AES加密过程涉及到 4 种操作，分别是字节替代、行移位、列混淆和轮密钥加。
1.字节替换：字节代替的主要功能是通过S盒完成一个字节到另外一个字节的映射。
2.行移位：行移位的功能是实现一个4x4矩阵内部字节之间的置换。
4.轮密钥加：加密过程中，每轮的输入与轮密钥异或一次（当前分组和扩展密钥的一部分进行按位异或）；因为二进制数连续异或一个数结果是不变的，所以在解密时再异或上该轮的密钥即可恢复输入。
5.密钥扩展：其复杂性是确保算法安全性的重要部分。当分组长度和密钥长度都是128位时，AES的加密算法共迭代10轮，需要10个子密钥。AES的密钥扩展的目的是将输入的128位密钥扩展成11个128位的子密钥。AES的密钥扩展算法是以字为一个基本单位（一个字为4个字节），刚好是密钥矩阵的一列。因此4个字（128位）密钥需要扩展成11个子密钥，共44个字。
AES加密过程是在一个4×4的字节矩阵上运作，这个矩阵又称为“体（state）”，其初值就是一个明文区块（矩阵中一个元素大小就是明文区块中的一个Byte）。（Rijndael加密法因支持更大的区块，其矩阵行数可视情况增加）加密时，
各轮AES加密循环（除最后一轮外）均包含4个步骤：
矩阵中的各字节通过一个8位的S-box进行转换。这个步骤提供了加密法非线性的变换能力。S-box与GF（28）上的乘法反元素有关，已知具有良好的非线性特性。为了避免简单代数性质的攻击，S-box结合了乘法反元素及一个可逆的仿射变换矩阵建构而成。此外在建构S-box时，刻意避开了固定点与反固定点，即以S-box替换字节的结果会相当于错排的结果。AES算法中的S盒如图2.2所示
例如一个字节为0x19，经过S盒变换查找n(1,9) = 0xd4,所以就替换为0xd4。
ShiftRows描述矩阵的行操作。在此步骤中，每一行都向左循环位移某偏移量。在AES中（区块大小128位），第一行维持不变，第二行里的每个字节都向左循环移动一格。同理，第三行及第四行向左循环位移的偏移量就分别是2和3。经过ShiftRows之后，矩阵中每一竖列，都是由输入矩阵中的每个不同列中的元素组成。
在MixColumns步骤，每一列的四个字节通过线性变换互相结合。每一列的四个元素分别当作 的系数，合并即为GF（28）中的一个多项式，接着将此多项式和一个固定的多项式在modulo 下相乘。此步骤亦可视为Rijndael有限域之下的矩阵乘法。MixColumns函数接受4个字节的输入，输出4个字节，每一个输入的字节都会对输出的四个字节造成影响。因此ShiftRows和MixColumns两步骤为这个密码系统提供了扩散性。
AES算法利用外部输入密钥K(密钥串的字数为Nk),通过密钥的扩展程序得到共计4(Nr+1)字的扩展密钥。它涉及如下三个模块:
(1)位置变换(rotword)——把一个4字节的序列[A,B,C,D]变化成[B,C,D,A]；
(2)S盒变换(subword)——对一个4字节进行S盒代替；
(3)变换Rcon[i]——Rcon[i]表示32位比特字[xi-1,00,00,00]。这里的x是（02），如 Rcon[1]=[01000000]；Rcon[2]=[02000000]；Rcon[3]=[04000000]……
扩展密钥的生成：扩展密钥的前Nk个字就是外部密钥K；以后的字W[[i]]等于它前一个字W[[i-1]]与前第Nk个字W[[i-Nk]]的“异或”,即W[[i]]=W[[i-1]]W[[i- Nk]]。但是若i为Nk的倍数,则W[i]=W[i-Nk]Subword(Rotword(W[[i-1]]))Rcon[i/Nk]。
AES, 高级加密标准, 是采用区块加密的一种标准, 又称Rijndael加密法. 严格上来讲, AES和Rijndael又不是完全一样, AES的区块长度固定为128比特, 秘钥长度可以是128, 192或者256. Rijndael加密法可以支持更大范围的区块和密钥长度, Rijndael使用的密钥和区块长度均可以是128，192或256比特. AES是对称加密最流行的算法之一.
