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版权归作者所有，如有转发，请注明文章出处：https://cyrus-studio.github.io/blog/

前言

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准） 是一种 对称加密算法，用于加密和解密数据。AES 由 美国国家标准与技术研究院（NIST） 在 2001 年正式发布，取代了 DES 和 3DES，目前被广泛应用于 网络安全、金融、通信 等领域。

支持 128（16字节）、192（24字节）、256（32字节） 位密钥。

特性描述
加密方式对称加密（加密和解密使用相同的密钥）
分组长度128 位（16 字节）
密钥长度128 位、192 位、256 位（分别对应 10、12、14 轮加密）
安全性目前无已知有效攻击，比 3DES 更安全
运算模式支持 ECB、CBC、CFB、OFB、CTR 等模式

关于算法的详细介绍可以参考这篇文章：常用加解密算法介绍

LibTomCrypt

LibTomCrypt 是一个开源的轻量级加密库，提供了多种加密算法和密码学相关功能。它是用 C 语言编写的，专注于嵌入式系统和资源受限的设备，非常适合在 Android 等平台上使用。

特点:

  • 算法支持丰富：包括对称加密（AES、DES 等）、非对称加密（RSA、ECC 等）、哈希算法（SHA-256、MD5 等）

  • 轻量级，代码简单。

  • 支持多种加密模式：ECB、CBC、CFB、OFB 等。

适用场景: 如果你需要一个开源、可自定义的库。

集成 LibTomCrypt 到 Android 工程

在 Android Studio 中集成 LibTomCrypt 并调用 JNI，可以按以下步骤操作：

1. 下载 LibTomCrypt

从官方 GitHub 仓库下载最新的源码：

LibTomCrypt GitHub

解压后，将整个 libtomcrypt/src 文件夹复制到 Android 工程中的 app/src/main/cpp 目录下。

word/media/image1.png

2. 配置 CMakeLists.txt

在 app/src/main/cpp/CMakeLists.txt 中添加以下配置：

# 添加 libtomcrypt 头文件路径
include_directories(libtomcrypt/src/headers)# 查找 libtomcrypt 所有的 C 文件
file(GLOB LIBTOMCRYPT_SOURCESlibtomcrypt/src/*.clibtomcrypt/src/misc/*.clibtomcrypt/src/misc/crypt/*.clibtomcrypt/src/ciphers/aes/*.clibtomcrypt/src/modes/cbc/*.clibtomcrypt/src/modes/cfb/*.clibtomcrypt/src/modes/ctr/*.clibtomcrypt/src/modes/ecb/*.c
)# 编译 LibTomCrypt
add_library(libtomcrypt STATIC ${LIBTOMCRYPT_SOURCES})

使用 LibTomCrypt 的实现 AES CBC 加解密

注意：

  • 数据对齐：AES CBC 模式要求输入数据的长度是 16 的倍数，如果不是，需要使用 PKCS7 Padding 或其他填充方式。。

  • Key 和 IV 长度：AES 支持 128、192、256 位密钥，Key 长度需要符合实际配置。

LibTomCrypt 本身不提供直接的 PKCS5Padding 实现，但你可以自己实现它。

PKCS5Padding 的规则是：

  • 每个填充值的值等于填充字节的数量。

  • 如果数据刚好是 16 字节的倍数，则会再添加一整块填充。

  • 填充值范围：0x01 ~ 0x10。

填充函数实现（PKCS5Padding）

void pkcs5_pad(uint8_t *data, int dataLen, int blockSize, int *paddedLen) {int padding = blockSize - (dataLen % blockSize);for (int i = 0; i < padding; i++) {data[dataLen + i] = (uint8_t)padding;}*paddedLen = dataLen + padding;
}

  • data：原始数据缓冲区，确保其有足够的空间存储填充后的数据。

  • dataLen：原始数据长度。

  • blockSize：通常为 16（AES）。

  • paddedLen：返回填充后的总长度。

去除填充函数（PKCS5UnPadding）

int pkcs5_unpad(uint8_t *data, int dataLen) {if (dataLen <= 0) return 0;uint8_t padding = data[dataLen - 1];if (padding > dataLen || padding > 16) return -1; // 不合法的填充for (int i = 0; i < padding; i++) {if (data[dataLen - 1 - i] != padding) return -1; // 填充不一致}return dataLen - padding;
}

