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微信小程序背后的AES加密技术揭秘

创作时间:

作者:

@小白创作中心

微信小程序背后的AES加密技术揭秘

引用

CSDN

等

来源

https://blog.csdn.net/dkmilk/article/details/136374576

https://wenku.csdn.net/answer/225ci9id23

https://cloud.baidu.com/article/3099901

https://blog.csdn.net/qq_26664043/article/details/136990821

https://blog.csdn.net/m0_72166538/article/details/136289488

https://developers.weixin.qq.com/miniprogram/dev/framework/open-ability/user-encryptkey.html

https://www.imooc.com/article/357288

https://www.cnblogs.com/revercc/p/18060742

AES算法原理概述

AES（Advanced Encryption Standard）算法是一种对称加密算法，由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年颁布。它支持128位、192位和256位的密钥长度，分别对应AES-128、AES-192和AES-256三种变体。AES算法通过一系列的加法、位移、置换和模运算等操作，将明文转换成密文，再通过相反的操作将密文还原为明文。

AES算法的核心原理是通过一系列的加法、位移、置换和模运算等操作，将明文转换成密文，并通过相反的操作将密文还原为明文。具体来说，AES算法主要包括以下几个关键步骤：

字节替代（SubBytes）：这是一个非线性的替换函数，用于提供混淆效果。该过程通过S盒（Substitution box），即一个固定的16×16的表格来完成。输入的一个字节会映射到另一个不同的字节，在增强安全性的同时也增加了攻击者的难度。对于每一个参与运算的数据块内的单个字节，都会依据预先定义好的S盒进行转换。这个变换不仅依赖于当前处理的字节本身，还涉及到有限域GF(2^8)上的复杂计算逻辑。具体来说，除了全零的情况外，其他任何给定的输入都将经历求逆操作以及仿射变换两个阶段：
- 求逆：在有限域( GF(2^{8}) )上执行乘法逆元查找；
- 仿射变换：对上述得到的结果应用特定矩阵相乘再加上常量向量的操作；
这种设计使得即使明文中仅有微小变动也会引起密文的巨大差异，从而提高了系统的抗差分分析能力。
行移位（ShiftRows）：这是一个扩散操作，用于增加数据的复杂性。具体来说，矩阵的每一行都会向左循环移动一定数量的位置。移动的数量取决于行号：第一行不移动，第二行移动1个位置，第三行移动2个位置，第四行移动3个位置。
列混淆（MixColumns）：这是一个线性变换操作，用于进一步扩散数据。它通过矩阵乘法将每一列的字节混合在一起，使得每个字节都依赖于同一列中的其他字节。
轮密钥加（AddRoundKey）：这是一个简单的异或操作，用于将轮密钥与状态矩阵进行异或运算。这一步骤确保了密钥的参与，增加了算法的安全性。

这些操作会重复进行多轮（对于AES-128是10轮，AES-192是12轮，AES-256是14轮），每轮都会使用不同的轮密钥。这种迭代式的加密过程使得AES算法具有很高的安全性。

微信小程序中的AES应用

微信小程序广泛应用于我们的日常生活中，而它的数据传输安全则依赖于AES加密技术。微信小程序对前端数据进行了加密，如用户信息、运动健康步数等。这些数据在传输过程中都经过了AES算法的加密处理，以确保数据的安全性。

