要想學習AES，首先要清楚三個基本的概念：密鑰、填充、模式。
1、密鑰
密鑰是AES算法實現加密和解密的根本。對稱加密算法之所以對稱，是因為這類算法對明文的加密和解密需要使用同一個密鑰。
AES支持三種長度的密鑰： 128位，192位，256位
平時大家所說的AES128，AES192，AES256，實際上就是指AES算法對不同長度密鑰的使用。
三種密鑰的區別：
從安全性來看，AES256安全性最高。從性能看，AES128性能最高。本質原因是它們的加密處理輪數不同。
2、填充
要想了解填充的概念，我們先要了解AES的分組加密特性。
什么是分組加密？
AES算法在對明文加密的時候，並不是把整個明文一股腦的加密成一整段密文，而是把明文拆分成一個個獨立的明文塊，每一個明文塊長度128bit。
這些明文塊經過AES加密器復雜處理，生成一個個獨立的密文塊，這些密文塊拼接在一起，就是最終的AES加密的結果。
但這里涉及到一個問題，假如一段明文長度是196bit，如果按每128bit一個明文塊來拆分的話，第二個明文塊只有64bit，不足128bit。這時候怎么辦呢？就需要對明文塊進行填充（Padding） 。
幾種典型的填充方式：
NoPadding： 不做任何填充，但是要求明文必須是16字節的整數倍。
PKCS5Padding（默認）： 如果明文塊少於16個字節（128bit），在明文塊末尾補足相應數量的字符，且每個字節的值等於缺少的字符數。 比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6個字節，則補全為{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6 }
ISO10126Padding：如果明文塊少於16個字節（128bit），在明文塊末尾補足相應數量的字節，最后一個字符值等於缺少的字符數，其他字符填充隨機數。比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6個字節，則可能補全為{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,5,c,3,G,$,6}
PKCS7Padding原理與PKCS5Padding相似，區別是PKCS5Padding的blocksize為8字節，而PKCS7Padding的blocksize可以為1到255字節
需要注意的是，如果在AES加密的時候使用了某一種填充方式，解密的時候也必須采用同樣的填充方式。
3、模式
AES的工作模式，體現在把明文塊加密成密文塊的處理過程中。AES加密算法提供了五種不同的工作模式：CBC,ECB,CTR,CFB,OFB
模式之間的主題思想是近似的，在處理細節上有一些差別
AES加密算法 - 加密模式
ECB模式
優點:
1.簡單；
2.有利於並行計算；
3.誤差不會被傳送；
缺點:
1.不能隱藏明文的模式；
2.可能對明文進行主動攻擊；
CBC模式：
優點：
1.不容易主動攻擊,安全性好於ECB,適合傳輸長度長的報文,是SSL、IPSec的標准。
缺點：
1.不利於並行計算；
2.誤差傳遞；
3.需要初始化向量IV
CFB模式：
優點：
1.隱藏了明文模式;
2.分組密碼轉化為流模式;
3.可以及時加密傳送小於分組的數據;
缺點:
1.不利於並行計算;
2.誤差傳送：一個明文單元損壞影響多個單元;
3.唯一的IV;
ofb模式：
優點:
1.隱藏了明文模式;
2.分組密碼轉化為流模式;
3.可以及時加密傳送小於分組的數據;
缺點:
1.不利於並行計算;
2.對明文的主動攻擊是可能的;
3.誤差傳送：一個明文單元損壞影響多個單元;
上面四個不同模式原理圖鏈接：https://www.cnblogs.com/adylee/archive/2007/09/14/893438.html
3.1、ECB模式簡介
2）、CBC模式簡介
下圖中，IV一般為16字節全0，數據塊長度為16字節的整數倍，則在此數據塊后附加一個8字節長的數據塊，
附加的數據塊為：16進制的“80 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00”
cbc本質上和ecb差別不大，唯一區別是將前一次加密結果，與要加密的內容異或。因此，cbc的並行性較差，因為每次都要等待前一次的結果，而ecb則不用，速度較快。其主要區別仍然看文章開頭，原理圖看參考鏈接。
3.2、AES算法ECB模式
生成加密/解密的Key
int AES_set_encrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits, AES_KEY *key);
int AES_set_decrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits, AES_KEY *key);
參數說明：
| 參數名稱 | 描述 |
|---|---|
userKey |
用戶指定的密碼。注意：只能是16、24、32字節。如果密碼字符串長度不夠，可以在字符串末尾追加一些特定的字符，或者重復密碼字符串，直到滿足最少的長度 |
| bits | 密碼位數。即userKey的長度 * 8，只能是128、192、256位。 |
| key | 向外輸出參數。 |
如果函數調用成功，返回0，否則是負數。
使用函數AES_ecb_encrypt對數據進行加解密
函數原型：
void AES_ecb_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, const AES_KEY *key, const int enc);
函數說明：
AES加密/解密單個數據塊（16個字節），ECB模式
參數說明：
| 參數名稱 | 描述 |
|---|---|
| in | 需要加密/解密的數據 |
