通過Go實現AES加密和解密工具

本文包含如下兩個內容：

• AES加密介紹及實現原理

• Go實現AES加密和解密工具

AES加密介紹及實現原理

AES( advanced encryption standard)使用相同金鑰進行加密和解密，也就是 對稱加密 。其他的對稱加密如DES，由於DES金鑰長度只有56位如今的算力甚至可以在5分鐘內破解，而AES最高級別達到了256位金鑰長度，如果採用窮舉法，目前來看AES是一種”無法“被破解的加密存在。

關於 非對稱 加密我們在之前有一篇文章《理解https中的安全及其實現原理》進行了介紹，有興趣的可翻看檢視。

AES用在哪裡？

如果你正在瀏覽本文，那麼你就在使用AES（https協議中一部分使用了對稱加密）。

• 綠色上網：通過加密安全地連線到另一臺搬石頭砸腳的伺服器。

• 無線網路WIFI：和WAP2一起使用。

• 應用程式：wechat、JD、Alipay等使用 AES 加密照片和訊息或支付資訊。

• 存檔和壓縮工具：7z、WinZip 和 RAR。

• 作業系統元件：一些作業系統元件（如檔案系統）使用高階加密標準來確保安全性。

• 程式語言庫：Go、Python 和 C++ 等編碼庫實現了的AES加密（等會使用到）。

AES加密是如何實現的？

參考：

what-is-the-aes-algorithm?

What is AES encryption and how does it work?

Block cipher mode of operation

從巨集觀上來看AES加密過程中的一輪（根據不同的金鑰長度，輪數不一樣，下面會說到）如下：

1.資料分塊

首先把明文按照128bit拆分成若干個明文塊（圖上黃色塊），一個位元組包含 8 位，佈局為 4×4矩陣（上圖黃色部分），對最後一塊填充至128bit，填充方式有PKCS7Padding（採用）/PKCS5Padding/ZeroPadding，無論咋填充最後解密時都要去除這些多餘的填充。

2.金鑰擴充套件

AES通過Rijndael's key schedule 將金鑰被擴充套件為 (n+1) 個金鑰，其中 n 是加密過程中要遵循的輪數。AES每個標準規定了所要加密的輪數，對於128位金鑰，輪數是 10，要生成的金鑰個數為 10+1，總共 11 個金鑰。

標準	金鑰長度	輪數	分組長度
AES-128	128位(16位元組）	10	128位（16位元組）
AES-192	192位(24位元組）	12	128位（16位元組）
AES-256	256位(32位元組）	14	128位（16位元組）

每一輪所要做的包括：位元組替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）、加輪金鑰（AddRoundKey）

3. 位元組替代（SubBytes）

每輪開始，首先進行SubBytes，位元組根據預定義的 Rijndael S-box （可以簡單認為是一個轉換表）規定的規則進行替換。對a[i,j]中的每個位元組進行一次轉換後得到b[i,j]

4.行移位（ShiftRows）

對上一步得到矩陣進行ShiftRows，第一行不變，第二行移動1位，第三行2位，第四行3位。

5.列混淆（MixColumns）

再對矩陣的每一列和 修補矩陣fixed matrix 的二維常量陣列做矩陣相乘，得到對應的輸出列。

6.加輪金鑰（AddRoundKey）

先將擴充套件金鑰Kn排列成4×4矩陣，然後讓輸入陣列的每一個位元組a[i,j]與金鑰對應位置的位元組k[i,j]異或一次，得到輸出b[i,j]。最後一輪不參與AddRoundKey

經過如上的10輪操作之後，得到了一個明文塊的加密字元。解密則進行反向加密。

AES加密模式

ECB

在上面加密過程中每一個明文塊都是獨立進行加密的，簡單且高效，但是如果一個段資料存在相關的明文塊，則加密後的密文也會相同，對安全性也有一定影響。

CBC

CBC加密模式如下圖所示，初始向量IV和明文異或，每個塊的密文作為後續塊的“向量”，讓每一個密文獨一無二。我們待會採用這種模式。

Go實現AES加密工具scode

ok，上面大致瞭解AES加密是如何工作起來的，接下來通過Go中的crypto/aes和crypto/cipher包實現的AES加密解密工具。

PKCS7Padding將待補足位元組數作為填充的位元組

使用 cipher的CBC模式對block加密和解密

迴圈從檔案中讀取100mb源資料用於加密後將密文寫入檔案，解密則讀取密文解密後將源資料寫入檔案。

參考：Golang AES 加密 解密

通過cobra新增命令後，建立命令的匿名函式

使用方式看起來如下：

scode工具包含2個命令encode和decode，解密檔案需要密碼。

完整程式碼：source

通過部落格檢視：iqsing.github.io

通過改進此工具建立一個自己隱私檔案加密和解密器。

參考:

[1]        what-is-the-aes-algorithm?: http://www.educative.io/edpresso/what-is-the-aes-algorithm

[2]

What is AES encryption and how does it work?: http://cybernews.com/resources/what-is-aes-encryption/