以加密无法并行。与ECB一样在加密前需要对数据进行填充，不是很适合对流数据进行加密。

CFB模式(密文反馈:Cipher feedback)

与ECB和CBC模式只能够加密块数据不同，CFB能够将块密文（Block Cipher）转换为流密文（Stream Cipher）。

CFB加密流程(图片来自维基百科)

注意:CFB、OFB和CTR模式中解密也都是用的加密器而非解密器。

CFB的加密工作分为两部分：

• 将一前段加密得到的密文再加密；
• 将第1步加密得到的数据与当前段的明文异或。

由于加密流程和解密流程中被块加密器加密的数据是前一段密文，因此即使明文数据的长度不是加密块大小的整数倍也是不需要填充的，这保证了数据长度在加密前后是相同的。

这种模式称为128位的CFB模式(又称CFB128)在OpenSSL中用来进行这种加解密的函数为AES_cfb128_encrypt

CFB128是每处理128位数据调用一次加密器，此外还有两种常用的CFB是CFB8和CFB1，前者每处理8位调用一次加密器，后者每处理1位调用1次加密器，就运算量来讲CFB1是CFB8的8倍，是CFB128的128倍。对于CFB8和CFB1需要将IV作为移位寄存器。

CFB8的加密流程

1. 使用加密器加密IV的数据；
2. 将明文的最高8位与IV的最高8位异或得到8位密文；
3. 将IV数据左移8位，最低8位用刚刚计算得到的8位密文补上。

重复1到3。

CFB1的加密流程

1. 使用加密器加密IV的数据；
2. 将明文的最高1位与IV的最高1位异或得到1位密文；
3. 将IV数据左移1位，最低1位用刚刚计算得到的1位密文补上。

重复1到3。

CFB模式非常适合对流数据进行加密，解密可以并行计算。

OFB模式（输出反馈：Output feedback）

OFB是先用块加密器生成密钥流（Keystream），然后再将密钥流与明文流异或得到密文流，解密是先用块加密器生成密钥流，再将密钥流与密文流异或得到明文，由于异或操作的对称性所以加密和解密的流程是完全一样的。

OFB加密流程

OFB与CFB一样都非常适合对流数据的加密，OFB由于加密和解密都依赖与前一段数据，所以加密和解密都不能并行。

主要参数

模式、填充偏移量iv

注意

PHP的AES加密填充只有ZeroPadding（补零 - 因为数据长度不是16的整数倍就需要填充），所以跨语言的普通加密需求就我们就采用了AES/ECB/ZeroPadding（ECB模式无IV向量），而JAVA没有ZeroPadding，所以只能模拟实现

JAVA实现AES/ECB/ZeroPadding

import android.util.Base64;

import java.io.UnsupportedEncodingException;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

/**
 * Created by lixin(178078114@qq.com) on 2016/12/9.
 */

public class AESCryptoUtils {
    /**
     * 算法/模式/填充
     **/
    private static final String CipherMode = "AES/ECB/NoPadding";

    /**
     * 创建密钥
     **/
    private static SecretKeySpec createKey(String key) {
        byte[] data = null;
        if (key == null) {
            key = "";
        }
        StringBuffer sb = new StringBuffer(16);
        sb.append(key);
        while (sb.length() < 16) {
            sb.append("0");
        }
        if (sb.length() > 16) {
            sb.setLength(16);
        }

        try {
            data = sb.toString().getBytes("UTF-8");
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return new SecretKeySpec(data, "AES");
    }

    private static IvParameterSpec createIV(String password) {
        byte[] data = null;
        if (password == null) {
            password = "";
        }
        StringBuffer sb = new StringBuffer(16);
        sb.append(password);
        while (sb.length() < 16) {
            sb.append("0");
        }
        if (sb.length() > 16) {
            sb.setLength(16);
        }

        try {
            data = sb.toString().getBytes("UTF-8");
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return new IvParameterSpec(data);
    }

    /**
     * 加密字节数据
     **/
    public static byte[] encrypt(byte[] content, String password) {//}, String iv) {
        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(CipherMode);
            int blockSize = cipher.getBlockSize();
            byte[] dataBytes = content;
            int plaintextLength = dataBytes.length;
            if (plaintextLength % blockSize != 0) {
                plaintextLength = plaintextLength + (blockSize - (plaintextLength % blockSize));
            }
            //字节数组默认为0，不用手动补了
            byte[] plaintext = new byte[plaintextLength];
            System.arraycopy(dataBytes, 0, plaintext, 0, dataBytes.length);
            SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(password.getBytes("UTF-8"), "AES");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);//, createIV(iv));
            byte[] result = cipher.doFinal(plaintext);
            return result;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    /**
     * 加密(结果为16进制字符串)
     **/
    public static String encrypt(String content, String password) {//, String iv) {
        byte[] data = null;
        try {
            data = content.getBytes("UTF-8");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        data = encrypt(data, password);//, iv);
        String result = Base64.encodeToString(data, Base64.DEFAULT);
        return result;
    }

