JAVA的對稱式加密演算法AES——加密和解密__AES

　隨著對稱密碼的發展,DES資料加密標準演算法由於密鑰長度較小(56位),已經不適應當今分布式開放網路對資料加密安全性的要求，因此1997年NIST公開徵集新的資料加密標準,即AES[1]。經過三輪的篩選,比利時Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael演算法被提議為AES的最終演算法。此演算法將成為美國新的資料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作為新一代的資料加密標準匯聚了強安全性、高效能、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演算法主要包括三個方面：輪變化、圈數和密鑰擴充。本文以128為例，介紹演算法的基本原理；結合AVR組合語言，實現進階資料加密演算法AES。　　AES是分組密鑰，演算法輸入128位元據，密鑰長度也是128位。用Nr表示對一個資料區塊編碼器的輪數（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充密鑰Expandedkey(i)的參與。由於外部輸入的加密金鑰K長度有限,所以在演算法中要用一個密鑰擴充程式(Keyexpansion)把外部金鑰K擴充成更長的位元串,以產生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位元組上的一種非線性位元組轉換,可以通過計算出來的S盒進行映射。
　　② ShiftRow是一個位元組換位。它將狀態中的行按照不同的位移量進行迴圈移位，而這個位移量也是根據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位元組按位“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。這裡不再詳細敘述。
　　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密鑰擴充

　　AES演算法利用外部輸入密鑰K(密鑰串的字數為Nk),通過密鑰的擴充程式得到共計4(Nr+1)字的擴充密鑰。它涉及如下三個模組:① 位置變換(rotword)——把一個4位元組的序列[A,B,C,D]變化成[B,C,D,A]；② S盒變換(subword)——對一個4位元組進行S盒代替；③ 變換Rcon——Rcon表示32位位元字[xi-1,00,00,00]。這裡的x是（02），如 Rcon[1]=[01000000]；Rcon[2]=[02000000]；Rcon[3]=[04000000]…… 擴充密鑰的產生：擴充密鑰的前Nk個字就是外部金鑰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為Nk的倍數,則W=W[i-Nk]Subword(Rotword(W[[i-1]]))Rcon[i/Nk]。

AES對稱式加密和解密

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對稱式加密和解密 */public class SymmetricEncoder {  /*   * 加密   * 1.構造金鑰產生器   * 2.根據ecnodeRules規則初始化金鑰產生器   * 3.產生密鑰   * 4.建立和初始化密碼器   * 5.內容加密   * 6.返回字串   */    public static String AESEncode(String encodeRules,String content){        try {            //1.構造金鑰產生器，指定為AES演算法,不區分大小寫            KeyGenerator keygen=KeyGenerator.getInstance("AES");            //2.根據ecnodeRules規則初始化金鑰產生器            //產生一個128位的隨機源,根據傳入的位元組數組            keygen.init(128, new SecureRandom(encodeRules.getBytes()));              //3.產生原始對稱金鑰            SecretKey original_key=keygen.generateKey();              //4.獲得原始對稱金鑰的位元組數組            byte [] raw=original_key.getEncoded();            //5.根據位元組數組產生AES密鑰            SecretKey key=new SecretKeySpec(raw, "AES");              //6.根據指定演算法AES自成密碼器            Cipher cipher=Cipher.getInstance("AES");              //7.初始化密碼器，第一個參數為加密(Encrypt_mode)或者解密解密(Decrypt_mode)操作，第二個參數為使用的KEY            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);            //8.擷取加密內容的位元組數組(這裡要設定為utf-8)不然內容中如果有中文和英文混合中文就會解密為亂碼            byte [] byte_encode=content.getBytes("utf-8");            //9.根據密碼器的初始化方式--加密：將資料加密            byte [] byte_AES=cipher.doFinal(byte_encode);          //10.將加密後的資料轉換為字串            //這裡用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.構造金鑰產生器，指定為AES演算法,不區分大小寫            KeyGenerator keygen=KeyGenerator.getInstance("AES");            //2.根據ecnodeRules規則初始化金鑰產生器            //產生一個128位的隨機源,根據傳入的位元組數組            keygen.init(128, new SecureRandom(encodeRules.getBytes()));              //3.產生原始對稱金鑰            SecretKey original_key=keygen.generateKey();              //4.獲得原始對稱金鑰的位元組數組            byte [] raw=original_key.getEncoded();            //5.根據位元組數組產生AES密鑰            SecretKey key=new SecretKeySpec(raw, "AES");              //6.根據指定演算法AES自成密碼器            Cipher cipher=Cipher.getInstance("AES");              //7.初始化密碼器，第一個參數為加密(Encrypt_mode)或者解密(Decrypt_mode)操作，第二個參數為使用的KEY            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);            //8.將加密並編碼後的內容解碼成位元組數組            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對稱式加密，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));    }}

     測試結果：

     

使用AES對稱式加密，請輸入加密的規則使用AES對稱式加密請輸入要加密的內容:使用AES對稱式加密根據輸入的規則使用AES對稱式加密加密後的密文是:Z0NwrNPHghgXHN0CqjLS58YCjhMcBfeR33RWs7Lw+AY=使用AES對稱解密，請輸入加密的規則：(須與加密相同)使用AES對稱式加密請輸入要解密的內容（密文）:Z0NwrNPHghgXHN0CqjLS58YCjhMcBfeR33RWs7Lw+AY=根據輸入的規則使用AES對稱式加密解密後的明文是:使用AES對稱式加密