AES算法实现

AES 是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法。明确地说，AES 是一个迭代的、对称密钥分组的密码，它可以使用128、192 和 256 位密钥，并且用 128 位（16字节）分组加密和解密数据。与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。通过分组密码返回的加密数据 的位数与输入数据相同。迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换（permutations ）和替换(substitutions）输入数据。AES加密过程涉及到4种操作：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。解密过程分别为对应的逆操作。由于每一步操作都是可逆的，按照相反的顺序进行解密即可恢复明文。加解密中每轮的密钥分别由初始密钥扩展得到。算法中16字节的明文、密文和轮密钥都以一个4x4的矩阵表示。 ### AES算法实现详解 #### 一、AES算法概述 AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是一种被广泛采用的加密技术标准，用于保护敏感数据的安全。作为一种迭代的、对称密钥分组密码，AES支持128、192和256位密钥长度，并使用128位（16字节）的数据块大小来进行加密和解密操作。与非对称加密技术（如RSA）不同，AES使用同一密钥进行加密和解密。 #### 二、AES算法的关键特性 - **对称性**：加密和解密使用同一个密钥。 - **分组加密**：每次处理固定大小的数据块。 - **迭代性**：在加密过程中重复一系列固定的步骤。 - **密钥长度灵活性**：支持128、192和256位密钥长度。 - **安全性**：经过广泛的安全评估，被认为是安全的。 #### 三、AES加密过程 AES加密过程主要包含四个关键操作： 1. **字节替代（SubBytes）**：将明文中的每个字节替换为另一个字节，此替换是基于一个固定的替换表进行的。这个操作增强了密文的混乱程度，使得密文与明文之间的关系更加复杂。 2. **行移位（ShiftRows）**：这是一种简单的位移操作，将状态矩阵中的每一行向左或向右移动不同数量的位置。这种操作有助于打破明文与密文之间的线性关系。 3. **列混淆（MixColumns）**：这是一个数学运算过程，它使用伽罗瓦有限域GF(2^8)中的乘法，对状态矩阵中的每一列进行线性变换。这一操作进一步增加了密文的扩散性。 4. **轮密钥加（AddRoundKey）**：在此步骤中，当前状态矩阵与轮密钥进行异或操作。轮密钥是从主密钥通过一系列密钥调度算法生成的。 这些操作在多轮迭代中重复进行，通常对于128位密钥使用10轮，192位密钥使用12轮，256位密钥使用14轮。 #### 四、解密过程 解密过程基本上是对加密过程的逆操作： 1. **轮密钥加的逆操作**：使用相应的轮密钥与当前状态矩阵进行异或操作。 2. **列混淆的逆操作**：应用一个特定的逆矩阵变换。 3. **行移位的逆操作**：将状态矩阵中的每一行向左或向右移动不同的位置。 4. **字节替代的逆操作**：根据逆替代表将每个字节替换为另一个字节。 这些逆操作同样在多轮迭代中重复进行，最终得到原始的明文。 #### 五、Java实现示例 在提供的代码片段中，我们可以看到一个简单的AES加密和解密的Java实现： 1. **初始化**：首先创建了一个`KeyGenerator`实例，并设置其密钥长度为128位。使用给定的密码生成随机种子，进而生成一个`SecretKey`对象。 2. **加密**：利用`Cipher.getInstance(AES)`获取一个`Cipher`实例，并使用`init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key)`方法对其进行初始化。然后通过调用`doFinal`方法对明文进行加密。 3. **解密**：类似地，通过`init(Cipher.DECRYPT_MODE, key)`方法对`Cipher`对象进行初始化，并通过`doFinal`方法对密文进行解密。 #### 六、总结 AES算法是一种强大而高效的对称加密技术，因其高安全性、灵活性和效率而被广泛应用于各种领域。通过对AES算法的深入理解及其Java实现的学习，我们可以更好地应对实际开发中的加密需求，确保数据的安全性和隐私保护。