So führen Sie AES-Verschlüsselungs- und -Entschlüsselungsvorgänge in Java durch

1. Hintergrundwissen

• In der Kryptographie werden Verschlüsselungsalgorithmen in Einwegverschlüsselung und zwei unterteilt -Wege-Verschlüsselung.

• Symmetrische Verschlüsselung bedeutet, dass für die Verschlüsselung und Entschlüsselung derselbe Schlüssel verwendet wird, einschließlich AES-Verschlüsselung, DES-Verschlüsselung usw.

• Asymmetrische Verschlüsselung bedeutet, dass für die Verschlüsselung und Entschlüsselung unterschiedliche Schlüssel verwendet werden, einschließlich RSA-Verschlüsselung usw.

• Die Einwegverschlüsselung umfasst Digest-Algorithmen wie MD5 und SHA, die irreversibel sind.

• Die bidirektionale Verschlüsselung umfasst symmetrische und asymmetrische Verschlüsselung. Die bidirektionale Verschlüsselung ist umkehrbar und der Schlüssel zum Chiffretext existiert.

2. Einführung in AES

AES: Advanced Encryption Standard (Advanced Encryption Standard) ist ein Blockverschlüsselungsstandard, der von der US-Bundesregierung übernommen wurde. Er ist derzeit der beliebteste symmetrische Verschlüsselungsalgorithmus. 对称加密算法。

• 是用来替代DES的新一代分组加密算法。

• AES支持三种长度的密钥：128位、192位、256位。

3.AES的加密过程（AES处理单位：字节）

AES的加解密过程和DES一样，都是通过分组加密、分组解密。所谓分组加密，就是将待加解密的内容按照128位进行分组，将密钥按照128位、192位、256位进行分组，分别将分组后的明文与相应分组后的密钥进行加解密。

加密： 明文与密钥分组后，对每组：明文组与密钥组处理 -> 轮密钥加 -> 10轮加密 -> 密文组

解密： 对每组：密文组 -> 轮密钥加 -> 10轮解密 -> 明文组

明文分组： 每组长度相等，都是128位（16字节）；

密钥分组： 有128位、192位、256位，推荐加密轮数分别为 10、12、14

密钥组处理： 以密钥分组每组128位为例（则推荐加密轮数为10，前9次执行操作一样，第十次有所不同） 类似地，128位密钥也是用字节为单位的矩阵表示，通过密钥编排函数，形成具有44个元素的序列W[0],W[1], … ,W[43]（每个元素4个字节）；其中，W[0],W[1],W[2],W[3]为原始密钥，其余40个元素分为10组，每组4个元素（4*4=16字节），分别用于10轮加密。

AES加密算法涉及4种操作： 字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。

下图给出了AES加解密的流程：

• AddRoundKey （轮密钥加）— 矩阵中的每一个字节都与该次轮密钥（round key）做XOR运算；每个子密钥由密钥生成方案产生。

• SubBytes（字节替代） — 通过非线性的替换函数，用查找表的方式把每个字节替换成对应的字节。

• ShiftRows（行移位） — 将矩阵中的每个横列进行循环式移位。

• MixColumns （列混淆）— 为了充分混合矩阵中各个直行的操作。这个步骤使用线性转换来混合每列的四个字节。

假如一段明文长度是192bit，如果按每128bit一个明文块来拆分的话，第二个明文块只有64bit，不足128bit。这时候怎么办呢？就需要对明文块进行填充（Padding）。

填充涉及以下三种填充模式：

• NoPadding：不做任何填充，但是要求明文必须是16字节的整数倍。

• PKCS5Padding（默认）：如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字符，且每个字节的值等于缺少的字符数。

比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节，则补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6}

• ISO10126Padding

ist ein Blockverschlüsselungsalgorithmus der neuen Generation, der DES ersetzt.

AES unterstützt drei Schlüssellängen: 128 Bit, 192 Bit und 256 Bit.

