加密算法之对称加密（AES加密） 及在jdk中应用

加密算法之安全hash算法、RSA非对称加密算法分析

前言

之前分析过加密算法中hash算法和非对称加密算法（RSA）包括费马小定理和欧拉函数推导了一下，对加密算法有个大概的理解，素数的应用，继续分析一下对称加密算法，并且在jdk中的应用。

AES概念

 AES算法又叫高级加密标准，包括在https中都使用AES进行加密。是一种区块加密技术，把原文分成128位每块的数据，对每块单独进行加密

在https  在网络中传输 使用到了AES加密

 https采用的套接字，加密组合方式不一样，自然就不一样，在浏览器请求的时候

以128位一个区块位明文进行加密为例，对每一块进行加密和解密，16个字节

 特点：

每次取16个字节进行加密。其中涉及到base64的概念，base64是二进制数据用字符表示。base64转换。

主要进行下面图进行变换

通过一块内容去分析如何加密的

 需要进行字节替换 有S-BOX 替换

static uint8_t g_aes_sbox[256] = 
{
    // 0     1     2     3     4     5     6     7     8     9     a     b     c     d     e     f
    0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76, // 0
    0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0, 0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0, // 1
    0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc, 0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15, // 2
    0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a, 0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75, // 3
    0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0, 0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84, // 4
    0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b, 0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf, // 5
    0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85, 0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8, // 6
    0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5, 0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2, // 7
    0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17, 0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73, // 8
    0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88, 0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb, // 9
    0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c, 0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79, // a
    0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9, 0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08, // b
    0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6, 0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b, 0x8a, // c
    0x70, 0x3e, 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03, 0xf6, 0x0e, 0x61, 0x35, 0x57, 0xb9, 0x86, 0xc1, 0x1d, 0x9e, // d
    0xe1, 0xf8, 0x98, 0x11, 0x69, 0xd9, 0x8e, 0x94, 0x9b, 0x1e, 0x87, 0xe9, 0xce, 0x55, 0x28, 0xdf, // e
    0x8c, 0xa1, 0x89, 0x0d, 0xbf, 0xe6, 0x42, 0x68, 0x41, 0x99, 0x2d, 0x0f, 0xb0, 0x54, 0xbb, 0x16  // f
};

• 在S-BOX中对应找到明文对应位置上的数据，替换明文中的内容如：19    在S-BOX中为d4    就用d4替换19原来的位置，做一遍替换；

•  2.ShiftRows（行位移）对每一行执行行号次循环左移8位得到下面的

 

 

•  3.MixColumns（列混淆）对每一列都乘以MC距阵，再替换当前列

 

