AES加密算法(对称加密算法)
AES(Advanced Encryption Standard)是一种广泛使用的对称密钥加密算法,它是美国国家标准与技术研究院(NIST)于2001年制定的加密标准,用于替代原有的DES(Data Encryption Standard)。AES算法以其高效性、安全性和可靠性而著称,在众多应用领域中被广泛应用,如数据存储、通信加密、物联网设备保护等。
AES算法的基本特征
对称加密:AES是一种对称加密算法,意味着加密和解密使用的是同一把密钥。
分组密码:AES处理固定长度的数据块(分组),无论密钥长度如何,分组大小始终为128位(16字节)。
密钥长度:AES支持三种密钥长度:128位、192位和256位。更长的密钥长度通常对应更高的安全性,但也会增加一定的计算复杂度。
迭代结构:AES的加密过程包括若干轮次的重复操作,每一轮包括四个步骤:字节代换(SubBytes)、行移位(ShiftRows)、列混合(MixColumns)和轮密钥加(AddRoundKey)。其中,最后一个轮次不执行MixColumns操作。
安全性能:AES设计上具有很高的抗攻击能力,包括差分密码分析和线性密码分析。
工作模式:AES可以配合不同的工作模式以适应不同场景的需求,例如ECB(Electronic Codebook)、CBC(Cipher Block Chaining)、CFB(Cipher Feedback)、OFB(Output Feedback)和CTR(Counter)等模式。
广泛应用:AES因其标准化和高性能,被广泛应用于各种软件系统、硬件设备和网络协议中,确保数据的安全传输和存储。
加密流程:加密过程从原始明文开始,经过多个迭代轮次的操作,最终得到密文输出。解密过程则与加密过程相反,同样经过相同数量的轮次操作,但操作顺序稍有调整,使用相同的密钥能够恢复出原始明文。
AES算法原理
AES(Advanced Encryption Standard,高级加密标准)是一种基于置换-置换网络(SPN,Substitution-Permutation Network)架构的分组密码算法。
其加密过程主要由以下几个核心组成部分组成:
字节代换(SubBytes): AES首先将128位的数据(即一个分组)中的每个字节都映射到一个新的字节,这个过程类似于一个查找表(S-box,Substitution Box)操作,用于增加非线性特性,对抗密码分析中的统计分析方法。
行移位(ShiftRows): 字节代换之后,AES会对分组内部的字节进行行移位操作。这意味着每一行的数据将会根据固定的偏移量向左移动,增强数据之间的关联性,使得每个字节不仅依赖于自己的原始位置,还依赖于整个分组中的其他字节。
列混淆(MixColumns): 在某些轮次中(除了最后一轮),AES会对每个列进行线性变换,使用固定的乘法操作在有限域GF(2^8)上进行。这一步骤增强了扩散性,确保对一个比特的改变会影响到多个输出比特,提高了抵抗差分和线性密码分析的能力。
轮密钥加(AddRoundKey): 在每一轮的开始和结尾,AES都会将当前轮的子密钥与当前的数据分组进行异或操作。这种简单的操作是为了将密钥信息与明文混合,形成密文。
AES加密算法包括多个轮次的迭代,上述四步在每一轮中都会执行,只有最后一轮略有差异,不执行列混淆操作。每个轮次之间,子密钥是通过对原始密钥进行特定的密钥调度算法得出的。
总之,AES的设计旨在提供足够的扩散和混淆,使得在不知道密钥的情况下,即便知道明文和密文也无法轻易推导出密钥,确保了数据的安全性。
AES加密算法代码示例
以下是一个使用Java内置的JCE(Java Cryptography Extension)库实现AES加密的简单示例。这个例子使用了AES/CBC/PKCS5Padding模式进行加密,同时也展示了如何生成密钥和初始化向量(IV)。
import javax.crypto.Cipher; import javax.crypto.spec.IvParameterSpec; import javax.crypto.spec.SecretKeySpec; import java.security.Key; import java.util.Base64; public class AESSample { private static final String ALGORITHM = "AES/CBC/PKCS5Padding"; private static final byte[] keyValue = "YourSecretKey32CharactersLong".getBytes(); // 必须为16字节(128位)、24字节(192位)或32字节(256位) private static final byte[] ivBytes = "InitialVector16CharactersLong".getBytes(); // 必须为16字节 public static String encrypt(String plainText) throws Exception { Key key = generateKey(); Cipher ciper = Cipher.getInstance(ALGORITHM); IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(ivBytes); ciper.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, ivSpec); byte[] encryptedBytes = ciper.doFinal(plainText.getBytes("UTF-8")); return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes); } public static String decrypt(String cipherText) throws Exception { Key key = generateKey(); Cipher ciper = Cipher.getInstance(ALGORITHM); IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(ivBytes); ciper.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, ivSpec); byte[] decodedCipherText = Base64.getDecoder().decode(cipherText); byte[] decryptedBytes = ciper.doFinal(decodedCipherText); return new String(decryptedBytes, "UTF-8"); } private static Key generateKey() throws Exception { SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(keyValue, "AES"); return secretKeySpec; } public static void main(String[] args) throws Exception { String originalText = "Hello, World!"; String encryptedText = encrypt(originalText); System.out.println("Encrypted Text: " + encryptedText); String decryptedText = decrypt(encryptedText); System.out.println("Decrypted Text: " + decryptedText); } }
请注意,此示例中的密钥和初始化向量(IV)硬编码在代码中,实际应用中应该妥善管理密钥,避免硬编码,并且IV一般也应该是随机生成的。此外,密钥和IV的长度必须符合AES的要求,密钥长度为16、24或32字节,IV长度固定为16字节。在这个例子中,使用了Base64编码对加密后的密文进行编码以便于文本展示和存储。
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