对称加密之AES

1. AES介绍

AES(Advanced Encryption Standard)是取代其前任标准(DES)而成为新标准的一种对称密码算法。全世界的企业和密码学家提交了多个对称密码算法作为AES的候选，最终在2000年从这些候选算法中选出了一种名为
Rijndael 的对称密码算法，并将其确定为了AES。

Rijndael是由比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen设汁的分组密码算法，今后会有越来越多的密码软件
支持这种算法。

Rijndael的分组长度为128比特，密钥长度可以以32比特为单位在128比特到256比特的范围内进行选择(不过在AES的规格中，密钥长度只有128、192和256比特三种 )。

2. AES的加密和解密

和DES—样，AES算法也是由多个轮所构成的，下图展示了每一轮的大致计算步骤。DES使用Feistel网络作为其基本结构，而AES没有使用Feistel网络，而是使用了SPN Rijndael的输人分组为128比特，也就是16字节。首先，需要逐个字节地对16字节的输入数据进行SubBytes处理。所谓SubBytes,就是以每个字节的值(0~255中的任意值)为索引，从一张拥有256个值的替换表(S-Box)中查找出对应值的处理，也是说，将一个1字节的值替换成另一个1字节的值。

SubBytes之后需要进行ShiRows处理，即将SubBytes的输出以字节为单位进行打乱处理。从下图的线我们可以看出，这种打乱处理是有规律的。

ShiRows之后需要进行MixCo1umns处理，即对一个4字节的值进行比特运算，将其变为另外一个4字节值。

最后，需要将MixColumns的输出与轮密钥进行XOR，即进行AddRoundKey处理。到这里，AES的一轮就结東了。
实际上，在AES中需要重复进行10 ~ 14轮计算。

通过上面的结构我们可以发现输入的所有比特在一轮中都会被加密。和每一轮都只加密一半输人的比特的Feistel 网络相比，这种方式的优势在于加密所需要的轮数更少。此外，这种方式还有一个优势，即SubBytes， ShiRows和MixColumns可以分别按字节、行和列为单位进行并行计算。

AES加密.png

SubBytes -- 字节代换
ShiRows -- 行移位代换
MixColumns -- 列混淆
AddRoundKey -- 轮密钥加

下图展示了AES中一轮的解密过程。从图中我们可以看出，SubBytes、ShiRows、MixColumns分别存在反向运算 InvSubBytes、InvShiRows、InvMixColumns，这是因为AES不像Feistel网络一样能够用同一种结构实现加密和解密。

AES解密.png

InvSubBytes -- 逆字节替代
InvShiRows -- 逆行移位
InvMixColumns -- 逆列混淆

3. Go中对AES的使用

3.1. 加解密实现思路

加密 - CBC分组模式

1. 创建并返回一个使用AES算法的cipher.Block接口
  1.1 秘钥长度为128bit, 即 128/8 = 16字节(byte)
1. 对最后一个明文分组进行数据填充
  2.1. AES是以128比特的明文(比特序列)为一个单位来进行加密的
  2.2. 最后一组不够128bit, 则需要进行数据填充( 参考第三章)
1. 创建一个密码分组为链接模式的, 底层使用AES加密的BlockMode接口
1. 加密连续的数据块

解密 - CBC分组模式

1. 创建并返回一个使用AES算法的cipher.Block接口
1. 创建一个密码分组为链接模式的, 底层使用AES解密的BlockMode接口
1. 数据块解密
1. 去掉最后一组的填充数据

3.2. 加解密的代码实现

AES加密代码：

/*
 * AES加密，CBC分组模式
 *
 * scr：要加密的明文
 * key：秘钥，大小为16byte/24byte/32byte----AES-128/AES-192/AES-256/
 * vi：初始向量，大小为16byte
 */
func AesCBCEncrypt(src, key ,iv []byte) []byte {
    // 1. 创建一个使用AES加密的块对象
    block, err := aes.NewCipher(key)
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    // 2. 最后一个分组进行数据填充
    src = tools.PKCS7Padding(src, block.BlockSize())

    // 3. 创建一个分组为链接模式, 底层使用AES加密的块模型对象
    blockMode := cipher.NewCBCEncrypter(block, iv)

    // 4. 加密
    dst := src
    blockMode.CryptBlocks(dst, src)

    return dst
}

AES解密代码：

/*
 * AES解密，CBC分组模式
 *
 * scr：要解密的密文
 * key：秘钥，大小为16byte/24byte/32byte----AES-128/AES-192/AES-256/
 * vi：初始向量，大小为16byte
 */
func AesCBCDecrypt(src, key, vi []byte) []byte {
    // 1. 创建一个使用AES解密的块对象
    block, err := aes.NewCipher(key)
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    // 2. 创建分组为链接模式, 底层使用AES的解密模型对象
    blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, vi)

    //3.解密
    dst := src
    blockMode.CryptBlocks(dst, src)

    // 4. 去掉尾部填充的字
    dst = tools.PKCS7UnPadding(dst)

    return dst
}

测试代码：

func testAES()  {
    key := []byte("erlengzi123456788765432112332112")
    result := aes.AesCBCEncrypt([]byte("床前明月光, 疑是地上霜. 举头望明月, 低头思故乡."),key, key[:16])
    fmt.Println(string(result))
    result = aes.AesCBCDecrypt(result, key, key[:16])
    fmt.Println(string(result))
}