| out | 計算后輸出的數據 |
| key | 密鑰 |
| enc | AES_ENCRYPT 代表加密， AES_DECRYPT代表解密 |
3.3、AES算法CBC模式
生成加密/解密的Key
int AES_set_encrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits, AES_KEY *key);
int AES_set_decrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits, AES_KEY *key);
參數說明：
| 參數名稱 | 描述 |
|---|---|
userKey |
用戶指定的密碼。注意：只能是16、24、32字節。如果密碼字符串長度不夠，可以在字符串末尾追加一些特定的字符，或者重復密碼字符串，直到滿足最少的長度 |
| bits | 密碼位數。即userKey的長度 * 8，只能是128、192、256位。 |
| key | 向外輸出參數。 |
如果函數調用成功，返回0，否則是負數。
使用AES_cbc_encrypt對數據進行加解密
void AES_cbc_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
size_t length, const AES_KEY *key,
unsigned char *ivec, const int enc);
函數說明：
AES加密/解密單個數據塊（16個字節），CBC模式
參數說明：
| 參數名稱 | 描述 |
|---|---|
| in | 輸入數據。長度任意。 |
| out | 輸出數據。能夠容納下輸入數據，且長度必須是16字節的倍數。 |
| length | 輸出數據的實際長度。 |
| key | 使用AES_set_encrypt/decrypt_key生成的Key。 |
ivec |
可讀寫的一塊內存。長度必須是16字節。 |
| enc | 是否是加密操作。AES_ENCRYPT表示加密，AES_DECRYPT表示解密。 |
這個函數比AES_encrypt多了一個ivec參數，ivec的內容可以任意指定，但是加密和解密操作必須使用同樣的數據。在AES_cbc_encrypt底層，實際上是每16個字節做一次處理，先和ivec做異或運算，然后調用AES_encrypt函數進行加密。
AES_cbc_encrypt在加密的過程中會修改ivec的內容，因此ivec參數不能是一個常量，而且不能在傳遞給加密函數后再立馬傳遞給解密函數，必須重新賦值之后再傳遞給解密函數。
關於輸出數據的長度
輸出數據緩沖區的長度必須是16字節的倍數，加密完成后，比輸入長度多出來的輸出數據是不可以丟棄的。因此，存檔的時候，需要記錄原始數據的長度
關於輸入數據的長度不必是16字節的倍數（做個備忘）：
下面是AES_cbc_encrypt函數的底層實現代碼
...
//處理16字節倍數的數據
while (len >= 16) {
for (n = 0; n < 16; ++n)
out[n] = in[n] ^ iv[n];
(*block) (out, out, key); //調用AES_encrypt處理數據
iv = out;
len -= 16;
in += 16;
out += 16;
}
//當數據小於16字節的時候，進入下面的循環
while (len) {
for (n = 0; n < 16 && n < len; ++n)
out[n] = in[n] ^ iv[n];
for (; n < 16; ++n)
out[n] = iv[n]; //使用ivec補齊不足16字節的部分
(*block) (out, out, key); //調用AES_encrypt處理數據
iv = out;
if (len <= 16)
break;
len -= 16;
in += 16;
out += 16;
}
ECB與CBC都是封裝下面的加密解密函數實現的。
使用AES加密/解密
void AES_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, const AES_KEY *key);
void AES_decrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, const AES_KEY *key);
參數說明：
| 參數名稱 | 描述 |
|---|---|
| in | 輸入數據。必須是16字節 |
| out | 輸出數據。必須是16字節 |
| key | 使用AES_set_encrypt/decrypt_key生成的Key。 |
AES_encrypt/AES_decrypt一次只處理16個字節。如果輸入數據較長，你需要使用循環語句，每16個字節處理一次，直到所有數據處理完畢。如果數據不足16字節，可以用0填充至16字節。
4、加密解密后的長度
AES有幾種擴展算法，其中ecb和cbc需要填充，即加密后長度可能會不一樣，cfb和ofb不需要填充，密文長度和明文長度一樣
5、實戰代碼
/usr/include/openssl/aes.h
#ifndef HEADER_AES_H
# define HEADER_AES_H
# include <openssl/opensslconf.h>
# ifdef OPENSSL_NO_AES
# error AES is disabled.
# endif
# include <stddef.h>
# define AES_ENCRYPT 1
# define AES_DECRYPT 0
/*
* Because array size can't be a const in C, the following two are macros.
