AES高级加密标准简析

1 AES高级加密标准简介

1.1 概述

　　高级加密标准（英语：Advanced Encryption Standard，缩写：AES），在密码学中又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程，高级加密标准由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。2006年，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。

1.2 发展历史

　　1997年4月15日，美国ANSI发起征集AES（advanced encryption standard）的活动，并为此成立了AES工作小组。
　　1997年9月12日，美国联邦登记处公布了正式征集AES候选算法的通告。对AES的基本要求是： 比三重DES快、至少与三重DES一样安全、数据分组长度为128比特、密钥长度为128/192/256比特。

　　1998年8月12日，在首届AES候选会议（first AES candidate conference）上公布了AES的15个候选算法，任由全世界各机构和个人攻击和评论。

　　1999年3月，在第2届AES候选会议（second AES candidate conference）上经过对全球各密码机构和个人对候选算法分析结果的讨论，从15个候选算法中选出了5个。分别是RC6、Rijndael、SERPENT、Twofish和MARS。

　　2000年4月13日至14日，召开了第3届AES候选会议（third AES candidate conference），继续对最后5个候选算法进行讨论。

　　2000年10月2日，NIST宣布Rijndael作为新的AES。经过3年多的讨论，Rijndael终于脱颖而出。

　　Rijndael由比利时的Joan Daemen和Vincent Rijmen设计。算法的原型是Square算法，它的设计策略是宽轨迹策略（wide trail strategy）。算法有很好的抵抗差分密码分析及线性密码分析的能力。

1.3 算法原理

　　对称密码体制的发展趋势将以分组密码为重点。分组密码算法通常由密钥扩展算法和加密（解密）算法两部分组成。密钥扩展算法将b字节用户主密钥扩展成r个子密钥。加密算法由一个密码学上的弱函数f与r个子密钥迭代r次组成。混乱和密钥扩散是分组密码算法设计的基本原则。抵御已知明文的差分和线性攻击，可变长密钥和分组是该体制的设计要点。

　　AES是美国国家标准技术研究所NIST旨在取代DES的21世纪的加密标准。

　　AES的基本要求是，采用对称分组密码体制，密钥的长度最少支持为128、192、256，分组长度128位，算法应易于各种硬件和软件实现。1998年NIST开始AES第一轮分析、测试和征集，共产生了15个候选算法。1999年3月完成了第二轮AES2的分析、测试。2000年10月2日美国政府正式宣布选中比利时密码学家Joan Daemen 和 Vincent Rijmen 提出的一种密码算法RIJNDAEL 作为 AES.

　　在应用方面，尽管DES在安全上是脆弱的，但由于快速DES芯片的大量生产，使得DES仍能暂时继续使用，为提高安全强度，通常使用独立密钥的三级DES。但是DES迟早要被AES代替。流密码体制较之分组密码在理论上成熟且安全，但未被列入下一代加密标准。

　　AES加密数据块分组长度必须为128比特，密钥长度可以是128比特、192比特、256比特中的任意一个（如果数据块及密钥长度不足时，会补齐）。AES加密有很多轮的重复和变换。大致步骤如下：1、密钥扩展（KeyExpansion），2、初始轮（Initial Round），3、重复轮（Rounds），每一轮又包括：SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey，4、最终轮（Final Round），最终轮没有MixColumns。

1.4 算法应用

　　高级加密标准AES（Rijndael）算法在各行业各部门中将获得广泛的应用，成为虚拟专用网、SONET（同步光网络）、远程访问服务器（RAS）、高速ATM/Ethernet路由器、移动通信、卫星通信、电子金融业务等的机密算法，并逐渐取代DES在IPSee、SSL和ATM中的使用。IEEE802.11i草案已经定义了AES加密的两种不同运行模式，成功解决了无线局域网（WLAN）标准中的诸多安全问题。此外，得益于密码技术的高速发展，政府及军事通信更多的采用高级的加密算法，以及网络保密系统，财政保密、游戏机密等方面AES加密算法都得到了广泛的应用。

