AES实现加解密-Java

「爱情、让人受尽委屈。」 2021-12-15 23:55 547阅读 0赞

# 一.加解密算法生态圈 #

目前的数据加密技术根据加密密钥类型可分私钥加密（对称加密）系统和公钥加密（非对称加密）系统。对称加密算法是较传统的加密体制，通信双方在加/解密过程中使用他们共享的单一密钥，鉴于其算法简单和加密速度快的优点，目前仍然是主流的密码体制之一。最常用的对称密码算法是数据加密标准（DES）算法，但是由于DES密钥长度较短，已经不适合当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求。最后，一种新的基于Rijndael算法对称高级数据加密标准AES取代了数据加密标准DES。非对称加密由于加/解密钥不同（公钥加密，私钥解密），密钥管理简单，也得到广泛应用。RSA是非对称加密系统最著名的公钥密码算法。

# 二.AES加密算法及算法流程 #

美国国家标准和技术研究所（NIST）经过三轮候选算法筛选，从众多的分组密码中选中Rijndael算法作为高级加密标准（AES）。Rijndael密码是一个迭代型分组密码，分组长度和密码长度都是可变的，分组长度和密码长度可以独立的指定为128比特，192比特或者256比特。AES的加密算法的数据处理单位是字节，128位的比特信息被分成16个字节，按顺序复制到一个4\*4的矩阵中，称为状态（state），AES的所有变换都是基于状态矩阵的变换。  
用Nr表示对一个数据分组加密的轮数（加密轮数与密钥长度的关系如表1所示）。在轮函数的每一轮迭代中，包括四步变换，分别是字节代换运算(ByteSub())、行变换(ShiftRows())、列混合(MixColumns())以及轮密钥的添加变换AddRoundKey()\[3\]，其作用就是通过重复简单的非线形变换、混合函数变换，将字节代换运算产生的非线性扩散，达到充分的混合，在每轮迭代中引入不同的密钥，从而实现加密的有效性。  
表1 是三种不同类型的AES加密密钥分组大小与相应的加密轮数的对照表。加密开始时，输入分组的各字节按表2 的方式装入矩阵state中。如输入ABCDEFGHIJKLMNOP，则输入块影射到如表2的状态矩阵中。  
表1：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <p>1</p> <p>2</p> <p>3</p> <p>4</p> </td> 
   <td> <p>|AES类型| 密钥长度 | 分组长度 | 加密轮数|</p> <p>|AES-128| 4字 | 4字 | 10 |</p> <p>|AES-192| 6字 | 4字 | 12 |</p> <p>|AES-256| 8字 | 4字 | 14 |</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

表2：

1.  字节代换运算(ByteSub())  
    字节代换运算是一个可逆的非线形字节代换操作，对分组中的每个字节进行，对字节的操作遵循一个代换表，即S盒。S盒由有限域 GF（28）上的乘法取逆和GF（2）上的仿射变换两步组成。
2.  行变换ShiftRows()  
    行变换是一种线性变换，其目的就是使密码信息达到充分的混乱，提高非线形度。行变换对状态的每行以字节为单位进行循环右移，移动字节数根据行数来确定，第0行不发生偏移，第一行循环右移一个字节，第二行移两个，依次类推。
3.  列混合变换MixColumns()  
    列变换就是从状态中取出一列，表示成多项式的形式后，用它乘以一个固定的多项式a(x)，然后将所得结果进行取模运算，模值为 x4+1。其中a(x)=\{03\}x3+\{02\}x2+\{01\}x+\{02\},  
    这个多项式与x4+1互质，因此是可逆的。列混合变换的算术表达式为：s’(x)= a(x) s(x)，其中， s(x)表示状态的列多项式。
4.  轮密钥的添加变换AddRoundKey()  
    在这个操作中，轮密钥被简单地异或到状态中，轮密钥根据密钥表获得，其长度等于数据块的长度Nb。

