Java 实现 AES 加密和解密完整示例

编程语言 2023-09-29 20:48:50 阅读次数: 0

1、简介

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、AES 加密模式

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。

3、Java 实现完整示例

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;

/**
 * <h1>AES 加密和解密示例代码</h1>
 * Created by woniu
 * */
public class AESExample {
    
    

    /** 加密模式之 ECB，算法/模式/补码方式 */
    private static final String AES_ECB = "AES/ECB/PKCS5Padding";

    /** 加密模式之 CBC，算法/模式/补码方式 */
    private static final String AES_CBC = "AES/CBC/PKCS5Padding";

    /** 加密模式之 CFB，算法/模式/补码方式 */
    private static final String AES_CFB = "AES/CFB/PKCS5Padding";

    /** AES 中的 IV 必须是 16 字节（128位）长 */
    private static final Integer IV_LENGTH = 16;

    /***
     * <h2>空校验</h2>
     * @param str 需要判断的值
     */
    public static boolean isEmpty(Object str) {
    
    
        return null == str || "".equals(str);
    }

    /***
     * <h2>String 转 byte</h2>
     * @param str 需要转换的字符串
     */
    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);
        }
    }

    /***
     * <h2>初始化向量（IV），它是一个随机生成的字节数组，用于增加加密和解密的安全性</h2>
     */
    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();
    }

    /***
     * <h2>获取一个 AES 密钥规范</h2>
     */
    public static SecretKeySpec getSecretKeySpec(String key){
    
    
        SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(getBytes(key), "AES");
        return secretKeySpec;
    }

    /**
     * <h2>加密 - 模式 ECB</h2>
     * @param text 需要加密的文本内容
     * @param key 加密的密钥 key
     * */
    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);
        }
    }

    /**
     * <h2>解密 - 模式 ECB</h2>
     * @param text 需要解密的文本内容
     * @param key 解密的密钥 key
     * */
    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);
        }
    }

    /**
     * <h2>加密 - 自定义加密模式</h2>
     * @param text 需要加密的文本内容
     * @param key 加密的密钥 key
     * @param iv 初始化向量
     * @param mode 加密模式
     * */
    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);
        }
    }

    /**
     * <h2>解密 - 自定义加密模式</h2>
     * @param text 需要解密的文本内容
     * @param key 解密的密钥 key
     * @param iv 初始化向量
     * @param mode 加密模式
     * */
    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：sIVxRsEWgAHNNLYo
CBC 加密后内容：515S8VG52TqbhUwB1T9DiA==
CBC 解密后内容：嗨，您好！

CFB 加密IV：sIVxRsEWgAHNNLYo
CFB 加密后内容：C3MNkL3f4be9hwkrA0VsNg==
CFB 解密后内容：嗨，您好！

本文教程到此结束，祝愿小伙伴们在编程之旅中能够愉快地探索、学习、成长！

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转载自blog.csdn.net/u011374856/article/details/130635405
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