项目中使用到了AES加密算法，因为要保证终端与服务器加密解密算法一致，并且由于终端形式多样，有C开发的，也有Java/Kotlin开发的，所以需要一套支持前后端的多语言算法，保证通信的安全性和完整性。
AES算法原理的相关文章多如牛毛，本文不再叙述。在实际开发和应用中，AES的算法并不一定是完全按照标准应用的，不同开发人员会对算法进行细微的调整。
Java和C语言基本涵盖了大部分的开发场景，本文就两种语言进行了整合，测试，保证数据的一致性，能够实现Java版本算法加密，C语言版本解密，反之亦可。
本文主要叙述在开发中的应用，简要描述原理
一、算法描述
本文中算法是AES/CBC/PKCS7Padding，即AES算法，采用CBC工作模式，补码方式采用PKCS7Padding，什么意思呢？
AES是什么
高级加密标准(Advanced Encryption Standard)，属于对称加密，就是说加密和解密的过程算法是相反的。AES由DES算法升级而来。
CBC：密码分组链接模式，AES工作模式之一
AES共有五种工作模式：
- 电码本模式（Electronic Codebook Book (ECB)）；
- 密码分组链接模式（Cipher Block Chaining (CBC)）；
- 计算器模式（Counter (CTR)）；
- 密码反馈模式（Cipher FeedBack (CFB)）；
- 输出反馈模式（Output FeedBack (OFB)）
CBC工作模式除了密钥KEY，还需要有初始化向量IV，IV与密钥等长。
PKCS7Padding-填充模式
填充的作用是在加密前将普通文本的长度扩展到需要的长度。关键在于填充的数据能够在解密后正确的移除。
AES有以下几种填充模式：
- NoPadding--顾名思义，就是不填充。缺点就是只能加密长为128bits倍数的信息，一般不会使用
- PKCS#7 & PKCS#5--缺几个字节就填几个缺的字节数。
- ZerosPadding--全部填充0x00，无论缺多少全部填充0x00
- ISO 10126--最后一个字节是填充的字节数（包括最后一字节），其他全部填随机数
- ANSI X9.23--跟ISO 10126很像，只不过ANSI X9.23其他字节填的都是0而不是随机数
二、AES算法原理简述
算法应用模型
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AES算法过程
AES加密过程涉及到4种操作，分别是字节代换、行移位、列混淆和轮密钥加。解密过程分别为对应的逆操作。由于每一步操作都是可逆的，按照相反的顺序进行解密即可恢复明文。加解密中每轮的密钥分别由初始密钥扩展得到。
AES的明文输入被分为16字节的数组，每个16字节进行加密/解密处理。
下面以加密过程为例详细说明，解密过程按步骤反过来即可。
1、字节代换
代换的规则是什么呢？
明文每个字节的高4位作为行值，低4位作为列值，然后取出S盒中对应行列的元素作为输出。字节替换实际就查表和替换操作，AES定义了S盒（加密用的一张表）和逆S盒（解密时用的另外一张表），在加密/解密时，从S盒中找到要替换的字节放到被替换字节的位置上。
例如下面示例代码：
#include <iostream> using namespace std; unsigned char sbox[]={ 0x63,0x7c,0x77,0x7b,0xf2,0x6b,0x6f,0xc5,0x30,0x01,0x67,0x2b,0xfe,0xd7,0xab,0x76, 0xca,0x82,0xc9,0x7d,0xfa,0x59,0x47,0xf0,0xad,0xd4,0xa2,0xaf,0x9c,0xa4,0x72,0xc0, 0xb7,0xfd,0x93,0x26,0x36,0x3f,0xf7,0xcc,0x34,0xa5,0xe5,0xf1,0x71,0xd8,0x31,0x15, 0x04,0xc7,0x23,0xc3,0x18,0x96,0x05,0x9a,0x07,0x12,0x80,0xe2,0xeb,0x27,0xb2,0x75, 0x09,0x83,0x2c,0x1a,0x1b,0x6e,0x5a,0xa0,0x52,0x3b,0xd6,0xb3,0x29,0xe3,0x2f,0x84, 0x53,0xd1,0x00,0xed,0x20,0xfc,0xb1,0x5b,0x6a,0xcb,0xbe,0x39,0x4a,0x4c,0x58,0xcf, 0xd0,0xef,0xaa,0xfb,0x43,0x4d,0x33,0x85,0x45,0xf9,0x02,0x7f,0x50,0x3c,0x9f,0xa8, 