AES字节数组加密解密流程

AES类时微软MSDN中最常用的加密类，微软官网也有例子，参考链接：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.security.cryptography.aes?view=netframework-4.8
但是这个例子并不好用，限制太多，通用性差，实际使用中，我遇到的更多情况需要是这样：
1、输入一个字节数组，经AES加密后，直接输出加密后的字节数组。
2、输入一个加密后的字节数组，经AES解密后，直接输出原字节数组。

对于我这个十八流业务爱好者来说，AES我是以用为主的，所以具体的AES是怎么运算的，我其实并不关心，我更关心的是AES的处理流程。结果恰恰这一方面，网上的信息差强人意，看了网上不少的帖子，但感觉都没有说完整说透，而且很多帖子有错误。

因此，我自己绘制了一张此种方式下的流程图：

按照此流程图进行了核心代码的编写，验证方法AesCoreSingleTest既是依照此流程的产物，实例化类AesCoreSingle后调用此方法即可验证。

至于类中的异步方法EnOrDecryptFileAsync，则是专门用于文件加解密的处理，此异步方法参考自《C# 6.0学习笔记》（周家安 著）最后的示例，这本书写得真棒。

  1 using System;
  2 using System.Collections.Generic;
  3 using System.IO;
  4 using System.Linq;
  5 using System.Security.Cryptography;
  6 using System.Text;
  7 using System.Threading;
  8 using System.Threading.Tasks;
  9 using System.Windows;
 10
 11 namespace AesSingleFile
 12 {
 13     class AesCoreSingle
 14     {
 15         /// <summary>
 16         /// 使用用户口令，生成符合AES标准的key和iv。
 17         /// </summary>
 18         /// <param name="password">用户输入的口令</param>
 19         /// <returns>返回包含密钥和向量的元组</returns>
 20         private (byte[] Key, byte[] IV) GenerateKeyAndIV(string password)
 21         {
 22             byte[] key = new byte[32];
 23             byte[] iv = new byte[16];
 24             byte[] hash = default;
 25             if (string.IsNullOrWhiteSpace(password))
 26                 throw new ArgumentException("必须输入口令！");
 27             using (SHA384 sha = SHA384.Create())
 28             {
 29                 byte[] buffer = Encoding.UTF8.GetBytes(password);
 30                 hash = sha.ComputeHash(buffer);
 31             }
 32             //用SHA384的原因：生成的384位哈希值正好被分成两段使用。(32+16)*8=384。
 33             Array.Copy(hash, 0, key, 0, 32);//生成256位密钥（32*8=256）
 34             Array.Copy(hash, 32, iv, 0, 16);//生成128位向量（16*8=128）
 35             return (Key: key, IV: iv);
 36         }
 37
 38         public byte[] EncryptByte(byte[] buffer, string password)
 39         {
 40             byte[] encrypted;
 41             using (Aes aes = Aes.Create())
 42             {
 43                 //设定密钥和向量
 44                 (aes.Key, aes.IV) = GenerateKeyAndIV(password);
 45                 //设定运算模式和填充模式
 46                 aes.Mode = CipherMode.CBC;//默认
 47                 aes.Padding = PaddingMode.PKCS7;//默认
 48                 //创建加密器对象（加解密方法不同处仅仅这一句话）
 49                 var encryptor = aes.CreateEncryptor(aes.Key, aes.IV);
 50                 using (MemoryStream msEncrypt = new MemoryStream())
 51                 {
 52                     using (CryptoStream csEncrypt = new CryptoStream(msEncrypt, encryptor, CryptoStreamMode.Write))//选择Write模式
 53                     {
 54                         csEncrypt.Write(buffer, 0, buffer.Length);//对原数组加密并写入流中
 55                         csEncrypt.FlushFinalBlock();//使用Write模式需要此句，但Read模式必须要有。
 56                         encrypted = msEncrypt.ToArray();//从流中写入数组（加密之后，数组变长，详见方法AesCoreSingleTest内容）
 57                     }
 58                 }
 59             }
 60             return encrypted;
 61         }
 62         public byte[] DecryptByte(byte[] buffer, string password)
 63         {
 64             byte[] decrypted;
 65             using (Aes aes = Aes.Create())
 66             {
 67                 //设定密钥和向量
 68                 (aes.Key, aes.IV) = GenerateKeyAndIV(password);
 69                 //设定运算模式和填充模式
 70                 aes.Mode = CipherMode.CBC;//默认
 71                 aes.Padding = PaddingMode.PKCS7;//默认
 72                 //创建解密器对象（加解密方法不同处仅仅这一句话）
 73                 var decryptor = aes.CreateDecryptor(aes.Key, aes.IV);
 74                 using (MemoryStream msDecrypt = new MemoryStream(buffer))
 75                 {
 76                     using (CryptoStream csDecrypt = new CryptoStream(msDecrypt, decryptor, CryptoStreamMode.Read))//选择Read模式
 77                     {
 78                         byte[] buffer_T = new byte[buffer.Length];/*--s1:创建临时数组，用于包含可用字节+无用字节--*/
 79
 80                         int i = csDecrypt.Read(buffer_T, 0, buffer.Length);/*--s2:对加密数组进行解密，并通过i确定实际多少字节可用--*/
 81
 82                         //csDecrypt.FlushFinalBlock();//使用Read模式不能有此句，但write模式必须要有。
 83
 84                         decrypted = new byte[i];/*--s3:创建只容纳可用字节的数组--*/
 85
 86                         Array.Copy(buffer_T, 0, decrypted, 0, i);/*--s4:从bufferT拷贝出可用字节到decrypted--*/
 87                     }
 88                 }
 89                 return decrypted;
 90             }
 91         }
 92         public byte[] EnOrDecryptByte(byte[] buffer, string password, ActionDirection direction)
 93         {
 94             if (buffer == null)
 95                 throw new ArgumentNullException("buffer为空");
 96             if (password == null || password == "")
 97                 throw new ArgumentNullException("password为空");
 98             if (direction == ActionDirection.EnCrypt)
