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使用Java实现加密之AES加解密

2023-05-18 11:29

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1.背景知识

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在密码学中，加密算法分为单向加密和双向加密。
- 单向加密包括MD5、SHA等摘要算法，它们是不可逆的。
- 双向加密包括对称加密和非对称加密。双向加密是可逆的，存在密文的密钥。
  - 对称加密是指加密和解密使用相同的密钥，包括AES加密、DES加密等。
  - 非对称加密是指加密和解密使用不同的密钥，包括RSA加密等。

2.AES简介

AES： 高级加密标准（Advanced Encryption Standard）是美国联邦政府采用的一种区块加密标准，是目前最流行的一种对称加密算法。

是用来替代DES的新一代分组加密算法。
AES支持三种长度的密钥：128位、192位、256位。

3.AES的加密过程（AES处理单位：字节）

AES的加解密过程和DES一样，都是通过分组加密、分组解密。所谓分组加密，就是将待加解密的内容按照128位进行分组，将密钥按照128位、192位、256位进行分组，分别将分组后的明文与相应分组后的密钥进行加解密。

加密： 明文与密钥分组后，对每组：明文组与密钥组处理 -> 轮密钥加 -> 10轮加密 -> 密文组

解密： 对每组：密文组 -> 轮密钥加 -> 10轮解密 -> 明文组

明文分组： 每组长度相等，都是128位（16字节）；

密钥分组： 有128位、192位、256位，推荐加密轮数分别为 10、12、14

密钥组处理： 以密钥分组每组128位为例（则推荐加密轮数为10，前9次执行操作一样，第十次有所不同）类似地，128位密钥也是用字节为单位的矩阵表示，通过密钥编排函数，形成具有44个元素的序列W[0],W[1], … ,W[43]（每个元素4个字节）；其中，W[0],W[1],W[2],W[3]为原始密钥，其余40个元素分为10组，每组4个元素（4*4=16字节），分别用于10轮加密。

AES加密算法涉及4种操作： 字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。

下图给出了AES加解密的流程：

AddRoundKey （轮密钥加）— 矩阵中的每一个字节都与该次轮密钥（round key）做XOR运算；每个子密钥由密钥生成方案产生。
SubBytes（字节替代） — 通过非线性的替换函数，用查找表的方式把每个字节替换成对应的字节。
ShiftRows（行移位） — 将矩阵中的每个横列进行循环式移位。
MixColumns （列混淆）— 为了充分混合矩阵中各个直行的操作。这个步骤使用线性转换来混合每列的四个字节。

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假如一段明文长度是192bit，如果按每128bit一个明文块来拆分的话，第二个明文块只有64bit，不足128bit。这时候怎么办呢？就需要对明文块进行填充（Padding）。

填充涉及以下三种填充模式：

NoPadding：不做任何填充，但是要求明文必须是16字节的整数倍。
PKCS5Padding（默认）：如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字符，且每个字节的值等于缺少的字符数。

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个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字节，最后一个字符值等于缺少的字符数，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}

4.Java实现

注意：AES加密包含Base64加密

加密： AES加密 -> Base64加密 -> 密文

解密： Base64解密 -> AES解密 -> 明文

测试地址：点击此处

4.1 生成密钥和偏移量

生成16个大小写字母和数字的随机数即可：

private static final String SYMBOLS = "0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"; // 数字和26个字母组成
private static final Random RANDOM = new SecureRandom();

public static String getRandomNumber() {
    char[] nonceChars = new char[16];  //指定长度为6位/自己可以要求设置
    for (int index = 0; index < nonceChars.length; ++index) {
        nonceChars[index] = SYMBOLS.charAt(RANDOM.nextInt(SYMBOLS.length()));
    }
    return new String(nonceChars);
}

4.2 AESUtil.java 源码

import org.apache.commons.lang3.RandomStringUtils;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.util.Base64Utils;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

public class AESUtil {
    
    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(AESUtil.class);
    
    private static final String ENCODING = "UTF-8";
    
    private static final String AES_ALGORITHM = "AES";
    
    private static final String CIPHER_PADDING = "AES/ECB/PKCS5Padding";
    private static final String CIPHER_CBC_PADDING = "AES/CBC/PKCS5Padding";
    
    private static final String IV_SEED = "1234567812345678";
    
    public static String encrypt(String content, String aesKey){
        if(StringUtils.isBlank(content)){
            LOGGER.info("AES encrypt: the content is null!");
            return null;
        }
        //判断秘钥是否为16位
        if(StringUtils.isNotBlank(aesKey) && aesKey.length() == 16){
            try {
                //对密码进行编码
                byte[] bytes = aesKey.getBytes(ENCODING);
                //设置加密算法，生成秘钥
                SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(bytes, AES_ALGORITHM);
                // "算法/模式/补码方式"
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_PADDING);
                //选择加密
                cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec);
                //根据待加密内容生成字节数组
                byte[] encrypted = cipher.doFinal(content.getBytes(ENCODING));
                //返回base64字符串
                return Base64Utils.encodeToString(encrypted);
            } catch (Exception e) {
                LOGGER.info("AES encrypt exception:" + e.getMessage());
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }else {
            LOGGER.info("AES encrypt: the aesKey is null or error!");
            return null;
        }
    }
    
