TLS协议中的AES对称加密技术详解

TLS协议中的AES对称加密技术详解

引用

简书

1.

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TLS（传输层安全协议）是互联网上用于数据加密传输的重要协议，其核心是对称加密技术的运用。本文将详细介绍TLS中AES对称加密算法的工作原理，包括填充方法、分组模式以及GCM模式等高级主题。

TLS（传输层安全协议）的主要目的是确保数据在传输过程中的安全。TLS协议主要包括两个部分：

1. Record（记录协议）：负责对称加解密
2. HandShake（握手协议）：验证通信双方身份，交换加解密的安全套件，协商加密解密参数

对称加密基础

对称加密的核心是使用同一把密钥进行加密和解密。常见的对称加密方式分为两大类：

• 流式加密算法：

• RC4（已基本不再使用）

• ChaCha20-Poly1305

• 分组加密算法：

• AES-CBC（使用逐渐减少）

• AES-GCM（目前最为流行的对称加密算法）

AES-GCM的优势在于可以利用多核CPU进行高效的加解密操作。而ChaCha20-Poly1305在手机端的使用效果显著，具有省电、速度快的特性。但是，由于硬件层面的优化（如Intel的AES-NI指令集），AES-GCM在服务器和PC端的性能大幅提高，目前占据主导地位。

AES加密详解

AES（高级加密标准）是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。以AES算法为例，详细说明对称加密的工作原理。

初级对称加密

对称加密的基本原理是使用相同的密钥进行加解密，通常通过异或操作实现。例如，原始明文010101与密钥000111进行异或操作，得到密文010010，再用相同密钥解密即可恢复明文。

对称填充（Padding）

由于密钥长度有限（如128位或256位），而要加密的数据可能很长，因此需要将数据分成固定大小的块（如16字节）进行加密。最后一个块如果不够16字节，就需要进行填充。常见的填充方法包括：

• 位填充（不常用）
• 字节填充：
• 补零
• ANSI X9.23
• ISO 10126
• PKCS7（AES使用）

分组工作模式

分组加密后，还需要选择合适的工作模式以增强安全性。常见的模式包括：

• ECB（电子密码本）模式：简单但安全性较差，容易暴露数据特征。
• CBC（密码块链接）模式：通过引入异或操作消除数据特征，但串行化处理限制了并行性。
• CTR（计数器）模式：通过引入计数器实现并行处理，但无法提供完整性校验。
• GCM（伽罗华计数器模式）：结合了CTR模式的并行性和GMAC的完整性校验，是目前最常用的模式。

GCM模式通过引入散列函数实现消息完整性校验，防止密文被篡改。Intel专门推出了Clmul指令用于加速GCM运算。

加密完整步骤

实际应用中，AES加密还包括密钥扩展和多轮加密过程：

• 密钥扩展：生成每轮加密所需的子密钥
• 加密轮：包括AddRoundKey、SubBytes、ShiftRows和MixColumns等步骤

以AES-128为例，整个加密过程包括10轮，其中第1轮为初始轮，第2-9轮为普通轮，第10轮为最终轮。