对称加密算法AES

Posted 2023-03-30

参考技术A AES（Advanced Encryption Standard），高级加密标准，对称算法，是下一代的加密算法标准，速度快，安全级别高，在21世纪AES 标准的一个实现是 Rijndael 算法；
AES加密算法是密码学中的高级加密标准，该加密算法采用对称分组密码体制，密钥长度的最少支持为128、192、256，分组长度128位，算法应易于各种硬件和软件实现。这种加密算法是美国联邦政府采用的区块加密标准，这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。
它适用于敏感内容进行加密传输，防止被窃取。

AES对称加密算法

AES加密算法

AES（Advanced Encryption Standard）是一种对称加密算法（也叫共享密钥），对称加密算法的意思是加密和解密都是用同一个密钥（密钥和秘钥是同义词）,通常来说，对称加密算法效率要优于非对称加密算法，它用来代替DES（Data Encryption Standard，56位密钥）。AES有三个关键点：密钥、填充、模式。

• 密钥
  • 密钥分为128位（16字节）、192位（24字节）、256位（32字节），位数越多，解密和加密的运算量越大，相应的越安全，可以折中使用192位兼顾效率和安全。
• 填充
  • 填充，在加密时，会将数据按照128位（16字节）一组分为多个明文块，然后对明文块分别加密；当然了，加密时与解密时的填充必须一致，否则无法解密。
  • NoPadding
    • 不填充，但要求明文必须是128位的整数倍；如果使用NoPadding，程序要对明文预处理进行填充，以达到16字节整数倍的要求。
  • PKCS5Padding(默认)
    • 如果明文块少于128位，则补足相应数量的字符，且字符的值等于缺少的字节数。比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节，则补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6}
  • ISO10126Padding
    • 如果明文块少于16字节，则补足相应数量的字符，且最后一个字符的值等于缺少的字节数，其他字符填充随机数；比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节，则可能补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,5,c,3,G,$,6}
• 模式
  • 模式，上边提到过，加密时，会将数据分为一组一组的明文。
  • ECB
    • ECB（电码本模式 Electronic Codebook Book 默认）是各组分别加密然后拼接起来，各组之间没有关系，可以并行计算；
  • CBC
    • CBC（密码分组链接模式 Cipher Block Chaining，默认），第二组依赖第一组的结果，第三组依赖第二组的结果，只有等待前一个组加密完成后，再进行下一组加密，以此类推，这种就没法并行计算。与ECB不同的事，CBC有初始向量，初始向量先于明文进行运算，结果再与密钥进行运算。

注意，咱们通常所说的“密钥”并不是真正的密钥，而是产生密钥的“种子”。

举例

好了，我们用java实验一下AES算法，AES算法在javax.crypto包下

ECB模式

Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
String key = "aaaaaaaaaaaaaaaa";
 SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8),"AES");
 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,secretKeySpec);
 String content = "你好";
 byte[] encryptBytes = cipher.doFinal(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

 cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,secretKeySpec);
 byte[] plaintextBytes = cipher.doFinal(encryptBytes);
 String plaintext = new String(plaintextBytes, StandardCharsets.UTF_8);
 log.info("解密后:{}",plaintext);

CBC模式

CBC模式必须使用初始向量

String seed = "aaaaaaaaaaaaaaaa";
//CBC有偏移量
IvParameterSpec ivspec = new IvParameterSpec(seed.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(seed.getBytes(StandardCharsets.UTF_8),"AES");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,secretKeySpec,ivspec);
String content = "你";
byte[] encryptBytes = cipher.doFinal(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
byte[] encryptedBase64 = Base64.getEncoder().encode(encryptBytes);
log.info("加密后:{}",new String(encryptedBase64, StandardCharsets.UTF_8));
byte[] decode = Base64.getDecoder().decode(encryptedBase64);

cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,secretKeySpec,ivspec);
byte[] plaintextBytes = cipher.doFinal(decode);
String plaintext = new String(plaintextBytes, StandardCharsets.UTF_8);
log.info("解密后:{}",plaintext);

不填充

以上两个例子都使用了填充，如果使用不填充，那么就需要对明文预处理，确保明文是16字节的整数倍，通常做法是将明文转换为字节数组，将字节数组补为16的倍数，补齐的值都是0,0在ASCII中对应的是没有字符，所以在解码时也不需要特殊处理。比如

 Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/NoPadding");
        int blockSize = cipher.getBlockSize();
        byte[] dataBytes;
		try {
			dataBytes = data.getBytes("UTF-8");
		} catch (UnsupportedEncodingException e) {
			throw new RuntimeException(e);
		}
        int plaintextLength = dataBytes.length;
        //数据长度必须是16的倍数
        if (plaintextLength % blockSize != 0) {
            plaintextLength = plaintextLength + (blockSize - (plaintextLength % blockSize));
        }
        byte[] plaintext = new byte[plaintextLength];
        //字节数组补齐为16的倍数，补上的位置都是0,0在ASCII中不对应字符，所以在解码时不需要特殊处理；
        System.arraycopy(dataBytes, 0, plaintext, 0, dataBytes.length);

常见错误

java.security.InvalidKeyException: Illegal key size or default parameters

默认的jdk提供的AES算法只支持128位，如果超过128位就会抛出这个异常。
根据Stack Overflow所说，JDK8 Update 161版本开始，不限制长度,如果遇到这个问题，就升级JDK吧。

参考

程序员小灰讲AES