上次的文章中对常用的加密算法进行了一些简单的介绍，这次我们就挑一个出来说说，今天的主角的是对称加密中的当头大哥AES加密。
AES加密简介
AES全称Advanced Encryption Standard，中文名称叫高级加密标准，在密码学中被叫做Rijndael加密法，这个标准已经替代原来的DES，成为美国政府采用的一种区块加密标准。微信小程序中的加密传输就是使用的AES加密算法。
aes1.png
根据上图，解释一下各个部分的作用：
明文P：没有经过加密的数据。
密钥K：用来加密明文的密码，在对称加密中，加密和解密的密钥是相同的，所以密钥要保证安全，如果一旦密钥泄漏了，那么数据就基本上不存在安全性了。
AES加密函数：设AES加密函数为E，则C = E(K,P)，其中K为密钥，C为密文。所以通过加密函数E，可以把明文+密钥生成密文。
密文C：经过加密处理后的数据。
AES解密函数：如加密函数一样，设AES解密函数为D，则P = D（C,P），也就是说，可以通过解密函数D，将密文+密钥生成明文。
AES的基本结构
AES为分组密码，分组密码就是把明文分成一组一组的，每组的长度相等，每次加密一组数据，一直到整个明文被加密完毕。
在AES标准规范中，分组长度只能是128位，也就是说每个分组为16个字节（每个字节8位）。密钥的长度可以使用128位、192位或256位。密钥的长度不同，推荐加密的轮数也不同。一般加密的轮数如下：
AES | 密钥长度（32位比特字） | 分组长度（32位比特字） | 加密轮数
--- | --- | --- | ---
AES-128 | 4 | 4 | 10
AES-192 | 6 | 4 | 12
AES-256 | 8 | 4 | 14
这个加密轮数是什么意思呢？
就比如说上边的加密公式C = E（K,P），如果加密10轮，就是需要执行10次这个函数，这个轮函数的前9次都是相同的，只有第10次时有所不同。
AES处理的单位是字节，128位的输入明文分组P和输入密钥K都被分为16个字节，分别记为P = P0 P1 ... P15 和 K = K0 K1 ... K15，如明文分组P = abcdefghijklmnop，其中的字符a对应P0，p对应P15。一般地，明文分组用字节为单位的正方形矩阵 描述，成为状态矩阵。在算法的每一轮中，状态矩阵的内容不断发生变化，最后的结果作为密文输出。该矩阵的排列顺序为从上到下、从左至右依次排列，如图所示：
aes2.png
现在假设明文分组P = abcdefghijklmnop，则对应的矩阵图为：
aes3.png
图中使用十六进制表示，即使用0x61表示a，可以看到，经过AES加密之后，得到的结果已经看不出原来的样子。
同样的，128位密钥也是用字节为单位的矩阵表示，矩阵的每一列被成为1个32位比特字。通过密钥编排函数该密钥矩阵被扩展成一个44个字组成的序列W[0]，w[1]，...，w[43]，该序列的前4个元素W[0],W[1],W[2],W[3]是原始密钥，用于加密运算中的初始密钥，后边40个字分为10组，每组4个字（128比特）分别用于10轮加密运算中的轮密钥加，如下图：
aes4.png
上图中，设K = “abcdefghijklmnop”，则K0 = a, K15 = p, W[0] = K0 K1 K2 K3 = “abcd”。
AES的整体结构如下图所示，其中的W[0,3]是指W[0]、W[1]、W[2]和W[3]串联组成的128位密钥。加密的第1轮到第9轮的轮函数一样，包括4个操作：字节代换、行位移、列混合和轮密钥加。最后一轮迭代不执行列混合。另外，在第一轮迭代之前，先将明文和原始密钥进行一次异或加密操作。
aes5.png
上图为AES加密过程和解密过程，解密过程也为10轮，每一轮操作都是之前加密操作的逆操作。由于AES的4个轮操作都是可逆的，因此，解密的操作的第一轮就是顺序执行逆位移位，逆字节代换，轮密钥加和逆列混合。
AES*算法流程
AES加密算法主要有4个操作：
-
字节替代（SubBytes）
-
行位移（ShiftRows）
-
列混淆（MixColumns）
-
轮密钥加（AddRoundKey）
通过之前的介绍，我们也可以了解到，加密和解密是一个相互可逆的过程。而且所有的顺序刚好是相反的。
字节替代
AES的字节替代实际上就是一个简单的查表操作，AES定义了一个S盒和一个逆S盒。
正向字节替代
S盒 ：
| 行/列 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | A | B | C | D | E | F |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0x63 | 0x7c | 0x77 | 0x7b | 0xf2 | 0x6b | 0x6f | 0xc5 | 0x30 | 0x01 | 0x67 | 0x2b | 0xfe | 0xd7 | 0xab | 0x76 |
| 1 | 0xca | 0x82 | 0xc9 | 0x7d | 0xfa | 0x59 | 0x47 | 0xf0 | 0xad | 0xd4 | 0xa2 | 0xaf | 0x9c | 0xa4 | 0x72 | 0xc0 |
