AES加密学习

news2024/10/6 8:25:34

AES（高级加密标准）是一种对称密钥加密算法，用于加密和解密数据。它被广泛应用于各种安全领域，包括但不限于网络通信、数据存储和软件保护。

历史背景

AES是由比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen设计的Rijndael算法演变而来的。美国国家标准与技术研究院（NIST）在2001年将其选为新的数据加密标准，以取代旧的DES（数据加密标准）。

工作原理

AES是一种对称密钥算法，这意味着加密和解密使用相同的密钥。它通过一系列复杂的数学变换来加密数据，这些变换包括字节替换、行移位、列混合和轮密钥加。

密钥长度

AES支持三种密钥长度：128位、192位和256位。密钥长度越长，安全性越高，但计算开销也越大。

轮数

AES的加密过程由多轮变换组成。对于128位密钥，有10轮变换；对于192位密钥，有12轮变换；对于256位密钥，有14轮变换。

安全性

AES被认为是安全的，因为它没有已知的有效攻击方法，除非使用暴力破解。然而，随着计算能力的提高，较短密钥长度的AES可能会变得不安全。

应用

AES被广泛应用于各种领域，包括但不限于：

  • 网络安全：用于保护网络通信，如SSL/TLS协议。
  • 数据存储：用于加密硬盘驱动器和数据库中的数据。
  • 软件保护：用于防止软件被非法复制或篡改。
  • 移动设备：用于保护智能手机和平板电脑上的数据。
     

性能

AES的性能取决于多种因素，包括密钥长度、数据大小和硬件平台。一般来说，AES的性能可以通过优化算法实现和使用硬件加速来提高。

标准和规范

AES的标准和规范由NIST发布，包括FIPS-197（联邦信息处理标准197）。

AES加密模式

  1. 电子密码本模式（Electronic Codebook, ECB）
    • ECB模式是对每个独立的数据块直接使用相同的密钥进行加密，不考虑相邻块之间的关系。
    • 优点：简单易实现，可以并行处理。
    • 缺点：同一明文块会被加密成相同的密文块，导致模式重复，容易受到针对模式的攻击，不适用于加密模式重复或相关性强的数据。
  2. 密码分组链接模式（Cipher Block Chaining, CBC）
    • CBC模式中，每个数据块在加密前与前一个块的密文进行异或操作，首次加密时与一个初始化向量（IV）异或。
    • 优点：通过这种方式，每个块的加密不仅依赖于密钥，还依赖于前一个块的内容，从而增强了安全性，避免了ECB模式中的模式重放问题。
    • 缺点：处理流式数据时需要保持状态，不适合并行处理，并且对IV的要求较高，如果IV泄露或重复，可能会削弱安全性。
  3. 密文反馈模式（Cipher Feedback, CFB）
    • CFB模式下，加密过程产生的密文部分被用作下一个块的输入，形成一个自我同步的流。
    • 优点：类似于流密码的工作方式，适合传输错误校验和恢复。
    • 缺点：也需保持状态，不是完全并行的，并且对初始IV敏感。
  4. 输出反馈模式（Output Feedback, OFB）
    • OFB模式将AES算法作为伪随机数生成器来创建密钥流，该密钥流随后与明文进行异或操作来加密数据。
    • 优点：同样具有良好的错误传播特性，加密过程独立于明文。
    • 缺点：同样依赖于初始IV，若IV重复则会导致密钥流重复，影响安全性。
  5. 计数器模式（Counter, CTR）
    • CTR模式使用一个递增的计数器或nonce结合密钥产生密钥流，这个密钥流与明文进行异或加密。
    • 优点：高度并行，适合硬件加速，同时具备优秀的错误恢复能力。
    • 缺点：nonce必须唯一，否则安全性受损，且需要妥善管理nonce和计数器以防止重播攻击。

  6. 伽罗瓦/计数器模式（GCM）：

    • AES用于生成密钥流，其原理与CTR模式相似，但使用的不是简单的递增计数器，而是基于计数器值（Nonce + 计数器）计算出的一个GHASH值，然后与明文进行异或操作实现加密。这里的Nonce应当是随机生成并且在系统内唯一的，以保证安全性。