3. Der Verschlüsselungsprozess von AES (AES-Verarbeitungseinheit: Bytes)

Der Verschlüsselungs- und Entschlüsselungsprozess von AES ist derselbe von DES, sowohl durch Blockverschlüsselung als auch durch Gruppenentschlüsselung. Die sogenannte Blockverschlüsselung besteht darin, den zu verschlüsselnden und zu entschlüsselnden Inhalt nach 128 Bit in Gruppen zu gruppieren, die Schlüssel nach 128 Bit, 192 Bit und 256 Bit in Gruppen zu gruppieren und den gruppierten Klartext und den entsprechenden zu verschlüsseln und zu entschlüsseln jeweils gruppierte Tasten.

Verschlüsselung:

Nach der Gruppierung von Klartext und Schlüssel für jede Gruppe: Klartextgruppe und Schlüsselgruppenverarbeitung – > Rundenschlüssel-Addition – > > Chiffretextgruppe

Für jede Gruppe: Chiffretextgruppe-> 10 Runden Entschlüsselung->

Einfache Textgruppierung: Jede Gruppe ist gleich lang, beide 128 Bit (16 Bytes);

#🎜🎜##🎜🎜#Schlüsselgruppierung: #🎜 🎜# Es gibt 128 Bit, 192 Bit und 256 Bit. Die empfohlenen Verschlüsselungsrunden sind 10, 12 und 14 Nehmen wir als Beispiel 128 Bit (die empfohlene Anzahl von Verschlüsselungsrunden beträgt 10, die ersten 9 Mal sind die gleichen und die zehnten Mal sind sie unterschiedlich). In ähnlicher Weise wird der 128-Bit-Schlüssel auch durch eine Matrix in Bytes dargestellt. Bilden Sie durch die Schlüsselanordnungsfunktion eine Sequenz mit 44 Elementen W[0],W[1], … W[2], W[3] ist der Originalschlüssel, und die verbleibenden 40 Elemente sind in 10 Gruppen unterteilt. Jede Gruppe besteht aus 4 Elementen (4 * 4 = 16 Bytes), die jeweils für 10 Verschlüsselungsrunden verwendet werden. #🎜🎜##🎜🎜##🎜🎜#Der AES-Verschlüsselungsalgorithmus umfasst 4 Operationen: #🎜🎜# Byte-Ersetzung (SubBytes), Zeilenverschiebung (ShiftRows ), Spaltenverwirrung (MixColumns) und Rundschlüsseladdition (AddRoundKey). #🎜🎜##🎜🎜#Die folgende Abbildung zeigt den AES-Verschlüsselungs- und Entschlüsselungsprozess: #🎜🎜##🎜🎜##🎜🎜##🎜🎜##🎜🎜#AddRoundKey (Rundschlüsseladdition)#🎜🎜# - Jedes Byte in der Matrix wird mit dem Rundenschlüssel XOR-verknüpft; jeder Unterschlüssel wird durch das Schlüsselgenerierungsschema generiert. #🎜🎜##🎜🎜##🎜🎜##🎜🎜##🎜🎜#SubBytes (Byte-Ersetzung) #🎜🎜# — Ersetzen Sie jedes Byte durch eine Nachschlagetabelle durch eine nichtlineare Ersetzungsfunktion in die entsprechenden Bytes. #🎜🎜##🎜🎜##🎜🎜##🎜🎜##🎜🎜#ShiftRows (Zeilenverschiebung) #🎜🎜# – Jede Spalte in der Matrix kreisförmig verschieben. #🎜🎜##🎜🎜##🎜🎜##🎜🎜##🎜🎜#MixColumns (Spaltenverwirrung) #🎜🎜#— Um die Operationen jeder geraden Zeile in der Matrix vollständig zu mischen. Dieser Schritt verwendet eine lineare Transformation, um die vier Bytes jeder Spalte zu vermischen. #🎜🎜##🎜🎜##🎜🎜##🎜🎜#private static final String SYMBOLS = "0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"; // 数字和26个字母组成 private static final Random RANDOM = new SecureRandom(); /** * 获取长度为 6 的随机字母+数字 * @return 随机数字 */ public static String getRandomNumber() { char[] nonceChars = new char[16]; //指定长度为6位/自己可以要求设置 for (int index = 0; index < nonceChars.length; ++index) { nonceChars[index] = SYMBOLS.charAt(RANDOM.nextInt(SYMBOLS.length())); } return new String(nonceChars); }

