Java實現AES對稱加密算法 ——加密和解密

一、AES對稱加密算法簡介

隨着對稱密碼的發展,DES數據加密標準算法由於密鑰長度較小(56位),已經不適應當今分佈式開放網絡對數據加密安全性的要求，因此1997年NIST公開徵集新的數據加密標準,即AES[1]。經過三輪的篩選,比利時Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael算法被提議爲AES的最終算法。此算法將成爲美國新的數據加密標準而被廣泛應用在各個領域中。儘管人們對AES還有不同的看法,但總體來說,AES作爲新一代的數據加密標準匯聚了強安全性、高性能、高效率、易用和靈活等優點。AES設計有三個密鑰長度:128,192,256位，相對而言，AES的128密鑰比DES的56密鑰強1021倍[2]。AES算法主要包括三個方面：輪變化、圈數和密鑰擴展。本文以128爲例，介紹算法的基本原理；結合AVR彙編語言，實現高級數據加密算法AES。　　AES是分組密鑰，算法輸入128位數據，密鑰長度也是128位。用Nr表示對一個數據分組加密的輪數（加密輪數與密鑰長度的關係如表1所列）。每一輪都需要一個與輸入分組具有相同長度的擴展密鑰Expandedkey(i)的參與。由於外部輸入的加密密鑰K長度有限,所以在算法中要用一個密鑰擴展程序(Keyexpansion)把外部密鑰K擴展成更長的比特串,以生成各輪的加密和解密密鑰。

　　1.1圈變化
　　AES每一個圈變換由以下三個層組成:
　　非線性層——進行Subbyte變換；
　　線行混合層——進行ShiftRow和MixColumn運算；
　　密鑰加層——進行AddRoundKey運算。
　　① Subbyte變換是作用在狀態中每個字節上的一種非線性字節轉換,可以通過計算出來的S盒進行映射。
　　② ShiftRow是一個字節換位。它將狀態中的行按照不同的偏移量進行循環移位，而這個偏移量也是根據Nb的不同而選擇的[3]。
　　③ 在MixColumn變換中,把狀態中的每一列看作GF(28)上的多項式a(x)與固定多項式c(x)相乘的結果。 b(x)=c(x)*a(x)的係數這樣計算:*運算不是普通的乘法運算,而是特殊的運算，即 b(x)=c(x)·a(x)(mod x4+1) 對於這個運算 b0=02。a0+03。a1+a2+a3 令xtime(a0)=02。a0其中，符號“。”表示模一個八次不可約多項式的同餘乘法[3]。
　　對於逆變化,其矩陣C要改變成相應的D,即b(x)=d(x)＊a(x)。
　　④ 密鑰加層運算(addround)是將圈密鑰狀態中的對應字節按位“異或”。

　　⑤ 根據線性變化的性質[1],解密運算是加密變化的逆變化。這裏不再詳細敘述。

　　1.2輪變化

　　對不同的分組長度，其對應的輪變化次數是不同的,如表1所列。

　　1.3密鑰擴展

　　AES算法利用外部輸入密鑰K(密鑰串的字數爲Nk),通過密鑰的擴展程序得到共計4(Nr+1)字的擴展密鑰。它涉及如下三個模塊:① 位置變換(rotword)——把一個4字節的序列[A,B,C,D]變化成[B,C,D,A]；② S盒變換(subword)——對一個4字節進行S盒代替；③ 變換Rcon——Rcon表示32位比特字[xi-1,00,00,00]。這裏的x是（02），如 Rcon[1]=[01000000]；Rcon[2]=[02000000]；Rcon[3]=[04000000]…… 擴展密鑰的生成：擴展密鑰的前Nk個字就是外部密鑰K；以後的字W[]等於它前一個字W[[i-1]]與前第Nk個字W[[i-Nk]]的“異或”,即W[]=W[[i-1]]W[[i- Nk]]。但是若i爲Nk的倍數,則W=W[i-Nk]Subword(Rotword(W[[i-1]]))Rcon[i/Nk]。

二、AES對稱加密和解密代碼實現

package demo.security;

import java.io.IOException;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;
import java.util.Base64;
import java.util.Scanner;

import javax.crypto.BadPaddingException;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

import sun.misc.BASE64Decoder;
import sun.misc.BASE64Encoder;

