通过Go实现AES加密和解密工具

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本文包含如下两个内容：

AES加密介绍及实现原理
Go实现AES加密和解密工具
AES加密介绍及实现原理
AES( advanced encryption standard)使用相同密钥进行加密和解密，也就是对称加密。其他的对称加密如DES，由于DES密钥长度只有56位如今的算力甚至可以在5分钟内破解，而AES最高级别达到了256位密钥长度，如果采用穷举法，目前来看AES是一种”无法“被破解的加密存在。

关于非对称加密我们在之前有一篇文章《理解https中的安全及其实现原理》进行了介绍，有兴趣的可翻看查看。

AES用在哪里？
如果你正在浏览本文，那么你就在使用AES（https协议中一部分使用了对称加密）。

绿色上网：通过加密安全地连接到另一台搬石头砸脚的服务器。
无线网络WIFI：和WAP2一起使用。
应用程序：wechat、JD、Alipay等使用 AES 加密照片和消息或支付信息。
存档和压缩工具：7z、WinZip 和 RAR。
操作系统组件：一些操作系统组件（如文件系统）使用高级加密标准来确保安全性。
编程语言库： Go、Python 和 C++ 等编码库实现了的AES加密（等会使用到）。
AES加密是如何实现的？
参考：

what-is-the-aes-algorithm?

What is AES encryption and how does it work?

Block cipher mode of operation

从宏观上来看AES加密过程中的一轮（根据不同的密钥长度，轮数不一样，下面会说到）如下：

1.数据分块
首先把明文按照128bit拆分成若干个明文块（图上黄色块），一个字节包含 8 位，布局为 4×4矩阵（上图黄色部分），对最后一块填充至128bit，填充方式有PKCS7Padding（采用）/PKCS5Padding/ZeroPadding，无论咋填充最后解密时都要去除这些多余的填充。

2.密钥扩展
AES通过Rijndael's key schedule 将密钥被扩展为 (n+1) 个密钥，其中 n 是加密过程中要遵循的轮数。AES每个标准规定了所要加密的轮数，对于128位密钥，轮数是 10，要生成的密钥个数为 10+1，总共 11 个密钥。

每一轮所要做的包括：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）、加轮密钥（AddRoundKey）

3.字节替代（SubBytes）
每轮开始，首先进行SubBytes，字节根据预定义的 Rijndael S-box（可以简单认为是一个转换表）规定的规则进行替换。对a[i,j]中的每个字节进行一次转换后得到b[i,j]

4.行移位（ShiftRows）
对上一步得到矩阵进行ShiftRows，第一行不变，第二行移动1位，第三行2位，第四行3位。

5.列混淆（MixColumns）
再对矩阵的每一列和修补矩阵fixed matrix的二维常量数组做矩阵相乘，得到对应的输出列。

6.加轮密钥（AddRoundKey）
先将扩展密钥Kn排列成4×4矩阵，然后让输入数组的每一个字节a[i,j]与密钥对应位置的字节k[i,j]异或一次，得到输出b[i,j]。最后一轮不参与AddRoundKey

经过如上的10轮操作之后，得到了一个明文块的加密字符。解密则进行反向加密。

AES加密模式
ECB
在上面加密过程中每一个明文块都是独立进行加密的，简单且高效，但是如果一个段数据存在相关的明文块，则加密后的密文也会相同，对安全性也有一定影响。

CBC
CBC加密模式如下图所示，初始向量IV和明文异或，每个块的密文作为后续块的“向量”，让每一个密文独一无二。我们待会采用这种模式。

Go实现AES加密工具scode
ok，上面大致了解AES加密是如何工作起来的，接下来通过Go中的crypto/aes和crypto/cipher包实现的AES加密解密工具。

PKCS7Padding将待补足字节数作为填充的字节
[mw_shl_code=applescript,true]// pkcs7Padding 填充
func pkcs7Padding(data []byte, blockSize int) []byte {
    //判断缺少几位长度。最少1，最多 blockSize
    padding := blockSize - len(data)%blockSize
    //补足位数。把切片[]byte{byte(padding)}复制padding个
    padText := bytes.Repeat([]byte{byte(padding)}, padding)
    return append(data, padText...)
}

