AES介绍及在Java中使用AES进行加解密操作示例

前言

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是一种对称加密算法，它使用相同的密钥进行加密和解密。AES 算法广泛应用于保护数据的机密性，比如在文件加密、网络通信等领域。

AES分组模式

AES分组模式决定了如何将明文数据分成块进行加密，以及如何处理这些块之间的依赖关系。常见的AES分组模式包括：

‌ECB（电子密码本模式，Electronic Codebook）‌：
- 每个明文块独立加密，相同的明文块会产生相同的密文块。
- 安全性较低，因为相同的明文块会产生相同的密文块，容易被攻击者利用。
- 适用于小量数据的加密。
‌CBC（密码分组链接模式，Cipher Block Chaining）‌：
- 每个明文块在加密前会与前一个密文块进行XOR操作，需要一个初始向量（IV）。
- 安全性较高，因为每个明文块都会依赖前一个密文块。
- 广泛用于网络通信和数据存储。
‌CFB（密文反馈模式，Cipher Feedback）‌：
- 将块密码变成一个自同步流密码，不需要填充数据。
- 每个明文块加密时会用到前一个密文块的反馈。
- 适用于需要连续处理数据流的应用场景。
‌OFB（输出反馈模式，Output FeedBack）‌：
- 与CFB类似，但使用加密函数的输出作为反馈。
- 安全性较高，因为每个明文块都是独立加密的，但依赖于一个初始向量。
- 适用于需要高速加密的场景。
‌CTR（计数器模式，Counter Mode）‌：
- 每个明文块都与一个计数器值进行XOR操作，然后使用相同的密钥进行加密。
- 可以并行处理数据块，因为每个明文块的加密是独立的。
- 广泛应用于需要高吞吐量的加密场景。
‌GCM（伽罗瓦/计数器模式，Galois/Counter Mode）‌：
- 提供了数据加密和认证功能，确保数据的完整性和真实性。
- 使用CTR模式进行加密，并结合GHASH函数进行认证。
- 安全性高，适用于需要同时保证数据机密性和完整性的场景。

AES填充方式

AES加密时，数据块必须是固定大小（AES为128位，即16字节）的倍数。如果明文数据长度不是16字节的倍数，就需要进行填充。常见的AES填充方式包括：

‌NoPadding‌：
- 不进行填充，仅适用于数据长度已经是16字节倍数的情况。
- 使用时较为受限，因为大多数数据长度都不是16字节的倍数。
‌PKCS5Padding‌和‌PKCS7Padding‌：
- PKCS7Padding是PKCS5Padding的扩展，支持填充块大小从1到255字节。
- 对于AES（块大小为16字节）来说，PKCS5Padding和PKCS7Padding效果相同。
- 填充原则是：如果原始加密数据块长度少于16个字节，则填充至16个字节，填充的值是缺少的字节数。如果原始加密数据块长度正好是16字节的倍数，则再增加一个16字节的块，每个字节都是16（用8位二进制表示，即00010000）。
‌ISO10126Padding‌：
- 最后一个字节是填充的字节数（包括最后一字节），其他字节填充随机数。
- 安全性较高，因为填充的随机数增加了破解难度。
‌ZerosPadding‌：
- 用0填充至数据块大小的整数倍。
- 安全性较低，因为填充模式固定且容易被预测。
‌其他填充方式‌：
- 如ISO7816-4Padding、TBCPadding（Trailing-Bit-Compliment）等，这些填充方式在某些特定应用场景中使用。

在选择AES分组模式和填充方式时，应根据具体的应用场景和安全需求进行合理配置。例如，对于需要同时保证数据机密性和完整性的场景，可以选择GCM模式；对于需要高速加密的场景，可以选择CTR模式；对于数据长度不确定的情况，应选择合适的填充方式以确保数据块大小符合AES加密要求。

