Android中的AES加密-下 Android中的AES加密-下

本文为笔记，记录，写记录后为了方便查阅也为了能更好的记住大部分参考加自己理解
参考，
什么是AES算法？
前言
本章主要是针对AES加密的原理过程进行梳理。不在于细节，了解各个参数和类的功能来帮助我们再加密是更好的选择如何使用加密。
1. 加密过程
1.1 机密核心代码(包含但不仅紧限于)
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方法调用这段代码上文中我们也说过了，大致的核心加密过程就是这些，只不过，在Android要适配不同版本对应的SecureRandom获取方式不同和用KeyStore存储密钥。(SecureRandom这个类其实相当与加盐，将原文密钥经过一些特定的随机加密算法获取新的密钥)。
PS：平时我们可能对字符串进行Base64编码，Base64更偏向于编码而非加密，方便在不同的环境下传输。
不适用AES的过程：

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1592381263(1).jpg 使用AES后：

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1592381399(1).jpg
1.2 加密过程解释

发送方(如客户端)通过密钥key对铭文进行加密
发送方将机密后的密文ZdyCIZjNgxv2TGzxEen9MIY8ZFUwzVk68u2JsWILyac=发送给接收方
接收方使用相同的密钥key进行解密

AES特点

对称加密，也就是用收发两方都是用相同的密钥Key加密和解密
AES是DES的升级，在选择上如果使用对称加密更建议使用AES加密
AES是可逆的，特定场景需要不可逆使用MD5等算法

2. 加密参数
加密的核心类是Cipher。通过对代码和加密过程，我们来说明下加密几个概念。
2.1 密钥密钥，也就是上面所说的密钥Key，在AES中使用明确的要求的：
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。
他们的特点也就是密钥越长(指密钥的位数)，越安全。越短性能越高。他们的本质是在于加密的轮数不同相应的，如何选择看加密的重要性。一般来说用128多点
2.3 分组加密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：

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分组加密 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）。
2.3 填充方式 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
==这里有2个问题==

如果使用PKCS5Padding或ISO10126Padding填充方式，切铭文是16的倍数呢？

答：直接再补上16个字节{16,16,16,16,16,16,16,16,16,16,16,16,16,16,16,16}

如果是明文15位呢？如果用PKCS5Padding填充方式呢？

答：也会补充一个字节位0x01。

如果16位铭文格式是这种{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6}，那么不会认为后面的6是填充的呢？然会形象最后的解密出来的明文呢？

答：不会，因为能获取明文长度所以，知道后面的6个6是数据而不是填充数据。
PKCS7Padding
Android中特有的，Java中没有，Android没有使用标准Java的AES加密，而是自己实现了一套，顺便实现了PKCS7Padding但是PKCS5Padding可以解密PKCS7Padding加密的数据
2.4 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
最早采用和最简单的模式，它将待加密的数据分成若干块，每块的大小跟加密密钥长度相同，然后分别对每个数据块用同一密钥进行加密。
特点: 简单，有利于并行计算（每个数据块用同一密钥单独加密），误差不会传递（一个数据块出错不会影响其他数据块）。
由于所有分组的加密方式一致，明文中的重复内容会在密文中有所体现，因此难以抵抗统计分析攻击。
因此，ECB模式一般只适用于小数据量的字符信息的安全性保护
CBC模式：
密码分组链接模式 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。
特点：CBC模式相比ECB有更高的保密性，适合传输长的报文，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，误差也会传递，与ECB一样，不是很适合对流数据进行加密。需要初始化向量。
CTR模式：
计算器模式 Counter
CFB模式：
密码反馈模式 Cipher FeedBack
OFB模式：
输出反馈模式 Output FeedBack
后面几个不常用。

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方法调用

kgen.init传入的第一个参数128决定了密钥的长度是128bit。
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。
2. 底层原理
2.1 加密原理

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底层原理在这里我们重新梳理一下：
1.把明文按照128bit拆分成若干个明文块。
2.按照选择的填充方式来填充最后一个明文块。
3.每一个明文块利用AES加密器和密钥，加密成密文块。
4.拼接所有的密文块，成为最终的密文结果。
AES 不是一次性加密所有铭文块，而是经过很多轮数的加密，加密的轮数，取决与密钥的长度
具体分成多少轮呢？
初始轮（Initial Round） 1次
普通轮（Rounds） N次
最终轮（Final Round） 1次
可以看到无论多少轮，不同的是普通论的个数
AES的Key支持三种长度：AES128，AES192，AES256。Key的长度决定了AES加密的轮数(也就是普通论的个数)。
除去初始轮，各种Key长度对应的轮数如下：
AES128：10轮
AES192：12轮
AES256：14轮
不同阶段的Round有不同的处理步骤。
初始轮只有一个步骤：
加轮密钥（AddRoundKey）
普通轮有四个步骤：
字节代替（SubBytes）
行移位（ShiftRows）
列混淆（MixColumns）
加轮密钥（AddRoundKey）
最终轮有三个步骤：
字节代替（SubBytes）
行移位（ShiftRows）
加轮密钥（AddRoundKey）
字节代替（SubBytes）
将明文块分成4x4 16字节的数组，将每个数组的字节换成另外一个字节

