Java 对称加密AES

作者: Jack4J | 来源:发表于2017-08-04 11:04 被阅读494次

AES原理（了解）

AES的基本要求是密钥长度的最少支持为128、192、256，分组长度128位。

AES算法主要包括三个方面：轮变化、圈数和密钥扩展。AES是分组密钥，算法输入128位数据，密钥长度也是128位。用Nr表示对一个数据分组加密的轮数（加密轮数与密钥长度的关系如表1所列）。每一轮都需要一个与输入分组具有相同长度的扩展密钥Expandedkey(i)的参与。由于外部输入的加密密钥K长度有限,所以在算法中要用一个密钥扩展程序(Keyexpansion)把外部密钥K扩展成更长的比特串,以生成各轮的加密和解密密钥。

1.1 圈变化

AES每一个圈变换由以下三个层组成:
非线性层——进行Subbyte变换；
线行混合层——进行ShiftRow和MixColumn运算；
密钥加层——进行AddRoundKey运算。

① Subbyte变换是作用在状态中每个字节上的一种非线性字节转换,可以通过计算出来的S盒进行映射。
② ShiftRow是一个字节换位。它将状态中的行按照不同的偏移量进行循环移位，而这个偏移量也是根据Nb的不同而选择的。
③ 在MixColumn变换中,把状态中的每一列看作GF(28)上的多项式a(x)与固定多项式c(x)相乘的结果。b(x)=c(x)*a(x)的系数这样计算:*运算不是普通的乘法运算,而是特殊的运算，即b(x)=c(x)·a(x)(mod x4+1)对于这个运算 b0=02。a0+03。a1+a2+a3 令xtime(a0)=02。a0其中，符号“。”表示模一个八次不可约多项式的同余乘法。对于逆变化,其矩阵C要改变成相应的D,即b(x)=d(x)＊a(x)。
④ 密钥加层运算(addround)是将圈密钥状态中的对应字节按位“异或”。
⑤ 根据线性变化的性质[1],解密运算是加密变化的逆变化。这里不再详细叙述。

1.2轮变化

    对不同的分组长度，其对应的轮变化次数是不同的。

1.3密钥扩展

AES算法利用外部输入密钥K(密钥串的字数为Nk),通过密钥的扩展程序得到共计4(Nr+1)字的扩展密钥。

它涉及如下三个模块:
① 位置变换(rotword)——把一个4字节的序列[A,B,C,D]变化成[B,C,D,A]；② S盒变换(subword)——对一个4字节进行S盒代替；
③ 变换Rcon——Rcon表示32位比特字[xi-1,00,00,00]。这里的x是（02），如 Rcon[1]=[01000000]；Rcon[2]=[02000000]；Rcon[3]=[04000000]…… 扩展密钥的生成：扩展密钥的前Nk个字就是外部密钥K；以后的字W[]等于它前一个字W[[i-1]]与前第Nk个字W[[i-Nk]]的“异或”,即W[]=W[[i-1]]W[[i- Nk]]。但是若i为Nk的倍数,则W=W[i-Nk]Subword(Rotword(W[[i-1]]))Rcon[i/Nk]。

JAVA实现

2.1 加密

/** 
 * 加密 
 *  
 * @param content 需要加密的内容 
 * @param password  加密密码 
 * @return 
 */  
public static byte[] encrypt(String content, String password) {  
        try {             
                KeyGenerator kgen = KeyGenerator.getInstance("AES");  
                kgen.init(128, new SecureRandom(password.getBytes()));  
                SecretKey secretKey = kgen.generateKey();  
                byte[] enCodeFormat = secretKey.getEncoded();  
                SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(enCodeFormat, "AES");  
                Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");// 创建密码器  
                byte[] byteContent = content.getBytes("utf-8");  
                cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);// 初始化  
                byte[] result = cipher.doFinal(byteContent);  
                return result; // 加密  
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {  
                e.printStackTrace();  
        } catch (NoSuchPaddingException e) {  
                e.printStackTrace();  
        } catch (InvalidKeyException e) {  
                e.printStackTrace();  
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {  
                e.printStackTrace();  
        } catch (IllegalBlockSizeException e) {  
                e.printStackTrace();  
        } catch (BadPaddingException e) {  
                e.printStackTrace();  
        }  
        return null;  
}

2.2 解密

/**解密 
 * @param content  待解密内容 
 * @param password 解密密钥 
 * @return 
 */  
public static byte[] decrypt(byte[] content, String password) {  
        try {  
                 KeyGenerator kgen = KeyGenerator.getInstance("AES");  
                 kgen.init(128, new SecureRandom(password.getBytes()));  
                 SecretKey secretKey = kgen.generateKey();  
                 byte[] enCodeFormat = secretKey.getEncoded();  
                 SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(enCodeFormat, "AES");              
                 Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");// 创建密码器  
                cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);// 初始化  
                byte[] result = cipher.doFinal(content);  
                return result; // 加密  
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {  
                e.printStackTrace();  
        } catch (NoSuchPaddingException e) {  
                e.printStackTrace();  
        } catch (InvalidKeyException e) {  
                e.printStackTrace();  
        } catch (IllegalBlockSizeException e) {  
                e.printStackTrace();  
        } catch (BadPaddingException e) {  
                e.printStackTrace();  
        }  
        return null;  
}