0x51,0xa3,0x40,0x8f,0x92,0x9d,0x38,0xf5,0xbc,0xb6,0xda,0x21,0x10,0xff,0xf3,0xd2, 0xcd,0x0c,0x13,0xec,0x5f,0x97,0x44,0x17,0xc4,0xa7,0x7e,0x3d,0x64,0x5d,0x19,0x73, 0x60,0x81,0x4f,0xdc,0x22,0x2a,0x90,0x88,0x46,0xee,0xb8,0x14,0xde,0x5e,0x0b,0xdb, 0xe0,0x32,0x3a,0x0a,0x49,0x06,0x24,0x5c,0xc2,0xd3,0xac,0x62,0x91,0x95,0xe4,0x79, 0xe7,0xc8,0x37,0x6d,0x8d,0xd5,0x4e,0xa9,0x6c,0x56,0xf4,0xea,0x65,0x7a,0xae,0x08, 0xba,0x78,0x25,0x2e,0x1c,0xa6,0xb4,0xc6,0xe8,0xdd,0x74,0x1f,0x4b,0xbd,0x8b,0x8a, 0x70,0x3e,0xb5,0x66,0x48,0x03,0xf6,0x0e,0x61,0x35,0x57,0xb9,0x86,0xc1,0x1d,0x9e, 0xe1,0xf8,0x98,0x11,0x69,0xd9,0x8e,0x94,0x9b,0x1e,0x87,0xe9,0xce,0x55,0x28,0xdf, 0x8c,0xa1,0x89,0x0d,0xbf,0xe6,0x42,0x68,0x41,0x99,0x2d,0x0f,0xb0,0x54,0xbb,0x16, }; void PrintMatrix(unsigned char m[4][4]) { for(int i=0;i<4;i++) { for(int j=0;j<4;j++) { printf("%4x",m[i][j]); if(j%4==3) puts(""); } } } void SubByte(unsigned char state[][4]) { for(int i=0;i<4;i++) { for(int j=0;j<4;j++) { state[i][j]=sbox[state[i][j]]; //S盒查表操作 } } } int main() { unsigned char state[4][4]={ 0,4,8,12, 1,5,9,13, 2,6,10,14, 3,7,11,15, }; printf("明文为:\n");PrintMatrix(state); SubByte(state); //调用SubByte函数 printf("S盒代换后输出:\n");PrintMatrix(state); return 0; }
运行结果：
输入明文为： 0 4 8 12 1 5 9 13 2 6 10 14 3 7 11 15 S盒代换后输出： 63 f2 30 fe 73 6b 1,d7 77 6f 67 ab 7b c5 2b 76
2.行移位变换
行移位变换完成基于行的循环移位操作，变换方法为：第0行不变，第1行循环左移1个字节，第2行循环左移两个字节，第3行循环左移3个字节。
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示例代码：
#include <iostream> using namespace std; void PrintfMatrix(unsigned char m[4][4]) //该函数是输出数组方法 { for(int i=0;i<4;i++) { for(int j=0;j<4;j++) { printf("%2x",m[i][j]); if(j%4==3) puts(""); } } } void ShiftRow(unsigned char state[4][4]) //行移位变换函数 { unsigned char st[4]; int i,j; for(i=1;i<4;i++) { for(j=0;j<4;j++) { st[j]=state[i][(j+i)%4]; } for(j=0;j<4;j++) { state[i][j]=st[j]; } } } int main() { unsigned char state[4][4]={ 0,4,8,12, 1,5,9,13, 2,6,10,14, 3,7,11,15, }; printf("明文为:\n");PrintfMatrix(state); ShiftRow(state); //调用行移位函数 printf("移位后:\n"); PrintfMatrix(state); return 0; }
