AES 加密算法原理详解及实现

一、前言

随着互联网的发展，越来越多的数据需要在网络中进行传输。为了保证数据的安全性，在进行网络传输时，需要对数据进行加密操作，使得数据在传输过程中不被窃取或篡改。AES（Advanced Encryption Standard）就是一种经典的加密算法。

AES 算法源于比利时密码学家 Joan Daemen 和 Vincent Rijmen，它是一种对称加密算法，通过使用相同的密钥对数据进行加密和解密操作。AES 算法中，加密和解密操作是相反的过程，因此需要使用相同的密钥作为加密和解密的关键参数。

AES 算法使用分组密码体制，将明文按照固定大小进行分组，然后对每一分组进行加密。在加密过程中，AES 算法采用了多轮加密的方式，每一轮加密都包含了四种操作：SubBytes、ShiftRows、MixColumns 和 AddRoundKey。通过这些操作，AES 算法可以更加安全高效地对数据进行加密。

二、AES 加密算法原理

AES 加密算法是一种分组密码体制，将明文按照固定大小进行分组，然后对每一分组进行加密。在加密过程中，AES 算法采用了多轮加密的方式，每一轮加密都包含了四种操作：SubBytes、ShiftRows、MixColumns 和 AddRoundKey。

AES 加密算法中，加密和解密操作是相反的过程，因此需要使用相同的密钥作为加密和解密的关键参数。AES 算法支持三种密钥长度：128 比特、192 比特和 256 比特，对于不同长度的密钥，AES 算法采用不同的轮数进行加密。

下面我们将详细介绍 AES 加密算法的基本原理。

1. 明文分组

在 AES 加密算法中，明文被分成若干个固定长度的块。常见的分组长度为 128 比特，即每个明文块包含 16 个字节。如果明文长度不是 16 的整数倍，则需要进行填充操作。

2. 密钥扩展

在 AES 加密算法中，密钥扩展过程是非常重要的。在密钥扩展过程中，将初始密钥扩展成多个轮密钥，用于与明文一起进行加密。

AES 算法中的密钥长度可以是 128 比特、192 比特或 256 比特。对于不同长度的密钥，需要经过不同的轮数来扩展密钥。具体而言，128 比特密钥需要经过 10 轮扩展，192 比特密钥需要经过 12 轮扩展，256 比特密钥需要经过 14 轮扩展。

3. 轮变换

在 AES 加密算法中，加密和解密都需要进行多轮变换。每一轮变换都包括四个操作：SubBytes、ShiftRows、MixColumns 和 AddRoundKey。

SubBytes

SubBytes 操作是一个字节替换操作。在该操作中，通过查表的方式将输入的 16 个字节替换成新的 16 个字节。在替换过程中，使用的表格称为 S-盒（S-box）。

S-盒是一张固定大小的表格，由 256 个字节组成。通过输入表格中的某一字节，就可以得到表格中对应的输出字节。在 AES 算法中，SubBytes 操作通常是一个线性变换，它可以改变每一个字节的值，使得加密后的结果更加混乱和安全。

ShiftRows

ShiftRows 操作是一个行移位操作。在该操作中，AES 算法将明文分成四行，然后将每一行进行循环移位，从而改变明文的排列方式。具体而言，第一行不变，第二行循环左移一个字节，第三行循环左移两个字节，第四行循环左移三个字节。

ShiftRows 操作可以改变明文中每一行的排列方式，从而增加了加密算法的难度，使得加密后的结果更加难以破解。

MixColumns

MixColumns 是一个列混淆操作。在该操作中，AES 算法对每一列进行混淆，从而改变了明文的结构。具体而言，AES 算法使用固定的矩阵进行变换，将每一列替换成另一列，从而实现混淆操作。

MixColumns 操作可以改变明文中每一列数据的排列方式，使得加密后的结果更加难以破解。

AddRoundKey

AddRoundKey 操作是一个异或操作。在该操作中，将扩展后的轮密钥与明文进行异或运算，得到加密后的结果。

AddRoundKey 操作是 AES 算法中最重要的一个操作，它将密钥和明文进行混合。由于轮密钥是通过扩展初始密钥得到的，因此每一轮加密时使用的密钥都不同，从而增加了破解的难度。

