Java常用工具算法-2--加密算法1--对称加密算法（推荐AES算法）

news2025/4/23 23:55:53

1、定义与核心原理

  • 定义：加密和解密使用相同密钥的算法。
  • 工作流程：
    1. 秘钥协商：双方需提前通过安全信道共享密钥。
    2. 加密过程：发送方用密钥对明文加密，生成密文。
    3. 解密过程：接收方用相同密钥对密文解密，还原明文。
  • 关键点：密钥的安全性是加密系统的核心，一旦密钥泄露，所有加密数据将暴露。

2、特点

  • 优点：
    • 速度快：算法计算量小，适合加密大量数据。
    • 高效：加密和解密效率高，资源消耗低。
    • 成熟技术：算法公开且经过长期验证（如 AES、DES）。
  • 缺点：
    • 密钥分发问题：双方需提前安全共享密钥，密钥管理复杂。
    • 秘钥管理安全性差：若密钥泄露，所有通信内容可被破解。
    • 扩展性差：在分布式系统中，用户数量增加会导致密钥数量呈几何级增长（如n个用户需n(n-1)/2个密钥）。

3、常见算法分类

（1）、DES（Data Encryption Standard）（不推荐）

基本信息：

  • 提出时间：1977年由NIST标准化。
  • 密钥长度：64位（实际有效56位，每8位包含奇偶校验位）。
  • 分组长度：64位（将明文分组为64位块处理）。
  • 轮数：16轮加密。

特点：

  • 优点：早期广泛使用，算法简单。
  • 缺点：
    • 密钥长度过短（56位），易受暴力破解（如1998年被破解）。
    • 现已 不推荐使用，仅用于遗留系统。

应用场景：

  • 历史用途：金融、政府系统（如ATM、旧版SSL）。
  • 替代方案：被3DES和AES取代。

（2）、3DES（Triple DES）（不推荐）

基本信息：

  • 改进自：DES的三重加密变体。
  • 密钥长度：168位（3个独立56位密钥），或112位（2个密钥）。
  • 加密方式：执行三次DES加密（如加密-解密-加密）。

特点：

  • 优点：
    • 提升了DES的安全性，抵抗差分攻击。
    • 向后兼容DES，可在旧系统中使用。
  • 缺点：
    • 速度较慢（三倍DES计算量）。
    • 现逐渐被 AES取代。

应用场景：

  • 过渡方案：旧系统升级时的临时选择。
  • 金融领域：部分ATM和支付系统。

（3）、AES（Advanced Encryption Standard）（推荐）

基本信息：

  • 提出时间：2001年由NIST标准化。
  • 密钥长度：128位、192位、256位（安全性随位数提升）。
  • 分组长度：128位（固定）。
  • 轮数：10-14轮（根据密钥长度不同）。

特点：

  • 优点：
    • 安全性高：无已知有效破解方法。
    • 效率高：软件和硬件实现均高效。
    • 广泛支持：成为 国际标准（替代DES）。
  • 缺点：
    • 需管理不同密钥长度的密钥。

应用场景：

  • 主流标准：SSL/TLS、HTTPS、IPSec。
  • 政府与军事：敏感数据加密。
  • 区块链：部分协议使用AES加密交易数据。

（4）、Blowfish

基本信息：

  • 提出时间：1993年由Bruce Schneier设计。
  • 密钥长度：可变（32位到448位）。
  • 分组长度：64位。

特点：

  • 优点：
    • 免费无专利：开源且无使用限制。
    • 灵活密钥长度：适应不同安全需求。
  • 缺点：
    • 分组较短（64位），安全性低于AES。

应用场景：

  • 轻量级设备：嵌入式系统、密码管理器（如KeePass）。

（5）、IDEA（International Data Encryption Algorithm）

基本信息：

  • 提出时间：1991年。
  • 密钥长度：128位。
  • 分组长度：64位。

特点：

  • 优点：
    • 强加密强度，无已知有效攻击。
    • 曾用于PGP（Pretty Good Privacy）。
  • 缺点：
    • 专利限制（已过期）。
    • 分组较短，逐渐被AES取代。

