java的对称加密算法 AES -----加密和解密

背景

随着对称密码的发展,DES数据加密标准算法由于密钥长度较小(56位),已经不适应当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求，因此1997年NIST公开征集新的数据加密标准,即AES[1]。经过三轮的筛选,比利时Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael算法被提议为AES的最终算法。此算法将成为美国新的数据加密标准而被广泛应用在各个领域中。尽管人们对AES还有不同的看法,但总体来说,AES作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点。AES设计有三个密钥长度:128,192,256位，相对而言，AES的128密钥比DES的56密钥强1021倍[2]。AES算法主要包括三个方面：轮变化、圈数和密钥扩展。本文以128为例，介绍算法的基本原理；结合AVR汇编语言，实现高级数据加密算法AES。　　AES是分组密钥，算法输入128位数据，密钥长度也是128位。用Nr表示对一个数据分组加密的轮数（加密轮数与密钥长度的关系如表1所列）。每一轮都需要一个与输入分组具有相同长度的扩展密钥Expandedkey(i)的参与。由于外部输入的加密密钥K长度有限,所以在算法中要用一个密钥扩展程序(Keyexpansion)把外部密钥K扩展成更长的比特串,以生成各轮的加密和解密密钥。
　　1.1圈变化
　　AES每一个圈变换由以下三个层组成:
　　非线性层——进行Subbyte变换；
　　线行混合层——进行ShiftRow和MixColumn运算；
　　密钥加层——进行AddRoundKey运算。
　　① Subbyte变换是作用在状态中每个字节上的一种非线性字节转换,可以通过计算出来的S盒进行映射。
　　② ShiftRow是一个字节换位。它将状态中的行按照不同的偏移量进行循环移位，而这个偏移量也是根据Nb的不同而选择的[3]。
　　③ 在MixColumn变换中,把状态中的每一列看作GF(28)上的多项式a(x)与固定多项式c(x)相乘的结果。 b(x)=c(x)*a(x)的系数这样计算:*运算不是普通的乘法运算,而是特殊的运算，即 b(x)=c(x)·a(x)(mod x4+1) 对于这个运算 b0=02。a0+03。a1+a2+a3 令xtime(a0)=02。a0其中，符号“。”表示模一个八次不可约多项式的同余乘法[3]。
　　对于逆变化,其矩阵C要改变成相应的D,即b(x)=d(x)＊a(x)。
　　④ 密钥加层运算(addround)是将圈密钥状态中的对应字节按位“异或”。
　　⑤ 根据线性变化的性质[1],解密运算是加密变化的逆变化。这里不再详细叙述。
　　1.2轮变化
　　对不同的分组长度，其对应的轮变化次数是不同的,如表1所列。
　　1.3密钥扩展

　　AES算法利用外部输入密钥K(密钥串的字数为Nk),通过密钥的扩展程序得到共计4(Nr+1)字的扩展密钥。它涉及如下三个模块:① 位置变换(rotword)——把一个4字节的序列[A,B,C,D]变化成[B,C,D,A]；② S盒变换(subword)——对一个4字节进行S盒代替；③ 变换Rcon——Rcon表示32位比特字[xi-1,00,00,00]。这里的x是（02），如 Rcon[1]=[01000000]；Rcon[2]=[02000000]；Rcon[3]=[04000000]…… 扩展密钥的生成：扩展密钥的前Nk个字就是外部密钥K；以后的字W[]等于它前一个字W[[i-1]]与前第Nk个字W[[i-Nk]]的“异或”,即W[]=W[[i-1]]W[[i- Nk]]。但是若i为Nk的倍数,则W=W[i-Nk]Subword(Rotword(W[[i-1]]))Rcon[i/Nk]。