运行结果：
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3.列混淆变换
在AES算法中，需要模多项式m(x)=x8+x4+x^3+x+1。列混合即是用一个常矩阵乘以第二步变换后的矩阵，以达到矩阵中每一个元素都是该元素原所在列所有元素的加权和。
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计算示例：
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C语言代码实现：
#include <iostream> using namespace std; void PrintfMatrix(unsigned char m[4][4]) { for(int i=0;i<4;i++) { for(int j=0;j<4;j++) { printf("%4x",m[i][j]); if(j%4==3) puts(""); } } } unsigned char xtime(unsigned char st) { return (st<<1)^((st&0x80)?0x1b:0x00); //x乘法 二进制串左移一位，判断最高位是否溢出，溢出要异或0x1b } void mixcolumns(unsigned char state[4][4],unsigned char cipher[4][4]) { for(int j=0;j<4;j++) { for(int i=0;i<4;i++) { cipher[i][j]=xtime(state[i%4][j]) //0x02乘法 ^(state[(i+1)%4][j])^xtime(state[(i+1)%4][j])//0x03乘法 ^state[(i+2)%4][j] //0x01乘法 // ^state[(i+2)%4][j]; //0x01乘法 这句写错了，so结果不对，应该是i+3 ^state[(i+3)%4][j]; //0x01乘法 } } } int main() { unsigned char state[4][4]={ /*0,4,8,12, 1,5,9,13, 2,6,10,14, 3,7,11,15,*/ 0x87,0xF2,0x4D,0x97, 0x6E,0x4C,0x90,0xEC, 0x46,0xE7,0x4A,0xC3, 0xA6,0x8C,0xD8,0x95, }; unsigned char cipher[4][4]; printf("明文为:\n");PrintfMatrix(state); mixcolumns(state,cipher); printf("列混合结果:\n");PrintfMatrix(cipher); return 0; }
运行结果：
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根据矩阵的乘法可知，在列混淆（利用域GF(28)上的算术特性的一个代替）的过程中，每个字节对应的值只与该列的4个值有关系。此处的乘法和加法需要注意如下几点：
- （1）将某个字节所对应的值乘以2，其结果就是将该值的二进制位左移一位，如果该值的最高位为1（表示该数值不小于128），则还需要将移位后的结果异或00011011
- （2)乘法对加法满足分配率，例如：07·S0,0=(01⊕02⊕04)·S0,0= S0,0⊕(02·S0,0)(04·S0,0)
- （3)此处的矩阵乘法与一般意义上矩阵的乘法有所不同，各个值在相加时使用的是模2加法（异或运算）。
因为：说明两个矩阵互逆，经过一次逆向列混淆后即可恢复原文。
如下图：
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4.轮密钥加
轮密钥加：加密过程中，每轮的输入与轮密钥异或一次（当前分组和扩展密钥的一部分进行按位异或）；因为二进制数连续异或一个数结果是不变的，所以在解密时再异或上该轮的密钥即可恢复输入。首尾使用轮密钥加的理由：若将其他不需要密钥的阶段放在首尾，在不用密钥的情况下就能完成逆过程，这就降低了算法的安全性。
加密原理：轮密钥加本身不难被破解，另外三个阶段分别提供了混淆和非线性功能。可是字节替换、行移位、列混淆阶段没有涉及密钥，就它们自身而言，并没有提供算法的安全性。但该算法经历一个分组的异或加密（轮密钥加），再对该分组混淆扩散（其他三个阶段），再接着又是异或加密，如此交替进行，这种方式非常有效非常安全。
算法动画演示
在线演示
提取码：sqpe
