java实现AES加密和解密

Java实现AES加密和解密

经过三周的不懈努力，终于完成了AES对任意格式的文件加密和解密。现在将自己的学习经历记下来，纪念自己三周的付出。同时也感谢网上的各位大神的博客，让我学到了很多。

下面就将AES的各个构件的核心代码粘贴如下，每行代码都有详细的注释！

package myAes;

/*

* 本类完成AES的加密和解密的流程

//内容参考：https://www.360docs.net/doc/664788337.html,/xiaaiwu/article/details/42747229

* */

public class myAes {

private byte State[][];// 明文的状态表

private byte Sbox[][];// S盒子

private byte iSbox[][];// 逆S盒子

private byte key[];//密钥

private int Nk;// 密钥长度

private int Nr;// 对不同的长度的密钥不同的轮数

private byte w[][];// 密钥调度表

private byte Rcon[][];// 轮常数表

private int Nb;// 明文列数

//构造函数

public myAes(byte[] keyBytes,int keySize) { this.Nb = 4;//只处理明文是128位为一组

if(keySize==128){

this.Nk=4;

this.Nr=10;

}

else if (keySize==192) {

//System.out.println("密钥长度位192位"); this.Nk=6;

this.Nr=12;

}

else if (keySize==256) {

this.Nk=8;

this.Nr=14;

}

this.key = new byte[this.Nk * 4];

this.key = keyBytes;

createSbox();//创建S盒子的方法createISbox();//创建S逆盒子的方法createRcon();//创建轮常数数组的方法keyExtend();//密钥扩展的方法

}

// 初始化S盒子

private void createSbox() {

this.Sbox = new byte[][] {

{ 0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, (byte) 0xf2, 0x6b, 0x6f, (byte) 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, (byte) 0xfe, (byte) 0xd7, (byte) 0xab, 0x76 },

{ (byte) 0xca, (byte) 0x82, (byte) 0xc9, 0x7d,

(byte) 0xfa, 0x59, 0x47, (byte) 0xf0, (byte) 0xad, (byte) 0xd4, (byte) 0xa2, (byte) 0xaf, (byte) 0x9c, (byte) 0xa4, 0x72, (byte) 0xc0 },

{ (byte) 0xb7, (byte) 0xfd, (byte) 0x93, 0x26, 0x36,

0x3f, (byte) 0xf7, (byte) 0xcc, 0x34, (byte) 0xa5, (byte) 0xe5, (byte) 0xf1, 0x71, (byte) 0xd8, 0x31, 0x15 }, { 0x04, (byte) 0xc7, 0x23, (byte) 0xc3, 0x18,

(byte) 0x96, 0x05, (byte) 0x9a, 0x07, 0x12,

(byte) 0x80, (byte) 0xe2, (byte) 0xeb, 0x27,

(byte) 0xb2, 0x75 },

{ 0x09, (byte) 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, (byte) 0xa0, 0x52, 0x3b, (byte) 0xd6, (byte) 0xb3,

0x29, (byte) 0xe3, 0x2f, (byte) 0x84 },

{ 0x53, (byte) 0xd1, 0x00, (byte) 0xed, 0x20,

(byte) 0xfc, (byte) 0xb1, 0x5b, 0x6a, (byte) 0xcb, (byte) 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, (byte) 0xcf },

{ (byte) 0xd0, (byte) 0xef, (byte) 0xaa, (byte) 0xfb,

0x43, 0x4d, 0x33, (byte) 0x85, 0x45, (byte) 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, (byte) 0x9f, (byte) 0xa8 },

{ 0x51, (byte) 0xa3, 0x40, (byte) 0x8f, (byte) 0x92, (byte) 0x9d, 0x38, (byte) 0xf5, (byte) 0xbc,