4. 最终输出

经过多轮加密变换后，AES 算法输出加密后的结果。如果明文的长度不是 16 的整数倍，则需要进行填充操作。常见的填充方式有两种：PKCS5Padding 和 ZeroPadding。其中，PKCS5Padding 在明文长度不是 16 的整数倍时，会添加相应数量的字节使其满足 16 的整数倍，而 ZeroPadding 则直接在明文末尾添加 0 字节，使其满足 16 的整数倍。

三、AES 加密算法实现

在 Java 中，可以使用 javax.crypto 包中的 Cipher 类来实现 AES 加密和解密。Cipher 类提供了多种 AES 加密模式，例如 ECB 和 CBC 等，以及多种填充方式，例如 NoPadding、PKCS5Padding 和 ISO10126Padding 等。

1. 加密操作

在 Java 中，可以通过下面的代码实现 AES 加密操作：

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

public class AesUtil {
    private static final String ALGORITHM = "AES";
    private static final String TRANSFORMATION = "AES/ECB/PKCS5Padding";

    /**
     * 加密数据
     *
     * @param data 待加密数据
     * @param key  加密密钥
     * @return 加密后的结果
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] encrypt(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
        // 创建 AES 密钥
        SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM);

        // 创建加密器
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec);

        // 加密数据
        byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data);

        // 返回加密后的结果
        return encryptedData;
    }
}

在上述代码中，我们使用了 javax.crypto 包中的 Cipher 类来完成 AES 加密的操作。其中 TRANSFORMATION 指定加密模式以及填充方式，ALGORITHM 指定加密算法。在 encrypt() 方法中，我们首先创建一个 SecretKeySpec 对象作为 AES 密钥。然后，我们创建一个 Cipher对象，指定加密模式和填充方式，并使用密钥初始化加密器。最后，我们将明文数据传入 doFinal() 方法，执行加密操作，并返回加密后的结果。

2. 解密操作

在 Java 中，可以通过下面的代码实现 AES 解密操作：

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

public class AesUtil {
    private static final String ALGORITHM = "AES";
    private static final String TRANSFORMATION = "AES/ECB/PKCS5Padding";

    /**
     * 解密数据
     *
     * @param data 待解密数据
     * @param key  解密密钥
     * @return 解密后的结果
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] decrypt(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
        // 创建 AES 密钥
        SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM);

        // 创建解密器
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec);

        // 解密数据
        byte[] decryptedData = cipher.doFinal(data);

        // 返回解密后的结果
        return decryptedData;
    }
}

在上述代码中，我们使用了 javax.crypto 包中的 Cipher 类来完成 AES 解密的操作。与加密操作类似，我们同样需要指定解密模式和填充方式，创建 SecretKeySpec 对象作为 AES 密钥，并使用密钥初始化解密器。最后，我们将密文数据传入 doFinal() 方法，执行解密操作，并返回解密后的结果。

四、AES 加密算法在实际应用中的使用场景

AES 加密算法在实际应用中被广泛使用，常用场景包括：

1. 数据库加密

在数据库应用中，通常需要对敏感数据进行保护。为了确保数据在传输和存储过程中的安全性，可以使用 AES 加密算法对数据进行加密。例如，在用户管理系统中，用户的登录名和密码可以使用 AES 加密算法进行加密存储，以防止数据库泄露导致用户信息被窃取。

2. 安全传输

在互联网应用中，通常需要对数据进行加密传输，以保证数据在传输过程中的安全性。例如，在网上银行中，用户的账号密码等敏感信息可以使用 AES 加密算法进行加密传输，以防止黑客攻击和中间人窃听等安全问题。

3. 移动设备安全

在移动设备应用中，通常需要对数据进行本地存储和传输。为了保证移动设备和数据在传输和存储过程中的安全性，可以使用 AES 加密算法对数据进行加密。例如，在手机应用中，用户的个人信息和隐私数据可以使用 AES 加密算法进行本地存储和传输，以防止设备丢失或者被盗后，个人信息被泄露。

综上，AES 加密算法是一种安全高效的加密算法，在实际应用中被广泛使用。在进行数据传输和存储时，应该优先考虑使用 AES 加密算法对数据进行保护。