* Both sizes are in bytes.
*/
# define AES_MAXNR 14
# define AES_BLOCK_SIZE 16
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/* This should be a hidden type, but EVP requires that the size be known */
struct aes_key_st {
# ifdef AES_LONG
unsigned long rd_key[4 * (AES_MAXNR + 1)];
# else
unsigned int rd_key[4 * (AES_MAXNR + 1)];
# endif
int rounds;
};
typedef struct aes_key_st AES_KEY;
const char *AES_options(void);
int AES_set_encrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits,
AES_KEY *key);
int AES_set_decrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits,
AES_KEY *key);
int private_AES_set_encrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits,
AES_KEY *key);
int private_AES_set_decrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits,
AES_KEY *key);
void AES_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
const AES_KEY *key);
void AES_decrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
const AES_KEY *key);
void AES_ecb_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
const AES_KEY *key, const int enc);
void AES_cbc_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
size_t length, const AES_KEY *key,
unsigned char *ivec, const int enc);
void AES_cfb128_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
size_t length, const AES_KEY *key,
unsigned char *ivec, int *num, const int enc);
void AES_cfb1_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
size_t length, const AES_KEY *key,
unsigned char *ivec, int *num, const int enc);
void AES_cfb8_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
size_t length, const AES_KEY *key,
unsigned char *ivec, int *num, const int enc);
void AES_ofb128_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
size_t length, const AES_KEY *key,
unsigned char *ivec, int *num);
void AES_ctr128_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
size_t length, const AES_KEY *key,
unsigned char ivec[AES_BLOCK_SIZE],
unsigned char ecount_buf[AES_BLOCK_SIZE],
unsigned int *num);
/* NB: the IV is _two_ blocks long */
void AES_ige_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
size_t length, const AES_KEY *key,
unsigned char *ivec, const int enc);
/* NB: the IV is _four_ blocks long */
void AES_bi_ige_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
size_t length, const AES_KEY *key,
const AES_KEY *key2, const unsigned char *ivec,
const int enc);
int AES_wrap_key(AES_KEY *key, const unsigned char *iv,
unsigned char *out,
const unsigned char *in, unsigned int inlen);
int AES_unwrap_key(AES_KEY *key, const unsigned char *iv,
unsigned char *out,
const unsigned char *in, unsigned int inlen);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif /* !HEADER_AES_H */
5.1、CBC模式的實戰代碼
頭文件：AES_CBC256.h
#ifndef _AES_CBC256_H_
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <openssl/aes.h>
#include <stddef.h>
#define _AES_CBC256_H_
#define USER_KEY_LENGTH 32
#define IVEC_LENGTH 16
#define AES_BLOCK_SIZE 16
#define BITS_LENGTH (USER_KEY_LENGTH * 8)
class AES_CBC256 {
public:
AES_CBC256();
virtual ~AES_CBC256();
// CBC Mode Encrypt
bool AES_CBC256_Encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, size_t length);
// CBC Mode Decrypt
bool AES_CBC256_Decrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, size_t length);
unsigned char m_userKey [USER_KEY_LENGTH];
unsigned char m_ivec [IVEC_LENGTH]; // Default value is all 0 of 16
};
#endif // _AES_CBC256_H_
源文件：AES_CBC256.cpp
#ifndef _AES_CBC256_H_
# include "AES_CBC256.h"
#endif
AES_CBC256::AES_CBC256() {