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行移位（ShiftRows）
第一行不变
第二行循环左移1个字节
第三行循环左移2个字节
第四行循环左移3个字节

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image 列混淆（MixColumns）
输入数组的每一列要和一个名为修补矩阵（fixed matrix）的二维常量数组做矩阵相乘，得到对应的输出列。

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加轮密钥（AddRoundKey）

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image 唯一利用到密钥的一步，128bit的密钥也同样被排列成4X4的矩阵。
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，就生成了输出值b[i,j]。
需要补充一点，加密的每一轮所用到的密钥并不是相同的。这里涉及到一个概念：扩展密钥（KeyExpansions）。
扩展密钥（KeyExpansions）
AES源代码中用长度 4 x 4 x（10+1指的是不管密钥长度是多少，加密轮数是多少都有1次初始轮加密,10代表128字节密钥key) 字节的数组W来存储所有轮的密钥。W{0-15}的值等同于原始密钥的值，用于为初始轮做处理。
后续每一个元素W[i]都是由W[i-4]和W[i-1]计算而来，直到数组W的所有元素都赋值完成。
W数组当中，W{0-15}用于初始轮的处理，W{16-31}用于第1轮的处理，W{32-47}用于第2轮的处理 ......一直到W{160-175}用于最终轮（第10轮）的处理。
总结：我们写入的密钥只有在初始轮加密用到，之后每次加密轮用的密钥都是基于初始轮W[0-15]之后按照规则计算出来的
2.2 模式原理模式不同其实对应的明文块与明文块之间的工作模式的。上面的加密逻辑是单个明文块的加密逻辑。模式是在整个明文块加密过程中起作用，更宏观一点。加密原理是每个明文块内部。两个互相不影响
1.ECB模式
ECB模式（Electronic Codebook Book）是最简单的工作模式，在该模式下，每一个明文块的加密都是完全独立，互不干涉的。

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这样的好处是什么呢？
1.简单
2.有利于并行计算
缺点同样也很明显：
相同的明文块经过加密会变成相同的密文块，因此安全性较差。
2.CBC模式
CBC模式（Cipher Block Chaining）引入了一个新的概念：初始向量IV（Initialization Vector）。
IV是做什么用的呢？它的作用和MD5的“加盐”有些类似，目的是防止同样的明文块始终加密成同样的密文块。

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image 从图中可以看出，CBC模式在每一个明文块加密前会让明文块和一个值先做异或操作。IV作为初始化变量，参与第一个明文块的异或，后续的每一个明文块和它前一个明文块所加密出的密文块相异或。
这样以来，相同的明文块加密出的密文块显然是不一样的。
CBC模式的好处是什么呢？
安全性更高
坏处也很明显：
1.无法并行计算，性能上不如ECB
2.引入初始化向量IV，增加复杂度。
CBC模式代码加密：

/** * AES加密 * * @param content * @return */ public EncryptData aesEncrypt(String alias, String content) { try { SecretKey secretKey = getSecretKey(keyStore); Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS7Padding"); cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey); byte[] bytes = cipher.doFinal(StringUtils.string2Bytes(content)); byte[] iv = cipher.getIV(); String encryptString = Base64.encodeToString(bytes, Base64.NO_WRAP); return new EncryptData(alias, encryptString, iv); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); return null; } }/** * AES解密 * * @param encryptData * @return */ public String aesDecrypt(EncryptData encryptData) { try { SecretKey secretKey = getSecretKey(keyStore); Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS7Padding"); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, new IvParameterSpec(encryptData.getIv())); byte[] bytes = cipher.doFinal(Base64.decode(encryptData.getEncryptString() , Base64.NO_WRAP)); return StringUtils.bytes2String(bytes); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); return null; } }//EncryptData是自己实体，用于保存向量和数据 //KeyStore上篇文章有写如何创建

用向量加密，也要用相同的向量解密，所以可以把向量保存起来。
更多内容： https://blog.csdn.net/dodod2012/article/details/80824580
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