AES加密算法的简单介绍与实现

对称与非对称加密算法：

首选，简单介绍下常见的“对称加密算法”与“非对称加密算法”的区别：

• 对称加密算法：加密和解密用到的**是相同的，这种加密方式加密速度非常快，适合经常发送数据的场合。缺点是**的传输比较麻烦。
• 非对称加密算法：加密和解密用的**是不同的，这种加密方式是用数学上的难解问题构造的，通常加密解密的速度比较慢，适合偶尔发送数据的场合。优点是**传输方便。常见的非对称加密算法为RSA、ECC和EIGamal。

实际生产中，一般是通过RSA加密AES的**，传输到接收方，接收方解密得到AES**，然后发送方和接收方用AES**来通信。

AES简介

高级加密标准(AES,Advanced Encryption Standard)为最常见的对称加密算法(微信小程序加密传输就是用这个加密算法的)。对称加密算法也就是加密和解密用相同的**，具体的加密流程如下图：

下面简单介绍下各个部分的作用与意义：

• 明文P

没有经过加密的数据。

• **K

用来加密明文的密码，在对称加密算法中，加密与解密的**是相同的。**为接收方与发送方协商产生，但不可以直接在网络上传输，否则会导致**泄漏，通常是通过非对称加密算法加***，然后再通过网络传输给对方，或者直接面对面商量**。**是绝对不可以泄漏的，否则会被攻击者还原密文，窃取机密数据。

• AES加密函数

设AES加密函数为E，则 C = E(K, P),其中P为明文，K为**，C为密文。也就是说，把明文P和**K作为加密函数的参数输入，则加密函数E会输出密文C。

• 密文C

经加密函数处理后的数据。

• AES解密函数

设AES解密函数为D，则 P = D(K, C),其中C为密文，K为**，P为明文。也就是说，把密文C和**K作为解密函数的参数输入，则解密函数会输出明文P。

AES的基本结构

AES为分组密码，分组密码也就是把明文分成一组一组的，每组长度相等，每次加密一组数据，直到加密完整个明文。在AES标准规范中，分组长度只能是128位，也就是说，每个分组为16个字节（每个字节8位）。**的长度可以使用128位、192位或256位。**的长度不同，推荐加密轮数也不同，如下表所示：

AES	**长度（32位比特字)	分组长度(32位比特字)	加密轮数
AES-128	4	4	10
AES-192	6	4	12
AES-256	8	4	14

轮数在下面介绍，这里实现的是AES-128，也就是**的长度为128位，加密轮数为10轮。
上面说到，AES的加密公式为C = E(K,P)，在加密函数E中，会执行一个轮函数，并且执行10次这个轮函数，这个轮函数的前9次执行的操作是一样的，只有第10次有所不同。也就是说，一个明文分组会被加密10轮。AES的核心就是实现一轮中的所有操作。

AES的处理单位是字节，128位的输入明文分组P和输入**K都被分成16个字节，分别记为P = P0 P1 … P15 和 K = K0 K1 … K15。如，明文分组为P = abcdefghijklmnop,其中的字符a对应P0，p对应P15。一般地，明文分组用字节为单位的正方形矩阵描述，称为状态矩阵。在算法的每一轮中，状态矩阵的内容不断发生变化，最后的结果作为密文输出。该矩阵中字节的排列顺序为从上到下、从左至右依次排列，如下图所示：

现在假设明文分组P为"abcdefghijklmnop"，则对应上面生成的状态矩阵图如下：

上图中，0x61为字符a的十六进制表示。可以看到，明文经过AES加密后，已经面目全非。

类似地，128位**也是用字节为单位的矩阵表示，矩阵的每一列被称为1个32位比特字。通过**编排函数该**矩阵被扩展成一个44个字组成的序列W[0],W[1], … ,W[43],该序列的前4个元素W[0],W[1],W[2],W[3]是原始**，用于加密运算中的初始**加（下面介绍）;后面40个字分为10组，每组4个字（128比特）分别用于10轮加密运算中的轮**加，如下图所示：
 

上图中，设K = “abcdefghijklmnop”，则K0 = a, K15 = p, W[0] = K0 K1 K2 K3 = “abcd”。

AES的整体结构如下图所示，其中的W[0,3]是指W[0]、W[1]、W[2]和W[3]串联组成的128位**。加密的第1轮到第9轮的轮函数一样，包括4个操作：字节代换、行位移、列混合和轮**加。最后一轮迭代不执行列混合。另外，在第一轮迭代之前，先将明文和原始**进行一次异或加密操作。
 

上图也展示了AES解密过程，解密过程仍为10轮，每一轮的操作是加密操作的逆操作。由于AES的4个轮操作都是可逆的，因此，解密操作的一轮就是顺序执行逆行移位、逆字节代换、轮**加和逆列混合。同加密操作类似，最后一轮不执行逆列混合，在第1轮解密之前，要执行1次**加操作。

 

本文参考自《现代密码学教程》。

关于AES中一轮的4个操作阶段及扩展的知识点，不是很好理解，想学的小伙伴可以查看原文。

 

更多精彩，请关注我的"今日头条号"：Java云笔记
随时随地，让你拥有最新，最便捷的掌上云服务