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第 12 屆 iThome 鐵人賽

DAY 20

Security

看完眼眶濕濕的App開發者慘烈對抗險惡資安環境血與淚的控訴！系列第 20 篇

Day 20. 對稱式加密演算法 - 大家都愛用的 AES

12th鐵人賽

羊小咩

2020-10-05 21:49:02

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進階加密標準（英語：Advanced Encryption Standard，縮寫：AES），在密碼學中又稱Rijndael加密法，是美國聯邦政府採用的一種區塊加密標準。

資料來源：Wiki

AES簡介

AES是美國政府公開徵選用來取代 DES 加密法的一種新型加密法，目前已經廣泛用於很多加密標準當中。AES出現原因主要是DES加密法已經被證實為不安全的加密方式，原因有只能一次加密64bit (耗時)、Key僅56bit (不安全)等等。

AES, Advanced Encryption Standard，其實是一套標準：FIPS 197，而我們所說的AES演算法就是Rijndael演算法

NIST (National INstitute of Standards and Technology) 在1997年9月12日公開徵集更高效更安全的替代DES加密演算法，第一輪共有15種演算法入選，其中5種演算法入圍了決賽，分別是MARS，RC6，Rijndael，Serpent和Twofish。又經過3年的驗證、評測及公眾討論之後Rijndael演算法最終入選。

Rijndael演算法

Rijndael演算法是由比利時學者Joan Daemen和Vincent Rijmen所提出的，演算法的名字就由兩位作者的名字組合而成。Rijndael的優勢在於集安全性、效能、效率、可實現性及靈活性與一體。

加密演算法設計思想

設計準則

混淆 (Confusion) 最大限度地複雜化密文、明文與金鑰之間的關係，通常用非線性變換演算法達到最大化的混淆。
擴散 (Diffusion) 明文或金鑰每變動一位將最大化地影響密文中的位數，通常採用線性變換演算法達到最大化的擴散。

AES評判要求

NIST在徵集演算法的時候就提出了幾項硬性要求：

分組加密演算法：支援128位分組大小，128/192/256位金鑰
安全性不低於3DES，但實施與執行要比3DES的更高效
優化過的ANSI C的實現程式碼
KAT(Known-Answer tests)及MCT(Monte Carlo Tests)測試及驗證
軟體及硬體實現的便捷
可抵禦已知攻擊

Rijndael 設計思想

安全性（Security）演算法足夠強，抗攻擊
經濟性（Efficiency）演算法運算效率高
金鑰捷變（Key Agility）更改金鑰所引入的損失儘量小，即最小消耗的金鑰擴充套件演算法
適應性（Versatility）適用於不同的CPU架構，軟體或硬體平臺的實現
設計簡單（Simplicity）輪函式的設計精簡，只是多輪迭代

AES 加密流程

將明文 (plan text）二進位資料，分為一塊一塊(block) ，每塊長度跟加密金鑰長度相同(128 / 192 / 256 bit .. )稱為明文區塊

並透過 AES 演算法，將每一塊明文區塊加密成密文區塊

當然實際上的運作，複雜很多，為了方便理解，簡化成上圖，讓大家理解

金鑰長度

AES-128 = 16 bytes
- 字串長度16
- HEX 長度 32 (0-9 A-F)
AES-192 = 24 bytes
- 字串長度24
- HEX 長度 48 ( 0-9 A-F)
AES-256 = 32 bytes
- 字串長度32
- HEX 長度 64 (0-9 A-F)

使用 AES

Key 長度 128 , ECB 加密模式

iOS Swift

import CryptoSwift

let aes_message = "咩"
let aes_key_HexString = "00000000000000000000000000000000" // aes128
let keyArray = Array<UInt8>.init(hex: aes_key_HexString)
if
    let aes = try? AES(key: keyArray, blockMode: ECB()) , 
    let encrypted = try? aes.encrypt(aes_message.bytes) ,
    let EncData = encrypted.toBase64()
{
    print(EncData)
}

NodeJS / ES6

import CryptoJS from 'crypto-js';

const message = "咩"
var key =  CryptoJS.enc.Hex.parse("00000000000000000000000000000000");
var option={
    mode:CryptoJS.mode.ECB,
};
          
var encrypted = CryptoJS.AES.encrypt(message, key, option);
    
console.log(`key : ${encrypted.key}`)
console.log(`enc : ${encrypted.toString()}`)

Android / JAVA

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
/**
 *
 */
public class AES {

    //Encrypt
    public static String Encrypt(String sSrc, String sKey) throws Exception {
        if (sKey == null) {
            System.out.print("Key is null");
            return null;
        }
        byte[] raw = sKey.getBytes("utf-8");
        SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(raw, "AES");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec);
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(sSrc.getBytes("utf-8"));

        return new Base64().encodeToString(encrypted);
    }

    //Decrypt
    public static String Decrypt(String sSrc, String sKey) throws Exception {
        try {
            if (sKey == null) {
                System.out.print("Key is null");
                return null;
            }
            byte[] raw = sKey.getBytes("utf-8");
            SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(raw, "AES");
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec);
            byte[] encrypted1 = new Base64().decode(sSrc);
            try {
                byte[] original = cipher.doFinal(encrypted1);
                String originalString = new String(original,"utf-8");
                return originalString;
            } catch (Exception e) {
                System.out.println(e.toString());
                return null;
            }
        } catch (Exception ex) {
            System.out.println(ex.toString());
            return null;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        /*
         * 使用AES-128-ECB加密模式，key需要16位
         */
        String cKey = "0000000000000000";
        String cSrc = "咩";
        System.out.println(cSrc);
        //Encrypt
        String enString = AES.Encrypt(cSrc, cKey);
        System.out.println("Encrypt：" + enString);

        //Decrypt
        String DeString = AES.Decrypt(enString, cKey);
        System.out.println("Decrypt：" + DeString);
    }
}