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Java AES加密与解密

2023/07/02

1. 概述

对称密钥块密码在数据加密中起着重要作用，这意味着相同的密钥用于加密和解密。高级加密标准(AES)是一种广泛使用的对称密钥加密算法。

在本教程中，我们将学习如何使用JDK中的Java加密体系结构(JCA)实现AES加密和解密。

2. AES算法

AES算法是一种迭代的对称密钥块密码，它支持128、192和256位的加密密钥(密钥)以加密和解密128位块中的数据。下图显示了高级AES算法：

高级AES算法

如果要加密的数据不满足128位的块大小要求，则必须进行填充。填充是将最后一个块填充到128位的过程。

3. AES变体

AES算法有6种操作模式：

  1. ECB(电子密码本)
  2. CBC(密码块链接)
  3. CFB(密码反馈)
  4. OFB(输出反馈)
  5. CTR(计数器)
  6. GCM(伽罗瓦/计数器模式)

我们可以应用操作模式来加强加密算法的效果。此外，操作模式可以将块密码转换为流密码。每种模式都有其优点和缺点，让我们快速回顾一下每一个。

3.1 ECB

这种操作模式是最简单的，明文被分成大小为128位的块，然后使用相同的密钥和算法对每个块进行加密。因此，它对同一个块产生相同的结果。这是该模式的主要弱点，不推荐用于加密。它需要填充数据。

3.2 CBC

为了克服ECB的弱点，CBC模式使用初始化向量(IV)来增强加密。首先，CBC使用明文块与IV异或，然后将结果加密到密文块中。在下一个块中，它使用加密结果与明文块进行异或，直到最后一个块。

在这种模式下，加密不能并行，但解密可以并行。它也需要填充数据。

3.3 CFB

这种模式可以用作流密码。首先，它对IV进行加密，然后与明文块进行异或运算得到密文。然后CFB对加密结果进行加密，对明文进行异或运算。它需要IV。

在这种模式下，解密可以并行，但加密不能并行。

3.4 OFB

这种模式可以用作流密码。首先，它加密IV，然后使用加密结果对明文进行异或得到密文。

它不需要填充数据，也不会受到噪声块的影响。

3.5 CTR

此模式使用计数器的值作为IV。它与OFB非常相似，但它每次都使用计数器而不是IV进行加密。

这种模式有两个优点，包括加密/解密并行化，并且一个块中的噪声不会影响其他块。

3.6 GCM

此模式是CTR模式的扩展，GCM受到了极大的关注，并被NIST推荐。GCM模型输出密文和身份验证标记。与算法的其他操作模式相比，这种模式的主要优点是它的效率。

在本教程中，我们将使用AES/CBC/PKCS5Padding算法，因为它在许多项目中被广泛使用。

3.7 加密后数据大小

如前所述，AES的块大小为128位或16字节。AES不改变大小，密文大小等于明文大小。另外，在ECB和CBC模式下，我们应该使用像PKCS5这样的填充算法。所以加密后的数据大小为：

ciphertext_size (bytes) = cleartext_size + (16 - (cleartext_size % 16))

为了用密文存储IV，我们需要再增加16个字节。

4. AES参数

在AES算法中，我们需要三个参数：输入数据、密钥和IV。IV不用于ECB模式。

4.1 输入数据

AES的输入数据可以是字符串、文件、对象和基于密码的。

4.2 密钥

在AES中有两种生成密钥的方法：从随机数生成，或从给定密码派生。

在第一种方法中，密钥应该从加密安全(伪)随机数生成器(如SecureRandom类)生成。

为了生成密钥，我们可以使用KeyGenerator类。让我们定义一个方法来生成大小为n(128、192和256)位的AES密钥：

public static SecretKey generateKey(int n) throws NoSuchAlgorithmException {
    KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
    keyGenerator.init(n);
    SecretKey key = keyGenerator.generateKey();
    return key;
}

在第二种方法中，可以使用基于密码的密钥派生函数(如PBKDF2)从给定的密码派生AES密钥。我们还需要一个盐值来将密码转换为密钥，盐也是一个随机值。

我们可以使用SecretKeyFactory类和PBKDF2WithHmacSHA256算法从给定的密码生成密钥。

让我们定义一种从给定密码生成AES密钥的方法，迭代次数为65536次，密钥长度为256位：

public static SecretKey getKeyFromPassword(String password, String salt) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {
    SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA256");
    KeySpec spec = new PBEKeySpec(password.toCharArray(), salt.getBytes(), 65536, 256);
    SecretKey secret = new SecretKeySpec(factory.generateSecret(spec)
        .getEncoded(), "AES");
    return secret;
}

