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对称加密中的分组加密

一.分组长度、密钥长度、推荐轮数

二.输入输出分组的处理

举个例子：现在假设明文分组P为”abcdefghijklmnop”，则对应上面生成的状态矩阵图如下：

上图中，0x61为字符a的十六进制表示。可以看到，明文经过AES加密后，已经面目全非。

三.密钥扩展

类似地，128位密钥也是用字节为单位的矩阵表示，每一列32个字节称为一个字，所以初始密钥用字表示为W[0,3],通过密钥编排函数初始密钥被扩展为一个44字的序列。下面详细讲解扩展过程（密钥编排函数）:

新列以如下的递归方式产生(3<k<44）： 
1.如果k不是4的倍数:  W[k]=W[k-4]⨁W[k-1] 

2.如果k是4的倍数:     W[k]=W[k-4]⨁T(W[k-1]) 

举个例子： 
设初始的128位密钥为： 
0x3C A1 0B 21 57 F0 19 16 90 2E 13 80 AC C1 07 BD 
那么4个初始值为： 
W[0] = 3C A1 0B 21 
W[1] = 57 F0 19 16 
W[2] = 90 2E 13 80 
W[3] = AC C1 07 BD 
下面求扩展的第1轮的子密钥(W[4],W[5],W[6],W[7])。 
由于4是4的倍数，所以： 
W[4] = W[0] ⨁ T(W[3]) 
T(W[3])的计算步骤如下： 
1. 循环地将W[3]的元素移位：AC C1 07 BD变成C1 07 BD AC; 
2. 将 C1 07 BD AC 作为S盒的输入，输出为78 C5 7A 91; 
3. 将78 C5 7A 91与第一轮轮常量Rcon[1]进行异或，得到79 C5 7A 91，因此，T(W[3])=79 C5 7A 91，故 
W[4] = 3C A1 0B 21 ⨁ 79 C5 7A 91 = 45 64 71 B0 
其余的3个子密钥段的计算如下： 
W[5] = W[1] ⨁ W[4] = 57 F0 19 16 ⨁ 45 64 71 B0 = 12 94 68 A6 
W[6] = W[2] ⨁ W[5] =90 2E 13 80 ⨁ 12 94 68 A6 = 82 BA 7B 26 
W[7] = W[3] ⨁ W[6] = AC C1 07 BD ⨁ 82 BA 7B 26 = 2E 7B 7C 9B 
所以，第一轮的密钥为 45 64 71 B0 12 94 68 A6 82 BA 7B 26 2E 7B 7C 9B。

四.加密解密过程

1.字节代换

1.1字节代换操作

AES的字节代换其实就是一个简单的映射操作。AES定义了一个S盒和一个逆S盒。 

AES的S盒：

把上一轮的轮密钥加输出作为输入，把输入组每一字节的高4位作为行值，低4位作为列值， 查映射表，得到输出。

1.2 字节代换逆操作

逆字节代换也就是查逆S盒来变换，逆S盒如下：

2.行移位

2.1行移位操作

行移位是一个简单的左循环移位操作。当密钥长度为128比特时，字节代换的输出组的第0行左移0字节，第1行左移1字节，第2行左移2字节，第3行左移3字节，如下图所示： 

2.2 行移位的逆变换

行移位的逆变换是将状态矩阵中的每一行执行相反的移位操作，例如AES-128中，状态矩阵的第0行右移0字节，第1行右移1字节，第2行右移2字节，第3行右移3字节。

3.列混合

3.1列混合操作

列混合变换是通过矩阵相乘来实现的，经行移位后的状态矩阵与固定的矩阵相乘，得到混淆后的状态矩阵，如下图的公式所示： 

      列混淆输出矩阵                                                                                  行移位输出矩阵