微信小程序采用CBC模式和PKCS5Padding填充方式，使用Base64编码的session_key作为密钥。具体来说，加密过程如下：

初始化向量（IV）：微信小程序使用一个随机生成的初始向量（IV），用于确保数据的唯一性。这个IV通常由数据接口返回。
密钥处理：微信小程序使用Base64编码的session_key作为密钥。这个session_key是从登录接口返回的，每个用户的session_key都不一样。
加密模式：微信小程序采用CBC（Cipher Block Chaining）模式进行加密。在这种模式下，每个明文块在加密前都会与前一个密文块进行异或运算，从而增加了数据的随机性和安全性。
填充方式：微信小程序使用PKCS5Padding填充方式。这种填充方式会在数据末尾添加一些额外的字节，以确保数据长度符合AES算法的要求。
加密过程：微信小程序使用AES算法对数据进行加密。具体来说，它会将明文数据转换为128位的块，然后对每个块进行加密。加密过程包括多个轮次的运算，每个轮次都会使用不同的轮密钥。
解密过程：微信小程序使用AES算法对数据进行解密。具体来说，它会将密文数据转换为128位的块，然后对每个块进行解密。解密过程包括多个轮次的运算，每个轮次都会使用不同的轮密钥。
输出格式：微信小程序使用Base64编码对加密后的数据进行编码。这种编码方式可以将二进制数据转换为文本格式，便于在网络中传输。

通过这种加密方式，微信小程序能够确保用户数据在传输过程中的安全性。即使数据在传输过程中被截获，攻击者也难以破解出原始数据。

AES算法安全性分析

AES算法具有以下优势和特点：

安全性：AES算法没有明显的弱点，至今尚未找到有效的破解方法。其安全性主要来自于其复杂的数学结构和多轮迭代的加密过程。即使攻击者知道加密算法的细节，也难以在合理的时间内破解出密钥。
效率：AES算法的加解密速度较快，适合大量数据的加密处理。其设计考虑了硬件和软件的实现效率，使得AES算法在各种平台上都能高效运行。
标准化：AES算法由国际标准组织认可，广泛应用于各种软件和硬件中。这种标准化使得AES算法具有良好的互操作性和兼容性。
灵活性：支持不同长度的密钥，提供了多种密钥长度的选择。这种灵活性使得AES算法能够适应不同的安全需求和应用场景。
抗分析能力：AES算法对差分密码分析和线性密码分析有很强的抵抗力。其复杂的数学结构和多轮迭代的加密过程使得这些分析方法难以奏效。
硬件支持：现代处理器通常都内置了AES指令集，可以进一步提高AES算法的执行效率。这种硬件支持使得AES算法在各种设备上都能高效运行。
广泛应用：AES算法被广泛应用于数据保护、网络通信、文件加密、数据库加密和移动设备加密等领域。其广泛应用证明了其可靠性和实用性。
持续研究：AES算法自发布以来，一直受到密码学界的广泛关注和研究。这些研究不仅验证了AES算法的安全性，还推动了密码学领域的发展。

实际案例解析

为了更好地理解AES算法在微信小程序中的应用，让我们通过一个具体的代码示例来展示其加密和解密过程。以下是一个使用Python实现的AES加密和解密示例：

from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
import base64

def encrypt(plaintext, key, iv):
    cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)
    padded_plaintext = pad(plaintext.encode(), AES.block_size)
    ciphertext = cipher.encrypt(padded_plaintext)
    return base64.b64encode(ciphertext)

def decrypt(ciphertext, key, iv):
    cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)
    decrypted_data = cipher.decrypt(base64.b64decode(ciphertext))
    return unpad(decrypted_data, AES.block_size).decode()

# 示例数据
plaintext = "Hello, World!"
key = b"thisisasecretkey"
iv = b"thisisasecretiv"

# 加密过程
encrypted_data = encrypt(plaintext, key, iv)
print("Encrypted data:", encrypted_data)

# 解密过程
decrypted_data = decrypt(encrypted_data, key, iv)
print("Decrypted data:", decrypted_data)

在这个示例中，我们使用了Python的Crypto库来实现AES加密和解密。具体步骤如下：

加密过程：
- 使用AES.MODE_CBC模式创建一个AES加密对象。
- 对明文进行PKCS5Padding填充，使其长度符合AES算法的要求。
- 使用加密对象对填充后的明文进行加密。
- 将加密后的数据进行Base64编码，便于在网络中传输。
解密过程：
- 使用相同的密钥和初始向量创建一个AES解密对象。
- 对Base64编码的密文进行解码。
- 使用解密对象对密文进行解密。
- 移除PKCS5Padding填充，恢复原始的明文数据。