AES算法C/C++/Java/Python等编程语言实现详解及源码示例
编辑：本站更新：2024-04-29 15:16:12人气：525
一、AES（Advanced Encryption Standard）算法概述
AES，即高级加密标准，在密码学中占有极其重要的地位。它由比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen设计，并于2001年被美国国家标准与技术研究院(NIST)选为联邦政府采用的区块加密标准以取代原先的DES。AES是一种对称密钥加密方案，其核心是基于置换-替换网络的一系列操作——字节 substitution boxes (S-boxes)，行位移(shift rows),列混淆(mix columns)以及轮密钥加(add round key)，这些步骤在多个回合(rijndael cipher 中定义了 10 / 12 / 14 轮次针对不同长度密钥的选择)上重复执行。
二、AES算法原理详述：
1. **状态矩阵初始化**：输入明文数据按照4x4的方式填充到一个被称为“state”的数组里，这个过程对于所有分组大小都是相同的。
2. **Add Round Key阶段**：每一轮的第一个子程序是对当前的状态进行异或运算(XOR operation)，使用的比特串就是这一轮对应的子密钥(Subkey)。
3. **SubBytes阶段**：在这个过程中，每个状态单元格的内容都会通过查表(S-Box查找变换)来替代原始值，完成非线性扩散的过程。
4. **ShiftRows阶段**：每一行的数据会向左循环移动一定的位置，使得相邻几行的信息交叉混合在一起，增强安全性。
5. **MixColumns阶段**(除了最后一轮外都有此步): 这一步骤使用固定的多项式来进行伽罗华域上的乘法计算，将一行内的四个元素两两组合并做处理后重新填回原处，从而达到进一步混乱的目的。
6. 多轮迭代完成后，最后再经过一次AddRoundKey就得到了最终的密文输出。
三、各编程语言下的AES实现解析及源代码示例:
### C/C++
#include <openssl/aes.h>
void aes_encrypt(const unsigned char *in, const unsigned char *key,
unsigned char *out)
{
AES_KEY enc_key;
if(AES_set_encrypt_key(key, 128 /* or 192 or 256 */, &enc_key))
// handle error
AES_cbc_encrypt(in, out, BLOCK_SIZE, &enc_key, iv, AES_ENCRYPT);
}
// 类似的函数aes_decrypt用于解密
上述代码利用OpenSSL库实现了AES的CBC模式加密功能。
### Java
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
public class AESEncryption {
public static byte[] encrypt(String valueToEncrypto, String secretKey){
try {
SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(secretKey.getBytes("UTF-8"), "AES");
Cipher ciphre = Cipher.getInstance("AES");
ciphre.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec);
return ciphre.doFinal(valueToEncrypto.getBytes());
}catch(Exception e){ System.out.println(e);}
return null;
}
}
这段Java代码创建了一个`SecretKeySpec`对象作为AES密钥，并用指定秘钥实例化Cipher对象，然后调用doFinal方法对字符串进行了加密。
### Python
借助pycryptodome模块实现在Python中的AES ECB模式加密：
from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
def encrypt_AES(message: bytes, key:bytes):
cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
ct_bytes = cipher.encrypt(pad(message,AES.block_size)) # 使用PKCS7方式补全块
return ct_bytes
# 解密类似，只需更换encrypt为decrypt即可。
以上三种只是简单展示了如何运用相应语言的标准库或者第三方安全库去实施AES加密的基本流程，实际应用时还需要注意如IV选择、padding方式等多种因素，确保满足特定的安全需求。
总结来说，尽管不同的编程语言下具体语法各异，但它们实现AES加密的核心逻辑基本一致，均遵循NIST制定的标准化流程并对每一个环节提供了对应的语言接口支持。这保证开发人员能够便捷高效地将其应用于各种信息安全场景之中。
AES，即高级加密标准，在密码学中占有极其重要的地位。它由比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen设计，并于2001年被美国国家标准与技术研究院(NIST)选为联邦政府采用的区块加密标准以取代原先的DES。AES是一种对称密钥加密方案，其核心是基于置换-替换网络的一系列操作——字节 substitution boxes (S-boxes)，行位移(shift rows),列混淆(mix columns)以及轮密钥加(add round key)，这些步骤在多个回合(rijndael cipher 中定义了 10 / 12 / 14 轮次针对不同长度密钥的选择)上重复执行。
二、AES算法原理详述：
1. **状态矩阵初始化**：输入明文数据按照4x4的方式填充到一个被称为“state”的数组里，这个过程对于所有分组大小都是相同的。
2. **Add Round Key阶段**：每一轮的第一个子程序是对当前的状态进行异或运算(XOR operation)，使用的比特串就是这一轮对应的子密钥(Subkey)。
3. **SubBytes阶段**：在这个过程中，每个状态单元格的内容都会通过查表(S-Box查找变换)来替代原始值，完成非线性扩散的过程。
4. **ShiftRows阶段**：每一行的数据会向左循环移动一定的位置，使得相邻几行的信息交叉混合在一起，增强安全性。
5. **MixColumns阶段**(除了最后一轮外都有此步): 这一步骤使用固定的多项式来进行伽罗华域上的乘法计算，将一行内的四个元素两两组合并做处理后重新填回原处，从而达到进一步混乱的目的。
6. 多轮迭代完成后，最后再经过一次AddRoundKey就得到了最终的密文输出。
三、各编程语言下的AES实现解析及源代码示例:
### C/C++
c++
#include <openssl/aes.h>
void aes_encrypt(const unsigned char *in, const unsigned char *key,
unsigned char *out)
{
AES_KEY enc_key;
if(AES_set_encrypt_key(key, 128 /* or 192 or 256 */, &enc_key))
// handle error
AES_cbc_encrypt(in, out, BLOCK_SIZE, &enc_key, iv, AES_ENCRYPT);
}
// 类似的函数aes_decrypt用于解密
上述代码利用OpenSSL库实现了AES的CBC模式加密功能。
### Java
java
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
public class AESEncryption {
public static byte[] encrypt(String valueToEncrypto, String secretKey){
try {
SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(secretKey.getBytes("UTF-8"), "AES");
Cipher ciphre = Cipher.getInstance("AES");
ciphre.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec);
return ciphre.doFinal(valueToEncrypto.getBytes());
}catch(Exception e){ System.out.println(e);}
return null;
}
}
这段Java代码创建了一个`SecretKeySpec`对象作为AES密钥，并用指定秘钥实例化Cipher对象，然后调用doFinal方法对字符串进行了加密。
### Python
借助pycryptodome模块实现在Python中的AES ECB模式加密：
python
from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
def encrypt_AES(message: bytes, key:bytes):
cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
ct_bytes = cipher.encrypt(pad(message,AES.block_size)) # 使用PKCS7方式补全块
return ct_bytes
# 解密类似，只需更换encrypt为decrypt即可。
以上三种只是简单展示了如何运用相应语言的标准库或者第三方安全库去实施AES加密的基本流程，实际应用时还需要注意如IV选择、padding方式等多种因素，确保满足特定的安全需求。
总结来说，尽管不同的编程语言下具体语法各异，但它们实现AES加密的核心逻辑基本一致，均遵循NIST制定的标准化流程并对每一个环节提供了对应的语言接口支持。这保证开发人员能够便捷高效地将其应用于各种信息安全场景之中。
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