状态矩阵中的第j列(0 ≤j≤3)的列混合可以表示为下图所示： 

其中，矩阵元素的乘法和加法都不是通常意义上的乘法和加法。二元运算的加法等价于两个字节的异或，乘法则复杂一点。对于一个8位的二进制数来说，使用域上的乘法乘以(00000010)等价于左移1位(低位补0)后，再根据情况同(00011011)进行异或运算，设S1 = (a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0)，刚0x02 * S1如下图所示： 

也就是说，如果a7为1，则进行异或运算，否则不进行。 
类似地，乘以(00000100)可以拆分成两次乘以(00000010)的运算： 

乘以(0000 0011)可以拆分成先分别乘以(0000 0001)和(0000 0010)，再将两个乘积异或： 

第二个等号后面是错的

因此，我们只需要实现乘以2的函数，其他乘法都可以通过组合来实现。 

3.2 列混合逆运算

逆向列混合变换可由下图的矩阵乘法定义： 
 
可以验证，逆变换矩阵同正变换矩阵的乘积恰好为单位矩阵。

4.轮密钥加

将本轮的列混淆输出同本轮密钥组w[4,7]异或

五、算法Java实现

package EncryptAndDecrypt;

import sun.misc.BASE64Decoder;
import sun.misc.BASE64Encoder;

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

/**
 * 对称加密之AES加密算法，调用java的API
 *
 */
public class MyAES {

    /**
     * 加密
     * @param content
     * @param strKey
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] encrypt(String content,String strKey ) throws Exception {
        SecretKeySpec skeySpec = getKey(strKey);//密钥
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec("0102030405060708".getBytes());//向量空间
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec, iv);
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(content.getBytes());//加密
        return  encrypted;
    }

    /**
     * 解密
     * @param strKey
     * @param content
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String decrypt(byte[] content,String strKey ) throws Exception {
        SecretKeySpec skeySpec = getKey(strKey);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec("0102030405060708".getBytes());
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec, iv);
        byte[] original = cipher.doFinal(content);
        String originalString = new String(original);
        return originalString;
    }

    private static SecretKeySpec getKey(String strKey) throws Exception {
        byte[] arrBTmp = strKey.getBytes();
        byte[] arrB = new byte[16]; // 创建一个空的16位字节数组（默认值为0）

        for (int i = 0; i < arrBTmp.length && i < arrB.length; i++) {
            arrB[i] = arrBTmp[i];
        }

        SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(arrB, "AES");

        return skeySpec;
    }

    /**
     * base 64 encode
     * @param bytes 待编码的byte[]
     * @return 编码后的base 64 code
     */
    public static String base64Encode(byte[] bytes){
        return new BASE64Encoder().encode(bytes);
    }

    /**
     * base 64 decode
     * @param base64Code 待解码的base 64 code
     * @return 解码后的byte[]
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] base64Decode(String base64Code) throws Exception{
        return base64Code.isEmpty() ? null : new BASE64Decoder().decodeBuffer(base64Code);
    }

    /**
     * 将加密后的数据进行base 64编码
     * @param content 待加密的内容
     * @param encryptKey 加密密钥
     * @return 加密后的base 64 code
     * @throws Exception
     */
    public static String aesEncrypt(String content, String encryptKey) throws Exception {
        return base64Encode(encrypt(content, encryptKey));
    }
    /**
     * 将密文base 64解码后再解密
     * @param encryptStr 密文
     * @param decryptKey 解密密钥
     * @return 解密后的string
     * @throws Exception
     */
    public static String aesDecrypt(String encryptStr, String decryptKey) throws Exception {
        return encryptStr.isEmpty() ? null : decrypt(base64Decode(encryptStr), decryptKey);
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        String input = "搞事情";
        System.out.println("加密前：" + input);
        String key = "justarandomk";

        //AES
        String encrypt = MyAES.aesEncrypt(input, key);
        System.out.println("AES加密后：" + encrypt);
        String decrypt = MyAES.aesDecrypt(encrypt, key);
        System.out.println("AES解密后：" + decrypt);
	}
}

运行结果：

加密前：搞事情
AES加密后：wrCt67lGxEk1bMHo2TZqkQ==
AES解密后：搞事情