很高兴和大家一起分享aes加密算法java代码的知识,希望对各位有所帮助。
Java有相关的实现类:具体原理如下
对于任意长度的明文,aes首先对其进行分组,每组的长度为128位。分组之后将分别对每个128位的明文分组进行加密。
对于每个128位长度的明文分组的加密过程如下:
(1)将128位aes明文分组放入状态矩阵中。
(2)AddRoundKey变换:对状态矩阵进行AddRoundKey变换,与膨胀后的密钥进行异或操作(密钥膨胀将在实验原理七中详细讨论)。
(3)10轮循环:aes对状态矩阵进行了10轮类似的子加密过程。前9轮子加密过程中,每一轮子加密过程包括4种不同的变换,而最后一轮只有3种变换,前9轮的子加密步骤如下:
● SubBytes变换:SubBytes变换是一个对状态矩阵非线性的变换;
● ShiftRows变换:ShiftRows变换对状态矩阵的行进行循环移位;
● MixColumns变换:MixColumns变换对状态矩阵的列进行变换;
● AddRoundKey变换:AddRoundKey变换对状态矩阵和膨胀后的密钥进行异或操作。
最后一轮的子加密步骤如下:
● SubBytes变换:SubBytes变换是一个对状态矩阵非线性的变换;
● ShiftRows变换:ShiftRows变换对状态矩阵的行进行循环移位;
● AddRoundKey变换:AddRoundKey变换对状态矩阵和膨胀后的密钥进行异或操作;
(4)经过10轮循环的状态矩阵中的内容就是加密后的密文。
aes的加密算法的伪代码如下。
在aes算法中,AddRoundKey变换需要使用膨胀后的密钥,原始的128位密钥经过膨胀会产生44个字(每个字为32位)的膨胀后的密钥,这44个字的膨胀后的密钥供11次AddRoundKey变换使用,一次AddRoundKey使用4个字(128位)的膨胀后的密钥。
三.aes的分组过程
对于任意长度的明文,aes首先对其进行分组,分组的方法与DES相同,即对长度不足的明文分组后面补充0即可,只是每一组的长度为128位。
aes的密钥长度有128比特,192比特和256比特三种标准,其他长度的密钥并没有列入到aes联邦标准中,在下面的介绍中,我们将以128位密钥为例。
四.状态矩阵
状态矩阵是一个4行、4列的字节矩阵,所谓字节矩阵就是指矩阵中的每个元素都是一个1字节长度的数据。我们将状态矩阵记为State,State中的元素记为Sij,表示状态矩阵中第i行第j列的元素。128比特的明文分组按字节分成16块,第一块记为“块0”,第二块记为“块1”,依此类推,最后一块记为“块15”,然后将这16块明文数据放入到状态矩阵中,将这16块明文数据放入到状态矩阵中的方法如图2-2-1所示。
块0
块4
块8
块12
块1
块5
块9
块13
块2
块6
块10
块14
块3
块7
块11
块15
图2-2-1 将明文块放入状态矩阵中
五.AddRoundKey变换
状态矩阵生成以后,首先要进行AddRoundKey变换,AddRoundKey变换将状态矩阵与膨胀后的密钥进行按位异或运算,如下所示。
其中,c表示列数,数组W为膨胀后的密钥,round为加密轮数,Nb为状态矩阵的列数。
它的过程如图2-2-2所示。
图2-2-2 aes算法AddRoundKey变换
六.10轮循环
经过AddRoundKey的状态矩阵要继续进行10轮类似的子加密过程。前9轮子加密过程中,每一轮要经过4种不同的变换,即SubBytes变换、ShiftRows变换、MixColumns变换和AddRoundKey变换,而最后一轮只有3种变换,即SubBytes变换、ShiftRows变换和AddRoundKey变换。AddRoundKey变换已经讨论过,下面分别讨论余下的三种变换。
1.SubBytes变换
SubBytes是一个独立作用于状态字节的非线性变换,它由以下两个步骤组成:
(1)在GF(28)域,求乘法的逆运算,即对于α∈GF(28)求β∈GF(28),使αβ =βα = 1mod(x8 + x4 + x3 + x + 1)。
(2)在GF(28)域做变换,变换使用矩阵乘法,如下所示:
由于所有的运算都在GF(28)域上进行,所以最后的结果都在GF(28)上。若g∈GF(28)是GF(28)的本原元素,则对于α∈GF(28),α≠0,则存在
β ∈ GF(28),使得:
β = gαmod(x8 + x4 + x3 + x + 1)
由于g255 = 1mod(x8 + x4 + x3 + x + 1)
所以g255-α = β-1mod(x8 + x4 + x3 + x + 1)
根据SubBytes变换算法,可以得出SubBytes的置换表,如表2-2-1所示,这个表也叫做aes的S盒。该表的使用方法如下:状态矩阵中每个元素都要经过该表替换,每个元素为8比特,前4比特决定了行号,后4比特决定了列号,例如求SubBytes(0C)查表的0行C列得FE。
表2-2-1 aes的SubBytes置换表
它的变换过程如图2-2-3所示。
图2-2-3 SubBytes变换
aes加密过程需要用到一些数学基础,其中包括GF(2)域上的多项式、GF(28)域上的多项式的计算和矩阵乘法运算等,有兴趣的同学请参考相关的数学书籍。
2.ShiftRows变换
ShiftRows变换比较简单,状态矩阵的第1行不发生改变,第2行循环左移1字节,第3行循环左移2字节,第4行循环左移3字节。ShiftRows变换的过程如图2-2-4所示。