  • data：解密后的数据。

  • dataLen：解密后的数据长度。

  • 返回值：去除填充后的实际数据长度。

AES CBC 加密

方法解析

  • register_cipher：确保 AES 算法已注册（返回 index != -1）

  • cbc_start：初始化 CBC 模式

  • cbc_encrypt：加密数据

  • cbc_decrypt：解密数据

  • cbc_done：清理资源

// AES CBC 加密方法
extern "C" JNIEXPORT jbyteArray JNICALL
Java_com_cyrus_example_aes_NativeAESUtils_aesCBCEncode(JNIEnv *env, jclass clazz, jbyteArray data) {uint8_t *dataBytes = (uint8_t *) env->GetByteArrayElements(data, nullptr);int dataLen = env->GetArrayLength(data);// 转换密钥和 IV 为字节数组uint8_t *keyBytes = stringToSecretKey(KEY);uint8_t *ivBytes = stringToIV(IV);// PKCS5Paddingint paddedLen = dataLen + 16 - (dataLen % 16);uint8_t *paddedData = (uint8_t *) malloc(paddedLen);memcpy(paddedData, dataBytes, dataLen);pkcs5_pad(paddedData, dataLen, 16, &paddedLen);// 加密int cipher_index = register_cipher(&aes_desc);symmetric_CBC cbc;if (cbc_start(cipher_index, ivBytes, keyBytes, AES_KEYLEN, 0, &cbc) != CRYPT_OK) {LOGD("cbc_start failed.");free(paddedData);return nullptr;}uint8_t *output = (uint8_t *) malloc(paddedLen);if (cbc_encrypt(paddedData, output, paddedLen, &cbc) != CRYPT_OK) {LOGD("cbc_encrypt failed.");free(paddedData);free(output);return nullptr;}cbc_done(&cbc);jbyteArray result = env->NewByteArray(paddedLen);env->SetByteArrayRegion(result, 0, paddedLen, reinterpret_cast<jbyte *>(output));// 释放资源env->ReleaseByteArrayElements(data, (jbyte *) dataBytes, 0);free(paddedData);free(output);// 释放资源delete[] keyBytes;delete[] ivBytes;return result;
}

效果如下：

word/media/image2.png

AES CBC 解密

// AES CBC 解密方法
extern "C" JNIEXPORT jbyteArray JNICALL
Java_com_cyrus_example_aes_NativeAESUtils_aesCBCDecode(JNIEnv *env, jclass clazz, jbyteArray data) {// 获取数据uint8_t *dataBytes = (uint8_t *) env->GetByteArrayElements(data, nullptr);int dataLen = env->GetArrayLength(data);// 注册 AES 算法if (register_cipher(&aes_desc) == -1) {env->ReleaseByteArrayElements(data, (jbyte *) dataBytes, 0);return nullptr;}// 转换密钥和 IV 为字节数组uint8_t *keyBytes = stringToSecretKey(KEY);uint8_t *ivBytes = stringToIV(IV);// 解密int cipher_index = register_cipher(&aes_desc);symmetric_CBC cbc;if (cbc_start(cipher_index, ivBytes, keyBytes, AES_KEYLEN, 0, &cbc) != CRYPT_OK) {LOGD("cbc_start failed.");return nullptr;}uint8_t *output = (uint8_t *) malloc(dataLen);if (cbc_decrypt(dataBytes, output, dataLen, &cbc) != CRYPT_OK) {LOGD("cbc_decrypt failed.");free(output);return nullptr;}cbc_done(&cbc);// 去除 PKCS5Paddingint unpaddedLen = pkcs5_unpad(output, dataLen);if (unpaddedLen < 0) {LOGD("PKCS5 unpadding failed.");free(output);return nullptr;}// 返回结果jbyteArray result = env->NewByteArray(unpaddedLen);env->SetByteArrayRegion(result, 0, unpaddedLen, reinterpret_cast<jbyte *>(output));// 释放资源free(output);env->ReleaseByteArrayElements(data, (jbyte *) dataBytes, 0);delete[] keyBytes;delete[] ivBytes;return result;
}

