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余爱好者来说，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。

 

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.IO;
using System.Linq;
using System.Security.Cryptography;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows;

namespace AesSingleFile
{
    class AesCoreSingle
    {
        /// <summary>
        /// 使用用户口令，生成符合AES标准的key和iv。
        /// </summary>
        /// <param name="password">用户输入的口令</param>
        /// <returns>返回包含密钥和向量的元组</returns>
        private (byte[] Key, byte[] IV) GenerateKeyAndIV(string password)
        {
            byte[] key = new byte[32];
            byte[] iv = new byte[16];
            byte[] hash = default;
            if (string.IsNullOrWhiteSpace(password))
                throw new ArgumentException("必须输入口令！");
            using (SHA384 sha = SHA384.Create())
            {
                byte[] buffer = Encoding.UTF8.GetBytes(password);
                hash = sha.ComputeHash(buffer);
            }
            //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。
            Array.Copy(hash, 0, key, 0, 32);//生成256位密钥（32*8=256）
            Array.Copy(hash, 32, iv, 0, 16);//生成128位向量（16*8=128）
            return (Key: key, IV: iv);
        }

        public byte[] EncryptByte(byte[] buffer, string password)
        {
            byte[] encrypted;
            using (Aes aes = Aes.Create())
            {
                //设定密钥和向量
                (aes.Key, aes.IV) = GenerateKeyAndIV(password);
                //设定运算模式和填充模式
                aes.Mode = CipherMode.CBC;//默认
                aes.Padding = PaddingMode.PKCS7;//默认
                //创建加密器对象（加解密方法不同处仅仅这一句话）
                var encryptor = aes.CreateEncryptor(aes.Key, aes.IV);
                using (MemoryStream msEncrypt = new MemoryStream())
                {
                    using (CryptoStream csEncrypt = new CryptoStream(msEncrypt, encryptor, CryptoStreamMode.Write))//选择Write模式
                    {
                        csEncrypt.Write(buffer, 0, buffer.Length);//对原数组加密并写入流中
                        csEncrypt.FlushFinalBlock();//使用Write模式需要此句，但Read模式必须要有。
                        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）
                    }
                }
            }
            return encrypted;
        }
        public byte[] DecryptByte(byte[] buffer, string password)
        {
            byte[] decrypted;
            using (Aes aes = Aes.Create())
            {
                //设定密钥和向量
                (aes.Key, aes.IV) = GenerateKeyAndIV(password);
                //设定运算模式和填充模式
                aes.Mode = CipherMode.CBC;//默认
                aes.Padding = PaddingMode.PKCS7;//默认
                //创建解密器对象（加解密方法不同处仅仅这一句话）
                var decryptor = aes.CreateDecryptor(aes.Key, aes.IV);
                using (MemoryStream msDecrypt = new MemoryStream(buffer))
                {
                    using (CryptoStream csDecrypt = new CryptoStream(msDecrypt, decryptor, CryptoStreamMode.Read))//选择Read模式
                    {
                        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--*/

