概述
加密算法分为单向加密和双向加密。
单向加密包括MD5，SHA等摘要算法。单向加密算法是不可逆的，也就是无法将加密后的数据恢复成原始数据，除非采取碰撞攻击和穷举的方式。像是银行账户密码的存储，一般采用的就是单向加密的方式。
双向加密是可逆的，存在密文的密钥，持有密文的一方可以根据密钥解密得到原始明文，一般用于发送方和接收方都能通过密钥获取明文的情况。双向加密包括对称加密和非对称加密。对称加密包括DES加密，AES加密等，非对称加密包括RSA加密，ECC加密。
AES算法全称Advanced Encryption Standard,是DES算法的替代者，也是当今最流行的对称加密算法之一。
AES基本概念
要想学习AES算法，首先要弄清楚三个基本的概念：密钥、填充、模式。
密钥
密钥是AES算法实现加密和解密的根本。对称加密算法之所以对称，是因为这类算法对明文的加密和解密需要使用同一个密钥。
AES支持三种长度的密钥：
128位，192位，256位
平时大家所说的AES128，AES192，AES256，实际上就是指的AES算法对不同长度密钥的使用。从安全性来看，AES256安全性最高。从性能来看，AES128性能最高。本质原因是它们的加密处理轮数不同。
填充
要想了解填充的概念，我们先要了解AES的分组加密特性。AES算法在对明文加密的时候，并不是把整个明文一股脑加密成一整段密文，而是把明文拆分成一个个独立的明文块，每一个明文块长度128bit。
这些明文块经过AES加密器的复杂处理，生成一个个独立的密文块，这些密文块拼接在一起，就是最终的AES加密结果。
但是这里涉及到一个问题：
假如一段明文长度是192bit，如果按每128bit一个明文块来拆分的话，第二个明文块只有64bit，不足128bit。这时候怎么办呢？就需要对明文块进行填充（Padding）。AES在不同的语言实现中有许多不同的填充算法，我们只举出集中典型的填充来介绍一下。
- NoPadding：
不做任何填充，但是要求明文必须是16字节的整数倍。
- PKCS5Padding（默认）：
如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字符，且每个字节的值等于缺少的字符数。
比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节，则补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6}
- ISO10126Padding：
如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字节，最后一个字符值等于缺少的字符数，其他字符填充随机数。
比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节，则可能补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,5,c,3,G,$,6}
需要注意的是，如果在AES加密的时候使用了某一种填充方式，解密的时候也必须采用同样的填充方式。
模式
AES的工作模式，体现在把明文块加密成密文块的处理过程中。AES加密算法提供了五种不同的工作模式：
ECB、CBC、CTR、CFB、OFB
模式之间的主题思想是近似的，在处理细节上有一些差别。我们这一期只介绍各个模式的基本定义。
- ECB模式（默认）：
电码本模式 Electronic Codebook Book
- CBC模式：
密码分组链接模式 CipherBlock Chaining
- CTR模式：
计算器模式 Counter
- CFB模式：
密码反馈模式 CipherFeedBack
- OFB模式：
输出反馈模式 OutputFeedBack
如果在AES加密的时候使用了某一种工作模式，解密的时候也必须采用同样的工作模式。
AES算法原理
AES加密主要包括两个步骤：密钥扩展和明文加密。
密钥扩展：将输入的密钥（16字节、24字节和32字节）进行扩展，根据密钥长度的不同，得到扩展后的密钥进行加密的轮数也不相同。
密钥扩展过程说明（密钥为16字节）：
- 将初始密钥以列为主，转化为4个32 bits的字，分别记为w[0…3]；
- 按照如下方式，依次求解w[j]，其中j是整数并且属于[4,43]；
- 若j%4=0,则w[j]=w[j-4]⊕g(w[j-1]),否则w[j]=w[j-4]⊕w[j-1]；
函数g的流程说明：
- 将w循环左移一个字节；
- 分别对每个字节按S盒进行映射；
- 与32 bits的轮常量Rcon[j]进行异或。
轮常量（Rcon）是一个字，最右边三个字节总为0。因此字与Rcon相异或，其结果只是与该字最左的那个字节相异或。每轮的轮常量不同，定位为Rcon[j] = (RC[j], 0, 0, 0)。（RC是一维数组）
RC生成函数：RC[1] = 1, RC[j] = 2 * RC[j – 1]。
因为16字节密钥的只进行10轮的扩展，所以最后生成的RC[j]的值按16进制表示为：
十轮的密钥扩展后，就能生成44个字大小的扩展密钥。扩展后的密钥将用于AES对明文的加密过程。
明文加密:无论是AES的加密和解密过程，都涉及到四个主要的步骤：字节代替、行移位、列混淆和轮密钥加。以下对这四个过程进行详细说明。
-
字节代替：将输入状态的每个字节使用S盒上对应的字节进行替换.