    public static String decrypt(String content, String aesKey){
        if(StringUtils.isBlank(content)){
            LOGGER.info("AES decrypt: the content is null!");
            return null;
        }
        //判断秘钥是否为16位
        if(StringUtils.isNotBlank(aesKey) && aesKey.length() == 16){
            try {
                //对密码进行编码
                byte[] bytes = aesKey.getBytes(ENCODING);
                //设置解密算法，生成秘钥
                SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(bytes, AES_ALGORITHM);
                // "算法/模式/补码方式"
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_PADDING);
                //选择解密
                cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec);
                //先进行Base64解码
                byte[] decodeBase64 = Base64Utils.decodeFromString(content);
                //根据待解密内容进行解密
                byte[] decrypted = cipher.doFinal(decodeBase64);
                //将字节数组转成字符串
                return new String(decrypted, ENCODING);
            } catch (Exception e) {
                LOGGER.info("AES decrypt exception:" + e.getMessage());
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }else {
            LOGGER.info("AES decrypt: the aesKey is null or error!");
            return null;
        }
    }
    
    public static String encryptCBC(String content, String aesKey){
        if(StringUtils.isBlank(content)){
            LOGGER.info("AES_CBC encrypt: the content is null!");
            return null;
        }
        //判断秘钥是否为16位
        if(StringUtils.isNotBlank(aesKey) && aesKey.length() == 16){
            try {
                //对密码进行编码
                byte[] bytes = aesKey.getBytes(ENCODING);
                //设置加密算法，生成秘钥
                SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(bytes, AES_ALGORITHM);
                // "算法/模式/补码方式"
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_CBC_PADDING);
                //偏移
                IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(IV_SEED.getBytes(ENCODING));
                //选择加密
                cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec, iv);
                //根据待加密内容生成字节数组
                byte[] encrypted = cipher.doFinal(content.getBytes(ENCODING));
                //返回base64字符串
                return Base64Utils.encodeToString(encrypted);
            } catch (Exception e) {
                LOGGER.info("AES_CBC encrypt exception:" + e.getMessage());
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }else {
            LOGGER.info("AES_CBC encrypt: the aesKey is null or error!");
            return null;
        }
    }
    
    public static String decryptCBC(String content, String aesKey){
        if(StringUtils.isBlank(content)){
            LOGGER.info("AES_CBC decrypt: the content is null!");
            return null;
        }
        //判断秘钥是否为16位
        if(StringUtils.isNotBlank(aesKey) && aesKey.length() == 16){
            try {
                //对密码进行编码
                byte[] bytes = aesKey.getBytes(ENCODING);
                //设置解密算法，生成秘钥
                SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(bytes, AES_ALGORITHM);
                //偏移
                IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(IV_SEED.getBytes(ENCODING));
                // "算法/模式/补码方式"
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_CBC_PADDING);
                //选择解密
                cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec, iv);
                //先进行Base64解码
                byte[] decodeBase64 = Base64Utils.decodeFromString(content);
                //根据待解密内容进行解密
                byte[] decrypted = cipher.doFinal(decodeBase64);
                //将字节数组转成字符串
                return new String(decrypted, ENCODING);
            } catch (Exception e) {
                LOGGER.info("AES_CBC decrypt exception:" + e.getMessage());
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }else {
            LOGGER.info("AES_CBC decrypt: the aesKey is null or error!");
            return null;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        // AES支持三种长度的密钥：128位、192位、256位。
        // 代码中这种就是128位的加密密钥，16字节 * 8位/字节 = 128位。
        String random = RandomStringUtils.random(16, "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz1234567890");
        System.out.println("随机key:" + random);
        System.out.println();
        System.out.println("---------加密---------");
        String aesResult = encrypt("测试AES加密12", random);
        System.out.println("aes加密结果:" + aesResult);
        System.out.println();
        System.out.println("---------解密---------");
        String decrypt = decrypt(aesResult, random);
        System.out.println("aes解密结果:" + decrypt);
        System.out.println();
        System.out.println("--------AES_CBC加密解密---------");
        String cbcResult = encryptCBC("测试AES加密12456", random);
        System.out.println("aes_cbc加密结果:" + cbcResult);
        System.out.println();
        System.out.println("---------解密CBC---------");
        String cbcDecrypt = decryptCBC(cbcResult, random);
        System.out.println("aes解密结果:" + cbcDecrypt);
        System.out.println();
    }
}

4.3 执行结果

随机key:golrtt58318fx7ol
---------加密---------
aes加密结果:Xy8W9lCeVue9Ao36z+duM7D7WeS5tdBihIMb1q9KpNg=
---------解密---------
aes解密结果:测试AES加密12
--------AES_CBC加密解密---------
aes_cbc加密结果:xs3ypQXyd62P9jB0+RvOqxFnHIHBIlVdqoZLuqYNBLw=
---------解密CBC---------
aes解密结果:测试AES加密12456