                        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--*/

                        //csDecrypt.FlushFinalBlock();//使用Read模式不能有此句，但write模式必须要有。

                        decrypted = new byte[i];/*--s3:创建只容纳可用字节的数组--*/

                        Array.Copy(buffer_T, 0, decrypted, 0, i);/*--s4:从bufferT拷贝出可用字节到decrypted--*/
                    }
                }
                return decrypted;
            }
        }
        public byte[] EnOrDecryptByte(byte[] buffer, string password, ActionDirection direction)
        {
            if (buffer == null)
                throw new ArgumentNullException("buffer为空");
            if (password == null || password == "")
                throw new ArgumentNullException("password为空");
            if (direction == ActionDirection.EnCrypt)
                return EncryptByte(buffer, password);
            else
                return DecryptByte(buffer, password);
        }
        public enum ActionDirection//该枚举说明是加密还是解密
        {
            EnCrypt,//加密
            DeCrypt//解密
        }
        public static void AesCoreSingleTest(string s_in, string password)//验证加密解密模块正确性方法
        {
            byte[] buffer = Encoding.UTF8.GetBytes(s_in);
            AesCoreSingle aesCore = new AesCoreSingle();
            byte[] buffer_ed = aesCore.EncryptByte(buffer, password);
            byte[] buffer_ed2 = aesCore.DecryptByte(buffer_ed, password);
            string s = Encoding.UTF8.GetString(buffer_ed2);
            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}";
            MessageBox.Show(s2);
            /* 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)
             * 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
               如对于下列字符串
               D:\User\Documents\Administrator - DOpus Config - 2020-06-301.ocb
               使用UTF8编码转化为字节数组后，
               原buffer → 64, 加密后buffer_ed → 80, 解密后buffer_ed2 → 64
             * 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
               如对于下列字符串
               D:\User\Documents\cc_20200630_113921.reg
               使用UTF8编码转化为字节数组后
               原buffer → 40, 加密后buffer_ed → 48, 解密后buffer_ed2 → 40 
               参考文献：
               1-《AES补位填充PaddingMode.Zeros模式》http://blog.chinaunix.net/uid-29641438-id-5786927.html
               2-《关于PKCS5Padding与PKCS7Padding的区别》https://www.cnblogs.com/midea0978/articles/1437257.html
               3-《AES-128  ECB 加密有感》http://blog.sina.com.cn/s/blog_60cf051301015orf.html
             */
        }

        /***---声明CancellationTokenSource对象--***/
        private CancellationTokenSource cts;//using System.Threading;引用
        public Task EnOrDecryptFileAsync(Stream inStream, long inStream_Seek, Stream outStream, long outStream_Seek, string password, ActionDirection direction, IProgress<int> progress)
        {
            /***---实例化CancellationTokenSource对象--***/
            cts?.Dispose();//cts为空，不动作，cts不为空，执行Dispose。
            cts = new CancellationTokenSource();

            Task mytask = new Task(
                () =>
                {
                    EnOrDecryptFile(inStream, inStream_Seek, outStream, outStream_Seek, password, direction, progress);
                }, cts.Token, TaskCreationOptions.LongRunning);
            mytask.Start();
            return mytask;
        }
        public void EnOrDecryptFile(Stream inStream, long inStream_Seek, Stream outStream, long outStream_Seek, string password, ActionDirection direction, IProgress<int> progress)
        {
            if (inStream == null || outStream == null)
                throw new ArgumentException("输入流与输出流是必须的");
            //--调整流的位置(通常是为了避开文件头部分)
            inStream.Seek(inStream_Seek, SeekOrigin.Begin);
            outStream.Seek(outStream_Seek, SeekOrigin.Begin);
            //用于记录处理进度
            long total_Length = inStream.Length - inStream_Seek;
            long totalread_Length = 0;
            //初始化报告进度
            progress.Report(0);
            
            using (Aes aes = Aes.Create())
            {
                //设定密钥和向量
                (aes.Key, aes.IV) = GenerateKeyAndIV(password);
                //创建加密器解密器对象（加解密方法不同处仅仅这一句话）
                ICryptoTransform cryptor;
                if (direction == ActionDirection.EnCrypt)
                    cryptor = aes.CreateEncryptor(aes.Key, aes.IV);
                else
                    cryptor = aes.CreateDecryptor(aes.Key, aes.IV);
                using (CryptoStream cstream = new CryptoStream(outStream, cryptor, CryptoStreamMode.Write))
                {
                    byte[] buffer = new byte[512 * 1024];//每次读取512kb的数据
                    int readLen = 0;
                    while ((readLen = inStream.Read(buffer, 0, buffer.Length)) != 0)
                    {
                        // 向加密流写入数据
                        cstream.Write(buffer, 0, readLen);
                        totalread_Length += readLen;
                        //汇报处理进度
                        if (progress != null)
                        {
                            long per = 100 * totalread_Length / total_Length;
                            progress.Report(Convert.ToInt32(per));
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
}