    /**
     * 解密字节数组
     **/
    public static byte[] decrypt(byte[] content, String password, String iv) {
        try {
            SecretKeySpec key = createKey(password);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(CipherMode);
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, createIV(iv));
            byte[] result = cipher.doFinal(content);
            return result;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    /**
     * 解密(输出结果为字符串)
     **/
    public static String decrypt(String content, String password, String iv) {
        byte[] data = null;
        try {
            data = hex2byte(content);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        data = decrypt(data, password, iv);
        if (data == null)
            return null;
        String result = null;
        try {
            result = new String(data, "UTF-8");
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return result;
    }

    /**
     * 字节数组转成16进制字符串
     **/
    public static String byte2hex(byte[] b) { // 一个字节的数，
        StringBuffer sb = new StringBuffer(b.length * 2);
        String tmp = "";
        for (int n = 0; n < b.length; n++) {
            // 整数转成十六进制表示
            tmp = (java.lang.Integer.toHexString(b[n] & 0XFF));
            if (tmp.length() == 1) {
                sb.append("0");
            }
            sb.append(tmp);
        }
        return sb.toString().toUpperCase(); // 转成大写
    }

    /**
     * 将hex字符串转换成字节数组
     **/
    private static byte[] hex2byte(String inputString) {
        if (inputString == null || inputString.length() < 2) {
            return new byte[0];
        }
        inputString = inputString.toLowerCase();
        int l = inputString.length() / 2;
        byte[] result = new byte[l];
        for (int i = 0; i < l; ++i) {
            String tmp = inputString.substring(2 * i, 2 * i + 2);
            result[i] = (byte) (Integer.parseInt(tmp, 16) & 0xFF);
        }
        return result;
    }
}

PHP实现AES/ECB/ZeroPadding

php默认情况只有ZeroPadding模式

    /**
     * 加密
     *
     * @param string $key
     *          密钥
     * @param string $str
     *          需加密的字符串
     * @return type
     */
    private function encrypt($key, $str) {
        return mcrypt_encrypt ( MCRYPT_RIJNDAEL_128, $key, $str, MCRYPT_MODE_ECB);
    }

    /**
     * 解密
     *
     * @param type $key
     * @param type $str
     * @return type
     */
    private function decrypt($key, $str) {
        $data=base64_decode($str);
        return mcrypt_decrypt ( MCRYPT_RIJNDAEL_128, $key, $data, MCRYPT_MODE_ECB);
    }

.NET实现AES/ECB/ZeroPadding

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.IO;
using System.Linq;
using System.Security.Cryptography;
using System.Text;

namespace Leestar
{
    /// <summary>
    /// AESEncrypt加密解密算法。
    /// </summary>
    public sealed class AESEncrypt
    {
        public static string Encrypt(string toEncrypt)
        {
            byte[] keyArray = UTF8Encoding.UTF8.GetBytes("这里是密匙");
            byte[] toEncryptArray = UTF8Encoding.UTF8.GetBytes(toEncrypt);

            RijndaelManaged rDel = new RijndaelManaged();
            rDel.Key = keyArray;
            rDel.Mode = CipherMode.ECB;
            rDel.Padding = PaddingMode.Zeros;
            ICryptoTransform cTransform = rDel.CreateEncryptor();
            byte[] resultArray = cTransform.TransformFinalBlock(toEncryptArray, 0, toEncryptArray.Length);

            return Convert.ToBase64String(resultArray, 0, resultArray.Length);
        }

        public static string Decrypt(string toDecrypt)
        {
            byte[] keyArray = UTF8Encoding.UTF8.GetBytes("这里是密匙");
            byte[] toEncryptArray = Convert.FromBase64String(toDecrypt);

            RijndaelManaged rDel = new RijndaelManaged();
            rDel.Key = keyArray;
            rDel.Mode = CipherMode.ECB;
            rDel.Padding = PaddingMode.None;

            ICryptoTransform cTransform = rDel.CreateDecryptor();
            byte[] resultArray = cTransform.TransformFinalBlock(toEncryptArray, 0, toEncryptArray.Length);

            return UTF8Encoding.UTF8.GetString(resultArray);
        }

    }
}

为啥要base64

X.509公钥证书也好，电子邮件数据也好，经常要用到Base64编码，那么为什么要作一下这样的编码呢？我们知道在计算机中任何数据都是按ascii码存储的，而ascii码的128～255之间的值是不可见字符。而在网络上交换数据时，比如说从A地传到B地，往往要经过多个路由设备，由于不同的设备对字符的处理方式有一些不同，这样那些不可见字符就有可能被处理错误，这是不利于传输的。所以就先把数据先做一个Base64编码，统统变成可见字符，这样出错的可能性就大降低了。

参考：

http://php.net/manual/en/function.mcrypt-encrypt.php

https://blog.poxiao.me/p/advanced-encryption-standard-and-block-cipher-mode/

https://my.oschina.net/Jacker/blog/86383