Java 实现 AES 加密和解密

目录

前言

一、AES 加密算法简介

1.诞生背景

2.简介

二、AES 加密算法的核心原理

1.分组密码模式

2.密钥扩展

3.加密轮次与操作

三、AES 加密算法的优势

1.高效性

2.安全性

3.广泛的适用性

四、AES加密模式的几种方式

1.电子密码本模式（ECB，Electronic Codebook）

2.密码分组链接模式（CBC，Cipher - Block - Chaining）

3.密码反馈模式（CFB，Cipher - Feedback）

4.输出反馈模式（OFB，Output - Feedback）

5.计数器模式（CTR，Counter）

五、Java实现AES加密完整案例

注：ECB为什么不用加入ivParameterSpec参数

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前言

        在当今数字化飞速发展的时代，数据如洪流般在网络世界中穿梭。从个人隐私信息到企业的核心商业机密，数据的安全成为了重中之重。而在众多加密算法中，AES（Advanced Encryption Standard）加密算法犹如一座坚固的堡垒，为数据的保密性、完整性和安全性提供了强有力的保障。今天，就让我们一同深入探究 AES 加密算法的神秘世界。

一、AES 加密算法简介

1.诞生背景

        AES 是一种分组密码算法，它将明文数据划分为固定长度的分组，每个分组长度为 128 位。当明文长度不是 128 位的整数倍时，会采用特定的填充方式进行补齐，例如常见的 PKCS7 填充。这种分组处理的方式使得 AES 能够高效地处理大量数据，并且保证了加密过程的规范性和一致性。

2.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。

二、AES 加密算法的核心原理

1.分组密码模式

        AES 是一种分组密码算法，它将明文数据划分为固定长度的分组，每个分组长度为 128 位。当明文长度不是 128 位的整数倍时，会采用特定的填充方式进行补齐，例如常见的 PKCS7 填充。这种分组处理的方式使得 AES 能够高效地处理大量数据，并且保证了加密过程的规范性和一致性。

2.密钥扩展

        AES 支持 128 位、192 位和 256 位三种不同长度的密钥。在加密开始前，会根据所选的密钥长度进行密钥扩展操作。通过一系列复杂的数学变换和算法，将原始密钥扩展成多个轮密钥。这些轮密钥在后续的加密轮次中依次被使用，每一轮加密都依赖于特定的轮密钥，从而极大地增加了密码的安全性和破解难度。

3.加密轮次与操作

• 字节替换（SubBytes）：这是 AES 加密中的一个关键非线性变换步骤。通过一个预先定义好的 S 盒（Substitution Box），将每个字节按照特定的规则替换为另一个字节。S 盒的设计经过精心考量，具有良好的混淆特性，能够有效地打乱数据的原始结构，使得攻击者难以从密文中直接获取明文的信息。
• 行移位（ShiftRows）：在字节替换之后，对 4×4 的状态矩阵（由 128 位分组数据组成）进行行移位操作。不同行按照不同的位移量进行循环左移，这种操作进一步扩散了数据在矩阵中的位置关系，增加了数据的复杂性。
• 列混合（MixColumns）：此操作针对状态矩阵的每一列进行线性变换。通过与一个固定的矩阵相乘，使得每一列的数据相互影响、相互交织，从而将数据的信息更加均匀地分布在整个矩阵中，提高了密码的扩散性。
• 轮密钥加（AddRoundKey）：在每一轮加密中，将经过前面几步变换后的状态矩阵与当前轮的轮密钥进行逐位异或运算。这一步骤将密钥信息融入到数据中，确保了加密结果与密钥紧密相关，只有拥有正确密钥的接收方才能进行解密操作。

        对于不同长度的密钥，AES 分别有不同的轮数：128 位密钥对应 10 轮加密，192 位密钥对应 12 轮加密，256 位密钥对应 14 轮加密。在最后一轮加密中，通常会省略列混合操作，以保证加密和解密过程的可逆性。

三、AES 加密算法的优势

1.高效性

        AES 算法在设计上兼顾了安全性和效率。其分组处理方式和相对简洁的加密轮次设计，使得它在现代计算机系统中能够快速地对大量数据进行加密和解密操作。无论是在高速网络通信中的数据实时加密，还是在大规模数据存储时的批量加密处理，AES 都能够表现出色，不会对系统性能造成过大的负担。

2.安全性

        凭借其较长的密钥长度选项、复杂的密钥扩展机制以及多轮加密操作中的混淆和扩散特性，AES 能够抵御多种形式的攻击，包括暴力破解、差分攻击和线性攻击等。经过多年的实践检验和学术界、工业界的深入研究，AES 被广泛认为是一种高度安全的加密算法，为全球范围内的敏感数据提供了可靠的保护。

3.广泛的适用性

        AES 加密算法几乎适用于所有需要数据加密的场景。在网络通信领域，如 SSL/TLS 协议中，它被用于保护网页浏览、电子邮件传输、文件下载等过程中的数据安全；在数据存储方面，无论是本地硬盘存储还是云端存储，AES 都可以对数据进行加密存储，防止数据泄露；在移动应用开发中，用于保护用户的隐私信息，如聊天记录、个人资料等。

四、AES加密模式的几种方式

1.电子密码本模式（ECB，Electronic Codebook）

原理：
ECB 是最基本的 AES 加密模式。它将明文数据按照分组长度（AES 分组长度为 128 位）划分为若干个分组。每个分组都独立地使用相同的密钥进行加密，就好像在查密码本一