4.3 初始化向量(IV)

IV是一个伪随机值，与加密的块大小相同。我们可以使用SecureRandom类来生成随机IV。

让我们定义一个生成IV的方法：

public static IvParameterSpec generateIv() {
    byte[] iv = new byte[16];
    new SecureRandom().nextBytes(iv);
    return new IvParameterSpec(iv);
}

5. 加密与解密

5.1 字符串

要实现输入字符串加密，我们首先需要根据上一节生成秘钥和IV。下一步，我们使用getInstance()方法从Cipher类创建一个实例。

此外，我们使用带有密钥、IV和加密模式的init()方法配置Cipher实例。最后，我们通过调用doFinal()方法来加密输入字符串，此方法获取输入字节并以字节为单位返回密文：

public static String encrypt(String algorithm, String input, SecretKey key, IvParameterSpec iv) throws NoSuchPaddingException, NoSuchAlgorithmException, InvalidAlgorithmParameterException, InvalidKeyException, BadPaddingException, IllegalBlockSizeException {
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithm);
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, iv);
    byte[] cipherText = cipher.doFinal(input.getBytes());
    return Base64.getEncoder()
        .encodeToString(cipherText);
}

为了解密输入字符串，我们可以使用DECRYPT_MODE初始化我们的密码来解密内容：

public static String decrypt(String algorithm, String cipherText, SecretKey key, IvParameterSpec iv) throws NoSuchPaddingException, NoSuchAlgorithmException, InvalidAlgorithmParameterException, InvalidKeyException, BadPaddingException, IllegalBlockSizeException {
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithm);
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, iv);
    byte[] plainText = cipher.doFinal(Base64.getDecoder()
        .decode(cipherText));
    return new String(plainText);
}

让我们编写一个加密和解密字符串输入的测试方法：

@Test
void givenString_whenEncrypt_thenSuccess() throws NoSuchAlgorithmException, IllegalBlockSizeException, InvalidKeyException, BadPaddingException, InvalidAlgorithmParameterException, NoSuchPaddingException {
    String input = "tuyucheng";
    SecretKey key = AESUtil.generateKey(128);
    IvParameterSpec ivParameterSpec = AESUtil.generateIv();
    String algorithm = "AES/CBC/PKCS5Padding";
    String cipherText = AESUtil.encrypt(algorithm, input, key, ivParameterSpec);
    String plainText = AESUtil.decrypt(algorithm, cipherText, key, ivParameterSpec);
    Assertions.assertEquals(input, plainText);
}

5.2 文件

现在让我们使用AES算法加密文件。步骤是相同的，但我们需要一些IO类来处理这些文件。让我们加密一个文本文件：

public static void encryptFile(String algorithm, SecretKey key, IvParameterSpec iv, File inputFile, File outputFile) throws IOException, NoSuchPaddingException, NoSuchAlgorithmException, InvalidAlgorithmParameterException, InvalidKeyException, BadPaddingException, IllegalBlockSizeException {
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithm);
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, iv);
    FileInputStream inputStream = new FileInputStream(inputFile);
    FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(outputFile);
    byte[] buffer = new byte[64];
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = inputStream.read(buffer)) != -1) {
        byte[] output = cipher.update(buffer, 0, bytesRead);
        if (output != null) {
            outputStream.write(output);
        }
    }
    byte[] outputBytes = cipher.doFinal();
    if (outputBytes != null) {
        outputStream.write(outputBytes);
    }
    inputStream.close();
    outputStream.close();
}

请注意，不建议尝试将整个文件(尤其是大文件)读入内存。相反，我们一次加密一个缓冲区。

为了解密文件，我们使用类似的步骤并使用我们之前看到的DECRYPT_MODE初始化我们的密码。

同样，让我们定义一个用于加密和解密文本文件的测试方法。在这个方法中，我们从测试资源目录中读取tuyucheng.txt文件，将其加密成一个名为tuyucheng.encrypted的文件，然后将该文件解密成一个新文件：