# 三.Java代码实现 #

Java 实现AES有多种实现方式，这些实现方式在实现细节上有很大的不同，例如密钥的位数，工作模式，填充方式等。如果加解密双方不对细节进行约定，很容易造成解密错误。本节中，提供了一种通用的Java实现方式，加解密双方在生成密钥的使用使用了相同的方式，能够保证加密的数据正确的被解密。

## 1.ECB加密模式 ##

package com.gwi.iws.monitor.common.util;
    
    import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
    import org.apache.commons.net.util.Base64;
    import org.slf4j.LoggerFactory;
    
    import javax.crypto.Cipher;
    import javax.crypto.KeyGenerator;
    import javax.crypto.SecretKey;
    import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
    import java.io.UnsupportedEncodingException;
    import java.security.NoSuchAlgorithmException;
    import java.security.SecureRandom;
    
    public class AESUtil {
        private static final org.slf4j.Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(AESUtil.class);
    
        private static final String KEY_ALGORITHM = "AES";
        private static final String CHAR_SET = "UTF-8";
        public static final String SIGN_ALGORITHMS = "SHA1PRNG";
        /**
         * AES的密钥长度
         */
        private static final Integer SECRET_KEY_LENGTH = 128;
        /**
         * 加解密算法/工作模式/填充方式
         */
        private static final String DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM = "AES/ECB/PKCS5Padding";
    
        public static final String  DEFAULT_STR = "aa7889d3-435b-4ed2-99f9-0805661eda9";
        /**
         * AES加密操作
         *
         * @param content  待加密内容
         * @param password 加密密码
         * @return 返回Base64转码后的加密数据
         */
        public static String encrypt(String content, String password) {
            if (StringUtils.isAnyEmpty(content, password)) {
                LOGGER.error("AES encryption params is null");
                return null;
            }
            try {
                //创建密码器
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM);
                byte[] byteContent = content.getBytes(CHAR_SET);
                //初始化为加密密码器
                cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, getSecretKey(password));
                byte[] encryptByte = cipher.doFinal(byteContent);
                return Base64.encodeBase64String(encryptByte);
            } catch (Exception e) {
                LOGGER.error("AES encryption operation has exception,content:{},password:{}", content, password, e);
            }
            return StringUtils.EMPTY;
        }
    
        /**
         * AES解密操作
         *
         * @param encryptContent 加密的密文
         * @param password       解密的密钥
         * @return
         */
        public static String decrypt(String encryptContent, String password) {
            if (StringUtils.isAnyEmpty(encryptContent, password)) {
                LOGGER.error("AES decryption params is null");
                return null;
            }
            Cipher cipher = null;
            try {
                cipher = Cipher.getInstance(DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM);
                //设置为解密模式
                cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, getSecretKey(password));
                //执行解密操作
                byte[] result = cipher.doFinal(Base64.decodeBase64(encryptContent));
                return new String(result, CHAR_SET);
            } catch (Exception e) {
                LOGGER.error("AES decryption operation has exception,content:{},password:{}", encryptContent, password, e);
            }
            return StringUtils.EMPTY;
        }
    
        private static SecretKeySpec getSecretKey(final String password) throws NoSuchAlgorithmException, UnsupportedEncodingException {
            //生成指定算法密钥的生成器
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
            SecureRandom random = SecureRandom.getInstance(SIGN_ALGORITHMS);
            random.setSeed(password.getBytes(CHAR_SET));
            keyGenerator.init(SECRET_KEY_LENGTH, random);
            //生成密钥
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
            //转换成AES的密钥
            return new SecretKeySpec(secretKey.getEncoded(), KEY_ALGORITHM);
        }
    
        public static String byte2hex(byte[] b) {
            String hs = "";
            String stmp = "";
            for (int n = 0; n < b.length; n++) {
                stmp = (java.lang.Integer.toHexString(b[n] & 0XFF));
                if (stmp.length() == 1) {
                    hs = hs + "0" + stmp;
                } else {
                    hs = hs + stmp;
                }
            }
            return hs.toUpperCase();
        }
    
