Java实现加密（一）AES加解密
目录
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- 1.背景知识
- 2.AES简介
- 3.AES的加密过程（AES处理单位：字节）
- 4.Java实现
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- 4.1 生成密钥和偏移量
- 4.2 AESUtil.java 源码
- 4.3 执行结果
- 4.4 线上验证
1.背景知识
- 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。
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}
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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：http://tool.chacuo.net/cryptaes
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();
/**
* 获取长度为 6 的随机字母+数字
* @return 随机数字
*/
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;
/**
* AES加密工具类
*
* @author ACGkaka
* @since 2021-06-18 19:11:03
*/
public class AESUtil {
/**
* 日志相关
*/
private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(AESUtil.class);
/**
* 编码
*/
private static final String ENCODING = "UTF-8";
/**
* 算法定义
*/
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，增强加密算法强度)
*/
private static final String IV_SEED = "1234567812345678";
/**
* AES加密
* @param content 待加密内容
* @param aesKey 密码
* @return
*/
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;
}
}
/**
* 解密
*
* @param content 待解密内容
* @param aesKey 密码
* @return
*/
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;
}
}
/**
* AES_CBC加密
*
* @param content 待加密内容
* @param aesKey 密码
* @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;
}
}
/**
* AES_CBC解密
*
* @param content 待解密内容
* @param aesKey 密码
* @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
4.4 线上验证
验证地址：http://tool.chacuo.net/cryptaes
验证完毕，完结撒花 ~
参考：
1.什么是AES加密？详解AES加密算法原理流程：https://blog.csdn.net/m0_69916115/article/details/126750612
2.AES加密：https://blog.csdn.net/weixin_52553215/article/details/124276828