背景

隨著對稱密碼的發展,DES資料加密標準演算法由於金鑰長度較小(56位),已經不適應當今分散式開放網路對資料加密安全性的要求，因此1997年NIST公開徵集新的資料加密標準,即AES[1]。經過三輪的篩選,比利時Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael演算法被提議為AES的最終演算法。此演算法將成為美國新的資料加密標準而被廣泛應用在各個領域中。儘管人們對AES還有不同的看法,但總體來說,AES作為新一代的資料加密標準匯聚了強安全性、高效能、高效率、易用和靈活等優點。AES設計有三個金鑰長度:128,192,256位，相對而言，AES的128金鑰比DES的56金鑰強1021倍[2]。AES演算法主要包括三個方面：輪變化、圈數和金鑰擴充套件。本文以128為例，介紹演算法的基本原理；結合AVR組合語言，實現高階資料加密演算法AES。　　AES是分組金鑰，演算法輸入128位資料，金鑰長度也是128位。用Nr表示對一個數據分組加密的輪數（加密輪數與金鑰長度的關係如表1所列）。每一輪都需要一個與輸入分組具有相同長度的擴充套件金鑰Expandedkey(i)的參與。由於外部輸入的加密金鑰K長度有限,所以在演算法中要用一個金鑰擴充套件程式(Keyexpansion)把外部金鑰K擴充套件成更長的位元串,以生成各輪的加密和解密金鑰。
　　1.1圈變化
　　AES每一個圈變換由以下三個層組成:
　　非線性層——進行Subbyte變換；
　　線行混合層——進行ShiftRow和MixColumn運算；
　　金鑰加層——進行AddRoundKey運算。
　　① Subbyte變換是作用在狀態中每個位元組上的一種非線性位元組轉換,可以通過計算出來的S盒進行對映。
　　② ShiftRow是一個位元組換位。它將狀態中的行按照不同的偏移量進行迴圈移位，而這個偏移量也是根據Nb的不同而選擇的[3]。
　　③ 在MixColumn變換中,把狀態中的每一列看作GF(28)上的多項式a(x)與固定多項式c(x)相乘的結果。 b(x)=c(x)*a(x)的係數這樣計算:*運算不是普通的乘法運算,而是特殊的運算，即 b(x)=c(x)·a(x)(mod x4+1) 對於這個運算 b0=02。a0+03。a1+a2+a3 令xtime(a0)=02。a0其中，符號“。”表示模一個八次不可約多項式的同餘乘法[3]。
　　對於逆變化,其矩陣C要改變成相應的D,即b(x)=d(x)＊a(x)。
　　④ 金鑰加層運算(addround)是將圈金鑰狀態中的對應位元組按位“異或”。
　　⑤ 根據線性變化的性質[1],解密運算是加密變化的逆變化。這裡不再詳細敘述。
　　1.2輪變化
　　對不同的分組長度，其對應的輪變化次數是不同的,如表1所列。
　　1.3金鑰擴充套件

　　AES演算法利用外部輸入金鑰K(金鑰串的字數為Nk),通過金鑰的擴充套件程式得到共計4(Nr+1)字的擴充套件金鑰。它涉及如下三個模組:① 位置變換(rotword)——把一個4位元組的序列[A,B,C,D]變化成[B,C,D,A]；② S盒變換(subword)——對一個4位元組進行S盒代替；③ 變換Rcon——Rcon表示32位位元字[xi-1,00,00,00]。這裡的x是（02），如 Rcon[1]=[01000000]；Rcon[2]=[02000000]；Rcon[3]=[04000000]…… 擴充套件金鑰的生成：擴充套件金鑰的前Nk個字就是外部金鑰K；以後的字W[]等於它前一個字W[[i-1]]與前第Nk個字W[[i-Nk]]的“異或”,即W[]=W[[i-1]]W[[i- Nk]]。但是若i為Nk的倍數,則W=W[i-Nk]Subword(Rotword(W[[i-1]]))Rcon[i/Nk]。

與常用演算法有事比較

Java對稱加密AES演算法 加密解密 示例：

package abc;

import java.security.SecureRandom;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

import sun.misc.BASE64Decoder;
import sun.misc.BASE64Encoder;

/**
 * AES對稱加密和解密
 * @author shefei007
 *
 */
public class SymmetricEncoder {

	public static void main(String[] args) {
		String encodeRules="舍非園藝";
		String content="舍非yy";
		
		System.out.println("加密後的密文為："+AESEncode(encodeRules,content));
		System.out.println("解密後的明文為："+AESDncode(encodeRules,AESEncode(encodeRules,content)));
	}
	