(byte) 0xb6, (byte) 0xda, 0x21, 0x10, (byte) 0xff, (byte) 0xf3, (byte) 0xd2 },

{ (byte) 0xcd, 0x0c, 0x13, (byte) 0xec, 0x5f,

(byte) 0x97, 0x44, 0x17, (byte) 0xc4, (byte) 0xa7,

0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73 },

{ 0x60, (byte) 0x81, 0x4f, (byte) 0xdc, 0x22, 0x2a,

(byte) 0x90, (byte) 0x88, 0x46, (byte) 0xee,

(byte) 0xb8, 0x14, (byte) 0xde, 0x5e, 0x0b, (byte) 0xdb },

{ (byte) 0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c,

(byte) 0xc2, (byte) 0xd3, (byte) 0xac, 0x62,

(byte) 0x91, (byte) 0x95, (byte) 0xe4, 0x79 },

{ (byte) 0xe7, (byte) 0xc8, 0x37, 0x6d, (byte) 0x8d,

(byte) 0xd5, 0x4e, (byte) 0xa9, 0x6c, 0x56,

(byte) 0xf4, (byte) 0xea, 0x65, 0x7a, (byte) 0xae, 0x08 },

{ (byte) 0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, (byte) 0xa6,

(byte) 0xb4, (byte) 0xc6, (byte) 0xe8, (byte) 0xdd,

0x74, 0x1f, 0x4b, (byte) 0xbd, (byte) 0x8b, (byte) 0x8a },

{ 0x70, 0x3e, (byte) 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03,

(byte) 0xf6, 0x0e, 0x61, 0x35, 0x57, (byte) 0xb9,

(byte) 0x86, (byte) 0xc1, 0x1d, (byte) 0x9e },

{ (byte) 0xe1, (byte) 0xf8, (byte) 0x98, 0x11, 0x69,

(byte) 0xd9, (byte) 0x8e, (byte) 0x94, (byte) 0x9b,

0x1e, (byte) 0x87, (byte) 0xe9, (byte) 0xce, 0x55,

0x28, (byte) 0xdf },

{ (byte) 0x8c, (byte) 0xa1, (byte) 0x89, 0x0d,

(byte) 0xbf, (byte) 0xe6, 0x42, 0x68, 0x41,

(byte) 0x99, 0x2d, 0x0f, (byte) 0xb0, 0x54,

(byte) 0xbb, 0x16 }

};

}

/*生成S逆盒子：

*我的思路：得到s盒中一个元素的高四位和低四位，分别作为s逆盒

子的行和列。

*然后在把s盒中的行和列转换成十六进制存到s逆盒中。

* */

private void createISbox() {

int x, y;

this.iSbox = new byte[16][16];

for (int i = 0; i < 16; i++) {

for (int j = 0; j < 16; j++) {

// 得到s盒子元素中的高四位的值

x = (int) ((this.Sbox[i][j] >> 4) & 0x0f);

// 得到s盒子元素中的低四位的值

y = (int) (this.Sbox[i][j] & 0x0f);

//高四位和低四位分别做为s逆盒子的行和列，将s盒子的行和列变成十六进制放到s逆盒子中

this.iSbox[x][y] = (byte) (16 * i + j);

}

}

}

//初始化Rcon轮常数二维数组

private void createRcon() {

this.Rcon = new byte[][] {

{ 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 },

{ 0x01, 0x00, 0x00, 0x00 },

{ 0x02, 0x00, 0x00, 0x00 },

{ 0x04, 0x00, 0x00, 0x00 },

{ 0x08, 0x00, 0x00, 0x00 },

{ 0x10, 0x00, 0x00, 0x00 },

{ 0x20, 0x00, 0x00, 0x00 },

{ 0x40, 0x00, 0x00, 0x00 },

{ (byte) 0x80, 0x00, 0x00, 0x00 },

{ 0x1B, 0x00, 0x0, 0x00 },

{ 0x36, 0x00, 0x00, 0x00 },

};

}

/*

* RotWord方法:将密钥w[i-1]的四个字节循环左移位，

* 返回移位后的结果。

* */

private byte[] RotWord(byte[] rotWord) {

byte[] b = new byte[4];

b[0] = rotWord[1];

b[1] = rotWord[2];

b[2] = rotWord[3];

b[3] = rotWord[0];

return b;

}

/* SubWord方法：将密钥w[i-1]的四个字节分别用S盒子的内容进行替换

* 返回替换后的结果。

* */

private byte[] SubWord(byte[] subWord) {

for (int i = 0; i < subWord.length; i++) {

subWord[i] = this.Sbox[(subWord[i] >> 4 & 0x0f)][(subWord[i] & 0x0f)]; }

return subWord;

}

/*

* 扩展密钥的方法

* */

private void keyExtend() {

this.w = new byte[Nb * (Nr + 1)][4];

for (int i = 0; i < Nk; i++) {

this.w[i][0] = this.key[4 * i];

this.w[i][1] = this.key[4 * i + 1];

this.w[i][2] = this.key[4 * i + 2];

this.w[i][3] = this.key[4 * i + 3];

