Java 实现 AES 加密和解密完整示例

2023-09-09 12:50

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AES，全称为 Advanced Encryption Standard，是一种分组密码算法，用于保护敏感数据的传输和存储。AES 分为 128 位和 256 位两种密钥长度，可以对数据进行加密和解密，保证数据的安全性和完整性。AES 主要应用于电子商务、移动支付、网络安全等领域，被广泛运用于现代社会的各个方面。AES 算法被设计为高度安全，可以在理论上保证其分组密码的安全性。然而，由于其复杂性和密钥长度，AES 算法的实现和应用也具有一定的技术难度。因此，在应用 AES算法时，需要注意加强密钥管理和安全性保障。

这个标准用来替代原先的 DES（Data Encryption Standard），已经被多方分析且广为全世界所使用。

AES 算法具有很多优点，例如快速、安全、可靠等。它可以加密大量数据，而不会因为加密过程中的数据量过大而变得缓慢。此外，AES 算法还支持块大小的自动调整，可以处理不同大小的数据块。

2.1、加密方式

ECB（Electronic Codebook）模式：这种模式是将整个明文分成若干段相同的小段，然后对每一小段进行加密。加密时，使用一个密钥，将明文中的每个字符与密钥中对应位置的字符进行异或运算，得到密文。

CBC（Cipher Block Chaining）模式：这种模式是先将明文切分成若干小段，然后每一小段与初始块或者上一段的密文段进行异或运算后，再与密钥进行加密。加密时，使用一个密钥和一个初始化向量（IV），初始化向量是一个16字节的向量，包含了加密算法所需的所有信息。

CFB（Cipher Feedback）模式：这种模式是一种较为复杂的加密模式，它结合了CBC和CTR两种模式的优点。在CFB模式中，加密过程中使用一个密钥和一个随机生成的初始化向量（IV），然后对明文进行加密。在加密完成后，通过对明文进行非对称加密来生成密文的向量。随后，通过对密文进行反向操作，将密文的向量与明文的向量进行异或运算，得到解密所需的密钥。

需要注意的是，ECB、CBC、CFB等模式都是对称加密算法，加密和解密使用相同的密钥。在使用这些算法时，需要注意保护密钥的安全，避免被恶意获取。

2.2、安全性

ECB 不够安全，只适合于短数据的加密，而 CBC 和 CFB 相较于 ECB 更加安全，因为前一个密文块会影响当前明文块，使攻击者难以预测密文的结构。

2.3、速度

ECB 是最简单的加密方式，速度最快，但由于安全性差不建议使用，CBC 因为每个明文块都要与前一个密文块进行异或操作，比 ECB 要慢一些，CFB 因为需要反复加密和解密，速度可能会更慢。