	/*
	   * 加密
	   * 1.構造金鑰生成器KeyGenerator
	   * 2.根據ecnodeRules規則初始化金鑰生成器
	   * 3.產生金鑰
	   * 4.建立和初始化密碼器
	   * 5.內容加密
	   * 6.返回字串
	   */
	    public static String AESEncode(String encodeRules,String content){
	        try {
	            //1.構造金鑰生成器，指定為AES演算法,不區分大小寫
	        	/*javax.crypto 
								類 KeyGenerator
	        	 * 此類提供（對稱）金鑰生成器的功能。
	        	 */
	            KeyGenerator keygen=KeyGenerator.getInstance("AES");
	            //2.根據ecnodeRules規則初始化金鑰生成器
	            //生成一個128位的隨機源,根據傳入的位元組陣列
	            keygen.init(128, new SecureRandom(encodeRules.getBytes()));
	              //3.產生原始對稱金鑰
	            /*javax.crypto 
								介面 SecretKey
								所有超級介面： 
								Key, Serializable 
	             * SecretKey
	             * public interface SecretKey extends Key
	             * 祕密（對稱）金鑰。
	             * 此介面不包含方法或常量。其唯一目的是分組祕密金鑰（併為其提供型別安全）。 

此介面的提供者實現必須改寫繼承自 java.lang.Object 的 equals 和 hashCode 方法，
***以便根據底層金鑰材料而不是根據引用進行祕密金鑰比較***。 

實現此介面的金鑰以其編碼格式（請參閱 getFormat）返回字串 RAW，並返回作為 getEncoded 方法呼叫結果的原始金鑰位元組。
（getFormat 和 getEncoded 方法繼承自 java.security.Key 父介面。）

					常用方法：
	             * byte[] getEncoded() 
          			返回基本編碼格式的金鑰，如果此金鑰不支援編碼，則返回 null。 
	             * 
	             */
	            SecretKey original_key=keygen.generateKey();
	              //4.獲得原始 對稱金鑰 的位元組陣列
	            byte [] raw=original_key.getEncoded();
	            //5.根據位元組陣列生成AES金鑰
	            /*
	             * SecretKeySpec
	             * public class SecretKeySpec extends Object implements KeySpec, SecretKey
	             * 此類以與 provider 無關的方式指定一個金鑰。
此類僅對能表示為   一個位元組陣列  並且沒有任何與之相關聯的鑰引數的  原始金鑰   有用，如，DES 或者 Triple DES 金鑰。
	             */
	            SecretKey key=new SecretKeySpec(raw, "AES");
	              //6.根據指定演算法AES自成密碼器
	            /*
	             * Cipher
	             * public class Cipher extends Object
	             * 此類為加密和解密提供密碼功能。它構成了 Java Cryptographic Extension (JCE) 框架的核心。
	             * 為建立 Cipher 物件，應用程式呼叫 Cipher 的 getInstance 方法並將所請求轉換 的名稱傳遞給它。
 還可以指定提供者的名稱（可選）。 
    常用方法
  byte[] doFinal() 
          結束多部分加密或解密操作（具體取決於此 Cipher 的初始化方式）。 
 
	             */
	            Cipher cipher=Cipher.getInstance("AES");
	              //7.初始化密碼器，第一個引數為加密(Encrypt_mode)或者解密解密(Decrypt_mode)操作，第二個引數為使用的KEY
	            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
	            //8.獲取加密內容的位元組陣列(這裡要設定為utf-8)不然內容中如果有中文和英文混合中文就會解密為亂碼
	            byte [] byte_encode=content.getBytes("utf-8");
	            //9.根據密碼器的初始化方式--加密：將資料加密
	            byte [] byte_AES=cipher.doFinal(byte_encode);
	          //10.將加密後的資料轉換為字串
	            //這裡用Base64Encoder中會找不到包
	            //解決辦法：
	            //在專案的Build path中先移除JRE System Library，再新增庫JRE System Library，重新編譯後就一切正常了。
	            String AES_encode=new String(new BASE64Encoder().encode(byte_AES));
	          //11.將字串返回
	            return AES_encode;
	        } catch (Exception e) {
	            e.printStackTrace();
	        }
	        //如果有錯就返加nulll
	        return null;         
	    }
	   
	    /*
	     * 解密
	     * 解密過程：
	     * 1.同加密1-4步
	     * 2.將加密後的字串反紡成byte[]陣列
	     * 3.將加密內容解密
	     */
	    public static String AESDncode(String encodeRules,String content){
	        try {
	            //1.構造金鑰生成器，指定為AES演算法,不區分大小寫
	            KeyGenerator keygen=KeyGenerator.getInstance("AES");
	            //2.根據ecnodeRules規則初始化金鑰生成器
	            //生成一個128位的隨機源,根據傳入的位元組陣列
	            keygen.init(128, new SecureRandom(encodeRules.getBytes()));
	              //3.產生原始對稱金鑰
	            SecretKey original_key=keygen.generateKey();
	              //4.獲得原始對稱金鑰的位元組陣列
	            byte [] raw=original_key.getEncoded();
	            //5.根據位元組陣列生成AES金鑰
	            SecretKey key=new SecretKeySpec(raw, "AES");
	              //6.根據指定演算法AES自成密碼器
	            Cipher cipher=Cipher.getInstance("AES");
	              //7.初始化密碼器，第一個引數為加密(Encrypt_mode)或者解密(Decrypt_mode)操作，第二個引數為使用的KEY
	            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
	            //8.將加密並編碼後的內容解碼成位元組陣列
	            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 (Exception e) {
	            e.printStackTrace();
	        }
	        
	        //如果有錯就返加nulll
	        return null;         
	    }
	    
	    
}