//对轮密钥十六进制输出

/*System.out.print("w["+i+"]:");

for(int j=0;j<=3;j++){

System.out.format("%x ",w[i][j]);

}

System.out.println("");*/

}

byte[] temp = new byte[4];

for (int i = Nk; i < Nb * (Nr + 1); i++) {

temp[0] = w[i - 1][0];

temp[1] = w[i - 1][1];

temp[2] = w[i - 1][2];

temp[3] = w[i - 1][3];

if (i % Nk == 0) {

temp = SubWord(RotWord(temp));

temp[0] = (byte) (temp[0] ^ Rcon[i / Nk][0]); temp[1] = (byte) (temp[1] ^ Rcon[i / Nk][1]); temp[2] = (byte) (temp[2] ^ Rcon[i / Nk][2]); temp[3] = (byte) (temp[3] ^ Rcon[i / Nk][3]);

} else if (Nk > 6 && (i % Nk == 4)) {

temp = SubWord(temp);

}

this.w[i][0] = (byte) (this.w[i - Nk][0] ^ temp[0]); this.w[i][1] = (byte) (this.w[i - Nk][1] ^ temp[1]); this.w[i][2] = (byte) (this.w[i - Nk][2] ^ temp[2]); this.w[i][3] = (byte) (this.w[i - Nk][3] ^ temp[3]); //对轮密钥十六进制输出

/*System.out.print("w["+i+"]:");

for(int j=0;j<=3;j++){

System.out.format("%x ",w[i][j]);

}

System.out.println("");*/

}

this.setW(this.w);

}

//byte数组转换成String输出。即到时候在前台输出密钥扩展的内容public static String BytesToString(String w,byte[] b)

{

String s ="";

for (int i = 0; i < b.length; i++)

{

String hex = Integer.toHexString(b[i] & 0xFF);

if (hex.length() == 1)

{

hex = '0'+hex+" ";

}

else{

hex=hex+" ";

}

s+=hex;

}

s=w+" "+s;

return s;

}

/*

* 以下是加密过程的每个方法

*

* */

// 轮加密

private void addRoundKey(int round) {

for (int r = 0; r < 4; r++) {

for (int c = 0; c < Nb; c++) {

this.State[r][c] = (byte) (this.State[r][c] ^ w[round * Nb + c][r]);

}

}

}

// 字节替换

private void subByte() {

for (int r = 0; r < 4; r++) {

for (int c = 0; c < Nb; c++) {

this.State[r][c] = this.Sbox[(this.State[r][c] >> 4) & 0x0f][(this.State[r][c] & 0x0f)];

}

}

}

// 逆字节替换

private void invSubByte() {

for (int r = 0; r < 4; r++) {

for (int c = 0; c < Nb; c++) {

this.State[r][c] = this.iSbox[(this.State[r][c] >> 4) & 0x0f][(this.State[r][c] & 0x0f)];

}

}

}

// 行移位

private void shiftRow() {

byte[][] temp = new byte[4][Nb];

for (int r = 0; r < 4; r++) {

for (int c = 0; c < Nb; c++) {

temp[r][c] = this.State[r][c];

}

}

// 开始移位

for (int r = 1; r < 4; r++) {

for (int c = 0; c < Nb; c++) {

this.State[r][c] = temp[r][(r + c) % Nb];

}

}

}

// 逆行移位

private void invShiftRow() {

byte[][] temp = new byte[4][Nb];

for (int r = 0; r < 4; r++) {

for (int c = 0; c < Nb; c++) {

temp[r][c] = this.State[r][c];

}

}

// 开始移位

for (int r = 1; r < 4; r++) {

for (int c = 0; c < Nb; c++) {

this.State[r][c] = temp[r][(c - r + Nb) % Nb];

}

}

// 列混合

private void mixColum() {

byte[][] temp = new byte[4][Nb];

for (int r = 0; r < 4; r++) {

for (int c = 0; c < Nb; c++) {

temp[r][c] = this.State[r][c];

}

}

for (int c = 0; c < Nb; c++) {

this.State[0][c] = (byte) (mult2(temp[0][c])

^ multBy03(temp[1][c]) ^ mult1(temp[2][c]) ^ mult1(temp[3][c])); this.State[1][c] = (byte) (mult1(temp[0][c])

^ mult2(temp[1][c]) ^ multBy03(temp[2][c]) ^ mult1(temp[3][c])); this.State[2][c] = (byte) (mult1(temp[0][c])