效果如下：

word/media/image3.png

完整代码

#include <jni.h>
#include <android/log.h>
#include <tomcrypt.h>#define AES_BLOCKLEN 16 // Block length in bytes AES is 128 b block only
#define AES_KEYLEN 16   // Key length in bytes#define LOG_TAG "aes_jni.cpp"
#define LOGD(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG, LOG_TAG, __VA_ARGS__)const char * KEY = "CYRUS STUDIO    ";
const char * IV = "CYRUS STUDIO    ";// 将 const char* 转换为字节数组 (IV)
uint8_t *stringToIV(const char *str) {auto iv = new uint8_t[AES_BLOCKLEN];for (int i = 0; i < AES_BLOCKLEN; ++i) {iv[i] = static_cast<uint8_t>(str[i]);}return iv;
}// 将 const char* 转换为字节数组 (Key)
uint8_t *stringToSecretKey(const char *str) {auto key = new uint8_t[AES_KEYLEN];for (int i = 0; i < AES_KEYLEN; ++i) {key[i] = static_cast<uint8_t>(str[i]);}return key;
}void pkcs5_pad(uint8_t *data, int dataLen, int blockSize, int *paddedLen) {int padding = blockSize - (dataLen % blockSize);for (int i = 0; i < padding; i++) {data[dataLen + i] = (uint8_t)padding;}*paddedLen = dataLen + padding;
}int pkcs5_unpad(uint8_t *data, int dataLen) {if (dataLen <= 0) return 0;uint8_t padding = data[dataLen - 1];if (padding > dataLen || padding > 16) return -1; // 不合法的填充for (int i = 0; i < padding; i++) {if (data[dataLen - 1 - i] != padding) return -1; // 填充不一致}return dataLen - padding;
}// AES CBC 加密方法
extern "C" JNIEXPORT jbyteArray JNICALL
Java_com_cyrus_example_aes_NativeAESUtils_aesCBCEncode(JNIEnv *env, jclass clazz, jbyteArray data) {uint8_t *dataBytes = (uint8_t *) env->GetByteArrayElements(data, nullptr);int dataLen = env->GetArrayLength(data);// 转换密钥和 IV 为字节数组uint8_t *keyBytes = stringToSecretKey(KEY);uint8_t *ivBytes = stringToIV(IV);// PKCS5Paddingint paddedLen = dataLen + 16 - (dataLen % 16);uint8_t *paddedData = (uint8_t *) malloc(paddedLen);memcpy(paddedData, dataBytes, dataLen);pkcs5_pad(paddedData, dataLen, 16, &paddedLen);// 加密int cipher_index = register_cipher(&aes_desc);symmetric_CBC cbc;if (cbc_start(cipher_index, ivBytes, keyBytes, AES_KEYLEN, 0, &cbc) != CRYPT_OK) {LOGD("cbc_start failed.");free(paddedData);return nullptr;}uint8_t *output = (uint8_t *) malloc(paddedLen);if (cbc_encrypt(paddedData, output, paddedLen, &cbc) != CRYPT_OK) {LOGD("cbc_encrypt failed.");free(paddedData);free(output);return nullptr;}cbc_done(&cbc);jbyteArray result = env->NewByteArray(paddedLen);env->SetByteArrayRegion(result, 0, paddedLen, reinterpret_cast<jbyte *>(output));// 释放资源env->ReleaseByteArrayElements(data, (jbyte *) dataBytes, 0);free(paddedData);free(output);// 释放资源delete[] keyBytes;delete[] ivBytes;return result;
}// AES CBC 解密方法
extern "C" JNIEXPORT jbyteArray JNICALL
Java_com_cyrus_example_aes_NativeAESUtils_aesCBCDecode(JNIEnv *env, jclass clazz, jbyteArray data) {// 获取数据uint8_t *dataBytes = (uint8_t *) env->GetByteArrayElements(data, nullptr);int dataLen = env->GetArrayLength(data);// 注册 AES 算法if (register_cipher(&aes_desc) == -1) {env->ReleaseByteArrayElements(data, (jbyte *) dataBytes, 0);return nullptr;}// 转换密钥和 IV 为字节数组uint8_t *keyBytes = stringToSecretKey(KEY);uint8_t *ivBytes = stringToIV(IV);// 解密int cipher_index = register_cipher(&aes_desc);symmetric_CBC cbc;if (cbc_start(cipher_index, ivBytes, keyBytes, AES_KEYLEN, 0, &cbc) != CRYPT_OK) {LOGD("cbc_start failed.");return nullptr;}uint8_t *output = (uint8_t *) malloc(dataLen);if (cbc_decrypt(dataBytes, output, dataLen, &cbc) != CRYPT_OK) {LOGD("cbc_decrypt failed.");free(output);return nullptr;}cbc_done(&cbc);// 去除 PKCS5Paddingint unpaddedLen = pkcs5_unpad(output, dataLen);if (unpaddedLen < 0) {LOGD("PKCS5 unpadding failed.");free(output);return nullptr;}// 返回结果jbyteArray result = env->NewByteArray(unpaddedLen);env->SetByteArrayRegion(result, 0, unpaddedLen, reinterpret_cast<jbyte *>(output));// 释放资源free(output);env->ReleaseByteArrayElements(data, (jbyte *) dataBytes, 0);delete[] keyBytes;delete[] ivBytes;return result;
}

