AES算法模拟对象适配器模式

AES算法（Advanced Encryption Standard，高级加密标准） 是一种广泛使用的对称密钥加密算法，用于保护电子数据的机密性。它取代了旧的DES（数据加密标准），成为全球政府、金融、互联网等领域事实上的加密标准。

以下是关于AES的核心要点：

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1. 核心特性

• 对称加密：加密和解密使用同一个密钥（与RSA的非对称加密不同）。
• 分组密码：将明文数据分成固定长度的块（Block）进行加密（AES块大小为128位）。
• 密钥长度可选：支持128位、192位、256位三种密钥长度（安全性递增）。
• 高效可靠：软硬件实现效率高，抗已知攻击（如差分/线性密码分析）。

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2. 算法结构：迭代的“轮函数”

AES通过多轮重复操作（称为轮函数）实现加密。轮数取决于密钥长度：

• 128位密钥：10轮
• 192位密钥：12轮
• 256位密钥：14轮

每轮操作（对数据块的处理）：

1. SubBytes（字节替换）
   • 使用S盒（替换表） 对每个字节非线性替换，增加混淆性。
2. ShiftRows（行移位）
   • 将数据块视为4×4矩阵，每行循环左移不同偏移量（第0行不移，第1行移1位，以此类推）。
3. MixColumns（列混合）
   • 对每一列进行线性变换（矩阵乘法），扩散字节间的影响。
4. AddRoundKey（轮密钥加）
   • 将当前轮密钥（由初始密钥扩展生成）与数据块按位异或（XOR）。

首轮和末轮有细微调整：

• 首轮前仅执行AddRoundKey（初始轮密钥加）。
• 末轮省略MixColumns步骤。

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3. 密钥扩展（Key Expansion）

• 将初始密钥扩展生成多个轮密钥（总轮数+1个）。
• 通过循环移位、S盒替换、与轮常数异或等操作生成新密钥。

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4. 解密过程

解密是加密的逆过程，依次执行逆操作：
逆字节替换（InvSubBytes） → 逆行移位（InvShiftRows） → 逆列混合（InvMixColumns） → 轮密钥加（AddRoundKey）。

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5. 安全性

• 理论安全：目前无已知实用性的数学攻击能破解AES（128位及以上密钥）。
• 暴力破解不可行：
  • AES-128：尝试所有密钥需 (2^{128}) 次操作（宇宙寿命内无法完成）。
  • AES-256：被NSA用于保护最高机密信息（TOP SECRET）。
• 侧信道攻击：实际应用中需防范时序攻击、功耗分析等（通过硬件安全设计抵御）。

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6. 应用场景

AES无处不在，几乎所有需要加密的场景都有它的身影：

• 网络通信：HTTPS/SSL/TLS、VPN（如IPsec）、Wi-Fi（WPA2/WPA3）。
• 文件/磁盘加密：BitLocker（Windows）、FileVault（macOS）、Veracrypt。
• 数据存储：数据库加密、云存储（AWS S3服务端加密）。
• 加密货币：加密钱包、区块链交易隐私保护。
• 软件保护：授权验证、防篡改。

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7. 为什么AES比DES更好？

特性	DES（已淘汰）	AES
密钥长度	56位（易被暴力破解）	128/192/256位（抗暴力）
分组大小	64位	128位（更安全高效）
设计结构	Feistel网络	SPN结构（扩散性更强）
效率	慢（硬件优化差）	软硬件均高效

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8. 重要事实

• 标准化：2001年由NIST（美国国家标准与技术研究院） 正式选定（击败其他候选算法如Twofish、Serpent）。
• 设计者：比利时密码学家Joan Daemen与Vincent Rijmen（原名Rijndael）。
• 开放免费：AES不受专利限制，可自由使用。

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总结

AES是当今最安全、最高效的对称加密算法，凭借其严谨的数学结构、灵活的密钥长度和广泛的工业支持，成为保护数字世界的基石技术。无论是个人隐私还是国家安全，AES都在幕后默默提供强大的加密保障。

AES对象：

@Data
public class AESUtil {


    private final String AES = "AES";


    private Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES);


    public AESUtil() throws Exception {
    }


    /**
     * 加密
     *
     * @param content 需要加密的内容
     * @return
     */
    public byte[] encrypt(String password, String content) {
        try {
//            KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
//            keyGen.init(256, new SecureRandom(password.getBytes()));
//            SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(keyGen.generateKey().getEncoded(), "AES");
            SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(password.getBytes(), AES);
            byte[] byteContent = content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
            return cipher.doFinal(byteContent);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("AES加密失败" + e.getMessage());
        }
        return null;
    }