我们不去讨论具体的AES的实现, 因为其中要运用到大量的高等数学知识, 单纯的了解AES流程其实也没什么意义(没有数学基础难以理解), 所以我们今天着重来总结一些使用过程中的小点.
当然了分组密码的加密模式不仅仅是ECB和CBC这两种, 其他的我们暂不涉及.
上面说的AES是一种区块加密的标准, 那加密模式其实可以理解为处理不同区块的方式和联系.
ECB可以看做最简单的模式, 需要加密的数据按照区块的大小分为N个块, 并对每个块独立的进行加密
此种方法的缺点在于同样的明文块会被加密成相同的密文块, 因此, 在某些场合, 这种方法不能提供严格的数据保密性. 通过下面图示例子大家就很容易明白了
我们的项目中使用的就是这种模式, 在CBC模式中, 每个明文块与前一个块的加密结果进行异或后, 在进行加密, 所以每个块的加密都依赖前面块的加密结果的, 同时为了保证第一个块的加密, 在第一个块中需要引入初始化向量iv.
CBC是最常用的模式. 他的缺点是加密过程只能是串行的, 无法并行, 因为每个块的加密要依赖到前一个块的加密结果, 同时在加密的时候明文中的细微改变, 会导致后面所有的密文块都发生变化. 但此种模式也是有优点的, 在解密的过程中, 每个块的解密依赖上一个块的加密结果, 所以我们要解密一个块的时候, 只需要把他前面一个块也一起读取, 就可以完成本块的解密, 所以这个过程是可以并行操作的.
AES加密每个块blockSize是128比特, 那如果我们要加密的数据不是128比特的倍数, 就会存在最后一个分块不足128比特, 那这个块怎么处理, 就用到了填充模式. 下面是常用的填充模式.
PKCS7可用于填充的块大小为1-255比特, 填充方式也很容易理解, 使用需填充长度的数值paddingSize 所表示的ASCII码 paddingChar = chr(paddingSize)对数据进行冗余填充. (后面有解释)
PKCS5只能用来填充8字节的块
我们以AES(128)为例, 数据块长度为128比特, 16字节, 使用PKCS7填充时, 填充长度为1-16. 注意, 当加密长度是16整数倍时, 反而填充长度是最大的, 要填充16字节. 原因是 "PKCS7" 拆包时会按协议取最后一个字节所表征的数值长度作为数据填充长度, 如果因真实数据长度恰好为16的整数倍而不进行填充, 则拆包时会导致真实数据丢失.
举一个blockSize为8字节的例子
第二个块中不足8字节, 差4个字节, 所以用4个4来填充
严格来讲 PKCS5不能用于AES, 因为AES最小是128比特(16字节), 只有在使用DES此类blockSize为64比特算法时, 考虑使用PKCS5
我们的项目最开始加解密库使用了CryptoSwift, 后来发现有性能问题, 就改为使用IDZSwiftCommonCrypto.
这里咱们结合项目中边下边播边解密来提一个点, 具体的可以参考之前写的 边下边播的总结 . 因为播放器支持拖动, 所以我们在拖拽到一个点, 去网络拉取对应数据时, 应做好range的修正, 一般我们都会以range的start和end为基准, 向前后找到包含这个range的所有块范围. 打比方说我们需要的range时10-20, 这是我们应该修正range为0-31, 因为起点10在0-15中, 20 在16-31中. 这是常规的range修正.(第一步 找16倍数点).
但是在实际中, 我们请求一段数据时, 还涉及到解密器的初始化问题, 如果我们是请求的0-31的数据, 因为是从0开始, 所以我们的解密器只需要用key和初始的iv来进行初始化, 那如果经过了第一步的基本range修正后, 我们请求的数据不是从0开始, 那我们则还需要继续往前读取16个字节的数据, 举个例子, 经过第一步修正后的range为16-31, 那我们应该再往前读取16字节, 应该是要0-31 这32个字节数据, 拿到数据后,使用前16个字节(上一个块的密文)当做iv来初始化解密器.
还有一个要注意的点是, 数据解密的过程中, 还有可能会吞掉后面16个字节的数据, 我暂时没看源码, 不知道具体因为什么, 所以保险起见, 我们的range最好是再向后读取6个字节.
感谢阅读
参考资料
https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E9%AB%98%E7%BA%A7%E5%8A%A0%E5%AF%86%E6%A0%87%E5%87%86
https://segmentfault.com/a/1190000019793040
https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10250386