2 java代码实现

package xin.dreaming.aes;


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

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import org.junit.Test;
public class AESUtils {

    /**
     * 生成随机密钥
     * 
     * @param size
     *            位数
     * @return
     */
    public static String generateRandomKey(int size) {
        StringBuilder key = new StringBuilder();
        String chars = "0123456789ABCDEF";
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            int index = (int) (Math.random() * (chars.length() - 1));
            key.append(chars.charAt(index));
        }
        return key.toString();
    }
    
    /**
     * AES加密
     * 
     * @param plainBytes
     *            明文字节数组
     * @param keyBytes
     *            对称密钥字节数组
     * @param useBase64Code
     *            是否使用Base64编码
     * @param charset
     *            编码格式
     * @return byte[]
     */
    public static byte[] encryptAES(byte[] plainBytes, byte[] keyBytes, boolean useBase64Code, String charset) throws Exception {
        String cipherAlgorithm = "AES/CBC/PKCS5Padding";
        String keyAlgorithm = "AES";
        String IV = "\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0";

        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(cipherAlgorithm);
            SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(keyBytes, keyAlgorithm);
            IvParameterSpec ivspec = new IvParameterSpec(IV.getBytes());

            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, ivspec);

            byte[] encryptedBlock = cipher.doFinal(plainBytes);

            if (useBase64Code) {
                return Base64.encodeBase64String(encryptedBlock).getBytes(charset);
            } else {
                return encryptedBlock;
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            throw new Exception("AES加密失败");
        }
    }

    /**
     * AES解密
     * 
     * @param cryptedBytes
     *            密文字节数组
     * @param keyBytes
     *            对称密钥字节数组
     * @param useBase64Code
     *            是否使用Base64编码
     * @param charset
     *            编码格式
     * @return byte[]
     */
    public static byte[] decryptAES(byte[] cryptedBytes, byte[] keyBytes, boolean useBase64Code, String charset) throws Exception {
        String cipherAlgorithm = "AES/CBC/PKCS5Padding";
        String keyAlgorithm = "AES";
        String IV = "\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0";

        byte[] data = null;

        // 如果是Base64编码的话，则要Base64解码
        if (useBase64Code) {
            data = Base64.decodeBase64(new String(cryptedBytes, charset));
        } else {
            data = cryptedBytes;
        }

        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(cipherAlgorithm);
            SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(keyBytes, keyAlgorithm);
            IvParameterSpec ivspec = new IvParameterSpec(IV.getBytes());

            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, ivspec);

            byte[] decryptedBlock = cipher.doFinal(data);

            return decryptedBlock;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            throw new Exception("AES解密失败");
        }
    }
    
    /**
     * BASE64加密
     * 
     * @param key
     * @return
     * @throws Exception
     */

    
    @Test
    public void aesTest() throws Exception{
        String value ="DREAMING.XIN";
        //生成随机AES对称密钥
        String keyStr = generateRandomKey(16);
        byte[] keyBytes = keyStr.getBytes("UTF-8");
        
        byte[] encryptAES = encryptAES(value.getBytes(), keyBytes, true, "UTF-8");
        
        System.out.println("AES加密后数据： "+new String(encryptAES));
        
        /*String encodeBase64String = Base64.encodeBase64String(encryptAES);
        
        System.out.println("先AES后BASE64： "+encodeBase64String);
        
        byte[] decodeBase64 = Base64.decodeBase64(encodeBase64String);*/
        
        byte[] decryptAES = decryptAES(encryptAES, keyBytes, true, "UTF-8");
        
        System.out.println("AES减密后数据： "+ new String(decryptAES));
        
    }
    
}

运行结果：

参考：

　　1、https://baike.baidu.com/item/aes/5903?fr=aladdin&fromid=3233272&fromtitle=aes%E5%8A%A0%E5%AF%86%E7%AE%97%E6%B3%95