| 2 | 0xb7 | 0xfd | 0x93 | 0x26 | 0x36 | 0x3f | 0xf7 | 0xcc | 0x34 | 0xa5 | 0xe5 | 0xf1 | 0x71 | 0xd8 | 0x31 | 0x15 |
| 3 | 0x04 | 0xc7 | 0x23 | 0xc3 | 0x18 | 0x96 | 0x05 | 0x9a | 0x07 | 0x12 | 0x80 | 0xe2 | 0xeb | 0x27 | 0xb2 | 0x75 |
| 4 | 0x09 | 0x83 | 0x2c | 0x1a | 0x1b | 0x6e | 0x5a | 0xa0 | 0x52 | 0x3b | 0xd6 | |||||
| 0xb3 | 0x29 | 0xe3 | 0x2f | 0x84 | ||||||||||||
| 5 | 0x53 | 0xd1 | 0x00 | 0xed | 0x20 | 0xfc | 0xb1 | 0x5b | 0x6a | 0xcb | 0xbe | 0x39 | 0x4a | 0x4c | 0x58 | 0xcf |
| 6 | 0xd0 | 0xef | 0xaa | 0xfb | 0x43 | 0x4d | 0x33 | 0x85 | 0x45 | 0xf9 | 0x02 | 0x7f | 0x50 | 0x3c | 0x9f | 0xa8 |
| 7 | 0x51 | 0xa3 | 0x40 | 0x8f | 0x92 | 0x9d | 0x38 | 0xf5 | 0xbc | 0xb6 | 0xda | 0x21 | 0x10 | 0xff | 0xf3 | 0xd2 |
| 8 | 0xcd | 0x0c | 0x13 | 0xec | 0x5f | 0x97 | 0x44 | 0x17 | 0xc4 | 0xa7 | 0x7e | 0x3d | 0x64 | 0x5d | 0x19 | 0x73 |
| 9 | 0x60 | 0x81 | 0x4f | 0xdc | 0x22 | 0x2a | 0x90 | 0x88 | 0x46 | 0xee | 0xb8 | 0x14 | 0xde | 0x5e | 0x0b | 0xdb |
| A | 0xe0 | 0x32 | 0x3a | 0x0a | 0x49 | 0x06 | 0x24 | 0x5c | 0xc2 | 0xd3 | 0xac | 0x62 | 0x91 | 0x95 | 0xe4 | 0x79 |
| B | 0xe7 | 0xc8 | 0x37 | 0x6d | 0x8d | 0xd5 | 0x4e | 0xa9 | 0x6c | 0x56 | 0xf4 | 0xea | 0x65 | 0x7a | 0xae | 0x08 |
| C | 0xba | 0x78 | 0x25 | 0x2e | 0x1c | 0xa6 | 0xb4 | 0xc6 | 0xe8 | 0xdd | 0x74 | 0x1f | 0x4b | 0xbd | 0x8b | 0x8a |
| D | 0x70 | 0x3e | 0xb5 | 0x6 | 0x48 | 0x03 | 0xf6 | 0x0e | 0x61 | 0x35 | 0x57 | 0xb9 | 0x86 | 0xc1 | 0x1d | 0x9e |
| E | 0xe1 | 0xf8 | 0x98 | 0x11 | 0x69 | 0xd9 | 0x8e | 0x94 | 0x9b | 0x1e | 0x87 | 0xe9 | 0xce | 0x55 | 0x28 | 0xdf |
| F | 0x8c | 0xa1 | 0x89 | 0x0d | 0xbf | 0xe6 | 0x42 | 0x68 | 0x41 | 0x99 | 0x2d | 0x0f | 0xb0 | 0x54 | 0xbb | 0x16 |
状态矩阵中的元素按照下面的方式映射为一个新的字节：把该字节的高4位作为行值，低4位作为列值，取出S盒或者逆S盒中对应的行的元素作为输出。例如，加密时，输出的字节S1为0x12,则查S盒的第0x01行和0x02列，得到值0xc9,然后替换S1原有的0x12为0xc9。状态矩阵经字节代换后的图如下：
aes6.png
逆向字节替代
逆向字节替代也就是查询逆S盒来变换，逆S盒如下：
| 行/列 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | A | B | C | D | E | F |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0x52 | 0x09 | 0x6a | 0xd5 | 0x30 | 0x36 | 0xa5 | 0x38 | 0xbf | 0x40 | 0xa3 | 0x9e | 0x81 | 0xf3 | 0xd7 | 0xfb |
| 1 | 0x7c | 0xe3 | 0x39 | 0x82 | 0x9b | 0x2f | 0xff | 0x87 | 0x34 | 0x8e | 0x43 | 0x44 | 0xc4 | 0xde | 0xe9 | 0xcb |
