iOS开发-AES加密

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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。

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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：

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现在假设明文分组P = abcdefghijklmnop，则对应的矩阵图为：

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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：

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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。

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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的算法流程

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：

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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：

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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：

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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：

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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：

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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：

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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：

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逆向列混淆

逆向列混合变换可由下图的矩阵乘法定义：

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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。

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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：

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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

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#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。

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//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

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// 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。

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- (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

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- (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