    /**
     * 解密
     *
     * @param content 需要解密的内容
     * @return
     */
    public byte[] decrypt(String password, byte[] content) {
        try {
//            KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
//            keyGen.init(256, new SecureRandom(password.getBytes()));
//            SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(keyGen.generateKey().getEncoded(), "AES");
            SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(password.getBytes(), AES);
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
            return cipher.doFinal(content);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("AES加密失败" + e.getMessage());
        }
        return null;
    }
}

目标接口：AESTargetAble

public interface AESTargetAble {
    /**
     * 加密
     *
     * @param content 需要加密的内容
     * @return
     */
    byte[] encrypt(String password, String content);


    /**
     * 解密
     *
     * @param content 需要解密的内容
     * @return
     */
    byte[] decrypt(String password, byte[] content);


    /**
     * 采用AES/ECB/NoPadding时，要求密钥长度16、24、32中的一个、待加密内容的byte[]长度必须是16的倍数
     *
     * @param content 需要加密的内容
     * @return
     */
    byte[] encryptOther(String password, String content);


    /**
     * 采用AES/ECB/NoPadding时，要求密钥长度16、24、32中的一个、待加密内容的byte[]长度必须是16的倍数
     *
     * @param content 需要解密的内容
     * @return
     */
    byte[] decryptOther(String password, byte[] content);


}

适配器Wrapper

@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class Wrapper implements AESTargetAble {
    private AESUtil aesUtil;


    /**
     * 加密
     *
     * @param password
     * @param content  需要加密的内容
     * @return
     */
    @Override
    public byte[] encrypt(String password, String content) {
        return aesUtil.encrypt(password, content);
    }


    /**
     * 解密
     *
     * @param password
     * @param content  需要解密的内容
     * @return
     */
    @Override
    public byte[] decrypt(String password, byte[] content) {
        return aesUtil.decrypt(password, content);
    }


    /**
     * 采用AES/ECB/NoPadding时，要求密钥长度16、24、32中的一个、待加密内容的byte[]长度必须是16的倍数
     *
     * @param password
     * @param content  需要加密的内容
     * @return
     */
    @Override
    public byte[] encryptOther(String password, String content) {
        try {
            SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(password.getBytes(), aesUtil.getAES());
            aesUtil.setCipher(Cipher.getInstance("AES/ECB/NoPadding"));
            byte[] contentBytes = content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
            Cipher cipher = aesUtil.getCipher();
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
            return cipher.doFinal(password.getBytes());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("AES加密失败" + e.getMessage());
        }
        return null;
    }


    /**
     * 采用AES/ECB/NoPadding时，要求密钥长度16、24、32中的一个、待加密内容的byte[]长度必须是16的倍数
     *
     * @param password
     * @param content  需要解密的内容
     * @return
     */
    @Override
    public byte[] decryptOther(String password, byte[] content) {
        try {
            byte[] bytePassword = password.getBytes();
//            bytePassword = checkByteLength(bytePassword);
            SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(bytePassword, "AES");
            Cipher cipher = aesUtil.getCipher();
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
            return cipher.doFinal(content);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("AES解密失败" + e.getMessage());
        }
        return null;
    }
}

测试类：

public class AESMain {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String password = "passwordpassword";
        String content = "学习算法，有益身心健康!！";


        AESUtil aesUtil = new AESUtil();
        Wrapper wrapper = new Wrapper(aesUtil);


        byte[] encryptResult = wrapper.encrypt(password, content);
        byte[] decryptResult = wrapper.decrypt(password, encryptResult);


        System.out.println("加密后的数据:" + Base64.getEncoder().encodeToString(encryptResult));
        System.out.println("解密后的数据:" + new String(decryptResult));


        //采用AES/ECB/NoPadding时，要求密钥长度16、24、32中的一个、待加密内容的byte[]长度必须是16的倍数
        byte[] encryptOther = wrapper.encryptOther(password, content);
        byte[] decryptOther = wrapper.decryptOther(password, encryptOther);
        System.out.println("加密后的数据:" + Base64.getEncoder().encodeToString(encryptOther));
        System.out.println("解密后的数据:" + new String(decryptOther));
        
    }
}