2.3 测试代码

String content = "test";  
String password = "12345678";  
//加密  
System.out.println("加密前：" + content);  
byte[] encryptResult = encrypt(content, password);  
//解密  
byte[] decryptResult = decrypt(encryptResult,password);  
System.out.println("解密后：" + new String(decryptResult));

输出结果如下：
加密前：test
解密后：test

2.4 容易出错的地方

String content = "test";  
String password = "12345678";  
//加密  
System.out.println("加密前：" + content);  
byte[] encryptResult = encrypt(content, password);  
try {  
        String encryptResultStr = new String(encryptResult,"utf-8");  
        //解密  
        byte[] decryptResult = decrypt(encryptResultStr.getBytes("utf-8"),password);  
        System.out.println("解密后：" + new String(decryptResult));  
} catch (UnsupportedEncodingException e) {  
        e.printStackTrace();  
}

则，系统会报出如下异常：

javax.crypto.IllegalBlockSizeException: Input length must be multiple of 16 when decrypting with padded cipher
        at com.sun.crypto.provider.SunJCE_f.b(DashoA13*..)
        at com.sun.crypto.provider.SunJCE_f.b(DashoA13*..)
        at com.sun.crypto.provider.AESCipher.engineDoFinal(DashoA13*..)
        at javax.crypto.Cipher.doFinal(DashoA13*..)

这主要是因为加密后的byte数组是不能强制转换成字符串的，换言之：字符串和byte数组在这种情况下不是互逆的；要避免这种情况，我们需要做一些修订，可以考虑将二进制数据转换成十六进制表示，主要有如下两个方法：

2.4.1将二进制转换成16进制

/**将二进制转换成16进制 
 * @param buf 
 * @return 
 */  
public static String parseByte2HexStr(byte buf[]) {  
        StringBuffer sb = new StringBuffer();  
        for (int i = 0; i < buf.length; i++) {  
                String hex = Integer.toHexString(buf[i] & 0xFF);  
                if (hex.length() == 1) {  
                        hex = '0' + hex;  
                }  
                sb.append(hex.toUpperCase());  
        }  
        return sb.toString();  
}

2.4.2 将16进制转换为二进制

/**将16进制转换为二进制 
 * @param hexStr 
 * @return 
 */  
public static byte[] parseHexStr2Byte(String hexStr) {  
        if (hexStr.length() < 1)  
                return null;  
        byte[] result = new byte[hexStr.length()/2];  
        for (int i = 0;i< hexStr.length()/2; i++) {  
                int high = Integer.parseInt(hexStr.substring(i*2, i*2+1), 16);  
                int low = Integer.parseInt(hexStr.substring(i*2+1, i*2+2), 16);  
                result[i] = (byte) (high * 16 + low);  
        }  
        return result;  
}

然后，我们再修订以上测试代码，如下：

String content = "test";  
String password = "12345678";  
//加密  
System.out.println("加密前：" + content);  
byte[] encryptResult = encrypt(content, password);  
String encryptResultStr = parseByte2HexStr(encryptResult);  
System.out.println("加密后：" + encryptResultStr);  
//解密  
byte[] decryptFrom = parseHexStr2Byte(encryptResultStr);  
byte[] decryptResult = decrypt(decryptFrom,password);  
System.out.println("解密后：" + new String(decryptResult));

测试结果如下：
加密前：test
加密后：73C58BAFE578C59366D8C995CD0B9D6D
解密后：test

2.5 另外一种加密方式

/** 
      * 加密 

      * @param content 需要加密的内容 
      * @param password  加密密码 
      * @return 
      */  
     public static byte[] encrypt2(String content, String password) {  
             try {  
                     SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(password.getBytes(), "AES");  
                     Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/NoPadding");  
                     byte[] byteContent = content.getBytes("utf-8");  
                     cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);// 初始化  
                     byte[] result = cipher.doFinal(byteContent);  
                     return result; // 加密  
             } catch (NoSuchAlgorithmException e) {  
                     e.printStackTrace();  
             } catch (NoSuchPaddingException e) {  
                     e.printStackTrace();  
             } catch (InvalidKeyException e) {  
                     e.printStackTrace();  
             } catch (UnsupportedEncodingException e) {  
                     e.printStackTrace();  
             } catch (IllegalBlockSizeException e) {  
                     e.printStackTrace();  
             } catch (BadPaddingException e) {  
                     e.printStackTrace();  
             }  
             return null;  
     }

这种加密方式有两种限制：
密钥必须是16位的
待加密内容的长度必须是16的倍数，如果不是16的倍数，就会出如下异常：

javax.crypto.IllegalBlockSizeException: Input length not multiple of 16 bytes
        at com.sun.crypto.provider.SunJCE_f.a(DashoA13*..)
        at com.sun.crypto.provider.SunJCE_f.b(DashoA13*..)
        at com.sun.crypto.provider.SunJCE_f.b(DashoA13*..)
        at com.sun.crypto.provider.AESCipher.engineDoFinal(DashoA13*..)
        at javax.crypto.Cipher.doFinal(DashoA13*..)

要解决如上异常，可以通过补全传入加密内容等方式进行避免。

Java 对称加密AES

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