图2-2-4 aes的ShiftRows变换
3.MixColumns变换
在MixColumns变换中,状态矩阵的列看作是域GF(28)的多项式,模(x4+1)乘以c(x)的结果:
c(x)=(03)x3+(01)x2+(01)x+(02)
这里(03)为十六进制表示,依此类推。c(x)与x4+1互质,故存在逆:
d(x)=(0B)x3+(0D)x2+(0G)x+(0E)使c(x)•d(x) = (D1)mod(x4+1)。
设有:
它的过程如图2-2-5所示。
图2-2-5 aes算法MixColumns变换
七.密钥膨胀
在aes算法中,AddRoundKey变换需要使用膨胀后的密钥,膨胀后的密钥记为子密钥,原始的128位密钥经过膨胀会产生44个字(每个字为32位)的子密钥,这44个字的子密钥供11次AddRoundKey变换使用,一次AddRoundKey使用4个字(128位)的膨胀后的密钥。
密钥膨胀算法是以字为基础的(一个字由4个字节组成,即32比特)。128比特的原始密钥经过膨胀后将产生44个字的子密钥,我们将这44个密钥保存在一个字数组中,记为W[44]。128比特的原始密钥分成16份,存放在一个字节的数组:Key[0],Key[1]……Key[15]中。
在密钥膨胀算法中,Rcon是一个10个字的数组,在数组中保存着算法定义的常数,分别为:
Rcon[0] = 0x01000000
Rcon[1] = 0x02000000
Rcon[2] = 0x04000000
Rcon[3] = 0x08000000
Rcon[4] = 0x10000000
Rcon[5] = 0x20000000
Rcon[6] = 0x40000000
Rcon[7] = 0x80000000
Rcon[8] = 0x1b000000
Rcon[9] = 0x36000000
另外,在密钥膨胀中包括其他两个操作RotWord和SubWord,下面对这两个操作做说明:
RotWord( B0,B1,B2,B3 )对4个字节B0,B1,B2,B3进行循环移位,即
RotWord( B0,B1,B2,B3 ) = ( B1,B2,B3,B0 )
SubWord( B0,B1,B2,B3 )对4个字节B0,B1,B2,B3使用aes的S盒,即
SubWord( B0,B1,B2,B3 ) = ( B’0,B’1,B’2,B’3 )
其中,B’i = SubBytes(Bi),i = 0,1,2,3。
密钥膨胀的算法如下:
八.解密过程
aes的加密和解密过程并不相同,首先密文按128位分组,分组方法和加密时的分组方法相同,然后进行轮变换。
aes的解密过程可以看成是加密过程的逆过程,它也由10轮循环组成,每一轮循环包括四个变换分别为InvShiftRows变换、InvSubBytes变换、InvMixColumns变换和AddRoundKey变换;
这个过程可以描述为如下代码片段所示:
九.InvShiftRows变换
InvShiftRows变换是ShiftRows变换的逆过程,十分简单,指定InvShiftRows的变换如下。
Sr,(c+shift(r,Nb))modNb= Sr,c for 0 r 4 and 0 ≤ c Nb
图2-2-6演示了这个过程。
图2-2-6 aes算法InvShiftRows变换
十.InvSubBytes变换
InvSubBytes变换是SubBytes变换的逆变换,利用aes的S盒的逆作字节置换,表2-2-2为InvSubBytes变换的置换表。
表2-2-2 InvSubBytes置换表
十一.InvMixColumns变换
InvMixColumns变换与MixColumns变换类似,每列乘以d(x)
d(x) = (OB)x3 + (0D)x2 + (0G)x + (0E)
下列等式成立:
( (03)x3 + (01)x2 + (01)x + (02) )⊙d(x) = (01)
上面的内容可以描述为以下的矩阵乘法:
十二.AddRoundKey变换
aes解密过程的AddRoundKey变换与加密过程中的AddRoundKey变换一样,都是按位与子密钥做异或操作。解密过程的密钥膨胀算法也与加密的密钥膨胀算法相同。最后状态矩阵中的数据就是明文。
需要依赖Java加密扩展的支持才能实现。
用Java实现aes需要依赖Java加密扩展TheJavaCryptographyExtension,简称JCE的支持主要是在javax下面的一些包。根据描述需要使用的算法为aesCBCNoPadding。
Java语言的语法与C语言和C加加语言很接近,使得大多数程序员很容易学习和使用。另一方面,Java丢弃了C加加中很少使用的、很难理解的、令人迷惑的那些特性,如操作符重载、多继承、自动的强制类型转换。特别地,Java语言不使用指针,而是引用。并提供了自动分配和回收内存空间,使得程序员不必为内存管理而担忧。
public class DESCoder {
public static byte[] decodeBase64(String data) throws Exception{
return new BASE64Decoder().decodeBuffer(data);
}
