探索AES加解密算法：原理、应用与安全性解析

公众号:码到三十五

发布于 2024-04-02 09:01:12

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一、AES算法简介

AES，全称Advanced Encryption Standard，即高级加密标准，是由美国国家标准与技术研究院（NIST）在2001年发布的。它旨在取代早期的数据加密标准（DES），并提供更高的安全性。AES算法是一种对称加密算法，即加密和解密使用相同的密钥。

AES支持多种密钥长度，最常见的是128位、192位和256位。密钥长度越长，加密强度越高，相应地，计算资源消耗也会增加。在实际应用中，通常需要根据数据的重要性和安全需求选择合适的密钥长度。

二、AES算法的工作原理

AES算法通过多轮次的置换-置换网络（SPN）结构来实现加密过程。每轮操作包括字节替换（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混合（MixColumns）和添加轮密钥（AddRoundKey）四个步骤。这些步骤的组合使得AES算法能够有效地混淆和扩散输入数据，从而生成难以破解的密文。

解密过程是加密过程的逆操作，通过相反的顺序执行逆字节替换（InvSubBytes）、逆行移位（InvShiftRows）、逆列混合（InvMixColumns）和添加轮密钥（AddRoundKey）等步骤来还原原始数据。

2.1 密钥扩展

AES算法的第一步是密钥扩展。在这一步中，算法将输入的密钥（可以是128位、192位或256位）扩展成多个轮密钥。这些轮密钥将在后续的加密轮次中使用。密钥扩展过程确保了每轮加密都使用不同的密钥，从而增强了算法的安全性。

2.2 加密过程

AES的加密过程包括多个轮次的处理，每个轮次都包含以下四个步骤：

字节替换（SubBytes）：在这一步中，算法使用一个称为S盒（Substitution box）的固定置换表来替换输入数据的每个字节。S盒是一个非线性置换，它增加了数据的混淆程度，使得加密过程更加难以预测。
行移位（ShiftRows）：行移位操作将数据块中的每一行进行循环左移。不同行的移动距离不同，这有助于在加密过程中进一步扩散数据。
列混合（MixColumns）（除最后一轮外）：在这一步中，算法使用一个固定的矩阵与数据块的每一列进行矩阵乘法运算。这个操作进一步混淆了数据，并增强了加密过程的非线性性。然而，在最后一轮加密中省略了这一步，以简化解密过程。
轮密钥加（AddRoundKey）：在这一步中，算法将当前轮次的轮密钥与数据块进行异或运算。这个操作将密钥信息融入到加密过程中，确保了每轮加密都使用不同的密钥。

经过多轮处理后，算法输出加密后的密文数据。

2.3 解密过程

AES的解密过程是加密过程的逆操作。它首先使用与加密过程相同的密钥扩展算法生成轮密钥。然后，从最后一轮开始逆向执行解密操作，包括逆行移位、逆字节替换、逆列混合（除第一轮外）和轮密钥加等步骤。最终，解密过程输出原始的明文数据。

需要注意的是，在解密过程中使用的密钥与加密过程中使用的密钥是相同的。因此，保护好密钥对于确保数据的安全性至关重要。

三、AES的用法

在Java中，使用AES算法进行数据加密和解密非常方便。Java标准库中的javax.crypto包提供了完整的加密框架和API，支持包括AES在内的多种加密算法。下面代码使用AES算法进行加解密：

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.util.Base64;

public class AESExample {

    // AES 密钥长度（128位、192位、256位），这里使用128位
    private static final int AES_KEY_SIZE = 128;

    // 加密方法
    public static String encrypt(String plainText, String secretKey) throws Exception {
        // 将密钥转换为AES密钥规范
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(secretKey.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), "AES");

        // 创建Cipher实例，并初始化为加密模式
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);

        // 对明文进行加密
        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

        // 将加密后的字节数组转换为Base64编码的字符串
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
    }

    // 解密方法
    public static String decrypt(String encryptedText, String secretKey) throws Exception {
        // 将密钥转换为AES密钥规范
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(secretKey.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), "AES");

        // 创建Cipher实例，并初始化为解密模式
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);

        // 将Base64编码的加密字符串转换为字节数组
        byte[] encryptedBytes = Base64.getDecoder().decode(encryptedText);

        // 对加密的字节数组进行解密
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(encryptedBytes);

        // 将解密后的字节数组转换为字符串
        return new String(decryptedBytes, StandardCharsets.UTF_8);
    }

    // 生成AES密钥
    public static String generateAESKey() throws NoSuchAlgorithmException {
        // 创建AES密钥生成器
        KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
        keyGenerator.init(AES_KEY_SIZE);

        // 生成AES密钥
        SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();

        // 将密钥转换为Base64编码的字符串
        return Base64.getEncoder().encodeToString(secretKey.getEncoded());
    }

    // 主函数，测试加解密功能
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 生成AES密钥
            String secretKey = generateAESKey();
            System.out.println("生成的AES密钥：" + secretKey);

            // 要加密的明文
            String plainText = "这是一个需要加密的明文";
            System.out.println("原始明文：" + plainText);

            // 加密明文
            String encryptedText = encrypt(plainText, secretKey);
            System.out.println("加密后的文本：" + encryptedText);

            // 解密加密后的文本
            String decryptedText = decrypt(encryptedText, secretKey);
            System.out.println("解密后的明文：" + decryptedText);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

注意：