/*
 * AES對稱加密和解密
 */
public class SymmetricEncoder {
  /*
   * 加密
   * 1.構造密鑰生成器
   * 2.根據ecnodeRules規則初始化密鑰生成器
   * 3.產生密鑰
   * 4.創建和初始化密碼器
   * 5.內容加密
   * 6.返回字符串
   */
    public static String AESEncode(String encodeRules,String content){
        try {
            //1.構造密鑰生成器，指定爲AES算法,不區分大小寫
            KeyGenerator keygen=KeyGenerator.getInstance("AES");
            //2.根據ecnodeRules規則初始化密鑰生成器
            //生成一個128位的隨機源,根據傳入的字節數組
            keygen.init(128, new SecureRandom(encodeRules.getBytes()));
              //3.產生原始對稱密鑰
            SecretKey original_key=keygen.generateKey();
              //4.獲得原始對稱密鑰的字節數組
            byte [] raw=original_key.getEncoded();
            //5.根據字節數組生成AES密鑰
            SecretKey key=new SecretKeySpec(raw, "AES");
              //6.根據指定算法AES自成密碼器
            Cipher cipher=Cipher.getInstance("AES");
              //7.初始化密碼器，第一個參數爲加密(Encrypt_mode)或者解密解密(Decrypt_mode)操作，第二個參數爲使用的KEY
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
            //8.獲取加密內容的字節數組(這裏要設置爲utf-8)不然內容中如果有中文和英文混合中文就會解密爲亂碼
            byte [] byte_encode=content.getBytes("utf-8");
            //9.根據密碼器的初始化方式--加密：將數據加密
            byte [] byte_AES=cipher.doFinal(byte_encode);
          //10.將加密後的數據轉換爲字符串
            //這裏用Base64Encoder中會找不到包
            //解決辦法：
            //在項目的Build path中先移除JRE System Library，再添加庫JRE System Library，重新編譯後就一切正常了。
            String AES_encode=new String(new BASE64Encoder().encode(byte_AES));
          //11.將字符串返回
            return AES_encode;
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalBlockSizeException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BadPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        //如果有錯就返加nulll
        return null;         
    }
    /*
     * 解密
     * 解密過程：
     * 1.同加密1-4步
     * 2.將加密後的字符串反紡成byte[]數組
     * 3.將加密內容解密
     */
    public static String AESDncode(String encodeRules,String content){
        try {
            //1.構造密鑰生成器，指定爲AES算法,不區分大小寫
            KeyGenerator keygen=KeyGenerator.getInstance("AES");
            //2.根據ecnodeRules規則初始化密鑰生成器
            //生成一個128位的隨機源,根據傳入的字節數組
            keygen.init(128, new SecureRandom(encodeRules.getBytes()));
              //3.產生原始對稱密鑰
            SecretKey original_key=keygen.generateKey();
              //4.獲得原始對稱密鑰的字節數組
            byte [] raw=original_key.getEncoded();
            //5.根據字節數組生成AES密鑰
            SecretKey key=new SecretKeySpec(raw, "AES");
              //6.根據指定算法AES自成密碼器
            Cipher cipher=Cipher.getInstance("AES");
              //7.初始化密碼器，第一個參數爲加密(Encrypt_mode)或者解密(Decrypt_mode)操作，第二個參數爲使用的KEY
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
            //8.將加密並編碼後的內容解碼成字節數組
            byte [] byte_content= new BASE64Decoder().decodeBuffer(content);
            /*
             * 解密
             */
            byte [] byte_decode=cipher.doFinal(byte_content);
            String AES_decode=new String(byte_decode,"utf-8");
            return AES_decode;
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalBlockSizeException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BadPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        //如果有錯就返加nulll
        return null;         
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        SymmetricEncoder se=new SymmetricEncoder();
        Scanner scanner=new Scanner(System.in);
        /*
         * 加密
         */
        System.out.println("使用AES對稱加密，請輸入加密的規則");
        String encodeRules=scanner.next();
        System.out.println("請輸入要加密的內容:");
        String content = scanner.next();
        System.out.println("根據輸入的規則"+encodeRules+"加密後的密文是:"+se.AESEncode(encodeRules, content));
       
        /*
         * 解密
         */
        System.out.println("使用AES對稱解密，請輸入加密的規則：(須與加密相同)");
         encodeRules=scanner.next();
        System.out.println("請輸入要解密的內容（密文）:");
         content = scanner.next();
        System.out.println("根據輸入的規則"+encodeRules+"解密後的明文是:"+se.AESDncode(encodeRules, content));
    }

}

三、測試結果

AES詳細算法介紹請見：

http://blog.csdn.net/u012721519/article/details/79612128

 

 

10分鐘漫畫讀懂AES加密算法：

http://blog.csdn.net/u012721519/article/details/79612516

Good luck！

Write by Jimmy.li