最近恶补了一些关于加密算法的知识，然后用编程语言的来实现
AES简介高级加密标准(AES,Advanced Encryption Standard)为最常见的 对称加密算法 (微信小程序加密传输就是用这个加密算法的)。 对称加密算法也就是加密和解密用相同的密钥 ，具体的加密流程如下图：
下面简单介绍下各个部分的作用与意义：
明文P没有经过加密的数据
密钥K用来加密明文的密码， 在对称加密算法中，加密与解密的密钥是相同的 ，密钥为接收方与发送方协商产生，但不可以直接在网络上传输，否则会导致密钥泄露，通常是通过非对称加密算法加密密钥，然后再通过网络传输给对方，或者直接面对面商量密钥。密钥绝对不能泄露，否则会被攻击者还原密钥，窃取数据
AES加密函数设AES加密函数为E，则 C = E(K,P) .其中P为明文，K为密钥，C为密文。也就是说，把明文P和密钥K作为加密函数的参数输入，则加密函数E会输出密文C
密文C经过加密函数处理后的数据
AES解密函数设AES解密函数为D，则 P = D() .其中C为密文，K为密钥，P为明文。也就是说，把密文C和密钥K作为解密函数的参数输入，则解密函数会输出明文P
这里简单解释下 对称加密算法 和 非对称加密算法
对称加密算法加密和解密使用的密钥是相同的，这种加密方式加密 速度非常快 ，适合经常发送数据的场合。 缺点是密钥的传输比较麻烦
非对称加密算法加密和解密使用的密钥是不同的，这种加密方式是用数学定理或者公式构造的，通常加密解密的 速度比较慢 ，适合偶尔发送数据的场合。 优点是密钥传输方便 。常见的非对称加密算法为RSA、ECC和EIGamal
实际中，一般是通过RSA加密AES的密钥，传输到接收方，接收方解密得到AES密钥
AES的基本结构AES为分组密码，分组密码也就是把明文分成一组一组的，每组长度相等，每次加密一组数据，直到加密完所有组。在AES标准规范中，分组长度只能是128位，也就是说，每个分组为16个字节。密钥的长度可以使用128位、192位或256位。密钥的长度不同，推荐加密轮数也不同。如下表所示：
AES 密钥长度（32bit） 分组长度（32bit） 加密轮数 AES-128 4 4 10 AES-192 6 4 12 AES-256 8 4 14上面说到，AES的加密公式为 C = E(K,P) ，在加密函数E种，会执行一个轮函数，并且执行n(n为加密轮数)次这个轮函数，这个轮函数的前n-1次执行的操作是一样的，只有第n次有所不同
AES的处理单位是字节，128位的输入明文分组P和输入密钥K都被分成16字节，分别记为$P = P_0,P_1,...,P_{15}$和$K = K_0,K_1,...,K_{15}$。如明文分组为P=abcdefghijklmnop，其中字符a对应$P_0$，p对应$P_{15}$。一般地，明文分组用字节为单位地正方形矩阵描述，称为状态矩阵。在算法地每一轮中，状态矩阵地内容不断发生变化，最后的结果作为密文输出。该矩阵中字节地排列顺序为从上到下、从左至右依次排列，如下图所示：
现在假设明文分组P=abcdefghijklmnop，则对应上面生成地状态矩阵图如下：
上图中，0x61为a字符的十六进制表示，可以看到，明文经过AES加密后，已经面目全非了
类似地，128位密钥也是用以字节为单位的矩阵表示，矩阵的每一列被称为1个32为比特字。通过密钥编排函数可以将该密钥矩阵扩展成一个44字组成的序列W[0],W[1],...,W[43]。该序列的前4个元素W[0],W[1],W[2],W[3]是原始密钥，用于加密运算中的初始密钥。后面40个字分为10组，每组4个字（128bit）分别用于10轮加密运算中的轮密钥加，如下图所示：
上图中，设K=abcdefghijklmnop，则$K_0=a,K_{15}=p$，w[0]$=K_0k_1K_2K_3=abcd$ AES整体的结构如下图所示，其中W[0,3]是指W[0]、W[1]、W[2]和W[3]串联组成的128位密钥。加密的第一轮到第9轮的轮函数一样，包括4个操作，字节代换、行位移、列混合和轮密钥加。最后一轮迭代不执行列混合。另外，在第一轮迭代之前，先将明文和原始密钥进行一次异或加密操作
上图也展示了AES的解密过程，解密过程仍为10轮，每一轮的操作是加密操作的逆操作。由于AES的4个轮操作都是可逆的，因此，解密操作的每一轮就是顺序执行逆行移位、逆字节代换、轮密钥加和逆列混合。同加密操作类似，最后一轮不执行逆列混合，在第1轮解密之前，要执行1次密钥加操作
下面分别介绍AES中一轮的4个操作阶段，这4分操作阶段使输入位得到充分的混淆
字节代换 1.字节代换操作AES的字节代换其实就是一个简单的查表操作。AES定义了一个S盒和一个逆S盒
AES的S盒：
把该字节的高4位作为行值，低4位作为列值，取出S盒或者逆S盒中对应的行的元素作为输出。例如，加密时，输出的字节S1为0x12,则查S盒的第0x01行和0x02列，得到值0xc9,然后替换S1原有的0x12为0xc9。状态矩阵经字节代换后的图如下：
