本篇文章给大家谈谈接口aes加密以及对应的知识点，希望对各位有所帮助。
aes, 高级加密标准, 是采用区块加密的一种标准, 又称Rijndael加密法. 严格上来讲, aes和Rijndael又不是完全一样, aes的区块长度固定为128比特, 秘钥长度可以是128, 192或者256. Rijndael加密法可以支持更大范围的区块和密钥长度, Rijndael使用的密钥和区块长度均可以是128，192或256比特. aes是对称加密最流行的算法之一.
我们不去讨论具体的aes的实现, 因为其中要运用到大量的高等数学知识, 单纯的了解aes流程其实也没什么意义(没有数学基础难以理解), 所以我们今天着重来总结一些使用过程中的小点.
当然了分组密码的加密模式不仅仅是ECB和CBC这两种, 其他的我们暂不涉及.
上面说的aes是一种区块加密的标准, 那加密模式其实可以理解为处理不同区块的方式和联系.
ECB可以看做最简单的模式, 需要加密的数据按照区块的大小分为N个块, 并对每个块独立的进行加密
此种方法的缺点在于同样的明文块会被加密成相同的密文块, 因此, 在某些场合, 这种方法不能提供严格的数据保密性. 通过下面图示例子大家就很容易明白了
我们的项目中使用的就是这种模式, 在CBC模式中, 每个明文块与前一个块的加密结果进行异或后, 在进行加密, 所以每个块的加密都依赖前面块的加密结果的, 同时为了保证第一个块的加密, 在第一个块中需要引入初始化向量iv.
CBC是最常用的模式. 他的缺点是加密过程只能是串行的, 无法并行, 因为每个块的加密要依赖到前一个块的加密结果, 同时在加密的时候明文中的细微改变, 会导致后面所有的密文块都发生变化. 但此种模式也是有优点的, 在解密的过程中, 每个块的解密依赖上一个块的加密结果, 所以我们要解密一个块的时候, 只需要把他前面一个块也一起读取, 就可以完成本块的解密, 所以这个过程是可以并行操作的.
aes加密每个块blockSize是128比特, 那如果我们要加密的数据不是128比特的倍数, 就会存在最后一个分块不足128比特, 那这个块怎么处理, 就用到了填充模式. 下面是常用的填充模式.
PKCS7可用于填充的块大小为1-255比特, 填充方式也很容易理解, 使用需填充长度的数值paddingSize 所表示的ASCII码 paddingChar = chr(paddingSize)对数据进行冗余填充. (后面有解释)
PKCS5只能用来填充8字节的块
我们以aes(128)为例, 数据块长度为128比特, 16字节, 使用PKCS7填充时, 填充长度为1-16. 注意, 当加密长度是16整数倍时, 反而填充长度是最大的, 要填充16字节. 原因是 "PKCS7" 拆包时会按协议取最后一个字节所表征的数值长度作为数据填充长度, 如果因真实数据长度恰好为16的整数倍而不进行填充, 则拆包时会导致真实数据丢失.
举一个blockSize为8字节的例子
第二个块中不足8字节, 差4个字节, 所以用4个4来填充
严格来讲 PKCS5不能用于aes, 因为aes最小是128比特(16字节), 只有在使用DES此类blockSize为64比特算法时, 考虑使用PKCS5
我们的项目最开始加解密库使用了CryptoSwift, 后来发现有性能问题, 就改为使用IDZSwiftCommonCrypto.
这里咱们结合项目中边下边播边解密来提一个点, 具体的可以参考之前写的 边下边播的总结 . 因为播放器支持拖动, 所以我们在拖拽到一个点, 去网络拉取对应数据时, 应做好range的修正, 一般我们都会以range的start和end为基准, 向前后找到包含这个range的所有块范围. 打比方说我们需要的range时10-20, 这是我们应该修正range为0-31, 因为起点10在0-15中, 20 在16-31中. 这是常规的range修正.(第一步 找16倍数点).
但是在实际中, 我们请求一段数据时, 还涉及到解密器的初始化问题, 如果我们是请求的0-31的数据, 因为是从0开始, 所以我们的解密器只需要用key和初始的iv来进行初始化, 那如果经过了第一步的基本range修正后, 我们请求的数据不是从0开始, 那我们则还需要继续往前读取16个字节的数据, 举个例子, 经过第一步修正后的range为16-31, 那我们应该再往前读取16字节, 应该是要0-31 这32个字节数据, 拿到数据后,使用前16个字节(上一个块的密文)当做iv来初始化解密器.
还有一个要注意的点是, 数据解密的过程中, 还有可能会吞掉后面16个字节的数据, 我暂时没看源码, 不知道具体因为什么, 所以保险起见, 我们的range最好是再向后读取6个字节.
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参考资料
采集器与数据中转站或数据中心间通讯采用住建部导则中规定的aes加MD5身份认证功能，所有数据经过aes-128-CBC加密，该加密算法广泛应用于金融、国防等重要领域拥有良好的安全性。数据采集器操作系统采用裁剪优化的Linux操作系统，关闭了全部无用网络端口，能有效避免网络攻击和病毒入侵。
能耗采集器由通信模块、微处理器芯片、高精度实时时钟、大容量FLASH存储芯片、数据接口设备和人机接口设备等组成。
抄表方式主要通过RS485方式，与有相应接口功能的计量装置（电、水、气、冷热量表等）通信，把需要的信息抄读回来传给采集器，采集器再通过上行通道标准RS485/以太网接口传送给主站（本地服务器/远程数据中心），让主站能够及时管理及获取信息，主站同时能够通过RS485/以太网接口形式对采集器发送相关命令读取或设置参数信息，采集器采集的数据周期性的存储在本地FLASH存储设备中。
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希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。
智能化时代的到来涉及了各种核心算法，保护算法就能保障开发者权益，杜绝市面上各种山寨品，加密芯片恰好能起到很好的保护作用，如何选择加密芯片呢？KEROS加密芯片专注于加密领域十余年，行业首选。
1.安全性：采用国际通用aes256算法加密并同时通过KAS传送，除基本认证之外，利用2K安全EEPROM，用户可以自己管理密钥和数据，实现双重保护。
2.唯一性：以定制的方式为每一位用户单独定制“专属型号CID”，多用户之间算法不兼容，并且采用固化的方法直接将算法固化到晶圆上而无需烧入。
3.序列号：每颗芯片制造生产时具有5字节全球唯一SN序列号，每颗芯片SN都不会重复。
4.防抄特性：每颗芯片都有自己独特的密钥系统，破解单颗芯片只对这颗芯片对应的产品有效，对整个同类型的产品是无效的，依旧无法通过验证。而且KEROS采用ASIC方法设计，芯片内为纯逻辑电路，封装内有40多层逻辑电路整合了10万多个逻辑门，爆力刨片破解难度可想而知。
5.安全存储：用户可以将保密数据加密之后安全的存放到EEPROM中。接口aes加密的介绍就聊到这里吧，感谢你花时间阅读本站内容。
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