使用Java實(shí)現(xiàn)加密之AES加解密

更新時(shí)間：2023年05月01日 10:46:17 作者：ACGkaka_

這篇文章主要介紹了使用Java實(shí)現(xiàn)加密之AES加解密,AES為最常見的對稱加密算法,對稱加密算法也就是加密和解密用相同的密鑰,需要的朋友可以參考下

1.背景知識

請?zhí)砑訄D片描述

在密碼學(xué)中，加密算法分為單向加密和雙向加密。
- 單向加密包括MD5、SHA等摘要算法，它們是不可逆的。
- 雙向加密包括對稱加密和非對稱加密。雙向加密是可逆的，存在密文的密鑰。
  - 對稱加密是指加密和解密使用相同的密鑰，包括AES加密、DES加密等。
  - 非對稱加密是指加密和解密使用不同的密鑰，包括RSA加密等。

2.AES簡介

AES： 高級加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard）是美國聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)，是目前最流行的一種對稱加密算法。

是用來替代DES的新一代分組加密算法。
AES支持三種長度的密鑰：128位、192位、256位。

3.AES的加密過程（AES處理單位：字節(jié)）

AES的加解密過程和DES一樣，都是通過分組加密、分組解密。所謂分組加密，就是將待加解密的內(nèi)容按照128位進(jìn)行分組，將密鑰按照128位、192位、256位進(jìn)行分組，分別將分組后的明文與相應(yīng)分組后的密鑰進(jìn)行加解密。

加密： 明文與密鑰分組后，對每組：明文組與密鑰組處理 -> 輪密鑰加 -> 10輪加密 -> 密文組

解密： 對每組：密文組 -> 輪密鑰加 -> 10輪解密 -> 明文組

明文分組： 每組長度相等，都是128位（16字節(jié)）；

密鑰分組： 有128位、192位、256位，推薦加密輪數(shù)分別為 10、12、14

密鑰組處理： 以密鑰分組每組128位為例（則推薦加密輪數(shù)為10，前9次執(zhí)行操作一樣，第十次有所不同）類似地，128位密鑰也是用字節(jié)為單位的矩陣表示，通過密鑰編排函數(shù)，形成具有44個(gè)元素的序列W[0],W[1], … ,W[43]（每個(gè)元素4個(gè)字節(jié)）；其中，W[0],W[1],W[2],W[3]為原始密鑰，其余40個(gè)元素分為10組，每組4個(gè)元素（4*4=16字節(jié)），分別用于10輪加密。

AES加密算法涉及4種操作： 字節(jié)替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和輪密鑰加（AddRoundKey）。

下圖給出了AES加解密的流程：

AddRoundKey （輪密鑰加）— 矩陣中的每一個(gè)字節(jié)都與該次輪密鑰（round key）做XOR運(yùn)算；每個(gè)子密鑰由密鑰生成方案產(chǎn)生。
SubBytes（字節(jié)替代） — 通過非線性的替換函數(shù)，用查找表的方式把每個(gè)字節(jié)替換成對應(yīng)的字節(jié)。
ShiftRows（行移位） — 將矩陣中的每個(gè)橫列進(jìn)行循環(huán)式移位。
MixColumns （列混淆）— 為了充分混合矩陣中各個(gè)直行的操作。這個(gè)步驟使用線性轉(zhuǎn)換來混合每列的四個(gè)字節(jié)。

請?zhí)砑訄D片描述

假如一段明文長度是192bit，如果按每128bit一個(gè)明文塊來拆分的話，第二個(gè)明文塊只有64bit，不足128bit。這時(shí)候怎么辦呢？就需要對明文塊進(jìn)行填充（Padding）。

填充涉及以下三種填充模式：

NoPadding：不做任何填充，但是要求明文必須是16字節(jié)的整數(shù)倍。
PKCS5Padding（默認(rèn)）：如果明文塊少于16個(gè)字節(jié)（128bit），在明文塊末尾補(bǔ)足相應(yīng)數(shù)量的字符，且每個(gè)字節(jié)的值等于缺少的字符數(shù)。