@Test
void givenFile_whenEncrypt_thenSuccess() throws NoSuchAlgorithmException, IOException, IllegalBlockSizeException, InvalidKeyException, BadPaddingException, InvalidAlgorithmParameterException, NoSuchPaddingException {
    SecretKey key = AESUtil.generateKey(128);
    String algorithm = "AES/CBC/PKCS5Padding";
    IvParameterSpec ivParameterSpec = AESUtil.generateIv();
    Resource resource = new ClassPathResource("inputFile/tuyucheng.txt");
    File inputFile = resource.getFile();
    File encryptedFile = new File("classpath:tuyucheng.encrypted");
    File decryptedFile = new File("document.decrypted");
    AESUtil.encryptFile(algorithm, key, ivParameterSpec, inputFile, encryptedFile);
    AESUtil.decryptFile(algorithm, key, ivParameterSpec, encryptedFile, decryptedFile);
    assertThat(inputFile).hasSameTextualContentAs(decryptedFile);
}

5.3 基于密码

我们可以使用从给定密码派生的密钥进行AES加密和解密。

为了生成密钥，我们使用getKeyFromPassword()方法。加解密步骤与字符串输入部分相同，然后我们可以使用实例化的Cipher和提供的密钥来执行加密。

让我们编写一个测试方法：

@Test
void givenPassword_whenEncrypt_thenSuccess() throws InvalidKeySpecException, NoSuchAlgorithmException, IllegalBlockSizeException, InvalidKeyException, BadPaddingException, InvalidAlgorithmParameterException, NoSuchPaddingException {
    String plainText = "www.tuyucheng.com";
    String password = "tuyucheng";
    String salt = "12345678";
    IvParameterSpec ivParameterSpec = AESUtil.generateIv();
    SecretKey key = AESUtil.getKeyFromPassword(password,salt);
    String cipherText = AESUtil.encryptPasswordBased(plainText, key, ivParameterSpec);
    String decryptedCipherText = AESUtil.decryptPasswordBased(cipherText, key, ivParameterSpec);
    Assertions.assertEquals(plainText, decryptedCipherText);
}

5.4 对象

为了加密Java对象，我们需要使用SealedObject类，该对象应该是可序列化的。让我们从定义一个Student类开始：

public class Student implements Serializable {
    private String name;
    private int age;

    // standard setters and getters
}

接下来，让我们加密Student对象：

public static SealedObject encryptObject(String algorithm, Serializable object, SecretKey key, IvParameterSpec iv) throws NoSuchPaddingException, NoSuchAlgorithmException, InvalidAlgorithmParameterException, InvalidKeyException, IOException, IllegalBlockSizeException {
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithm);
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, iv);
    SealedObject sealedObject = new SealedObject(object, cipher);
    return sealedObject;
}

加密的对象稍后可以使用正确的密码进行解密：

public static Serializable decryptObject(String algorithm, SealedObject sealedObject, SecretKey key, IvParameterSpec iv) throws NoSuchPaddingException, NoSuchAlgorithmException, InvalidAlgorithmParameterException, InvalidKeyException, ClassNotFoundException, BadPaddingException, IllegalBlockSizeException, IOException {
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithm);
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, iv);
    Serializable unsealObject = (Serializable) sealedObject.getObject(cipher);
    return unsealObject;
}

现在让我们编写一个测试用例：

@Test
void givenObject_whenEncrypt_thenSuccess() throws NoSuchAlgorithmException, IllegalBlockSizeException, InvalidKeyException, InvalidAlgorithmParameterException, NoSuchPaddingException, IOException, BadPaddingException, ClassNotFoundException {
    Student student = new Student("Baeldung", 20);
    SecretKey key = AESUtil.generateKey(128);
    IvParameterSpec ivParameterSpec = AESUtil.generateIv();
    String algorithm = "AES/CBC/PKCS5Padding";
    SealedObject sealedObject = AESUtil.encryptObject(algorithm, student, key, ivParameterSpec);
    Student object = (Student) AESUtil.decryptObject(algorithm, sealedObject, key, ivParameterSpec);
    assertThat(student).isEqualToComparingFieldByField(object);
}

6. 总结

在本文中，我们学习了如何使用Java中的AES算法加密和解密输入数据，例如字符串、文件、对象和基于密码的数据。此外，我们还讨论了AES变体和加密后的数据大小。

与往常一样，本教程的完整源代码可在GitHub上获得。

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