| 2 | 0x54 | 0x7b | 0x94 | 0x32 | 0xa6 | 0xc2 | 0x23 | 0x3d | 0xee | 0x4c | 0x95 | 0x0b | 0x42 | 0xfa | 0xc3 | 0x4e |
| 3 | 0x08 | 0x2e | 0xa1 | 0x66 | 0x28 | 0xd9 | 0x24 | 0xb2 | 0x76 | 0x5b | 0xa2 | 0x49 | 0x6d | 0x8b | 0xd1 | 0x25 |
| 4 | 0x72 | 0xf8 | 0xf6 | 0x64 | 0x86 | 0x68 | 0x98 | 0x16 | 0xd4 | 0xa4 | 0x5c | 0xcc | 0x5d | 0x65 | 0xb6 | 0x92 |
| 5 | 0x6c | 0x70 | 0x48 | 0x50 | 0xfd | 0xed | 0xb9 | 0xda | 0x5e | 0x15 | 0x46 | 0x57 | 0xa7 | 0x8d | 0x9d | 0x84 |
| 6 | 0x90 | 0xd8 | 0xab | 0x00 | 0x8c | 0xbc | 0xd3 | 0x0a | 0xf7 | 0xe4 | 0x58 | 0x05 | 0xb8 | 0xb3 | 0x45 | 0x06 |
| 7 | 0xd0 | 0x2c | 0x1e | 0x8f | 0xca | 0x3f | 0x0f | 0x02 | 0xc1 | 0xaf | 0xbd | 0x03 | 0x01 | 0x13 | 0x8a | 0x6b |
| 8 | 0x3a | 0x91 | 0x11 | 0x41 | 0x4f | 0x67 | 0xdc | 0xea | 0x97 | 0xf2 | 0xcf | 0xce | 0xf0 | 0xb4 | 0xe6 | 0x73 |
| 9 | 0x96 | 0xac | 0x74 | 0x22 | 0xe7 | 0xad | 0x35 | 0x85 | 0xe2 | 0xf9 | 0x37 | 0xe8 | 0x1c | 0x75 | 0xdf | 0x6e |
| A | 0x47 | 0xf1 | 0x1a | 0x71 | 0x1d | 0x29 | 0xc5 | 0x89 | 0x6f | 0xb7 | 0x62 | 0x0e | 0xaa | 0x18 | 0xbe | 0x1b |
| B | 0xfc | 0x56 | 0x3e | 0x4b | 0xc6 | 0xd2 | 0x79 | 0x20 | 0x9a | 0xdb | 0xc0 | 0xfe | 0x78 | 0xcd | 0x5a | 0xf4 |
| C | 0x1f | 0xdd | 0xa8 | 0x33 | 0x88 | 0x07 | 0xc7 | 0x31 | 0xb1 | 0x12 | 0x10 | 0x59 | 0x27 | 0x80 | 0xec | 0x5f |
| D | 0x60 | 0x51 | 0x7f | 0xa9 | 0x19 | 0xb5 | 0x4a | 0x0d | 0x2d | 0xe5 | 0x7a | 0x9f | 0x93 | 0xc9 | 0x9c | 0xef |
| E | 0xa0 | 0xe0 | 0x3b | 0x4d | 0xae | 0x2a | 0xf5 | 0xb0 | 0xc8 | 0xeb | 0xbb | 0x3c | 0x83 | 0x53 | 0x99 | 0x61 |
| F | 0x17 | 0x2b | 0x04 | 0x7e | 0xba | 0x77 | 0xd6 | 0x26 | 0xe1 | 0x69 | 0x14 | 0x63 | 0x55 | 0x21 | 0x0c | 0x7d |
行位移
正向行位移
行移位是一个简单的左循环移位操作。当密钥长度为128比特时，状态矩阵的第0行左移0字节，第1行左移1字节，第2行左移2字节，第3行左移3字节，如下图所示：
aes7.png
逆向行位移
行移位的逆变换是将状态矩阵中的每一行执行相反的移位操作，例如AES-128中，状态矩阵的第0行右移0字节，第1行右移1字节，第2行右移2字节，第3行右移3字节。
列混淆
正向列混淆
列混合变换是通过矩阵相乘来实现的，经行移位后的状态矩阵与固定的矩阵相乘，得到混淆后的状态矩阵，如下图的公式所示：
aes8.png
状态矩阵中的第j列(0 ≤j≤3)的列混合可以表示为下图所示：
aes9.png
其中，矩阵元素的乘法和加法都是定义在基于GF(2^8)上的二元运算,并不是通常意义上的乘法和加法。这里涉及到一些信息安全上的数学知识，不过不懂这些知识也行。其实这种二元运算的加法等价于两个字节的异或，乘法则复杂一点。对于一个8位的二进制数来说，使用域上的乘法乘以(00000010)等价于左移1位(低位补0)后，再根据情况同(00011011)进行异或运算，设S1 = (a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0)，刚0x02 * S1如下图所示：
aes10.png
也就是说，如果a7为1，则进行异或运算，否则不进行。
类似地，乘以(00000100)可以拆分成两次乘以(00000010)的运算：
aes11.png