AES ECB 模式

ECB 模式没有 IV，因此只需要密钥即可。

// AES ECB 加密
extern "C" JNIEXPORT jbyteArray JNICALL
Java_com_cyrus_example_aes_NativeAESUtils_aesECBEncode(JNIEnv *env,jclass clazz,jbyteArray data
) {uint8_t *dataBytes = (uint8_t *) env->GetByteArrayElements(data, nullptr);int dataLen = env->GetArrayLength(data);// PKCS5Paddingint paddedLen = dataLen + 16 - (dataLen % 16);uint8_t *paddedData = (uint8_t *) malloc(paddedLen);memcpy(paddedData, dataBytes, dataLen);pkcs5_pad(paddedData, dataLen, 16, &paddedLen);// 设置 AES ECBsymmetric_ECB ecb;int cipher_index = register_cipher(&aes_desc);// 转换密钥为字节数组uint8_t *keyBytes = stringToSecretKey(KEY);if (ecb_start(cipher_index, keyBytes, AES_KEYLEN, 0, &ecb) != CRYPT_OK) {LOGD("ecb_start failed.");delete[] keyBytes;free(paddedData);return nullptr;}// 加密uint8_t *output = (uint8_t *) malloc(paddedLen);if (ecb_encrypt(paddedData, output, paddedLen, &ecb) != CRYPT_OK) {LOGD("ecb_encrypt failed.");delete[] keyBytes;free(paddedData);free(output);return nullptr;}ecb_done(&ecb);jbyteArray result = env->NewByteArray(paddedLen);env->SetByteArrayRegion(result, 0, paddedLen, reinterpret_cast<jbyte *>(output));// 释放资源delete[] keyBytes;free(paddedData);free(output);env->ReleaseByteArrayElements(data, (jbyte *) dataBytes, 0);return result;
}// AES ECB 解密
extern "C" JNIEXPORT jbyteArray JNICALL
Java_com_cyrus_example_aes_NativeAESUtils_aesECBDecode(JNIEnv *env,jclass clazz,jbyteArray data
) {uint8_t *dataBytes = (uint8_t *) env->GetByteArrayElements(data, nullptr);int dataLen = env->GetArrayLength(data);// 初始化 ECBsymmetric_ECB ecb;int cipher_index = register_cipher(&aes_desc);// 转换密钥为字节数组uint8_t *keyBytes = stringToSecretKey(KEY);if (ecb_start(cipher_index, keyBytes, AES_KEYLEN, 0, &ecb) != CRYPT_OK) {LOGD("ecb_start failed.");delete[] keyBytes;return nullptr;}// 解密uint8_t *output = (uint8_t *) malloc(dataLen);if (ecb_decrypt(dataBytes, output, dataLen, &ecb) != CRYPT_OK) {LOGD("ecb_decrypt failed.");delete[] keyBytes;free(output);return nullptr;}ecb_done(&ecb);// 去除 PKCS5Paddingint unpaddedLen = pkcs5_unpad(output, dataLen);if (unpaddedLen < 0) {LOGD("PKCS5 unpadding failed.");free(output);return nullptr;}jbyteArray result = env->NewByteArray(unpaddedLen);env->SetByteArrayRegion(result, 0, unpaddedLen, reinterpret_cast<jbyte *>(output));// 释放资源delete[] keyBytes;free(output);env->ReleaseByteArrayElements(data, (jbyte *) dataBytes, 0);return result;
}