比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6個(gè)字節(jié)，則補(bǔ)全為{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6}

ISO10126Padding：如果明文塊少于16個(gè)字節(jié)（128bit），在明文塊末尾補(bǔ)足相應(yīng)數(shù)量的字節(jié)，最后一個(gè)字符值等于缺少的字符數(shù)，其他字符填充隨機(jī)數(shù)。

比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6個(gè)字節(jié)，則可能補(bǔ)全為{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,5,c,3,G,$,6}

4.Java實(shí)現(xiàn)

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

測試地址：點(diǎn)擊此處

4.1 生成密鑰和偏移量

生成16個(gè)大小寫字母和數(shù)字的隨機(jī)數(shù)即可：

private static final String SYMBOLS = "0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"; // 數(shù)字和26個(gè)字母組成
private static final Random RANDOM = new SecureRandom();
/**
 * 獲取長度為 6 的隨機(jī)字母+數(shù)字
 * @return 隨機(jī)數(shù)字
 */
public static String getRandomNumber() {
    char[] nonceChars = new char[16];  //指定長度為6位/自己可以要求設(shè)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 源碼

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;
/**
 * AES加密工具類
 *
 * @author ACGkaka
 * @since 2021-06-18 19:11:03
 */
public class AESUtil {
    /**
     * 日志相關(guān)
     */
    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(AESUtil.class);
    /**
     * 編碼
     */
    private static final String ENCODING = "UTF-8";
    /**
     * 算法定義
     */
    private static final String AES_ALGORITHM = "AES";
    /**
     * 指定填充方式
     */
    private static final String CIPHER_PADDING = "AES/ECB/PKCS5Padding";
    private static final String CIPHER_CBC_PADDING = "AES/CBC/PKCS5Padding";
    /**
     * 偏移量(CBC中使用，增強(qiáng)加密算法強(qiáng)度)
     */
    private static final String IV_SEED = "1234567812345678";
    /**
     * AES加密
     * @param content 待加密內(nèi)容
     * @param aesKey  密碼
     * @return
     */
    public static String encrypt(String content, String aesKey){
        if(StringUtils.isBlank(content)){
            LOGGER.info("AES encrypt: the content is null!");
            return null;
        }
        //判斷秘鑰是否為16位
        if(StringUtils.isNotBlank(aesKey) && aesKey.length() == 16){
            try {
                //對密碼進(jìn)行編碼
                byte[] bytes = aesKey.getBytes(ENCODING);
                //設(shè)置加密算法，生成秘鑰
                SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(bytes, AES_ALGORITHM);
                // "算法/模式/補(bǔ)碼方式"
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_PADDING);
                //選擇加密
                cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec);
                //根據(jù)待加密內(nèi)容生成字節(jié)數(shù)組
                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;
        }
    }
    /**
     * 解密
     * 
     * @param content 待解密內(nèi)容
     * @param aesKey  密碼
     * @return
     */
    public static String decrypt(String content, String aesKey){
        if(StringUtils.isBlank(content)){
            LOGGER.info("AES decrypt: the content is null!");
            return null;
        }
        //判斷秘鑰是否為16位
        if(StringUtils.isNotBlank(aesKey) && aesKey.length() == 16){
            try {
                //對密碼進(jìn)行編碼
                byte[] bytes = aesKey.getBytes(ENCODING);
                //設(shè)置解密算法，生成秘鑰
                SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(bytes, AES_ALGORITHM);
                // "算法/模式/補(bǔ)碼方式"
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_PADDING);
                //選擇解密
                cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec);
                //先進(jìn)行Base64解碼
                byte[] decodeBase64 = Base64Utils.decodeFromString(content);
                //根據(jù)待解密內(nèi)容進(jìn)行解密
                byte[] decrypted = cipher.doFinal(decodeBase64);
                //將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)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;
        }
    }
    /**
