一、AES介紹

AES（Advanced Encryption Standard）是一種對(duì)稱密鑰加密標(biāo)準(zhǔn)，它是一種對(duì)稱加密算法，意味著相同的密鑰用于加密和解密數(shù)據(jù)。AES 是 NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）于2001年發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，用于替代原先的 DES（Data Encryption Standard）。

以下是 AES 的一些基本特點(diǎn)和特性：

1. 密鑰長(zhǎng)度： AES 支持多種密鑰長(zhǎng)度，包括128位、192位和256位。密鑰長(zhǎng)度的不同影響了加密算法的安全性，通常更長(zhǎng)的密鑰長(zhǎng)度意味著更高的安全性。

2. 分組長(zhǎng)度： AES 將數(shù)據(jù)分成固定大小的塊（分組），每個(gè)塊的大小是128位。這是 AES 固定的塊大小，無論密鑰的長(zhǎng)度如何。

3. 輪數(shù)： AES 加密算法的運(yùn)算過程分為多輪，輪數(shù)的不同也影響了加密算法的安全性。AES-128有10輪，AES-192有12輪，AES-256有14輪。

4. 結(jié)構(gòu)： AES 算法采用了迭代、替代-置換網(wǎng)絡(luò)（Substitution-Permutation Network，SPN）結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)包含了一系列的替代（SubBytes）、置換（ShiftRows）、混淆（MixColumns）和輪密鑰加（AddRoundKey）操作。

5. 高度安全性： AES 被廣泛認(rèn)為是一種安全可靠的加密算法。它經(jīng)歷了廣泛的密碼學(xué)分析和攻擊嘗試，至今未發(fā)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的攻擊。

6. 廣泛應(yīng)用： AES 在各種應(yīng)用中得到廣泛使用，包括安全通信、數(shù)據(jù)加密、磁盤加密、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（VPN）、SSL/TLS 協(xié)議等。

7. 靈活性： AES 的靈活性體現(xiàn)在支持不同的密鑰長(zhǎng)度，可以根據(jù)具體的安全需求選擇合適的密鑰長(zhǎng)度。

總體而言，AES 是一種高效、安全且靈活的對(duì)稱密鑰加密算法，適用于多種安全應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)際使用中，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)拿荑€長(zhǎng)度，并考慮使用適當(dāng)?shù)募用苣Ｊ胶统跏蓟蛄?#xff08;IV）以增強(qiáng)安全性。
使用 OpenSSL 進(jìn)行 AES

二、AES原理

AES（Advanced Encryption Standard）算法的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)涉及其內(nèi)部的迭代結(jié)構(gòu)，包括替代-置換網(wǎng)絡(luò)（Substitution-Permutation Network，SPN）的設(shè)計(jì)。以下是 AES 算法的基本步驟和細(xì)節(jié)：

1. 密鑰擴(kuò)展（Key Expansion）： AES 使用不同長(zhǎng)度的密鑰（128位、192位、256位），密鑰擴(kuò)展階段將初始密鑰擴(kuò)展成一個(gè)密鑰表（Key Schedule），用于輪密鑰加。擴(kuò)展的過程包括字節(jié)替代、循環(huán)左移、列混淆和輪密鑰加。

2. 初始輪密鑰加（AddRoundKey）： 在第一輪中，初始輸入數(shù)據(jù)與擴(kuò)展的密鑰表進(jìn)行異或運(yùn)算。這一步引入了密鑰的影響。

3. 主輪結(jié)構(gòu)（Main Rounds）： 主輪結(jié)構(gòu)是 AES 算法的核心，它包括多輪的字節(jié)替代、行移位、列混淆和輪密鑰加。

   • 字節(jié)替代（SubBytes）： 每個(gè)字節(jié)都通過一個(gè)固定的 S 盒（Substitution Box）進(jìn)行替代。S 盒是一個(gè)由預(yù)定義的非線性變換構(gòu)成的查找表。

   • 行移位（ShiftRows）： 將每一行進(jìn)行循環(huán)左移操作。第一行不動(dòng)，第二行左移一個(gè)字節(jié)，第三行左移兩個(gè)字節(jié)，第四行左移三個(gè)字節(jié)。