效果如下：

word/media/image4.png

AES CTR 模式

CTR 模式需要 IV 和 Key，并且加密和解密使用相同的逻辑。

// AES CTR 加密
extern "C" JNIEXPORT jbyteArray JNICALL
Java_com_cyrus_example_aes_NativeAESUtils_aesCTREncode(JNIEnv *env,jclass clazz,jbyteArray data
) {uint8_t *dataBytes = (uint8_t *) env->GetByteArrayElements(data, nullptr);int dataLen = env->GetArrayLength(data);// 设置 AES CTRsymmetric_CTR ctr;int cipher_index = register_cipher(&aes_desc);// 转换密钥和 IV 为字节数组uint8_t *keyBytes = stringToSecretKey(KEY);uint8_t *ivBytes = stringToIV(IV);if (ctr_start(cipher_index, ivBytes, keyBytes, AES_KEYLEN, 0, CTR_COUNTER_LITTLE_ENDIAN, &ctr) != CRYPT_OK) {LOGD("ctr_start failed.");delete[] keyBytes;delete[] ivBytes;return nullptr;}// 加密 / 解密uint8_t *output = (uint8_t *) malloc(dataLen);if (ctr_encrypt(dataBytes, output, dataLen, &ctr) != CRYPT_OK) {LOGD("ctr_encrypt failed.");delete[] keyBytes;delete[] ivBytes;free(output);return nullptr;}ctr_done(&ctr);jbyteArray result = env->NewByteArray(dataLen);env->SetByteArrayRegion(result, 0, dataLen, reinterpret_cast<jbyte *>(output));// 释放资源delete[] keyBytes;delete[] ivBytes;free(output);env->ReleaseByteArrayElements(data, (jbyte *) dataBytes, 0);return result;}// AES CTR 解密
extern "C" JNIEXPORT jbyteArray JNICALL
Java_com_cyrus_example_aes_NativeAESUtils_aesCTRDecode(JNIEnv *env,jclass clazz,jbyteArray data
) {return Java_com_cyrus_example_aes_NativeAESUtils_aesCTREncode(env, clazz, data);
}

效果如下：

word/media/image5.png

AES 工作原理

AES 的加密过程分为多个轮次，每轮包含以下4个主要步骤：

  1. 字节代替 (SubBytes)：使用 S-Box（替代盒）对每个字节进行非线性替换。

  2. 行移位 (ShiftRows)：将数据分为4行，每行按特定规则循环移位。

  3. 列混合 (MixColumns)：使用矩阵运算对每列的数据进行混合。

  4. 轮密钥加 (AddRoundKey)：使用密钥进行 XOR 运算。

加密轮次：

  • 128位密钥：10轮

  • 192位密钥：12轮

  • 256位密钥：14轮

解密过程与加密过程类似，只是顺序相反，并使用逆S-Box和逆变换。

实现 AES 算法变体

在 LibTomCrypt 中，AES 算法的 S-Box（替代盒）是通过查找表（lookup table）实现的，而 AES 的表（如 S-Box）主要是存在于 src/cipher/aes/aes_tab.c 文件中。

该 S-Box 是一个 256 字节的查找表，用于将每个输入字节替换成加密的字节。

word/media/image6.png

理论上，你可以通过修改 LibTomCrypt 中的 S-Box 或其他查找表，来实现你自己的 AES 变体。

比如，把 0xc66363a5UL 改成 0xaa6363a5UL。

word/media/image7.png

AES 算法变体加密结果：

word/media/image8.png

标准 AES 算法加密结果：

word/media/image9.png

可以看到加密结果已经和标准的 AES 不一样了，解密结果还是一样的。

word/media/image10.png

完整源码

完整源码地址：https://github.com/CYRUS-STUDIO/AndroidExample

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