乘以(0000 0011)可以拆分成先分别乘以(0000 0001)和(0000 0010)，再将两个乘积异或：
aes12.png
逆向列混淆
逆向列混合变换可由下图的矩阵乘法定义：
aes13.png
可以验证，逆变换矩阵同正变换矩阵的乘积恰好为单位矩阵。
轮密钥加
轮密钥加是将128位轮密钥Ki同状态矩阵中的数据进行逐位异或操作，如下图所示。其中，密钥Ki中每个字W[4i],W[4i+1],W[4i+2],W[4i+3]为32位比特字，包含4个字节，他们的生成算法下面在下面介绍。轮密钥加过程可以看成是字逐位异或的结果，也可以看成字节级别或者位级别的操作。也就是说，可以看成S0 S1 S2 S3 组成的32位字与W[4i]的异或运算。
aes14.png
轮密钥加的逆运算同正向的轮密钥加运算完全一致，这是因为异或的逆操作是其自身。轮密钥加非常简单，但却能够影响S数组中的每一位。
iOS中的*AES
在iOS中使用AES进行加密解密的一个关键的函数就是：
CCCryptorStatus CCCrypt(
CCOperation op, /* kCCEncrypt, etc. */
CCAlgorithm alg, /* kCCAlgorithmAES128, etc. */
CCOptions options, /* kCCOptionPKCS7Padding, etc. */
const void *key,
size_t keyLength,
const void *iv, /* optional initialization vector */
const void *dataIn, /* optional per op and alg */
size_t dataInLength,
void *dataOut, /* data RETURNED here */
size_t dataOutAvailable,
size_t *dataOutMoved)
__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_4, __IPHONE_2_0);
我们首先来介绍一下这么一大堆参数都是什么用：
-
CCOperation op：用来代表加密或者解密，kCCEncrypt = 加密，kCCDecrypt = 解密；
-
CCAlgorithm alg：用来代表加密算法，有kCCAlgorithmAES128...具体的可以cmd+ctl点击进去看；
-
CCOptions options：填充模式，iOS中只提供了kCCOptionPKCS7Padding和kCCOptionECBMode两种，这个在于后台和安卓交互时要注意一点。
-
const void *key：密钥长度，一般使用
char keyPtr[kCCKeySizeAES256+1];， -
const void *dataIn：加密信息的比特数
-
size_t dataInLength：加密信息的长度
-
void *dataOut：用来输出加密结果
-
size_t dataOutAvailable：输出的大小
了解了这个函数大概的工作方式之后，我们就可以开始撸起袖子写代码了。
这里我们主要对NSData和NSString进行加密解密。其实实际上NSString也是转换为了NSData，然后再进行加密解密的。
引入框架
第一步，重中之重的一步就是引入框架了
#import <CommonCrypto/CommonCrypto.h>
#import <CommonCrypto/CommonDigest.h>
NSData 加密
首先我们先写一下对NSData的加密，因为之前介绍过了主要的函数，这里就直接上代码了。
//对NSData 进行加密
- (NSData *)encryptDataWithData:(NSData *)data Key:(NSString *)key
{
char keyPtr[kCCKeySizeAES128 + 1];
bzero(keyPtr, sizeof(keyPtr));
[key getCString:keyPtr maxLength:sizeof(key) encoding:NSUTF8StringEncoding];
NSUInteger dataLength = [data length];
size_t bufferSize = dataLength + kCCBlockSizeAES128;
void *buffer = malloc(bufferSize);
size_t numBytesEncrypted = 0;
CCCryptorStatus cryptStatus = CCCrypt(kCCEncrypt,
kCCAlgorithmAES128,
kCCOptionPKCS7Padding | kCCOptionECBMode,
keyPtr,
kCCBlockSizeAES128,
NULL,
[data bytes],
dataLength,
buffer,
bufferSize,
&numBytesEncrypted);
if(cryptStatus == kCCSuccess)
{
return [NSData dataWithBytesNoCopy:buffer length:numBytesEncrypted];
