# AES ## Week 9 ---- ## 什麼是 AES + Advanced Encryption Standard + 中文稱作「進階加密演算法」 + 由 NIST 於 2001 年發佈 + 是一種對稱金鑰加密演算法 ---- ## 什麼是對稱加密 + Symmetric-Key 對稱金鑰 + 加密與解密會用到同一個金鑰 + 有對稱就有非對稱 ---- ## 什麼是非對稱加密 + Asymmetric-Key 非對稱金鑰 + 也可稱為公開金鑰 Public-Key + 使用公鑰加密，使用私鑰解密 ---- ## 術語介紹 + Encrypt 加密 + Decrypt 解密 + Symmetric 對稱 + Asymmetric 非對稱 + Cipher 密文 + Padding 對齊 --- # 對稱加密的運作流程 ---- ## 對稱加密的事前準備 1. 準備一把主金鑰 + 可以是 128, 192, 256 位元 (Bits) + 分別是 16, 24, 32 位元組 (Bytes) 2. 準備一個 4x4 的位元組矩陣 + 這個矩陣有 16 個位元組 + 也被稱為 Initialization Vector (IV) ---- ## 對稱加密的運作流程 1 + Step 1. AddRoundKey + 透過主金鑰產生一把回合金鑰 Round Key + 用回合金鑰跟原資料做 XOR 加法  ---- ## 對稱加密的運作流程 2 + Step 2. SubBytes + 透過一個 S-Box 做非線性轉換 + S-Box 其實就是一個 Mapping Table + 但這個 Table 是有精密設計過的  ---- ## 對稱加密的運作流程 3 + Step 3. ShiftRows + 每一行分別向左偏移 0, 1, 2, 3 格  ---- ## 對稱加密的運作流程 4 + Step 4. MixColumns + 對每個 Column 做線性變換 $$ \begin{bmatrix} b_{0,j} \\ b_{1,j} \\ b_{2,j} \\ b_{3,j} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2 & 3 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 3 & 1 \\ 1 & 1 & 2 & 3 \\ 3 & 1 & 1 & 2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} a_{0,j} \\ a_{1,j} \\ a_{2,j} \\ a_{3,j} \end{bmatrix} \qquad 0 \le j \le 3 $$  --- # 實做 AES - Python ---- ## Python + 安裝 `pycryptodome` + `pip install pycryptodome` ---- ## 產生金鑰 ```python= from Crypto.Random import get_random_bytes # Generate 256 Bits Random Key # 256 Bits = 32 Bytes key = get_random_bytes(32) # e.g. "\xef\xf6...\xe1\xd1" ``` + 通常會將此金鑰存成檔案或資料庫內 + 實務上，會透過公開金鑰將對稱金鑰做加密後再存下來 ---- ## CBC Mode + Cipher Block Chaining + 會將明文切成固定大小，所以需要先對資料進行對齊 ---- ## CBC Mode Encryption ```python= from Crypto.Cipher import AES from Crypto.Util.Padding import pad def encrypt(key: bytes, data: bytes): # 以金鑰搭配 CBC 模式建立 Cipher 物件 cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC) # 將輸入資料加上 Padding 後進行加密 data_pad = pad(data, AES.block_size) encrypt_data = cipher.encrypt(data_pad) return cipher.iv, encrypt_data ``` ---- ## CBC Mode Decryption ```python= from Crypto.Cipher import AES from Crypto.Util.Padding import unpad def decrypt(key: bytes, iv: bytes, data: bytes): # 以金鑰搭配 CBC 模式與 IV 建立 Cipher 物件 cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv=iv) # 解密後進行 Unpadding decrypt_data = cipher.decrypt(data) decrypt_data = unpad(decrypt_data, AES.block_size) return decrypt_data ``` ---- ## CFB Mode + Cipher Feedback + 不需要事先知道完整的明文，所以不需要 Padding + 支援 Streaming Encryption ---- ## EAX Mode + Encrypt & Authenticate Exchange + 加密會產生 Nonce 與 Tag，需要一起用來解密 + 使用 Key 與 Nonce 產生 MAC + Message Authentication Code + 具有非常高的安全性 ---- ## Base64 + Base64 可以將位元組編碼成字串 + 使位元組可以作為字串傳輸 ---- ## Base64 Encode ```python= def ToJSON(data: bytes, iv: bytes) -> dict: return { "data": Base64Encode(data), "iv": Base64Encode(iv) } def Base64Encode(b: bytes) -> str: from base64 import b64encode return b64encode(b).decode("UTF-8") ``` ---- ## Base64 Decode ```python= def FromJSON(ciphertext: dict): data = Base64Decode(ciphertext["data"]) iv = Base64Decode(ciphertext["iv"]) return data, iv def Base64Decode(s: str) -> bytes: from base64 import b64decode return b64decode(s.encode("UTF-8")) ``` --- # 實做 AES - C 語言 ---- ## OpenAES + [GitHub](https://github.com/jhjin/OpenAES) ---- ## 強迫症編譯 + 為了落實 `-Wall -Werror` + `ftime` 為 Deprection 的解法 ```c= #include <sys/timeb.h> struct timeb timer1; ftime(&timer1); #include <time.h> struct timespec timer2; clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &timer2); double millitm = timer2.tv_nsec / 1.0e+6; timer2.tv_nsec = (long int)millitm; // timer1.time == timer2.tv_sec // timer1.millitm == timer2.tv_nsec ``` ---- ## OpenAES Code Flow ```c= #include "oaes_lib.h" OAES_CTX *ctx = oaes_alloc(); oaes_gen_key_xxx(ctx); oaes_key_export(...); oaes_key_import(...); oaes_encrypt(...); oaes_decrypt(...); oaes_free(&ctx); ``` ---- ## Detail + 實做上 IV 會被覆寫 + 如果是隨機產生要複製一份存下來 --- ## Reference + [中文維基：進階加密演算法](https://w.wiki/6Rip) + [Wikipedia: AES](https://w.wiki/3m7z) + [Python PyCryptodome](https://tinyurl.com/22wkumm8)