public static String encodeBase64(byte[] key) throws Exception{
return new BASE64Encoder().encodeBuffer(key);
}
/**
* 生成密钥
* @param seed
* @return
* @throws Exception
*/
public static String initKey(String seed) throws Exception{
SecureRandom secureRandom = null;
if(seed != null){
secureRandom = new SecureRandom(decodeBase64(seed));
}else{
secureRandom = new SecureRandom();
}
KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance("DES");
kg.init(secureRandom);
SecretKey key = kg.generateKey();
return encodeBase64(key.getEncoded());
}
/**
* 转换成密钥
* @param key
* @return
* @throws Exception
*/
public static Key toKey(byte[] key) throws Exception{
DESKeySpec dks = new DESKeySpec(key);
SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(dks);
// 当使用其他对称加密算法时,如aes、Blowfish等算法时,用下述代码替换上述三行代码
// SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key, "aes");
return secretKey;
}
/**
* 加密
* @param data
* @param key
* @return
* @throws Exception
*/
public static byte[] encrypt(byte[] data,String key) throws Exception{
Key k = toKey(decodeBase64(key));
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, k);
return cipher.doFinal(data);
}
/***
* 解密
* @param data
* @param key
* @return
* @throws Exception
*/
public static byte[] decrypt(byte[] data,String key) throws Exception{
Key k = toKey(decodeBase64(key));
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, k);
return cipher.doFinal(data);
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
System.out.println(initKey(null));
String txt = "abc";
String key = initKey(null);
byte[] data = encrypt(txt.getBytes(),key);
System.out.println(new String(encodeBase64(data)));
byte[] output = decrypt(data,key);
System.out.println(new String(output));
}
}
随着社会的发展,产品的更新速度也是越来越快,算法是方案的核心,保护开发者和消费者的权益刻不容缓,那么加密芯片在其中就扮演了重要的角色,如何选择加密芯片呢?
1.市面上加密芯片种类繁多,算法多种,加密芯片强度参差不齐,加密性能与算法、秘钥密切相关。常见的加密算法有对称算法,非对称算法,国密算法,大部分都是基于I2C、SPI或1-wire协议进行通信。加密芯片还是需要项目实际需求选择,比如对称加密算法的特点是计算量小、加密速度快、加密效率高等。
2.因为单片机软加密性能较弱且非常容易被复制,所以有了加密芯片的产生,大大增加了破解难度和生产成本。目前加密芯片广泛应用于车载电子、消费电子、美容医疗、工业控制、AI智能等行业。
3.韩国KEROS加密芯片专注加密领域十多年,高安全性、低成本,在加密保护领域受到了众多客户的高度赞扬及认可。KEROS采用先进的内置aes256安全引擎和加密功能,通过真动态数据交互并为系统中敏感信息的存储提供了安全的场所,有了它的保护电路,即使受到攻击,这些信息也可以保持安全。其封装SOP8,SOT23-6,TDFN-6集成I2C与1-wire协议满足不同应用需求。CK02AT、CK22AT、CK02AP、CK22AP支持1.8V-3.6V,256bit位秘钥长度,5bytes SN序列号,支持定制化免烧录,加密行业首选。关于aes加密算法java代码的介绍到此就结束了,感谢大家耐心阅读。