    • 提供数据机密性、完整性和认证。

AES填充算法

  1. PKCS#7 / PKCS#5填充：
    • 优点：
      • 易于实现和识别，即使数据的结尾被修改也能正确检测出填充错误。
      • 它对于所有块大小都适用，不仅是AES，而且可以应用于任何分组大小。
    • 缺点：
      • 对于非常小的数据，尤其是接近分组大小的数据，填充后的数据量会显著增加。
      • 如果加密后的内容没有经过适当的身份验证，恶意用户可能尝试篡改填充数据以达到攻击目的。
  2. Zero Padding（零填充）：
    • 优点：
      • 实现极其简单。
    • 缺点：
      • 如果数据天然就以零结尾，或者在传输过程中自然出现零，填充可能混淆不清，这可能导致解密失败或者安全漏洞。
      • 同样缺乏错误检测能力，容易遭受填充 oracle 攻击。
  3. ANSI X.923填充：
    • 优点：
      • 解决了Zero Padding可能带来的混淆问题。
    • 缺点：
      • 同样需要额外的数据验证才能确保填充正确，否则仍有可能遭受攻击。
  4. ISO 10126填充：
    • 优点：
      • 由于包含了随机成分，理论上提高了抵抗填充oracle攻击的能力。
    • 缺点：
      • 需要生成随机数据，可能会增加实现复杂度和开销，尤其是在资源受限的环境中。
      • 同样需要填充数据的完整性检查。
  5. No Padding（无填充）：
    • 优点：
      • 当数据长度刚好是分组大小的整数倍时，不需要额外填充，节省空间。
    • 缺点：
      • 不适用于大多数实际场景，因为大部分数据长度不可能总是恰好匹配分组大小。

java实现 

AES的 ECB模式PKCS5Padding填充算法

package com.yang.crypto.utils;

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import org.apache.commons.codec.binary.Hex;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

/**
 * <p>AES-128 ECB加密</p>
 * <pre>
 * 字符集:UTF-8
 * 算法模式:ECB
 * 数据块:128位
 * 补码方式:PKCS5Padding
 * 加密结果编码方式:Base64
 * </pre>
 *
 * @author By: zhangchunyang
 * Package com.yang.crypto.utils
 * Ceate Time 2024-03-06 11:27
 */

public class CryptoAesUtil {

    private static final String UTF8 = "UTF-8";
    private static final String ALGORITHM = "AES";
    /**
     * 默认的加密算法
     */
    private static final String ALGORITHM_CIPHER = "AES/ECB/PKCS5Padding";

    private static final int LIMIT_LEN = 32;

    public static String genAesKey() {
        return StringUtil.random(LIMIT_LEN);
    }

    /**
     * 生成一个SecretKey
     *
     * @param password 长度必须小于等于16
     * @return 返回SecretKey
     */
    public static SecretKey getSecretKey(String password) {
        byte[] passwordData = password.getBytes();
        if (passwordData.length > LIMIT_LEN) {
            throw new IllegalArgumentException("password 长度必须小于等于32");
        }
        // 创建一个空的LIMIT_LEN位字节数组（默认值为0）,16byte（128bit）
        byte[] keyData = new byte[LIMIT_LEN];
        System.arraycopy(passwordData, 0, keyData, 0, passwordData.length);

        return new SecretKeySpec(keyData, ALGORITHM);
    }

    /**
     * 加密
     *
     * @param data     待加密数据
     * @param password 密码
     * @return 返回加密成功后数据
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] encrypt(byte[] data, String password) throws Exception {
        SecretKey secretKey = getSecretKey(password);
        // Ciphr完成加密或解密工作类
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM_CIPHER);
        // 对Cipher初始化，解密模式
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
        // 加密data
        return cipher.doFinal(data);
    }

    /**
     * 解密
     *
     * @param data     待解密数据
     * @param password 密码
     * @return 返回解密后的数据
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] decrypt(byte[] data, String password) throws Exception {
        SecretKey secretKey = getSecretKey(password);
        // Cipher完成加密或解密工作类
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM_CIPHER);
        // 对Cipher初始化，解密模式
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
        // 解密data
        return cipher.doFinal(data);
    }

    /**
     * 文本加密
     *
     * @param content  明文
     * @param password 密码
     * @return 返回base64内容
     * @throws Exception
     */
    public static String encryptToBase64String(String content, String password) throws Exception {
        byte[] data = content.getBytes(UTF8);
        byte[] result = encrypt(data, password);
        return Base64.encodeBase64String(result);
    }

    /**
     * 文本解密
     *
     * @param base64String 待解密文本
     * @param password     密码
     * @return 返回明文
     * @throws Exception
     */
    public static String decryptFromBase64String(String base64String, String password) throws Exception {
        byte[] data = Base64.decodeBase64(base64String);
        byte[] contentData = decrypt(data, password);
        return new String(contentData, UTF8);
    }

    /**
     * 文本加密
     *
     * @param content  明文
     * @param password 密码
     * @return 返回16进制内容
     * @throws Exception
     */
    public static String encryptToHex(String content, String password) throws Exception {
        byte[] data = content.getBytes(UTF8);
        byte[] result = encrypt(data, password);
        return Hex.encodeHexString(result);
    }

    /**
     * 文本解密
     *
     * @param hex      待解密文本
     * @param password 密码
     * @return 返回明文
     * @throws Exception
     */
    public static String decryptFromHex(String hex, String password) throws Exception {
        byte[] data = Hex.decodeHex(hex);
        byte[] contentData = decrypt(data, password);
        return new String(contentData, UTF8);
    }

}

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