iOS开发-AES加密

2018-07-04 本文已影响1893人张囧瑞

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。

参考文档

AES加密算法的详细介绍与实现

密码算法详解——AES

iOS开发_AES加密和解密算法的实现

iOS开发之Objective-c的AES加密和解密算法的实现