^ mult1(temp[1][c]) ^ mult2(temp[2][c]) ^ multBy03(temp[3][c])); this.State[3][c] = (byte) (multBy03(temp[0][c])

^ mult1(temp[1][c]) ^ mult1(temp[2][c]) ^ mult2(temp[3][c]));

}

}

//逆列混合

private void invMixColum(){

byte[][] temp = new byte[4][Nb];

for (int r = 0; r < 4; r++) {

for (int c = 0; c < Nb; c++) {

temp[r][c] = this.State[r][c];

}

}

for (int c = 0; c < Nb; c++) {

this.State[0][c] = (byte) (multBy0e(temp[0][c])

^ multBy0b(temp[1][c]) ^ multBy0d(temp[2][c]) ^ multBy09(temp[3][c])); this.State[1][c] = (byte) (multBy09(temp[0][c])

^ multBy0e(temp[1][c]) ^ multBy0b(temp[2][c]) ^ multBy0d(temp[3][c])); this.State[2][c] = (byte) (multBy0d(temp[0][c])

^ multBy09(temp[1][c]) ^ multBy0e(temp[2][c]) ^ multBy0b(temp[3][c])); this.State[3][c] = (byte) (multBy0b(temp[0][c])

^ multBy0d(temp[1][c]) ^ multBy09(temp[2][c]) ^ multBy0e(temp[3][c])); }

}

//字节*01

private byte mult1(byte b) {

return b;

}

// 字节*02的结果

private byte mult2(byte b) {

if ((b >> 7 & 0x01) == 0) {// 若字节最高位为0，则就是将b左移1位return (byte) (b << 1);

} else {

byte c = 0x1b;

return (byte) ((b << 1) ^ c);

}

}

// 字节*03的结果,相当于b*（02+01）。后面的方法类似

private byte multBy03(byte b) {

return (byte) (mult2(b) ^ mult1(b));

}

// 字节b*09的结果

private byte multBy09(byte b) {

return (byte) (mult2(mult2(mult2(b))) ^ mult1(b));

}

// 字节*0b的结果

private byte multBy0b(byte b) {

return (byte) (mult2(mult2(mult2(b))) ^ mult2(b) ^ mult1(b));

}

// 字节*0d的结果

private byte multBy0d(byte b) {

return (byte) (mult2(mult2(mult2(b))) ^ mult2(mult2(b)) ^ mult1(b));

// 字节*0e的结果

private byte multBy0e(byte b) {

return (byte) (mult2(mult2(mult2(b))) ^ mult2(mult2(b)) ^ mult2(b)); }

/*

* 1、整个加密过程

* 2、传入的参数是明文和密文的字节数组

* */

public void encrypt(byte[] input,byte[]output){

//初始化状态列

this.State=new byte[4][Nb];

for(int i=0;i<(4*Nb);i++){

this.State[(i/Nb)][(i%Nb)]=input[i];

}

addRoundKey(0);//开始轮密钥加密1次

for(int round=1;round

shiftRow();//行移位

mixColum();//列混合

addRoundKey(round);//加密

}

subByte();//字节替换

shiftRow();//行移位

addRoundKey(Nr);//加密

//把加密后的状态放入到输出的密文中

for(int i=0;i<(4*Nb);i++){

output[i]=this.State[(i/Nb)][(i%Nb)];

}

}

/*

* 1、整个解密过程

* 2、参数分别是密钥字节数组和解密后明文的字节数组*

* */

public void decrypt(byte[] input, byte[] output){

//初始化状态列

this.State=new byte[4][Nb];

for(int i=0;i<(4*Nb);i++){

this.State[(i/Nb)][(i%Nb)]=input[i];

//System.out.format("%x,",this.State[(i/Nb)][(i%Nb)]); }

addRoundKey(Nr);//用最后一轮密钥加密

for(int round=Nr-1;round>0;round--){

invShiftRow();//逆行移位

invSubByte();//逆字节替换

addRoundKey(round);//轮密钥加密

invMixColum();//逆列混合

}

invShiftRow();//逆行移位

invSubByte();//逆字节替换addRoundKey(0);//用第0轮的密钥加密

for(int i=0;i<(4*Nb);i++){

output[i]=this.State[(i/Nb)][(i%Nb)];

}

}

//设置密钥

public byte[][] getW() {

return w;

}

public void setW(byte[][] w) {

this.w = w;

}

}