}
free(buffer);
return nil;
}
NSData 解密
// 解密
- (NSData *)decryptDataWithData:(NSData *)data andKey:(NSString *)key
{
char keyPtr[kCCKeySizeAES128 + 1];
bzero(keyPtr, sizeof(keyPtr));
[key getCString:keyPtr maxLength:sizeof(keyPtr) encoding:NSUTF8StringEncoding];
NSUInteger dataLength = [data length];
size_t bufferSize = dataLength + kCCBlockSizeAES128;
void *buffer = malloc(bufferSize);
size_t numBytesDecrypted = 0;
CCCryptorStatus cryptStatus = CCCrypt(kCCDecrypt, kCCAlgorithmAES128, kCCOptionPKCS7Padding | kCCOptionECBMode, keyPtr, kCCBlockSizeAES128, NULL, [data bytes], dataLength, buffer, bufferSize, &numBytesDecrypted);
if(cryptStatus == kCCSuccess)
{
return [NSData dataWithBytesNoCopy:buffer length:numBytesDecrypted];
}
free(buffer);
return nil;
}
NSString 加密
对NSString加密的时候需要注意一点，当计算中文字符串长度时，需要使用char字符长度计算，而不要使用[NSString length]计算。
- (NSString *)encryptStringWithString:(NSString *)string andKey:(NSString *)key
{
const char *cStr = [string cStringUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
NSData *data = [NSData dataWithBytes:cStr length:[string length]];
//对数据进行加密
NSData *result = [self encryptDataWithData:data Key:key];
//转换为2进制字符串
if(result && result.length > 0)
{
Byte *datas = (Byte *)[result bytes];
NSMutableString *outPut = [NSMutableString stringWithCapacity:result.length];
for(int i = 0 ; i < result.length ; i++)
{
[outPut appendFormat:@"%02x",datas[i]];
}
return outPut;
}
return nil;
}
NSString 解密
- (NSString *)decryptStringWithString:(NSString *)string andKey:(NSString *)key
{
NSMutableData *data = [NSMutableData dataWithCapacity:string.length/2.0];
unsigned char whole_bytes;
char byte_chars[3] = {'\0','\0','\0'};
int i;
for(i = 0 ; i < [string length]/2 ; i++)
{
byte_chars[0] = [string characterAtIndex:i * 2];
byte_chars[1] = [string characterAtIndex:i * 2 + 1];
whole_bytes = strtol(byte_chars, NULL, 16);
[data appendBytes:&whole_bytes length:1];
}
NSData *result = [self decryptDataWithData:data andKey:key];
if(result && result.length > 0)
{
return [[NSString alloc] initWithData:result encoding:NSUTF8StringEncoding];
}
return nil;
}
结束
以上就是AES加密的简单原理以及iOS中对AES加密解密的简单使用，其中的图片和大部分内容都是来自一位大神博客中的内容。
本文章也仅限个人学习使用，如果有哪里不对的地方请大佬们多多指正。
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