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：
行位移 1.行位移变换
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，状态矩阵的第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.行位移逆变换
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
列混合 1.列混合预算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：
状态矩阵中的第j列(0 ≤j≤3)的列混合可以表示为：
$$
S'_{0,j} = (2 S_{0,j}) \oplus (3 S_{1,j}) \oplus S_{2,j} \oplus S_{3,j}
S'_{1,j} = S_{0,j} \oplus (2 S_{1,j}) \oplus (3 S_{2,j}) \oplus S_{3,j}
S'_{2,j} = S_{0,j} \oplus S_{1,j} \oplus (2 S_{2,j}) \oplus (3 S_{3,j})
S'_{3,j} = (3 S_{0,j}) \oplus S_{1,j} \oplus S_{2,j} \oplus (2 S_{3,j})
$$
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
轮密钥加 轮密钥加是将128位轮密钥$K_i$同状态矩阵中的数据进行逐位异或操作，如下图所示。其中，密钥$K_i$中每个字W[4i],W[4i+1],W[4i+2],W[4i+3]为32位比特字，包含4个字节，他们的生成算法下面在下面介绍。轮密钥加过程可以看成是字逐位异或的结果，也可以看成字节级别或者位级别的操作。也就是说，可以看成S0 S1 S2 S3 组成的32位字与W[4i]的异或运算
轮密钥加的逆运算同正向的轮密钥加运算完全一致，这是因为异或的逆操作是其自身。轮密钥加非常简单，但却能够影响S数组中的每一位
密钥扩展
这个4*4矩阵的每一列的4个字节组成一个字，矩阵4列的4个字依次命名为W[0]、W[1]、W[2]和W[3]，它们构成一个以字为单位的数组W。例如，设密钥K=abcdefghijklmnop，则$K_0 = a,K_1 = b,K_2 = c,K_3 = d$,W[0] = abcd
接着，对W数组扩充40个新列，构成总共44列的扩展密钥数组。新列以如下的递归方式产生：
W[i]=W[i-4]W[i-1] W[i]=W[i-4]T(W[i-1])其中，函数T由3部分组成：字循环、字节代换和轮常量异或，这3部分的作用分别如下：
字循环：将1个字中的4个字节循环左移1个字节。即将输入字[b0, b1, b2, b3]变换成[b1,b2,b3,b0] 字节代换：对字循环的结果使用S盒进行字节代换 轮常量异或：将前两步的结果同轮常量Rcon[j]进行异或，其中j表示轮数 轮常量Rcon[j]是一个字，其值见下表： j 1 2 3 4 5 Rcon[j] 01 00 00 00 02 00 00 00 04 00 00 00 08 00 00 00 10 00 00 00 j 6 7 8 9 10 Rcon[j] 20 00 00 00 40 00 00 00 80 00 00 00 1B 00 00 00 36 00 00 00举个例子，设初始的128为密钥为： 3C 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： 循环地将W[3]的元素移位： AC C1 07 BD 变成 C1 07 BD AC 将 C1 07 BD AC 作为S盒的输入，输出为 78 C5 7A 91 将 78 C5 7A 91 与第一轮轮常量Rcon[1]进行异或运算，将得到 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
Java实现AES算法由于Java有自带的函数，因此可以直接调用
首先生成密钥，密钥是 SecretKey 类型的对象
static final String ALGORITHM = "AES"; public static SecretKey generateKey() throws NoSuchAlgorithmException { // 生成密钥 KeyGenerator secretGenerator = KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM); SecureRandom secureRa