总的来说，选择 AES 的算法模式需要根据加密需要的安全性和速度来进行选择，通常推荐使用CBC 或 CFB 模式，而不是 ECB 模式。

在 Java 中，可以使用 javax.crypto 包中的 Cipher 类来实现 AES 加密和解密。完整代码如下：

package com.csdn.woniu.example;import javax.crypto.Cipher;import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;import java.nio.charset.StandardCharsets;import java.util.Base64;import java.util.Random;public class AESExample {        private static final String AES_ECB = "AES/ECB/PKCS5Padding";        private static final String AES_CBC = "AES/CBC/PKCS5Padding";        private static final String AES_CFB = "AES/CFB/PKCS5Padding";        private static final Integer IV_LENGTH = 16;        public static boolean isEmpty(Object str) {        return null == str || "".equals(str);    }        public static byte[] getBytes(String str){        if (isEmpty(str)) {            return null;        }        try {            return str.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);        } catch (Exception e) {            throw new RuntimeException(e);        }    }        public static String getIV(){        String str = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789";        Random random = new Random();        StringBuffer sb = new StringBuffer();        for(int i = 0 ; i < IV_LENGTH ; i++){            int number = random.nextInt(str.length());            sb.append(str.charAt(number));        }        return sb.toString();    }        public static SecretKeySpec getSecretKeySpec(String key){        SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(getBytes(key), "AES");        return secretKeySpec;    }        public static String encrypt(String text, String key){        if (isEmpty(text) || isEmpty(key)) {            return null;        }        try {            // 创建AES加密器            Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_ECB);            SecretKeySpec secretKeySpec = getSecretKeySpec(key);            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec);            // 加密字节数组            byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(getBytes(text));            // 将密文转换为 Base64 编码字符串            return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);        } catch (Exception e) {            throw new RuntimeException(e);        }    }        public static String decrypt(String text, String key){        if (isEmpty(text) || isEmpty(key)) {            return null;        }        // 将密文转换为16字节的字节数组        byte[] textBytes = Base64.getDecoder().decode(text);        try {            // 创建AES加密器            Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_ECB);            SecretKeySpec secretKeySpec = getSecretKeySpec(key);            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec);            // 解密字节数组            byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(textBytes);            // 将明文转换为字符串            return new String(decryptedBytes, StandardCharsets.UTF_8);        } catch (Exception e) {            throw new RuntimeException(e);        }    }        public static String encrypt(String text, String key, String iv, String mode){        if (isEmpty(text) || isEmpty(key) || isEmpty(iv)) {            return null;        }        try {            // 创建AES加密器            Cipher cipher = Cipher.getInstance(mode);            SecretKeySpec secretKeySpec = getSecretKeySpec(key);            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec, new IvParameterSpec(getBytes(iv)));            // 加密字节数组            byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(getBytes(text));            // 将密文转换为 Base64 编码字符串            return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);        } catch (Exception e) {            throw new RuntimeException(e);        }    }        public static String decrypt(String text, String key, String iv, String mode){        if (isEmpty(text) || isEmpty(key) || isEmpty(iv)) {            return null;        }        // 将密文转换为16字节的字节数组        byte[] textBytes = Base64.getDecoder().decode(text);        try {            // 创建AES加密器            Cipher cipher = Cipher.getInstance(mode);            SecretKeySpec secretKeySpec = getSecretKeySpec(key);            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec, new IvParameterSpec(getBytes(iv)));            // 解密字节数组            byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(textBytes);            // 将明文转换为字符串            return new String(decryptedBytes, StandardCharsets.UTF_8);        } catch (Exception e) {            throw new RuntimeException(e);        }    }    public static void main(String[] args) {        String text = "嗨，您好！";        String key  = "woniucsdnvip8888"; // 16字节的密钥        String iv  = getIV();        String encryptTextEBC = encrypt(text, key);        System.out.println("EBC 加密后内容：" + encryptTextEBC);        System.out.println("EBC 解密后内容：" + decrypt(encryptTextEBC, key));        System.out.println();        String encryptTextCBC = encrypt(text, key, iv, AES_CBC);        System.out.println("CBC 加密IV：" + iv);        System.out.println("CBC 加密后内容：" + encryptTextCBC);        System.out.println("CBC 解密后内容：" + decrypt(encryptTextCBC, key, iv, AES_CBC));        System.out.println();        String encryptTextCFB = encrypt(text, key, iv, AES_CFB);        System.out.println("CFB 加密IV：" + iv);        System.out.println("CFB 加密后内容：" + encryptTextCFB);        System.out.println("CFB 解密后内容：" + decrypt(encryptTextCFB, key, iv, AES_CFB));    }}

运行结果如下：

EBC 加密后内容：Nc6r9GcghANVXeAek8OQAg==EBC 解密后内容：嗨，您好！CBC 加密IV：sIVxRsEWgAHNNLYoCBC 加密后内容：515S8VG52TqbhUwB1T9DiA==CBC 解密后内容：嗨，您好！CFB 加密IV：sIVxRsEWgAHNNLYoCFB 加密后内容：C3MNkL3f4be9hwkrA0VsNg==CFB 解密后内容：嗨，您好！