memcpy(m_userKey, "XZJE151628AED2A6ABF7158809CF4F3C2B7E151628AED2A6ABF7158809CF4FTP", USER_KEY_LENGTH);
memcpy(m_ivec, "XZJ2030405060708090A0B0C0D0E0FTP", IVEC_LENGTH); // Vector initialization
}
AES_CBC256::~AES_CBC256() {
}
bool AES_CBC256::AES_CBC256_Encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, size_t length) {
if (0 != (length % AES_BLOCK_SIZE)) {
printf("%s\n", "the length is not multiple of AES_BLOCK_SIZE(16bytes)");
return false;
}
unsigned char ivec [IVEC_LENGTH];
memcpy(ivec, m_ivec, IVEC_LENGTH);
AES_KEY key;
// get the key with userkey
if (AES_set_encrypt_key(m_userKey, BITS_LENGTH, &key) < 0) {
printf("%s\n", "get the key error");
return false;
} else {
printf("%s\n", "get the key successful");
}
AES_cbc_encrypt(in, out, length, &key, ivec, AES_ENCRYPT);
return true;
}
bool AES_CBC256::AES_CBC256_Decrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, size_t length) {
if (0 != (length % AES_BLOCK_SIZE)) {
printf("%s\n", "the length is not multiple of AES_BLOCK_SIZE(16bytes)");
return false;
}
unsigned char ivec [IVEC_LENGTH];
memcpy(ivec, m_ivec, IVEC_LENGTH);
AES_KEY key;
// get the key with userkey
if (AES_set_decrypt_key(m_userKey, BITS_LENGTH, &key) < 0) {
printf("%s\n", "get the key error");
return false;
} else {
printf("%s\n", "get the key successful");
}
AES_cbc_encrypt(in, out, length, &key, ivec, AES_DECRYPT);
return true;
}
入口測試文件：AES_main.cpp
#ifndef _AES_CBC256_H_
# include "AES_CBC256.h"
#endif
#define NAME_SIZE 34
struct persion
{
int age;
unsigned char name [NAME_SIZE];
};
int main(int argc, char const *argv[])
{
AES_CBC256 m_pcAES_CBC256;
persion m_persion = {28,"xzj8023tp"};
size_t length = 0;
if (0 == (sizeof(persion) % AES_BLOCK_SIZE)) {
length = sizeof(persion);
} else {
length = sizeof(persion) + (AES_BLOCK_SIZE - sizeof(persion) % AES_BLOCK_SIZE);
}
unsigned char *encrypt_in_data = new unsigned char[sizeof(persion)];
unsigned char *encrypt_out_data = new unsigned char[length];
memcpy(encrypt_in_data, &m_persion, sizeof(persion));
// encrypt
bool encrypt_ret = m_pcAES_CBC256.AES_CBC256_Encrypt(encrypt_in_data, encrypt_out_data, length);
if (false == encrypt_ret) {
printf("encrypt error!\n");
} else {
printf("encrypt successful!\n");
}
//decrypt
unsigned char *decrypt_out_data = new unsigned char[length];
bool decrypt_ret = m_pcAES_CBC256.AES_CBC256_Decrypt(encrypt_out_data, decrypt_out_data, length);
if (false == decrypt_ret) {
printf("decrypt error!\n");
} else {
printf("decrypt successful!\n");
persion showData;
memcpy(&showData, decrypt_out_data, sizeof(persion));
printf("my name is [%s] and I am [%d] years old\n", showData.name, showData.age);
}
return 0;
}
當出現下面錯誤的時候
xzj@xzj-virtual-machine:~/Code/C++Code/AES$ g++ AES_main.cpp AES_CBC256.cpp -o main.run
/tmp/ccsNmQln.o：在函數‘AES_CBC256::AES_CBC256_Encrypt(unsigned char const*, unsigned char*, unsigned long)’中：
AES_CBC256.cpp:(.text+0x131)：對‘AES_set_encrypt_key’未定義的引用
AES_CBC256.cpp:(.text+0x184)：對‘AES_cbc_encrypt’未定義的引用
/tmp/ccsNmQln.o：在函數‘AES_CBC256::AES_CBC256_Decrypt(unsigned char const*, unsigned char*, unsigned long)’中：
AES_CBC256.cpp:(.text+0x235)：對‘AES_set_decrypt_key’未定義的引用
AES_CBC256.cpp:(.text+0x288)：對‘AES_cbc_encrypt’未定義的引用
collect2: error: ld returned 1 exit status
鏈接到openssl庫 – 將其添加到您的命令行：-lssl -lcrypto
在Linux里的編譯命令：
g++ AES_main.cpp AES_CBC256.cpp -o main.run -lssl -lcrypto
當出現下面錯誤openssl/aes.h: 沒有那個文件或目錄
xzj@xzj-virtual-machine:~/Code/C++Code/AES$ g++ AES_main.cpp AES_CBC256.cpp -o main.run
In file included from AES_main.cpp:2:0:
AES_CBC256.h:5:25: fatal error: openssl/aes.h: 沒有那個文件或目錄
#include <openssl/aes.h>
^
compilation terminated.