    }

## 2.CBC加密模式 ##

import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
    import org.slf4j.Logger;
    import org.slf4j.LoggerFactory;
     
    import javax.crypto.Cipher;
    import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
    import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
    /**
     * @author: xuzongxin
     * @date: 2018/8/21 20:11
     * @description:
     */
    public class AESCBCUtil {
        private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(AES4MEncrypt.class);
        private static final String ENCODING = "GBK";
     
        private static final String KEY_ALGORITHM = "AES";
        /**
         * 加解密算法/工作模式/填充方式
         */
        private static final String DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM = "AES/CBC/PKCS5Padding";
        /**
         * 填充向量
         */
        private static final String FILL_VECTOR = "1234560405060708";
     
        /**
         * 加密字符串
         *
         * @param content  字符串
         * @param password 密钥KEY
         * @return
         * @throws Exception
         */
        public static String encrypt(String content, String password) {
            if (StringUtils.isAnyEmpty(content, password)) {
                LOGGER.error("AES encryption params is null");
                return null;
            }
     
            byte[] raw = hex2byte(password);
            SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(raw, KEY_ALGORITHM);
            Cipher cipher = null;
            try {
                cipher = Cipher.getInstance(DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM);
                IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(FILL_VECTOR.getBytes());
                cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec, iv);
                byte[] anslBytes = content.getBytes(ENCODING);
                byte[] encrypted = cipher.doFinal(anslBytes);
                return byte2hex(encrypted).toUpperCase();
            } catch (Exception e) {
                LOGGER.error("AES encryption operation has exception,content:{},password:{}", content, password, e);
            }
            return null;
        }
     
        /**
         * 解密
         *
         * @param content  解密前的字符串
         * @param password 解密KEY
         * @return
         * @throws Exception
         * @author cdduqiang
         * @date 2014年4月3日
         */
        public static String decrypt(String content, String password) {
            if (StringUtils.isAnyEmpty(content, password)) {
                LOGGER.error("AES decryption params is null");
                return null;
            }
     
            try {
                byte[] raw = hex2byte(password);
                SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(raw, KEY_ALGORITHM);
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM);
                IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(FILL_VECTOR.getBytes());
                cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec, iv);
                byte[] encrypted1 = hex2byte(content);
                byte[] original = cipher.doFinal(encrypted1);
                return new String(original, ENCODING);
            } catch (Exception e) {
                LOGGER.error("AES decryption operation has exception,content:{},password:{}", content, password, e);
            }
            return null;
        }
     
        public static byte[] hex2byte(String strhex) {
            if (strhex == null) {
                return null;
            }
            int l = strhex.length();
            if (l % 2 == 1) {
                return null;
            }
            byte[] b = new byte[l / 2];
            for (int i = 0; i != l / 2; i++) {
                b[i] = (byte) Integer.parseInt(strhex.substring(i * 2, i * 2 + 2), 16);
            }
            return b;
        }
     
        public static String byte2hex(byte[] b) {
            String hs = "";
            String stmp = "";
            for (int n = 0; n < b.length; n++) {
                stmp = (java.lang.Integer.toHexString(b[n] & 0XFF));
                if (stmp.length() == 1) {
                    hs = hs + "0" + stmp;
                } else {
                    hs = hs + stmp;
                }
            }
            return hs.toUpperCase();
        }
     
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            String str = "Hello world";
            //必须为16位
            String key = "9230967890982316";
            //生成加密密钥
            String key2 = byte2hex(key.getBytes());
            System.out.println(key2);
            String encryptStr = encrypt(str, key2);
            System.out.println(encryptStr);
            System.out.println(decrypt(encryptStr, key2));
        }
    }

关于AES的加密模式参考文章：

[AES五种加密模式][AES]

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[AES]: https://www.cnblogs.com/starwolf/p/3365834.html
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21vc2hlbmdsdg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20190712090948401.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21vc2hlbmdsdg==,size_16,color_FFFFFF,t_70