 最后得到

•  4.AddRoundKey（轮密钥加）

 Round key第一次是使用密钥产生一个128位的安全随机数和明文进行异或得到的，上次的操作的结果和轮匙执行异或操作

密码的矩阵

•  然后得到

 解密（密钥扩展）

做异或操作

• 先把最后一列的第一个移到最下面

• 把第一列异或上次结果再异或RCON距阵中的第一列，RCON中删除第一列

static uint8_t g_aes_invsbox[256] = 
{
    // 0     1     2     3     4     5     6     7     8     9     a     b     c     d     e     f
    0x52, 0x09, 0x6a, 0xd5, 0x30, 0x36, 0xa5, 0x38, 0xbf, 0x40, 0xa3, 0x9e, 0x81, 0xf3, 0xd7, 0xfb, // 0
    0x7c, 0xe3, 0x39, 0x82, 0x9b, 0x2f, 0xff, 0x87, 0x34, 0x8e, 0x43, 0x44, 0xc4, 0xde, 0xe9, 0xcb, // 1
    0x54, 0x7b, 0x94, 0x32, 0xa6, 0xc2, 0x23, 0x3d, 0xee, 0x4c, 0x95, 0x0b, 0x42, 0xfa, 0xc3, 0x4e, // 2
    0x08, 0x2e, 0xa1, 0x66, 0x28, 0xd9, 0x24, 0xb2, 0x76, 0x5b, 0xa2, 0x49, 0x6d, 0x8b, 0xd1, 0x25, // 3
    0x72, 0xf8, 0xf6, 0x64, 0x86, 0x68, 0x98, 0x16, 0xd4, 0xa4, 0x5c, 0xcc, 0x5d, 0x65, 0xb6, 0x92, // 4
    0x6c, 0x70, 0x48, 0x50, 0xfd, 0xed, 0xb9, 0xda, 0x5e, 0x15, 0x46, 0x57, 0xa7, 0x8d, 0x9d, 0x84, // 5
    0x90, 0xd8, 0xab, 0x00, 0x8c, 0xbc, 0xd3, 0x0a, 0xf7, 0xe4, 0x58, 0x05, 0xb8, 0xb3, 0x45, 0x06, // 6
    0xd0, 0x2c, 0x1e, 0x8f, 0xca, 0x3f, 0x0f, 0x02, 0xc1, 0xaf, 0xbd, 0x03, 0x01, 0x13, 0x8a, 0x6b, // 7
    0x3a, 0x91, 0x11, 0x41, 0x4f, 0x67, 0xdc, 0xea, 0x97, 0xf2, 0xcf, 0xce, 0xf0, 0xb4, 0xe6, 0x73, // 8
    0x96, 0xac, 0x74, 0x22, 0xe7, 0xad, 0x35, 0x85, 0xe2, 0xf9, 0x37, 0xe8, 0x1c, 0x75, 0xdf, 0x6e, // 9
    0x47, 0xf1, 0x1a, 0x71, 0x1d, 0x29, 0xc5, 0x89, 0x6f, 0xb7, 0x62, 0x0e, 0xaa, 0x18, 0xbe, 0x1b, // a
    0xfc, 0x56, 0x3e, 0x4b, 0xc6, 0xd2, 0x79, 0x20, 0x9a, 0xdb, 0xc0, 0xfe, 0x78, 0xcd, 0x5a, 0xf4, // b
    0x1f, 0xdd, 0xa8, 0x33, 0x88, 0x07, 0xc7, 0x31, 0xb1, 0x12, 0x10, 0x59, 0x27, 0x80, 0xec, 0x5f, // c
    0x60, 0x51, 0x7f, 0xa9, 0x19, 0xb5, 0x4a, 0x0d, 0x2d, 0xe5, 0x7a, 0x9f, 0x93, 0xc9, 0x9c, 0xef, // d
    0xa0, 0xe0, 0x3b, 0x4d, 0xae, 0x2a, 0xf5, 0xb0, 0xc8, 0xeb, 0xbb, 0x3c, 0x83, 0x53, 0x99, 0x61, // e
    0x17, 0x2b, 0x04, 0x7e, 0xba, 0x77, 0xd6, 0x26, 0xe1, 0x69, 0x14, 0x63, 0x55, 0x21, 0x0c, 0x7d  // f
};

把矩阵进行异或 进行操作

• 把第一列异或上次结果再异或RCON距阵中的第一列，RCON中删除第一列

• 结果异或第二列 结果再与第三列异或  结果再与第四列异或 

•  接下来以最后四列重复执行上面的所有操作，直到RCON用完，即得到明文

这也是最后加密和解密过程

AES代码实现

• 首先创建字符串用来获取对应的加密算法 

public static String ALGORITHM="AES";

• 创建加密算法键生产对象

 public static byte[] encrypt(String content,String password) throws Exception{
 //创建AES的key生产者
        KeyGenerator kgen=KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM);
}

• 然后生成密钥，这里安全的随机数，密码学中使用的

 public static byte[] encrypt(String content,String password) throws Exception{
  //创建AES的key生产者
        KeyGenerator kgen=KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM);
        //利用用户密码作为随机数初始化
        kgen.init(128,new SecureRandom(password.getBytes()));
        //根据用户密码，生成一个密钥  (所有对称算法通用的)
        SecretKey secretKey=kgen.generateKey();
}

• 对密钥 对密钥进行基本的编码，这些是通用的

 public static byte[] encrypt(String content,String password) throws Exception{
  //创建AES的key生产者
        KeyGenerator kgen=KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM);
        //利用用户密码作为随机数初始化
        kgen.init(128,new SecureRandom(password.getBytes()));
        //根据用户密码，生成一个密钥  (所有对称算法通用的)
        SecretKey secretKey=kgen.generateKey();

       //对密钥进行基本的编码
        byte[] enCodeFormat=secretKey.getEncoded();
        //转换成AES专用的密钥 RoundKey
        SecretKeySpec key=new SecretKeySpec(enCodeFormat,ALGORITHM);
        //创建一个密码器
        Cipher cipher=Cipher.getInstance(ALGORITHM);
}