     * AES_CBC加密
     * 
     * @param content 待加密內(nèi)容
     * @param aesKey  密碼
     * @return
     */
    public static String encryptCBC(String content, String aesKey){
        if(StringUtils.isBlank(content)){
            LOGGER.info("AES_CBC encrypt: the content is null!");
            return null;
        }
        //判斷秘鑰是否為16位
        if(StringUtils.isNotBlank(aesKey) && aesKey.length() == 16){
            try {
                //對密碼進(jìn)行編碼
                byte[] bytes = aesKey.getBytes(ENCODING);
                //設(shè)置加密算法，生成秘鑰
                SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(bytes, AES_ALGORITHM);
                // "算法/模式/補(bǔ)碼方式"
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_CBC_PADDING);
                //偏移
                IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(IV_SEED.getBytes(ENCODING));
                //選擇加密
                cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec, iv);
                //根據(jù)待加密內(nèi)容生成字節(jié)數(shù)組
                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;
        }
    }
    /**
     * AES_CBC解密
     * 
     * @param content 待解密內(nèi)容
     * @param aesKey  密碼
     * @return
     */
    public static String decryptCBC(String content, String aesKey){
        if(StringUtils.isBlank(content)){
            LOGGER.info("AES_CBC decrypt: the content is null!");
            return null;
        }
        //判斷秘鑰是否為16位
        if(StringUtils.isNotBlank(aesKey) && aesKey.length() == 16){
            try {
                //對密碼進(jìn)行編碼
                byte[] bytes = aesKey.getBytes(ENCODING);
                //設(shè)置解密算法，生成秘鑰
                SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(bytes, AES_ALGORITHM);
                //偏移
                IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(IV_SEED.getBytes(ENCODING));
                // "算法/模式/補(bǔ)碼方式"
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_CBC_PADDING);
                //選擇解密
                cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec, iv);
                //先進(jìn)行Base64解碼
                byte[] decodeBase64 = Base64Utils.decodeFromString(content);
                //根據(jù)待解密內(nèi)容進(jìn)行解密
                byte[] decrypted = cipher.doFinal(decodeBase64);
                //將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)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支持三種長度的密鑰：128位、192位、256位。
        // 代碼中這種就是128位的加密密鑰，16字節(jié) * 8位/字節(jié) = 128位。
        String random = RandomStringUtils.random(16, "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz1234567890");
        System.out.println("隨機(jī)key:" + random);
        System.out.println();
        System.out.println("---------加密---------");
        String aesResult = encrypt("測試AES加密12", random);
        System.out.println("aes加密結(jié)果:" + aesResult);
        System.out.println();
        System.out.println("---------解密---------");
        String decrypt = decrypt(aesResult, random);
        System.out.println("aes解密結(jié)果:" + decrypt);
        System.out.println();
        System.out.println("--------AES_CBC加密解密---------");
        String cbcResult = encryptCBC("測試AES加密12456", random);
        System.out.println("aes_cbc加密結(jié)果:" + cbcResult);
        System.out.println();
        System.out.println("---------解密CBC---------");
        String cbcDecrypt = decryptCBC(cbcResult, random);
        System.out.println("aes解密結(jié)果:" + cbcDecrypt);
        System.out.println();
    }
}

4.3 執(zhí)行結(jié)果

隨機(jī)key:golrtt58318fx7ol
---------加密---------
aes加密結(jié)果:Xy8W9lCeVue9Ao36z+duM7D7WeS5tdBihIMb1q9KpNg=
---------解密---------
aes解密結(jié)果:測試AES加密12
--------AES_CBC加密解密---------
aes_cbc加密結(jié)果:xs3ypQXyd62P9jB0+RvOqxFnHIHBIlVdqoZLuqYNBLw=
---------解密CBC---------
aes解密結(jié)果:測試AES加密12456