输入状态：是一个4×4的数组，数组内每个元素由输入的明文分组组成，按照列进行排序，比如输入的明文数据为193de3bea0f4e22b9ac68d2ae9f84808，则输入状态为
S盒是16×16个字节组成的矩阵，行列的索引值分别从0开始，到十六进制的F结束，每个字节的范围为（00-FF）。
进行字节代替的时候，把状态中的每个字节分为高4位和低4位。高4位作为行值，低4位作为列值，以这些行列值作为索引从S盒的对应位置取出元素作为输出，如下图所示：
S盒的构造方式如下：
（1） 按字节值得升序逐行初始化S盒。在行y列x的字节值是{yx}。
（2） 把S盒中的每个字节映射为它在有限域GF中的逆;{00}映射为它自身{00}。
（3） 把S盒中的每个字节的8个构成位记为(b7, b6, b5, b4, b3, b2, b1)。对S盒的每个字节的每个位做如下的变换：
ci指的是值为{63}的字节c的第i位。
解密过程逆字节代替使用的是逆S盒，构造方式为
字节d={05}。
- 行移位：状态的第一行保持不变。第二行循环左移一个字节，第三行左移两个字节，第四行循环左移三个字节。
逆向行移位将状态中后三行执行相反方向的移位操作，如第二行向右循环移动一个字节，其他行类似。
- 列混淆：将每列中的每个字节映射为一个新值，新值由该列中的4个字节通过函数变换得到。
要注意，图示的矩阵的乘法和加法都是定义在GF(2^8)上的。
逆向列混淆原理如下：
-
轮密钥加(AddRoundKey)：将当前分组和扩展密钥的一部分进行按位异或。
扩展密钥通过扩展密钥算法已经求出来了，所以这一步的步骤就是将分组与一部分扩展密钥按位异或操作。
轮密钥加后的分组再进行一次轮密钥加就能恢复原值.所以，只要经过密钥扩展和明文加密，就能将明文加密成密文，进行解密的时候，只需要进行逆向变换即可。
图[AES加密算法的流程]中还需要注意，明文输入到输入状态后，需要进行一轮的轮密钥加，对输入状态进行初始化。前9轮的加密过程，都需要进行字节替代、行移位、列混淆和轮密钥加，但是第10轮则不再需要进行列混淆。
进行解密的时候，需要进行逆向字节替代，逆向行移位、逆向列混淆和轮密钥加。
AES算法的Java实现
- 加密
/**
* AES加密字符串
*
* @param content
* 需要被加密的字符串
* @param password
* 加密需要的密码
* @return 密文
*/
public static byte[] encrypt(String content, String password) {
try {
KeyGenerator kgen = KeyGenerator.getInstance("AES");// 创建AES的Key生产者
kgen.init(128, new SecureRandom(password.getBytes()));// 利用用户密码作为随机数初始化出
// 128位的key生产者
//加密没关系，SecureRandom是生成安全随机数序列，password.getBytes()是种子，只要种子相同，序列就一样，所以解密只要有password就行
SecretKey secretKey = kgen.generateKey();// 根据用户密码，生成一个密钥
byte[] enCodeFormat = secretKey.getEncoded();// 返回基本编码格式的密钥，如果此密钥不支持编码，则返回
// null。
SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(enCodeFormat, "AES");// 转换为AES专用密钥
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");// 创建密码器
byte[] byteContent = content.getBytes("utf-8");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);// 初始化为加密模式的密码器
byte[] result = cipher.doFinal(byteContent);// 加密
return result;
} catch (NoSuchPaddingException e) {
e.printStackTrace();
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
e.printStackTrace();
} catch (InvalidKeyException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalBlockSizeException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BadPaddingException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
- 解密
/**
* 解密AES加密过的字符串
*
* @param content
* AES加密过过的内容
* @param password
* 加密时的密码
* @return 明文
*/
public static byte[] decrypt(byte[] content, String password) {
try {
KeyGenerator kgen = KeyGenerator.getInstance("AES");// 创建AES的Key生产者
kgen.init(128, new SecureRandom(password.getBytes()));
SecretKey secretKey = kgen.generateKey();// 根据用户密码，生成一个密钥
byte[] enCodeFormat = secretKey.getEncoded();// 返回基本编码格式的密钥
SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(enCodeFormat, "AES");// 转换为AES专用密钥
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");// 创建密码器
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);// 初始化为解密模式的密码器
byte[] result = cipher.doFinal(content);
return result; // 明文
} 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;
}