应用场景：

  • 历史应用：早期PGP和SSL/TLS。

分类对比：
在这里插入图片描述

4、对称加密的工作模式

对称加密算法通常需要结合 工作模式 来处理实际数据（如分组加密、流加密等）。

常见模式包括：

（1）、ECB（电子密码本模式）

  • 原理：每个明文块独立加密，使用相同密钥。
  • 特点：
    • 简单但不安全：相同明文块生成相同密文块，易被分析。
    • 无初始向量（IV）需求。

（2）、CBC（密文分组链接模式）

  • 原理：当前密文块依赖前一个密文块，需初始向量（IV）。
  • 特点：
    • 安全性较高，防止重复明文块。
    • 需要IV，但IV无需保密。

（3）、CTR（计数器模式）

  • 原理：将密钥与计数器值加密生成“密钥流”，异或明文。
  • 特点：
    • 可并行处理，适合高速加密。
    • 需要唯一计数器值，避免重复。

（4）、GCM（伽罗瓦计数器模式）

  • 原理：结合CTR模式和认证码（Galois哈希）。
  • 特点：
    • 提供加密与认证（AEAD，如AES-GCM）。
    • 高效且安全，现代推荐模式。

5、应用场景

（1）、数据存储

  • 数据库加密：AES加密敏感字段。
  • 文件加密：如BitLocker（Windows）、FileVault（macOS）。
    （2）、通信加密
  • TLS/SSL：协商密钥后使用AES加密数据。
  • VoIP：实时语音通话加密（如ZRTP协议）。
    （3）、物联网（IoT）
  • 低功耗设备：使用轻量级算法（如AES-CTR）。
    （4）、典型应用：
  • 非对称+对称结合：用RSA交换AES密钥，再用AES加密数据（如HTTPS）。
  • 本地文件加密（如 ZIP 压缩包加密）。

6、示例代码（AES示例）

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import java.util.Base64;

public class AESExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String originalText = "Sensitive Data";
        System.out.println("Original Text: " + originalText);

        // 生成AES密钥
        SecretKey secretKey = generateAESKey();

        // 加密
        String encryptedText = encrypt(originalText, secretKey);
        System.out.println("Encrypted Text: " + encryptedText);

        // 解密
        String decryptedText = decrypt(encryptedText, secretKey);
        System.out.println("Decrypted Text: " + decryptedText);
    }

// 生成秘钥
    private static SecretKey generateAESKey() throws Exception {
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
        keyGen.init(256); // 256-bit key
        return keyGen.generateKey();
    }

// 加密
    private static String encrypt(String plainText, SecretKey secretKey) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding"); // 使用CBC模式和PKCS5填充
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
        byte[] iv = cipher.getIV(); // 初始化向量 (IV)
        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
        return Base64.getEncoder().encodeToString(iv) + ":" + Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
    }

// 解密
    private static String decrypt(String encryptedText, SecretKey secretKey) throws Exception {
        String[] parts = encryptedText.split(":");
        byte[] iv = Base64.getDecoder().decode(parts[0]);
        byte[] encryptedBytes = Base64.getDecoder().decode(parts[1]);

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, new javax.crypto.spec.IvParameterSpec(iv));
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(encryptedBytes);
        return new String(decryptedBytes);
    }
}

解释：

  • 密钥生成：使用KeyGenerator生成AES密钥，长度为256位。
  • 加密模式：使用CBC模式（推荐），并提供初始化向量（IV）以增强安全性。
  • 填充方式：使用PKCS5Padding填充，确保数据块符合AES的要求（128位块大小）。
  • Base64编码：将加密后的字节数组转换为字符串以便存储或传输。

逆风翻盘，Dare To Be！！！

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