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

 

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