与常用算法有事比较

Java对称加密AES算法 加密解密 示例：

package abc;import java.security.SecureRandom;import javax.crypto.Cipher;import javax.crypto.KeyGenerator;import javax.crypto.SecretKey;import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;import sun.misc.BASE64Decoder;import sun.misc.BASE64Encoder;/** * AES对称加密和解密 * @author shefei007 * */public class SymmetricEncoder {public static void main(String[] args) {String encodeRules="舍非园艺";String content="舍非yy";System.out.println("加密后的密文为："+AESEncode(encodeRules,content));System.out.println("解密后的明文为："+AESDncode(encodeRules,AESEncode(encodeRules,content)));}/*   * 加密   * 1.构造密钥生成器KeyGenerator   * 2.根据ecnodeRules规则初始化密钥生成器   * 3.产生密钥   * 4.创建和初始化密码器   * 5.内容加密   * 6.返回字符串   */    public static String AESEncode(String encodeRules,String content){        try {            //1.构造密钥生成器，指定为AES算法,不区分大小写        /*javax.crypto 类 KeyGenerator         * 此类提供（对称）密钥生成器的功能。         */            KeyGenerator keygen=KeyGenerator.getInstance("AES");            //2.根据ecnodeRules规则初始化密钥生成器            //生成一个128位的随机源,根据传入的字节数组            keygen.init(128, new SecureRandom(encodeRules.getBytes()));              //3.产生原始对称密钥            /*javax.crypto 接口 SecretKey所有超级接口： Key, Serializable              * SecretKey             * public interface SecretKey extends Key             * 秘密（对称）密钥。             * 此接口不包含方法或常量。其唯一目的是分组秘密密钥（并为其提供类型安全）。 此接口的提供者实现必须改写继承自 java.lang.Object 的 equals 和 hashCode 方法，***以便根据底层密钥材料而不是根据引用进行秘密密钥比较***。 实现此接口的密钥以其编码格式（请参阅 getFormat）返回字符串 RAW，并返回作为 getEncoded 方法调用结果的原始密钥字节。（getFormat 和 getEncoded 方法继承自 java.security.Key 父接口。）常用方法：             * byte[] getEncoded()           返回基本编码格式的密钥，如果此密钥不支持编码，则返回 null。              *              */            SecretKey original_key=keygen.generateKey();              //4.获得原始 对称密钥 的字节数组            byte [] raw=original_key.getEncoded();            //5.根据字节数组生成AES密钥            /*             * SecretKeySpec             * public class SecretKeySpec extends Object implements KeySpec, SecretKey             * 此类以与 provider 无关的方式指定一个密钥。此类仅对能表示为   一个字节数组  并且没有任何与之相关联的钥参数的  原始密钥   有用，如，DES 或者 Triple DES 密钥。             */            SecretKey key=new SecretKeySpec(raw, "AES");              //6.根据指定算法AES自成密码器            /*             * Cipher             * public class Cipher extends Object             * 此类为加密和解密提供密码功能。它构成了 Java Cryptographic Extension (JCE) 框架的核心。             * 为创建 Cipher 对象，应用程序调用 Cipher 的 getInstance 方法并将所请求转换 的名称传递给它。 还可以指定提供者的名称（可选）。     常用方法  byte[] doFinal()           结束多部分加密或解密操作（具体取决于此 Cipher 的初始化方式）。               */            Cipher cipher=Cipher.getInstance("AES");              //7.初始化密码器，第一个参数为加密(Encrypt_mode)或者解密解密(Decrypt_mode)操作，第二个参数为使用的KEY            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);            //8.获取加密内容的字节数组(这里要设置为utf-8)不然内容中如果有中文和英文混合中文就会解密为乱码            byte [] byte_encode=content.getBytes("utf-8");            //9.根据密码器的初始化方式--加密：将数据加密            byte [] byte_AES=cipher.doFinal(byte_encode);          //10.将加密后的数据转换为字符串            //这里用Base64Encoder中会找不到包            //解决办法：            //在项目的Build path中先移除JRE System Library，再添加库JRE System Library，重新编译后就一切正常了。            String AES_encode=new String(new BASE64Encoder().encode(byte_AES));          //11.将字符串返回            return AES_encode;        } catch (Exception e) {            e.printStackTrace();        }        //如果有错就返加nulll        return null;             }       /*     * 解密     * 解密过程：     * 1.同加密1-4步     * 2.将加密后的字符串反纺成byte[]数组     * 3.将加密内容解密     */    public static String AESDncode(String encodeRules,String content){        try {            //1.构造密钥生成器，指定为AES算法,不区分大小写            KeyGenerator keygen=KeyGenerator.getInstance("AES");            //2.根据ecnodeRules规则初始化密钥生成器            //生成一个128位的随机源,根据传入的字节数组            keygen.init(128, new SecureRandom(encodeRules.getBytes()));              //3.产生原始对称密钥            SecretKey original_key=keygen.generateKey();              //4.获得原始对称密钥的字节数组            byte [] raw=original_key.getEncoded();            //5.根据字节数组生成AES密钥            SecretKey key=new SecretKeySpec(raw, "AES");              //6.根据指定算法AES自成密码器            Cipher cipher=Cipher.getInstance("AES");              //7.初始化密码器，第一个参数为加密(Encrypt_mode)或者解密(Decrypt_mode)操作，第二个参数为使用的KEY            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);            //8.将加密并编码后的内容解码成字节数组            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 (Exception e) {            e.printStackTrace();        }                //如果有错就返加nulll        return null;             }        }