JAVA实现AES加密解密

Posted 2023-03-30 Bonnenult浅时光

一、什么是AES？

高级加密标准（英语：Advanced Encryption Standard，缩写：AES），是一种区块加密标准。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。

那么为什么原来的DES会被取代呢，原因就在于其使用56位密钥，比较容易被破解。而AES可以使用128、192、和256位密钥，并且用128位分组加密和解密数据，相对来说安全很多。完善的加密算法在理论上是无法破解的，除非使用穷尽法。使用穷尽法破解密钥长度在128位以上的加密数据是不现实的，仅存在理论上的可能性。统计显示，即使使用目前世界上运算速度最快的计算机，穷尽128位密钥也要花上几十亿年的时间，更不用说去破解采用256位密钥长度的AES算法了。

目前世界上还有组织在研究如何攻破AES这堵坚厚的墙，但是因为破解时间太长，AES得到保障，但是所用的时间不断缩小。随着计算机计算速度的增快，新算法的出现，AES遭到的攻击只会越来越猛烈，不会停止的。

AES现在广泛用于金融财务、在线交易、无线通信、数字存储等领域，经受了最严格的考验，但说不定哪天就会步DES的后尘。

二、AES加密方式简析

* AES加密是对称加密，128、192、256分别表示密钥的长度

* AES的加密方式会将明文拆分成不同的块进行加密，例如一个256 位的数据用128的密钥（16个字节）加密，则分成

明文1（128位） 明文2（128位）

加密

密文1（128位） 密文2（128位）

填充：

如果明文不是128位（16字节）的则需要填充，即在明文某个地方补充到16个字节整数倍的长度，加解密时需要采用同样的填充方式，否则无法解密成功，以下是几种填充方式

** NoPadding
不进行填充，但是这里要求明文必须要是16个字节的整数倍，这个可以使用者本身自己去实现填充，除了该种模式以外的其他填充模式，如果已经是16个字节的数据的话，会再填充一个16字节的数据

** PKCS5Padding（默认）
在明文的末尾进行填充，填充的数据是当前和16个字节相差的数量，例如：
未填充明文
1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11

​ 填充明文（缺少五个满足16个字节，因此填充五个5）
1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，5，5，5，5，5

由于使用PKCS7Padding/PKCS5Padding填充时，*最后一个字节肯定为填充数据的长度，所以在解密后可以准确删除填充的数据*

** ISO10126Padding
在明文的末尾进行填充，当前和16个字节相差的数量填写在最后，其余字节填充随机数，例如：
未填充明文
1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11

​ 填充明文（缺少五个满足16个字节）
1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，c，b，4，1，5

模式

模式是需要制定AES对明文进行加密时使用的模式（这里并不涉及具体的加密方法，只是加密步骤上的不同模式，在加解密时同样需要相同的模式，否则无法成功），一共提供了五种模式，模式的基本原理是近似的，但是细节上会有一些变化，如下：

** **ECB模式（默认）**电码本模式 Electronic Codebook Book

这个模式是默认的，就只是根据密钥的位数，将数据分成不同的块进行加密，加密完成后，再将加密后的数据拼接起来，过程如下：

明文（64字节） 密钥（16字节）

明文1（16字节） 明文2（16字节） 明文3（16字节） 明文4（16字节）

密文1（16字节） 密文2（16字节） 密文3（16字节） 密文4（16字节）

密文（64字节）

优点：简单、速度快、可并行
缺点：如果明文块相同，则生成的密文块也相同，这样会导致安全性降低

** CBC模式 密码分组链接模式 Cipher Block Chaining

为了解决ECB模式的密文块相同的缺点，CBC的模式引入了一个初始向量概念，该向量必须是一个与密钥长度相等的数据，在第一次加密前，会使用初始化向量与第一块数据做异或运算，生成的新数据再进行加密，加密第二块之前，会拿第一块的密文数据与第二块明文进行异或运算后再进行加密，以此类推，解密时也是在解密后，进行异或运算，生成最终的明文。过程如下：

明文（63字节） 密钥 （16字节） 初始向量iv（16字节）

​ 明文1（16字节） 明文2（16字节） 明文3（16字节） 明文4+一个0（16字节）

异或 +初始向量 +密文1 +密文2 +密文3

​ 密文1（16字节） 密文2（16字节） 密文3（16字节） 密文4（16字节）

密文（64字节）

这里需要注意如下几点：
1.向量必须是一个与密钥长度相等的数据
2.由于在加密前和解密后都会做异或运算，因此我们的明文可以不用补全，不是16个字节的倍数也可以，CBC中会自动用0补全进行异或运算
3.在解密时是解密后才会再做异或运算，保证数据解密成功
4.由于自动进行了补全，所以解密出的数据也会在后面补全0，因此获取到数据时，需要将末尾的0去除，或者根据源数据长度来截取解密后的数据

优点：每次加密密钥不同，加强了安全性

CBC的方式解决了EBC的缺点，但是也有其缺点：
1.加密无法并行运算，但是解密可以并行，必须在前一个块加密完成后，才能加密后块，并且也需要填充0在后面，所以并不适合流数据（不适合的原因可能是，需要满足128位的数据之后才能进行加密，这样后面才不会有0的补全）
2.如果前一个数据加密错误，那么后续的数据都是错的了
3.两端需要同时约定初始向量iv

** CFB模式： 密码反馈模式 Cipher FeedBack
这个模式只使用了加密方法，原理是用到了一个数值异或运算之后再进行一次异或运算，值不改变的原理。并且在加密的时候，如果数据并不满足一个密钥的字节，那么只做保存，待满足一个密钥的字节后再进行加密 过程如下：

