概述

加密算法分爲單向加密和雙向加密。
單向加密包括MD5，SHA等摘要算法。單向加密算法是不可逆的，也就是無法將加密後的數據恢復成原始數據，除非採取碰撞攻擊和窮舉的方式。像是銀行賬戶密碼的存儲，一般採用的就是單向加密的方式。

雙向加密是可逆的，存在密文的密鑰，持有密文的一方可以根據密鑰解密得到原始明文，一般用於發送方和接收方都能通過密鑰獲取明文的情況。雙向加密包括對稱加密和非對稱加密。對稱加密包括DES加密，AES加密等，非對稱加密包括RSA加密，ECC加密。
AES算法全稱Advanced Encryption Standard,是DES算法的替代者，也是當今最流行的對稱加密算法之一。

AES基本概念

要想學習AES算法，首先要弄清楚三個基本的概念：密鑰、填充、模式。

密鑰

密鑰是AES算法實現加密和解密的根本。對稱加密算法之所以對稱，是因爲這類算法對明文的加密和解密需要使用同一個密鑰。

AES支持三種長度的密鑰：

128位，192位，256位

平時大家所說的AES128，AES192，AES256，實際上就是指的AES算法對不同長度密鑰的使用。從安全性來看，AES256安全性最高。從性能來看，AES128性能最高。本質原因是它們的加密處理輪數不同。

填充

要想了解填充的概念，我們先要了解AES的分組加密特性。AES算法在對明文加密的時候，並不是把整個明文一股腦加密成一整段密文，而是把明文拆分成一個個獨立的明文塊，每一個明文塊長度128bit。

這些明文塊經過AES加密器的複雜處理，生成一個個獨立的密文塊，這些密文塊拼接在一起，就是最終的AES加密結果。

但是這裏涉及到一個問題：

假如一段明文長度是192bit，如果按每128bit一個明文塊來拆分的話，第二個明文塊只有64bit，不足128bit。這時候怎麼辦呢？就需要對明文塊進行填充（Padding）。AES在不同的語言實現中有許多不同的填充算法，我們只舉出集中典型的填充來介紹一下。

NoPadding：

不做任何填充，但是要求明文必須是16字節的整數倍。

PKCS5Padding（默認）：

如果明文塊少於16個字節（128bit），在明文塊末尾補足相應數量的字符，且每個字節的值等於缺少的字符數。

比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6個字節，則補全爲{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6}

ISO10126Padding：

如果明文塊少於16個字節（128bit），在明文塊末尾補足相應數量的字節，最後一個字符值等於缺少的字符數，其他字符填充隨機數。

比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6個字節，則可能補全爲{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,5,c,3,G,$,6}

需要注意的是，如果在AES加密的時候使用了某一種填充方式，解密的時候也必須採用同樣的填充方式。

模式

AES的工作模式，體現在把明文塊加密成密文塊的處理過程中。AES加密算法提供了五種不同的工作模式：

ECB、CBC、CTR、CFB、OFB

模式之間的主題思想是近似的，在處理細節上有一些差別。我們這一期只介紹各個模式的基本定義。

ECB模式（默認）：

電碼本模式 Electronic Codebook Book

CBC模式：

密碼分組鏈接模式 CipherBlock Chaining

CTR模式：

計算器模式 Counter

CFB模式：

密碼反饋模式 CipherFeedBack

OFB模式：

輸出反饋模式 OutputFeedBack

如果在AES加密的時候使用了某一種工作模式，解密的時候也必須採用同樣的工作模式。

AES算法原理

AES加密算法的流程

AES加密主要包括兩個步驟：密鑰擴展和明文加密。

密鑰擴展：將輸入的密鑰（16字節、24字節和32字節）進行擴展，根據密鑰長度的不同，得到擴展後的密鑰進行加密的輪數也不相同。

密鑰擴展算法

密鑰擴展過程說明（密鑰爲16字節）：

將初始密鑰以列爲主，轉化爲4個32 bits的字，分別記爲w[0…3]；
按照如下方式，依次求解w[j]，其中j是整數並且屬於[4,43]；
若j%4=0,則w[j]=w[j-4]⊕g(w[j-1]),否則w[j]=w[j-4]⊕w[j-1]；

函數g的流程說明：

將w循環左移一個字節；
分別對每個字節按S盒進行映射；
與32 bits的輪常量Rcon[j]進行異或。

輪常量（Rcon）是一個字，最右邊三個字節總爲0。因此字與Rcon相異或，其結果只是與該字最左的那個字節相異或。每輪的輪常量不同，定位爲Rcon[j] = (RC[j], 0, 0, 0)。（RC是一維數組）
RC生成函數：RC[1] = 1, RC[j] = 2 * RC[j – 1]。
因爲16字節密鑰的只進行10輪的擴展，所以最後生成的RC[j]的值按16進製表示爲：