   • 列混淆（MixColumns）： 每列進(jìn)行混淆操作，涉及每個(gè)字節(jié)與固定矩陣的乘法運(yùn)算。

   • 輪密鑰加（AddRoundKey）： 每輪結(jié)束時(shí)，進(jìn)行一次輪密鑰加，將當(dāng)前的狀態(tài)與擴(kuò)展的輪密鑰異或。

4. 最終輪結(jié)構(gòu)（Final Round）： 最后一輪沒有列混淆，只包括字節(jié)替代、行移位和輪密鑰加。

5. 解密（Decryption）： 解密過程與加密過程類似，但是操作的順序和密鑰使用有所不同。解密使用的密鑰表是加密時(shí)生成的逆序。

這些步驟的循環(huán)次數(shù)取決于 AES 使用的密鑰長(zhǎng)度。具體而言：

• 對(duì)于 AES-128，有10輪主結(jié)構(gòu)（主輪）。
• 對(duì)于 AES-192，有12輪主結(jié)構(gòu)。
• 對(duì)于 AES-256，有14輪主結(jié)構(gòu)。

AES 算法的設(shè)計(jì)采用了嚴(yán)密的代數(shù)和數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，以確保其安全性和效率。這種設(shè)計(jì)使得 AES 成為一種廣泛使用的對(duì)稱密鑰加密算法，適用于多種安全應(yīng)用。

三、AES開發(fā)實(shí)例

加密的示例代碼如下。請(qǐng)確保你的系統(tǒng)上已經(jīng)安裝了 OpenSSL 庫，并在編譯時(shí)鏈接相應(yīng)的庫。

#include <iostream>
#include <openssl/aes.h>
#include <openssl/rand.h>
#include <cstring>std::string aes_encrypt(const std::string &plaintext, const std::string &key) {// 檢查密鑰長(zhǎng)度if (key.length() != 16 && key.length() != 24 && key.length() != 32) {std::cerr << "Error: AES key length must be 16, 24, or 32 bytes." << std::endl;return "";}// 初始化 AES 上下文AES_KEY aes_key;if (AES_set_encrypt_key(reinterpret_cast<const unsigned char *>(key.c_str()), 8 * key.length(), &aes_key) != 0) {std::cerr << "Error: Failed to set AES encryption key." << std::endl;return "";}// 填充明文int padding = AES_BLOCK_SIZE - plaintext.length() % AES_BLOCK_SIZE;std::string padded_text = plaintext + std::string(padding, static_cast<char>(padding));// 分配內(nèi)存保存加密后的數(shù)據(jù)unsigned char *cipher_text = new unsigned char[padded_text.length()];// 加密AES_encrypt(reinterpret_cast<const unsigned char *>(padded_text.c_str()), cipher_text, &aes_key);// 將加密后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為十六進(jìn)制字符串std::string result;for (size_t i = 0; i < padded_text.length(); ++i) {char hex[3];sprintf(hex, "%02x", cipher_text[i]);result += hex;}delete[] cipher_text;return result;
}int main() {// 128-bit (16-byte) AES keystd::string key = "0123456789abcdef";// 要加密的明文std::string plaintext = "Hello, AES encryption!";// 執(zhí)行加密std::string ciphertext = aes_encrypt(plaintext, key);// 輸出結(jié)果std::cout << "Plaintext: " << plaintext << std::endl;std::cout << "Ciphertext: " << ciphertext << std::endl;return 0;
}

在這個(gè)示例中，我們使用了 OpenSSL 的 AES 函數(shù)庫進(jìn)行加密。請(qǐng)注意，這里的密鑰長(zhǎng)度必須是 16、24 或 32 字節(jié)。對(duì)于安全性要求高的應(yīng)用，建議使用更長(zhǎng)的密鑰和其他先進(jìn)的加密模式。此外，本例中使用了 ECB 模式，實(shí)際應(yīng)用中可能需要考慮使用更安全的加密模式，例如 CBC，并在每個(gè)塊中使用隨機(jī)的初始化向量（IV）。