加密：

明文（260个字节） iv（128个字节）

明文1（128个字节） 明文2（128个字节） 明文3（4个字节）

（iv+key）异或 明文1 （密文1+key）异或 明文1 （密文1+key）异或明文3

密文1（128个字节） 密文2（128个字节） 密文3（4个字节）

解密：

密文（260个字节） iv（128个字节）密钥（128字节）

密文1（128个字节） 密文2（128个字节） 密文3（4个字节）

（iv+key）异或密文1 （密文1+key）异或密文2 （密文1+key）异或密文3

明文1 （128个字节） 明文2 （128个字节） 明文3（4个字节）

这里需要注意如下几点：
1.加解密时会返回一个num，这个num表示还需要几个数字，才会使用上一个密文加密，否则一直使用上上一个
2.加解密时也需要传入字符串的长度
3.由于解密时使用的都是密文来进行解密，并没有使用上一次解密的明文，因此解密也可以并行
4.由于CFB模式并不需要补全，或者一个完整的128字节才能加解密，综合第三点，所以适合流数据的传输。
5.CFB模式不止有CFB128（即与密钥长度一致），还有CFB1 和CFB8 即加解密1或8位后，再调用一次加密器生成新的值，这样可以使加密更安全，但是就会处理更多的运算，CFB1的运算时间是CFB8的八倍 CFB128的128倍
6.使用CFB128或者CFB8的时候传入的length单位是字节，CFB1是length的单位是位。
7.使用CFB1和CFB8的时候，num值会始终为0

优点:解密可同步，可以传入非16字节倍数的数据，适合流数据

CFB模式当然也有一个缺点，解密的时候可以并行解密，但是加密的时候并不可以并行加密。并且也需要选择iv

** OFB模式： 输出反馈模式 Output FeedBack
该模式与CFB类似，但是是将iv或者上一个iv加密后的数据加密，生成的key与明文做异或运算，解密时采用的是同样的方法，利用了异或运算的对称性来进行加解密，除了这一点，其余与CFB一致

加密/解密：

CFB:
（iv+key）异或 明文1 （密文1+key）异或 明文1 （密文1+key）异或明文3

OFB
（iv+key)异或明文1 （（iv+key）+key)异或明文1 （（（iv+key）+key）+key）异或明文3

优点：与CFB一样，方便传输流数据

缺点：由于依赖上一次的加密结果，所以并不能并行处理，特性是解密步骤完全一致，因此使用方法上不会有区别。

** CTR模式： 计算器模式 Counter
OFB不能并行的原因就在于需要上一次的iv进行加密后的结果，因此在CTR中我们将（iv+key）+key替换成了（iv+1）+key,这样我们就不需要依赖上一次的加密结果了。对比如下:

OFB
（iv+key)异或明文1 （（iv+key）+key)异或明文1 （（（iv+key）+key）+key）异或明文3

CTR
（iv+key)异或明文1 （（iv+1）+key)异或明文1 （（（iv+1）+1）+key）异或明文3

优点：由于加解密可以并行，因此CTR模式的加解密速度也很快

缺点：iv+1的获取比较负责，需要获取瞬时iv

我们目前使用 AES-128算法，PKCS5Padding填充方式，ECB模式

public class AESUtil 

    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(AESUtil.class);
    private static final String KEY_ALGORITHM = "AES";
    private static final String DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM = "AES/ECB/PKCS5Padding";//默认的加密算法

    /**
     * AES 加密操作
     */
    public static String encrypt(String content, String password) 
        try 
        	//根据指定算法AES创建密码器
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM);
	       // 初始化密码器，第一个参数为加密(Encrypt_mode)或者解密(Decrypt_mode)操作，第二个参数为使用的KEY，
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, getSecretKey(password));
		   // 获取加密内容的字节数组(这里要设置为utf-8)不然内容中如果有中文和英文混合中文就会解密为乱码
            byte[] byteContent = content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
            // 加密
            byte[] result = cipher.doFinal(byteContent);
		   //通过Base64转码返回
            return Base64.encodeBase64String(result).replaceAll("[+]", ".");
         catch (Exception ex) 
            ex.printStackTrace();
        
        return null;
    


    /**
     * AES 解密操作
     *
     * @param content
     * @param password
     * @return
     */
    public static String decrypt(String content, String password) 

        try 
            //实例化，根据指定算法AES创建密码器
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM);
            //使用密钥初始化，设置为解密模式
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, getSecretKey(password));
            //执行操作
            byte[] result = cipher.doFinal(Base64.decodeBase64(content.replaceAll("[.]", "+")));

            return new String(result, StandardCharsets.UTF_8);
         catch (Exception ex) 
            ex.printStackTrace();
        

        return null;
    

    /**
     * 生成加密秘钥
     *
     * @return
     */
    private static SecretKeySpec getSecretKey(final String password) 
        //返回生成指定算法密钥生成器的 KeyGenerator 对象
        KeyGenerator kg = null;

        try 
            //构造密钥生成器，指定为AES算法,不区分大小写
            kg = KeyGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
		   //初始化SecureRandom，使用SHA1PRNG算法，SecureRandom类提供加密的强随机数生成器
            SecureRandom random = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
            //设置种子
            random.setSeed(password.getBytes());
            //AES 要求密钥长度为 128
            kg.init(128, random);

            //生成一个密钥
            SecretKey secretKey = kg.generateKey();
		   // 转换为AES专用密钥
            return new SecretKeySpec(secretKey.getEncoded(), KEY_ALGORITHM);
         catch (NoSuchAlgorithmException ex) 
            ex.printStackTrace();
        

        return null;