 99                 return EncryptByte(buffer, password);
100             else
101                 return DecryptByte(buffer, password);
102         }
103         public enum ActionDirection//该枚举说明是加密还是解密
104         {
105             EnCrypt,//加密
106             DeCrypt//解密
107         }
108         public static void AesCoreSingleTest(string s_in, string password)//验证加密解密模块正确性方法
109         {
110             byte[] buffer = Encoding.UTF8.GetBytes(s_in);
111             AesCoreSingle aesCore = new AesCoreSingle();
112             byte[] buffer_ed = aesCore.EncryptByte(buffer, password);
113             byte[] buffer_ed2 = aesCore.DecryptByte(buffer_ed, password);
114             string s = Encoding.UTF8.GetString(buffer_ed2);
115             string s2 = "下列字符串\n" + s + '\n' + $"原buffer长度 →  {buffer.Length}, 加密后buffer_ed长度 → {buffer_ed.Length}, 解密后buffer_ed2长度 → {buffer_ed2.Length}";
116             MessageBox.Show(s2);
117             /* 字符串在加密前后的变化(默认CipherMode.CBC运算模式, PaddingMode.PKCS7填充模式)
118              * 1、如果数组长度为16的倍数，则加密后的数组长度=原长度+16
119                如对于下列字符串
120                D:\User\Documents\Administrator - DOpus Config - 2020-06-301.ocb
121                使用UTF8编码转化为字节数组后，
122                原buffer → 64, 加密后buffer_ed → 80, 解密后buffer_ed2 → 64
123              * 2、如果数组长度不为16的倍数，则加密后的数组长度=16倍数向上取整
124                如对于下列字符串
125                D:\User\Documents\cc_20200630_113921.reg
126                使用UTF8编码转化为字节数组后
127                原buffer → 40, 加密后buffer_ed → 48, 解密后buffer_ed2 → 40
128                参考文献：
129                1-《AES补位填充PaddingMode.Zeros模式》http://blog.chinaunix.net/uid-29641438-id-5786927.html
130                2-《关于PKCS5Padding与PKCS7Padding的区别》https://www.cnblogs.com/midea0978/articles/1437257.html
131                3-《AES-128  ECB 加密有感》http://blog.sina.com.cn/s/blog_60cf051301015orf.html
132              */
133         }
134
135         /***---声明CancellationTokenSource对象--***/
136         private CancellationTokenSource cts;//using System.Threading;引用
137         public Task EnOrDecryptFileAsync(Stream inStream, long inStream_Seek, Stream outStream, long outStream_Seek, string password, ActionDirection direction, IProgress<int> progress)
138         {
139             /***---实例化CancellationTokenSource对象--***/
140             cts?.Dispose();//cts为空，不动作，cts不为空，执行Dispose。
141             cts = new CancellationTokenSource();
142
143             Task mytask = new Task(
144                 () =>
145                 {
146                     EnOrDecryptFile(inStream, inStream_Seek, outStream, outStream_Seek, password, direction, progress);
147                 }, cts.Token, TaskCreationOptions.LongRunning);
148             mytask.Start();
149             return mytask;
150         }
151         public void EnOrDecryptFile(Stream inStream, long inStream_Seek, Stream outStream, long outStream_Seek, string password, ActionDirection direction, IProgress<int> progress)
152         {
153             if (inStream == null || outStream == null)
154                 throw new ArgumentException("输入流与输出流是必须的");
155             //--调整流的位置(通常是为了避开文件头部分)
156             inStream.Seek(inStream_Seek, SeekOrigin.Begin);
157             outStream.Seek(outStream_Seek, SeekOrigin.Begin);
158             //用于记录处理进度
159             long total_Length = inStream.Length - inStream_Seek;
160             long totalread_Length = 0;
161             //初始化报告进度
162             progress.Report(0);
163
164             using (Aes aes = Aes.Create())
165             {
166                 //设定密钥和向量
167                 (aes.Key, aes.IV) = GenerateKeyAndIV(password);
168                 //创建加密器解密器对象（加解密方法不同处仅仅这一句话）
169                 ICryptoTransform cryptor;
170                 if (direction == ActionDirection.EnCrypt)
171                     cryptor = aes.CreateEncryptor(aes.Key, aes.IV);
172                 else
173                     cryptor = aes.CreateDecryptor(aes.Key, aes.IV);
174                 using (CryptoStream cstream = new CryptoStream(outStream, cryptor, CryptoStreamMode.Write))
175                 {
176                     byte[] buffer = new byte[512 * 1024];//每次读取512kb的数据
177                     int readLen = 0;
178                     while ((readLen = inStream.Read(buffer, 0, buffer.Length)) != 0)
179                     {
180                         // 向加密流写入数据
181                         cstream.Write(buffer, 0, readLen);
182                         totalread_Length += readLen;
183                         //汇报处理进度
184                         if (progress != null)
185                         {
186                             long per = 100 * totalread_Length / total_Length;
187                             progress.Report(Convert.ToInt32(per));
188                         }
189                     }
190                 }
191             }
192         }
193     }
194 }