• 进行加密

 public static byte[] encrypt(String content,String password) throws Exception{
  //创建AES的key生产者
        KeyGenerator kgen=KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM);
        //利用用户密码作为随机数初始化
        kgen.init(128,new SecureRandom(password.getBytes()));
        //根据用户密码，生成一个密钥  (所有对称算法通用的)
        SecretKey secretKey=kgen.generateKey();

       //对密钥进行基本的编码
        byte[] enCodeFormat=secretKey.getEncoded();
        //转换成AES专用的密钥 RoundKey
        SecretKeySpec key=new SecretKeySpec(enCodeFormat,ALGORITHM);
        //创建一个密码器
        Cipher cipher=Cipher.getInstance(ALGORITHM);

       //开始加密
        byte[] byteContent=content.getBytes();
        //初始化为加密模式
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,key);
        //加密
        byte[] result=cipher.doFinal(byteContent);
        //如果数据很多，就用 cipher.update(),最后才用cipher.doFinal()

        return result;
}

完成整个加密。主要是放到对称生成方法中的,默认16个字节的，如果数据很多，要放到数组中，在进行加密的。对于常用的加密算法都可以使用该方法。

JDK的支持

MessageDigest 单向加密 
KeyGenerator   对称
KeyPairGenerator   非对称

解密

基本都是差不多的，只是将模式变一下，密码器重新初始化。

 public static byte[] decrypt(byte[] content,String password) throws Exception{
        //创建AES的key生产者
        KeyGenerator kgen=KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM);
        //利用用户密码作为随机数初始化
        kgen.init(128,new SecureRandom(password.getBytes()));
        //根据用户密码，生成一个密钥  (所有对称算法通用的)
        SecretKey secretKey=kgen.generateKey();
        //对密钥进行基本的编码
        byte[] enCodeFormat=secretKey.getEncoded();
        //转换成AES专用的密钥 RoundKey
        SecretKeySpec key=new SecretKeySpec(enCodeFormat,ALGORITHM);
        //创建一个密码器
        Cipher cipher=Cipher.getInstance(ALGORITHM);

        //解密
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,key);
        byte[] result=cipher.doFinal(content);
        return result;
    }

数据量比较大时，写个循环进行解密。

RSA代码实现

首先指定key的位数， 指定公钥和私钥的文件

 public static String ALGORITHM="RSA";

    //指定key的位数   N的位数
    public static int KEYSIZE=1024;//65536

    //指定公钥的存放文件
    public static String PUBLIC_KEY_FILE="public_key.dat";

    //指定私钥的存放文件
    public static String PRIVATE_KEY_FILE="private_key.dat";

例如下面生成密钥对

 /**
     * 生成密钥对   公(e,n)  私(d,n)
     */
    public static void generateKeyPair() throws Exception{
        SecureRandom sr=new SecureRandom();
        //需要一个KeyPairGenerator对象
        KeyPairGenerator keyPairGenerator=KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM);

        keyPairGenerator.initialize(KEYSIZE,sr);
        //生成密钥对
        KeyPair keyPair=keyPairGenerator.generateKeyPair();

        //得到公钥
        Key publicKey=keyPair.getPublic();
        //得到私钥
        Key privateKey=keyPair.getPrivate();

        //可以写入文件后，这两个文件分别放到服务器和客户端
        ObjectOutputStream objectOutputStream1 = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(PUBLIC_KEY_FILE));
        ObjectOutputStream objectOutputStream2 = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(PRIVATE_KEY_FILE));
        objectOutputStream1.writeObject(publicKey);
        objectOutputStream2.writeObject(privateKey);
        objectOutputStream2.close();
        objectOutputStream1.close();


    }

加密和解密的代码这里多了一步读取公钥和私钥的方法

 //取出公钥
        ObjectInputStream ois=new ObjectInputStream(new FileInputStream(PUBLIC_KEY_FILE));
        Key key=(Key)ois.readObject();

包括下面的单向加密，也就是sha安全的hash算法实现。

String result= Sha2Crypt.sha256Crypt("sha".getBytes());
        System.out.println(result);

总结

三种加密算法的来源都是分线性的函数，根据不同的组合方式进行加密，使得数据解密是非常困难的，就算是计算机的计算能力这么强的，也没办法计算出来。因此，了解过程是非常有必要的。在之后的扩展及应用，根据不同的变化而变化的