In file included from AES_CBC256.cpp:2:0:
AES_CBC256.h:5:25: fatal error: openssl/aes.h: 沒有那個文件或目錄
#include <openssl/aes.h>
^
compilation terminated.
解決辦法：
sudo apt-get install openssl
sudo apt-get install libssl-dev
最后執行結果：
5.2、ECB模式的實戰代碼
頭文件：AES_ECB256.h
#ifndef _AES_ECB256_H_
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <openssl/aes.h>
#include <stddef.h>
#define _AES_ECB256_H_
#define USER_KEY_LENGTH 32
#define AES_BLOCK_SIZE 16
#define BITS_LENGTH (USER_KEY_LENGTH * 8)
class AES_ECB256 {
public:
AES_ECB256();
virtual ~AES_ECB256();
// CBC Mode Encrypt
bool AES_ECB256_Encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out);
// CBC Mode Decrypt
bool AES_ECB256_Decrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out);
unsigned char m_userKey [USER_KEY_LENGTH];
};
#endif // _AES_ECB256_H_
源文件：AES_ECB256.cpp
#ifndef _AES_ECB256_H_
# include "AES_ECB256.h"
#endif
AES_ECB256::AES_ECB256() {
memcpy(m_userKey, "XZJE151628AED2A6ABF7158809CF4F3C2B7E151628AED2A6ABF7158809CF4FTP", USER_KEY_LENGTH);
}
AES_ECB256::~AES_ECB256() {
}
bool AES_ECB256::AES_ECB256_Encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out) {
AES_KEY key;
// get the key with userkey
if (AES_set_encrypt_key(m_userKey, BITS_LENGTH, &key) < 0) {
printf("%s\n", "get the key error");
return false;
} else {
printf("%s\n", "get the key successful");
}
AES_ecb_encrypt(in, out, &key, AES_ENCRYPT);
return true;
}
bool AES_ECB256::AES_ECB256_Decrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out) {
AES_KEY key;
// get the key with userkey
if (AES_set_decrypt_key(m_userKey, BITS_LENGTH, &key) < 0) {
printf("%s\n", "get the key error");
return false;
} else {
printf("%s\n", "get the key successful");
}
AES_ecb_encrypt(in, out, &key, AES_DECRYPT);
return true;
}
入口測試文件：ECB_main.cpp
#ifndef _AES_ECB256_H_
# include "AES_ECB256.h"
#endif
#define NAME_SIZE 34
struct persion
{
int age;
unsigned char name [NAME_SIZE];
};
int main(int argc, char const *argv[])
{
AES_ECB256 m_pcAES_ECB256;
persion m_persion = {28,"xzj8023tp"};
unsigned char *encrypt_in_data = new unsigned char[sizeof(persion)];
unsigned char *encrypt_out_data = new unsigned char[sizeof(persion)];
memcpy(encrypt_in_data, &m_persion, sizeof(persion));
// encrypt
bool encrypt_ret = m_pcAES_ECB256.AES_ECB256_Encrypt(encrypt_in_data, encrypt_out_data);
if (false == encrypt_ret) {
printf("encrypt error!\n");
} else {
printf("encrypt successful!\n");
}
//decrypt
unsigned char *decrypt_out_data = new unsigned char[sizeof(persion)];
bool decrypt_ret = m_pcAES_ECB256.AES_ECB256_Decrypt(encrypt_out_data, decrypt_out_data);
if (false == decrypt_ret) {
printf("decrypt error!\n");
} else {
printf("decrypt successful!\n");
persion showData;
memcpy(&showData, decrypt_out_data, sizeof(persion));
printf("my name is [%s] and I am [%d] years old\n", showData.name, showData.age);
}
return 0;
}
最后執行結果：
xzj@xzj-virtual-machine:~/Code/C++Code/AES/AES_ECB$ g++ AES_ECB256.cpp ECB_main.cpp -o main_run -lssl -lcrypto
xzj@xzj-virtual-machine:~/Code/C++Code/AES/AES_ECB$ ls
AES_ECB256.cpp AES_ECB256.h ECB_main.cpp main_run
xzj@xzj-virtual-machine:~/Code/C++Code/AES/AES_ECB$ ./main_run
get the key successful
encrypt successful!
get the key successful
decrypt successful!
my name is [xzj8023tp] and I am [28] years old
xzj@xzj-virtual-machine:~/Code/C++Code/AES/AES_ECB$