RC值

十輪的密鑰擴展後，就能生成44個字大小的擴展密鑰。擴展後的密鑰將用於AES對明文的加密過程。

明文加密:無論是AES的加密和解密過程，都涉及到四個主要的步驟：字節代替、行移位、列混淆和輪密鑰加。以下對這四個過程進行詳細說明。

字節代替：將輸入狀態的每個字節使用S盒上對應的字節進行替換.
輸入狀態：是一個4×4的數組，數組內每個元素由輸入的明文分組組成，按照列進行排序，比如輸入的明文數據爲193de3bea0f4e22b9ac68d2ae9f84808，則輸入狀態爲

輸入狀態矩陣

S盒是16×16個字節組成的矩陣，行列的索引值分別從0開始，到十六進制的F結束，每個字節的範圍爲（00-FF）。

S盒

進行字節代替的時候，把狀態中的每個字節分爲高4位和低4位。高4位作爲行值，低4位作爲列值，以這些行列值作爲索引從S盒的對應位置取出元素作爲輸出，如下圖所示：

S盒替換

S盒的構造方式如下：
（1）按字節值得升序逐行初始化S盒。在行y列x的字節值是{yx}。
（2）把S盒中的每個字節映射爲它在有限域GF中的逆;{00}映射爲它自身{00}。
（3）把S盒中的每個字節的8個構成位記爲(b7, b6, b5, b4, b3, b2, b1)。對S盒的每個字節的每個位做如下的變換：

S-box盒生成公式

ci指的是值爲{63}的字節c的第i位。
解密過程逆字節代替使用的是逆S盒，構造方式爲

逆S-box盒生成公式

字節d={05}。

行移位：狀態的第一行保持不變。第二行循環左移一個字節，第三行左移兩個字節，第四行循環左移三個字節。

正向行移位

逆向行移位將狀態中後三行執行相反方向的移位操作，如第二行向右循環移動一個字節，其他行類似。

列混淆：將每列中的每個字節映射爲一個新值，新值由該列中的4個字節通過函數變換得到。

正向列混淆

要注意，圖示的矩陣的乘法和加法都是定義在GF(2^8)上的。
逆向列混淆原理如下：

逆向列混淆

輪密鑰加(AddRoundKey)：將當前分組和擴展密鑰的一部分進行按位異或。
擴展密鑰通過擴展密鑰算法已經求出來了，所以這一步的步驟就是將分組與一部分擴展密鑰按位異或操作。

輪密鑰加

輪密鑰加後的分組再進行一次輪密鑰加就能恢復原值.所以，只要經過密鑰擴展和明文加密，就能將明文加密成密文，進行解密的時候，只需要進行逆向變換即可。

圖[AES加密算法的流程]中還需要注意，明文輸入到輸入狀態後，需要進行一輪的輪密鑰加，對輸入狀態進行初始化。前9輪的加密過程，都需要進行字節替代、行移位、列混淆和輪密鑰加，但是第10輪則不再需要進行列混淆。

進行解密的時候，需要進行逆向字節替代，逆向行移位、逆向列混淆和輪密鑰加。

AES算法的Java代碼

加密

    /**
     * AES加密字符串
     * 
     * @param content
     *            需要被加密的字符串
     * @param password
     *            加密需要的密碼
     * @return 密文
     */
    public static byte[] encrypt(String content, String password) {
        try {
            KeyGenerator kgen = KeyGenerator.getInstance("AES");// 創建AES的Key生產者

            kgen.init(128, new SecureRandom(password.getBytes()));// 利用用戶密碼作爲隨機數初始化出
                                                                    // 128位的key生產者
            //加密沒關係，SecureRandom是生成安全隨機數序列，password.getBytes()是種子，只要種子相同，序列就一樣，所以解密只要有password就行

            SecretKey secretKey = kgen.generateKey();// 根據用戶密碼，生成一個密鑰

            byte[] enCodeFormat = secretKey.getEncoded();// 返回基本編碼格式的密鑰，如果此密鑰不支持編碼，則返回
                                                            // null。

            SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(enCodeFormat, "AES");// 轉換爲AES專用密鑰

            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");// 創建密碼器

            byte[] byteContent = content.getBytes("utf-8");

            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);// 初始化爲加密模式的密碼器

            byte[] result = cipher.doFinal(byteContent);// 加密

            return result;

        } catch (NoSuchPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalBlockSizeException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BadPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

解密

 /**
     * 解密AES加密過的字符串
     * 
     * @param content
     *            AES加密過過的內容
     * @param password
     *            加密時的密碼
     * @return 明文
     */
    public static byte[] decrypt(byte[] content, String password) {
        try {
            KeyGenerator kgen = KeyGenerator.getInstance("AES");// 創建AES的Key生產者
            kgen.init(128, new SecureRandom(password.getBytes()));
            SecretKey secretKey = kgen.generateKey();// 根據用戶密碼，生成一個密鑰
            byte[] enCodeFormat = secretKey.getEncoded();// 返回基本編碼格式的密鑰
            SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(enCodeFormat, "AES");// 轉換爲AES專用密鑰
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");// 創建密碼器
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);// 初始化爲解密模式的密碼器
            byte[] result = cipher.doFinal(content);  
            return result; // 明文   
            
        } 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();
        }
        return null;
    }

什麼是AES算法

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AES基本概念

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