// pkcs7UnPadding 移除
func pkcs7UnPadding(data []byte) ([]byte, error) {
    length := len(data)
    if length == 0 {
        return nil, errors.New("加密字符串错误！")
    }
    //获取填充的个数
    unPadding := int(data[length-1])
    return data[length - unPadding)], nil
}
[/mw_shl_code]
使用 cipher的CBC模式对block加密和解密
[mw_shl_code=applescript,true]// AesEncrypt 加密
func AesEncrypt(data []byte, key []byte) ([]byte, error) {   
    // NewCipher creates and returns a new cipher.Block. The key argument should be the AES key, either 16, 24, or 32 bytes to select AES-128, AES-192, or AES-256.
    block, err := aes.NewCipher(key)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    //判断加密快的大小
    blockSize := block.BlockSize()
    //填充
    encryptBytes := pkcs7Padding(data, blockSize)
    //初始化加密数据接收切片
    crypted := make([]byte, len(encryptBytes))
    //使用cbc加密模式
    blockMode := cipher.NewCBCEncrypter(block, key[:blockSize])
    //执行加密
    blockMode.CryptBlocks(crypted, encryptBytes)
    return crypted, nil
}

// AesDecrypt 解密
func AesDecrypt(data []byte, key []byte) ([]byte, error) {
    block, err := aes.NewCipher(key)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    //获取块的大小
    blockSize := block.BlockSize()
    //使用cbc
    blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, key[:blockSize])
    //初始化解密数据接收切片
    crypted := make([]byte, len(data))
    //执行解密
    blockMode.CryptBlocks(crypted, data)
    //去填充
    crypted, err = pkcs7UnPadding(crypted)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    return crypted, nil
}
[/mw_shl_code]
循环从文件中读取100mb源数据用于加密后将密文写入文件，解密则读取密文解密后将源数据写入文件。
[mw_shl_code=applescript,true]func EncryptFile(fileName string) (err error) {
    f, err := os.Open(fileName)
    if err != nil {
        fmt.Println("未找到文件")
        return
    }
    defer f.Close()

    fInfo, _ := f.Stat()
    fLen := fInfo.Size()
    fmt.Println("待处理文件大小:", fLen)
    maxLen := 1024 * 1024 * 100 //100mb  每 100mb 进行加密一次
    var forNum int64 = 0
    getLen := fLen

    if fLen > int64(maxLen) {
        getLen = int64(maxLen)
        forNum = fLen / int64(maxLen)
        fmt.Println("需要加密次数：", forNum+1)
    }
    // encryptd to file
    ff, err := os.OpenFile("en_"+fileName, os.O_RDWR|os.O_CREATE, 0666)
    if err != nil {
        fmt.Println("文件写入错误")
        return err
    }
    defer ff.Close()
    //循环加密，并写入文件
    for i := 0; i < int(forNum+1); i++ {
        a := make([]byte, getLen)
        n, err := f.Read(a)
        if err != nil {
            fmt.Println("文件读取错误")
            return err
        }
        getByte, err := EncryptByAes(a[:n])
        if err != nil {
            fmt.Println("加密错误")
            return err
        }
        getBytes := append([]byte(getByte), []byte("\n")...)
        //写入
        buf := bufio.NewWriter(ff)
        buf.WriteString(string(getBytes[:]))
        buf.Flush()
    }
    ffInfo, _ := ff.Stat()
    fmt.Printf("加密后文件为：%s，文件大小为：%v Byte \n", ffInfo.Name(), ffInfo.Size())
    return nil
}
[/mw_shl_code]
通过cobra添加命令后，创建命令的匿名函数

[mw_shl_code=applescript,true]func(cmd *cobra.Command, args []string) {
    copy(PwdKey, readPass())
    Pwd := []byte("csgo!gogo")
    if ByteSliceEqual(PwdKey, Pwd) {
        //16字节key
        PwdKey = append(PwdKey, 7, 3, 5, 5, 6, 0, 8)
        if err := DecryptFile(args[0]); err != nil {
            panic(err)
        }
    } else {
        fmt.Println("密码错误")
        os.Exit(1)
    }
}
[/mw_shl_code]
使用方式看起来如下：

scode工具包含2个命令encode和decode，解密文件需要密码。
[mw_shl_code=applescript,true]# ./scode  encode xpower.tar.gz
待处理文件大小: 3397
加密后文件为：en_xpower.tar.gz，文件大小为：4545 Byte

# ./scode  decode en_xpower.tar.gz
ENTER PASSWORD:
密码错误

# ./scode  decode en_xpower.tar.gz
ENTER PASSWORD:
待处理文件大小: 4545
解密后文件为：de_en_xpower.tar.gz，文件大小为：3159 Byte
[/mw_shl_code]