AES加密简介——填充算法

2018-07-02

AES是对称的加密算法，对称意味着加密解密都是使用相同的密钥。一般来说AES不涉及到位的扩展，其实现主要涉及异或和移位运算，所以一般来说可以理解为密文长度是与明文是一致的。

而在AES当中，涉及到两个概念，一为加密模式，二为填充模式。

0x00 背景

根据AES密钥长度的不同，有三种主要的实现

AES-128（常用）
AES-192
AES-256

从加密的模式上来说，包括以下几种模式

在以上的加密模式中，有一些加密模式只要求提供key，然后根据key（密钥）对明文进行加密解密（如ECB），安全性比较低，而有一些模式除了要求key外，还要求输入IV（向量），用以增强安全性（如CBC），其优劣可以自查对比。

而在ECB和CBC模式中，明文数据要求填充至长度为分组长度（16）的整数倍，于是就诞生了对原文数据进行填充的算法

PKCS5Padding
PKCS7Padding
NoPadding

当然，不同的填充算法，会直接影响加密出来的数据，而解密方法也必须要与加密方法一样，否则就解不出来，这就是“对称加密”。

AES算法的各种花式实现网上都有，Java中支持的常用AES加密模式是”AES/CBC/PKCS5Padding”，意为使用CBC加密模式和PKCS#5方法填充的AES加/解密；而在native层，却没有很好的一套实现（包括NDK），而我需要实现一套可以在native与Java中想到加解密的流程（所谓对称）。

0x01 Java实现

java实现很简单

//加密
SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(IV);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec, iv);
byte[] encrypted = cipher.doFinal(sSrc.getBytes());

//解密
SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(raw, "AES");
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(IV);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec, iv);
byte[] encrypted1 = Base64.decode(sSrc);//先用base64解密
try {
    byte[] original = cipher.doFinal(encrypted1);
    String originalString = new String(original);
    return originalString;
} catch (Exception e) {
    System.out.println(e.toString());
    return null;
}

0x02 C实现

而C层我没想过自己实现一套，采用了github上的开源方案AES-C，总的来说这是一套不错的实现，它支持在C层里进行ECB，CTR和CBC的AES加密。

然而我在使用的过程中却遇到了困难，因为我用C加密过后，在使用相同KEY和IV的前提下，使用Java无法解开。

在确保KEY与IV一致，加密方式一致（CBC）的情况下，我开始怀疑数据的填充方式上。

直到我在README里，看到了作者留了这么一句

No padding is provided so for CBC and ECB all buffers should be multiples of 16 bytes. For padding PKCS7 is recommendable.

……敢情作者是没实现填充算法，需要用的人自己去填充，于是开始研究填充算法。

0x021 PKCS#5

PKCS5填充的原则是，如果明文长度少于16个字节（的倍数），则将其补满16个字节（的倍数），而其补充的字节的值即为需要补充的字节数。

如现有10个字节，需要填充（16-10）= 6 个字节，而这6个字节的值，即为0x06。

使用JNI实现一个函数：

jbyteArray encrypt(JNIEnv *env, jclass thiz, jbyteArray src) {
    unsigned char *str = NULL;
    jbyte *bytes;
    bytes = env->GetByteArrayElements(src, 0);//将src转为字节数组
    int srcLength = env->GetArrayLength(src);//计算明文长度

    int encs_length = ((srcLength + AES_BLOCKLEN) / AES_BLOCKLEN) * AES_BLOCKLEN;//计算需要填充的字节数，AES_BLOCKLEN=16
    str = (unsigned char *) malloc(encs_length);

    int sum = encs_length - srcLength;//计算填充字节的值
    memset(str, sum, encs_length);//将扩展后的字节数组空间统一重置为sum
    memcpy(str, bytes, srcLength);//将原字节数组复制到新数组空间

    env->ReleaseByteArrayElements(src, bytes, 0);

    .......

如此实现填充加密。

0x022 PKCS#7

事实上，PKCS#5与PKCS#7是同种填充算法，只是在PKCS#5中，块的大小是确定的(blockSize=8,AES中为16),而在PKCS#7中，块大小是不确定的（1-255），但除此之外两者都是一致的，扩充的方法和填充的方法都一致。可以说PKCS#5是PKCS#7在blockSize=8时的特例。

设 1 <= N <= 255 ，原始的明文数据必须是N的倍数，然后需要填充的字节数为

1	((strlen(plainText) + N)/N) * N

需要填充的字节数与#5也是一致的，或者说，#5跟#7是一致的。

WIKI#PKCS7)

0x023 Zero-Padding

需要补多少与#7一致，但值统一填充为0

WIFI#Zero_padding)

0x03 实现

AES-C加上上述的明文填充后，就可以实现native加密与java的互通了。关键还是实现”对称”，这里的对称，包括几个方面

加密算法
加密模式
填充方法
密钥（KEY）
向量（IV）

github