AES应用场景

AES的应用场景非常广泛，主要包括以下几个方面：

‌1. 金融行业‌：AES算法常用于保护银行卡交易、ATM机交易、电子支付等金融交易领域中的数据传输，以确保交易过程的安全性‌。

‌2. 电子商务‌：在在线交易中，AES算法用于保护敏感数据的传输，如信用卡信息、客户信息等，通过加密和解密确保数据的安全‌。

‌3. 政府通信‌：政府机构之间的通信，包括机密文件传输、电子邮件通信等，也常使用AES算法进行加密，以保护通信内容不被泄露‌。

‌4. 数据库加密‌：AES算法可用于数据库中敏感数据的加密和解密，以保护数据隐私和机密性，防止数据被非法访问‌1。

‌5. 移动应用安全‌：

‌数据传输安全‌：在移动应用中，用户经常需要通过网络传输敏感数据，如个人信息、账户密码、交易记录等。AES算法能够对这些数据进行加密，确保在传输过程中不被窃取或篡改‌2。
‌本地数据存储安全‌：移动设备上存储着大量用户数据，为了保护这些数据的安全，移动应用会使用AES算法对本地存储的数据进行加密‌。
‌隐私保护‌：在移动社交、健康管理、金融理财等应用中，用户的隐私数据尤为重要。AES算法可用于加密这些隐私数据，确保只有用户本人或授权的应用才能访问‌2。

‌6. 网络通信安全‌：在互联网通信中，如SSL/TLS协议中，常使用AES加密算法来保护数据在网络传输过程中的机密性，防止数据被窃取或篡改‌。

‌7. 大规模数据加密‌：由于AES算法具有较高的加密速度，因此在大规模数据加密场景，如文件加密、网络数据加密等，AES算法是首选‌。

需要注意的是，虽然AES算法在多个领域都有广泛应用，但在选择加密算法时，还需根据具体的应用场景和安全需求进行综合考虑。例如，在某些需要同时保证数据机密性和完整性的场景，可能会结合使用AES算法和其他算法（如RSA算法用于密钥交换和数字签名）‌。

Java中AES加解密示例

在 Java 中使用 AES 加密，通常涉及到以下几个步骤：

‌生成密钥‌：AES 需要一个密钥来进行加密和解密操作。这个密钥可以是 128 位、192 位或 256 位长。密钥的长度越长，安全性越高，但加密和解密的速度可能会稍慢一些。
‌初始化向量（IV）‌：为了提高加密的安全性，通常在使用 AES 的 CBC（Cipher Block Chaining）模式时会用到一个初始化向量。IV 的长度应该与块大小相匹配（AES 的块大小是 128 位，即 16 字节）。
‌加密‌：使用密钥和可能的 IV 对数据进行加密。

以下是一个简单的 Java 示例，展示了如何使用 AES 进行加密和解密：

import java.security.SecureRandom;
import java.util.Base64;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;

public class AESExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 生成 AES 密钥
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
        keyGen.init(128); // 可以选择 128, 192, 或 256 位密钥
        SecretKey secretKey = keyGen.generateKey();

        // 生成初始化向量（IV）
        byte[] iv = new byte[16];
        SecureRandom random = new SecureRandom();
        random.nextBytes(iv);
        IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv);

        // 初始化 Cipher 对象用于加密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, ivSpec);

        // 加密数据
        String input = "Hello, World!";
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(input.getBytes());
        String encoded = Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted);
        System.out.println("Encrypted: " + encoded);

        // 初始化 Cipher 对象用于解密
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, ivSpec);

        // 解密数据
        byte[] decoded = Base64.getDecoder().decode(encoded);
        byte[] decrypted = cipher.doFinal(decoded);
        System.out.println("Decrypted: " + new String(decrypted));
    }
}

在这个示例中，我们首先生成了一个 AES 密钥和一个初始化向量（IV）。然后，我们使用这个密钥和 IV 来加密一个字符串，并将加密后的结果转换为 Base64 编码的字符串以便于显示。接着，我们使用相同的密钥和 IV 来解密加密后的数据，恢复原始字符串。