Java中的AES加密算法用法示例详解

2025-01-09 09:31:53 作者：@井九

这篇文章主要介绍了Java中的AES加密算法用法的相关资料,AES是一种广泛使用的对称加密算法,支持128位、192位和256位密钥,文中通过代码介绍的非常详细,需要的朋友可以参考下

AES（Advanced Encryption Standard）是目前广泛使用的一种对称加密算法。它的加密速度快、强度高，被广泛应用于文件加密、传输加密等领域。本文将带你一步一步了解 Java 中的 AES 加密，包括 分组模式（Block Mode） 和 填充方式（Padding） 的概念，并结合代码示例说明其使用。

一、AES 基本概念

AES 是对称加密算法，这意味着加密和解密使用同一个密钥。AES 支持三种密钥长度：128 位、192 位 和 256 位。AES 是基于 分组加密（Block Cipher） 的算法，每次加密固定长度的明文块（通常是 128 位，即 16 字节），如果明文不足 16 字节，需要进行填充（Padding）。

二、分组模式和填充方式

1. 分组模式（Block Cipher Mode）

AES 是分组加密算法，每次只能加密一个固定长度的块，为了加密长度不定的明文，需要采用不同的分组模式。常见的分组模式包括：

ECB（Electronic Codebook）模式：每个明文块独立加密。这种方式简单，但是安全性较低，因为相同的明文块会得到相同的密文块，容易被攻击。
CBC（Cipher Block Chaining）模式：每个明文块在加密前先与前一个密文块进行异或操作。需要一个初始向量（IV）来确保每次加密得到不同的密文。
CFB（Cipher Feedback）模式：将前一密文块作为输入生成伪随机数流，然后与明文块异或得到密文块。
OFB（Output Feedback）模式：与 CFB 类似，但它将上一次的输出反馈作为下一次加密输入，而不是使用密文块。
CTR（Counter）模式：将一个计数器的输出作为输入来生成伪随机数流，与明文块异或，属于流模式加密。

其中，CBC 模式和CTR 模式比较常用，因为它们提供了更好的安全性。

2. 填充方式（Padding）

AES 的分组长度是固定的 128 位（16 字节），但实际明文长度往往不是 16 字节的倍数，因此需要填充。常见的填充方式有：

PKCS5Padding：最常用的填充方式，填充的每个字节的值为剩余填充的字节数。
PKCS7Padding：与 PKCS5Padding 类似，但可以用于大于 8 字节分组的加密算法。
NoPadding：不进行填充，但要求输入的明文长度必须是分组大小的整数倍。

三、Java 实现 AES 加密

接下来，我们通过 Java 代码来实现 AES 加密，结合不同的 分组模式 和 填充方式 进行示例。

1. AES-ECB 模式

ECB 模式是最简单的 AES 加密方式，代码如下：

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

public class AesEcbExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 生成 AES 密钥
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
        keyGen.init(128); // 选择 AES-128
        SecretKey secretKey = keyGen.generateKey();

        // 初始化加密器，指定 AES/ECB/PKCS5Padding
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);

        // 加密
        String plaintext = "Hello AES in ECB mode";
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());

        // 输出密文（Base64 编码）
        System.out.println("加密后的密文：" + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
    }
}

在 ECB 模式下，相同的明文块会产生相同的密文块，容易被攻击，因此不推荐使用。

2. AES-CBC 模式

CBC 模式相对更安全，它使用了初始向量（IV）来确保加密结果的随机性。以下是 CBC 模式的示例：

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

public class AesCbcExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 生成 AES 密钥
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
        keyGen.init(128); 
        SecretKey secretKey = keyGen.generateKey();

        // 随机生成 IV
        byte[] iv = new byte[16];
        IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv);

        // 初始化加密器，指定 AES/CBC/PKCS5Padding
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, ivSpec);

        // 加密
        String plaintext = "Hello AES in CBC mode";
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());

        // 输出密文（Base64 编码）
        System.out.println("加密后的密文：" + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
    }
}

CBC 模式需要初始向量（IV），它确保每次加密同样的明文时，生成不同的密文块，从而提升了安全性。

3. AES-CTR 模式

CTR 模式是一种流模式加密，它将计数器作为输入，加密后生成密钥流，再与明文异或得到密文。以下是示例：

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

public class AesCtrExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 生成 AES 密钥
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
        keyGen.init(128); 
        SecretKey secretKey = keyGen.generateKey();

        // 随机生成计数器 (IV)
        byte[] iv = new byte[16];
        IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv);

        // 初始化加密器，指定 AES/CTR/NoPadding
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CTR/NoPadding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, ivSpec);

        // 加密
        String plaintext = "Hello AES in CTR mode";
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());

        // 输出密文（Base64 编码）
        System.out.println("加密后的密文：" + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
    }
}

CTR 模式的优点在于，它不需要填充，因为每个明文字节都直接与伪随机密钥流异或。

四、总结

在 Java 中，使用 AES 加密时，需要考虑以下几点：

分组模式：不同的分组模式决定了 AES 的安全性和效率。CBC 和 CTR 模式是比较推荐的安全选项，而 ECB 模式由于容易遭受攻击，应尽量避免使用。
填充方式：明文的长度如果不是 16 字节的整数倍，需要使用填充方式。PKCS5Padding 是最常见的选择，而 NoPadding 适用于流模式（如 CTR 模式）加密。
密钥长度：AES 支持 128 位、192 位、256 位的密钥长度，通常 128 位密钥已经足够安全，而 256 位密钥提供了更高的安全保障。

使用 AES 加密时，一定要谨慎选择分组模式和填充方式，确保安全性和兼容性。希望通过本文，你对 Java 中的 AES 加密有了更深入的了解。

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