对称加密之AES加密详解

AES简介

AES(Advanced Encryption Standard)是一种对称加密算法，是由比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen所设计的。它是目前最流行的对称加密算法，也是被广泛应用的加密算法之一。

AES的加密技术应用了分组密码的概念。一个消息通过分块后再用加密算法加密。在每个块中，加密器逐步转换明文块为一个加密块，每个加密块都与当前的中间结果相关。在加密的同时也会记录一个加密块到中间结果的映射表。在解密时使用相同的映射表，以相反的顺序翻转加密过程，即可得到原始的明文，这样就保证了数据的安全性。

AES加密算法使用变长密钥来进行加密和解密。密钥的长度可以是128位、192位和256位，这些密钥长度都可以提供强大的安全性。AES的安全性通过其密钥长度提高，不同长度的密钥提供不同的加密强度。

AES加密的性能非常高，它对于处理大量数据的应用程序特别有效。它已经成为了商业领域和公共领域中的一种标准加密算法。下面将对AES加密算法进行详细介绍。

AES加密算法流程

AES加密算法是一个分组算法，对于每个分组进行单独的加密。首先需要把待加密的数据以固定大小的分组进行划分，每块大小是128位，然后对每个分组进行加密操作。

AES加密算法的具体流程如下：

1. 密钥扩展

由于AES加密算法允许使用不同长度的密钥，为了保证加密的安全性，在加密之前需要对密钥进行扩展操作，扩展出足够多的子密钥。

2. 初始轮

初始轮是单独的一个加密轮，它使用密钥和明文块的数据进行简单的异或操作。

3. 轮加密

轮加密是AES加密算法的核心，它对每个分组进行累加的处理。在每一轮中，明文块会被拆分成四个字节，每个字节都会被逐个进行处理。在每个轮次中，AES算法会使用一个特定的子密钥对数据进行转换，加密轮数会根据密钥长度的不同而不同。

4. 最终轮

最终轮是最后一个加密轮，它和初始轮非常类似。

5. 密文输出

在完成所有加密轮后，最后一个加密块将成为密文。这个密文可以传输或存储在计算机系统中。

AES的三种加密模式

为了进一步保护数据安全，AES还提供了三种加密模式。

1. 电子密码本模式（ECB）

电子密码本模式是最基本的加密模式。在这种模式下，每个明文分组都独立地被加密，每个分组的加密都依赖于密钥。这种模式会产生某些安全性问题，例如明文相同的分组会产生相同的密文。

2. 密码块链模式（CBC）

密码块链模式是一种比电子密码本模式更安全的加密方式。在这种模式下，前一个密文块会与当前明文块进行异或操作，然后再进行加密。这种模式需要一个初始向量向量来开始加密，这个初始向量可以是任意的随机数，只需要满足密钥一致性即可。

3. 密码反馈模式（CFB）

密码反馈模式是一种流模式加密方式，它将密文部分作为下一分组的加密输入，最终拼接在一起，实现整个信息的加密过程。这种模式可以很好地处理不规则、可变长度的消息。

AES加密算法的安全性

AES是目前比较安全和可靠的加密算法之一。在相同的密钥长度和加密轮数下，没有已知的有效攻击AES算法的方法。但是，当对某些最新的处理器发布了新指令集，包括AES加速指令集，攻击者就可以使用这些指令优化AES加密算法的破解。因此，AES算法的安全性仍然依赖于密钥的长度和密码的保密性。

AES加密算法的应用场景

AES加密算法广泛应用于许多领域，包括金融、医疗、电信、政府和个人等领域。以下是AES加密算法的一些应用场景：

1. 金融领域：AES用于加密数据库、网络通信、移动终端和身份验证数据，以保护敏感数据的安全性。

2. 医疗领域：AES用于加密医疗记录和病人个人身份识别信息，以保护病人隐私和机密性。

3. 电信领域：AES用于移动设备和网络通信的安全性加密、加密通信内容和保护用户数据隐私。

4. 政府领域：AES用于政府安全通信、保护机密文档、保护政府网络和维护国家安全。

5. 个人领域：AES用于邮件加密、文件加密、网络保护等一系列安全保障。

AES加密算法的实际应用

下面介绍一个简单的AES加密算法的实现。在这个例子中，我们将使用Java编程语言进行实现。首先，我们需要在计算机上装好Java SDK。

我们使用Java内置的加密库javax.crypto进行AES算法的实现，代码如下：

```

import javax.crypto.Cipher;

import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

import java.util.Base64;

public class AESEncryptor {

private static final String ALGORITHEM = "AES";

private static final String CHARSET = "UTF-8";

public static String encrypt(String key, String str) throws Exception {

byte[] keyBytes = key.getBytes(CHARSET);

byte[] input = str.getBytes(CHARSET);

Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHEM);

SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(keyBytes, ALGORITHEM);

cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);

byte[] encrypted = cipher.doFinal(input);

return Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted);

}

public static String decrypt(String key, String str) throws Exception {

byte[] keyBytes = key.getBytes(CHARSET);

byte[] encrypted = Base64.getDecoder().decode(str);

Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHEM);

SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(keyBytes, ALGORITHEM);

cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);

byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);

return new String(decrypted, CHARSET);

}

public static void main(String[] args) throws Exception {

String key = "abcdefghijklmnop"; //密钥必须是16位、24位或32位

String input = "hello world!";

String encrypted = encrypt(key, input);

System.out.println("加密结果：" + encrypted);

String decrypted = decrypt(key, encrypted);

System.out.println("解密结果：" + decrypted);

}

}

```

这是一个简单的AES加密算法的示例，它读入一个字符串并进行加密和解密。

在main方法中，我们使用一个16位的密钥加密了输入字符串，并将结果输出到控制台。然后我们用相同的密钥解密加密好的字符串，并将结果输出到控制台。

总结

AES加密算法是保护数据安全的一个重要工具。它的应用范围非常广泛，包括金融、医疗、电信、政府和个人等领域。这篇文章介绍了AES加密算法的基本原理、加密流程、加密模式、安全性和应用场景等，同时给出了一个简单的Java语言实现示例。对于开发人员来说，理解AES加密算法和实现AES加密算法都非常重要。 如果你喜欢我们三七知识分享网站的文章， 欢迎您分享或收藏知识分享网站文章 欢迎您到我们的网站逛逛喔！https://www.ynyuzhu.com/