JAVA的对称加密算法AES——加密和解密

出自：　http://blog.csdn.net/hongtashan11/article/details/6599645

　　　　http://www.cnblogs.com/liunanjava/p/4297854.html

　　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]。

AES对称加密和解密

　

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对称加密和解密
 */
public class SymmetricEncoder {
  /*
   * 加密
   * 1.构造密钥生成器
   * 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
            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 (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 (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();
        }
 
        //如果有错就返加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对称加密，请输入加密的规则");
        String encodeRules=scanner.next();
        System.out.println("请输入要加密的内容:");
        String content = scanner.next();
        System.out.println("根据输入的规则"+encodeRules+"加密后的密文是:"+se.AESEncode(encodeRules, content));
 
        /*
         * 解密
         */
        System.out.println("使用AES对称解密，请输入加密的规则：(须与加密相同)");
         encodeRules=scanner.next();
        System.out.println("请输入要解密的内容（密文）:");
         content = scanner.next();
        System.out.println("根据输入的规则"+encodeRules+"解密后的明文是:"+se.AESDncode(encodeRules, content));
    }
 
}

测试结果：

使用AES对称加密，请输入加密的规则
使用AES对称加密
请输入要加密的内容:
使用AES对称加密
根据输入的规则使用AES对称加密加密后的密文是:Z0NwrNPHghgXHN0CqjLS58YCjhMcBfeR33RWs7Lw+AY=
使用AES对称解密，请输入加密的规则：(须与加密相同)
使用AES对称加密
请输入要解密的内容（密文）:
Z0NwrNPHghgXHN0CqjLS58YCjhMcBfeR33RWs7Lw+AY=
根据输入的规则使用AES对称加密解密后的明文是:使用AES对称加密