4.2 AESUtil.java-Quellcode

import org.apache.commons.lang3.RandomStringUtils;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.util.Base64Utils;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
/**
 * AES加密工具类
 *
 * @author ACGkaka
 * @since 2021-06-18 19:11:03
 */
public class AESUtil {
    /**
     * 日志相关
     */
    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(AESUtil.class);
    /**
     * 编码
     */
    private static final String ENCODING = "UTF-8";
    /**
     * 算法定义
     */
    private static final String AES_ALGORITHM = "AES";
    /**
     * 指定填充方式
     */
    private static final String CIPHER_PADDING = "AES/ECB/PKCS5Padding";
    private static final String CIPHER_CBC_PADDING = "AES/CBC/PKCS5Padding";
    /**
     * 偏移量(CBC中使用，增强加密算法强度)
     */
    private static final String IV_SEED = "1234567812345678";
    /**
     * AES加密
     * @param content 待加密内容
     * @param aesKey  密码
     * @return
     */
    public static String encrypt(String content, String aesKey){
        if(StringUtils.isBlank(content)){
            LOGGER.info("AES encrypt: the content is null!");
            return null;
        }
        //判断秘钥是否为16位
        if(StringUtils.isNotBlank(aesKey) && aesKey.length() == 16){
            try {
                //对密码进行编码
                byte[] bytes = aesKey.getBytes(ENCODING);
                //设置加密算法，生成秘钥
                SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(bytes, AES_ALGORITHM);
                // "算法/模式/补码方式"
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_PADDING);
                //选择加密
                cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec);
                //根据待加密内容生成字节数组
                byte[] encrypted = cipher.doFinal(content.getBytes(ENCODING));
                //返回base64字符串
                return Base64Utils.encodeToString(encrypted);
            } catch (Exception e) {
                LOGGER.info("AES encrypt exception:" + e.getMessage());
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }else {
            LOGGER.info("AES encrypt: the aesKey is null or error!");
            return null;
        }
    }
    /**
     * 解密
     * 
     * @param content 待解密内容
     * @param aesKey  密码
     * @return
     */
    public static String decrypt(String content, String aesKey){
        if(StringUtils.isBlank(content)){
            LOGGER.info("AES decrypt: the content is null!");
            return null;
        }
        //判断秘钥是否为16位
        if(StringUtils.isNotBlank(aesKey) && aesKey.length() == 16){
            try {
                //对密码进行编码
                byte[] bytes = aesKey.getBytes(ENCODING);
                //设置解密算法，生成秘钥
                SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(bytes, AES_ALGORITHM);
                // "算法/模式/补码方式"
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_PADDING);
                //选择解密
                cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec);
                //先进行Base64解码
                byte[] decodeBase64 = Base64Utils.decodeFromString(content);
                //根据待解密内容进行解密
                byte[] decrypted = cipher.doFinal(decodeBase64);
                //将字节数组转成字符串
                return new String(decrypted, ENCODING);
            } catch (Exception e) {
                LOGGER.info("AES decrypt exception:" + e.getMessage());
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }else {
            LOGGER.info("AES decrypt: the aesKey is null or error!");
            return null;
        }
    }
    /**
     * AES_CBC加密
     * 
     * @param content 待加密内容
     * @param aesKey  密码
     * @return
     */
    public static String encryptCBC(String content, String aesKey){
        if(StringUtils.isBlank(content)){
            LOGGER.info("AES_CBC encrypt: the content is null!");
            return null;
        }
        //判断秘钥是否为16位
        if(StringUtils.isNotBlank(aesKey) && aesKey.length() == 16){
            try {
                //对密码进行编码
                byte[] bytes = aesKey.getBytes(ENCODING);
                //设置加密算法，生成秘钥
                SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(bytes, AES_ALGORITHM);
                // "算法/模式/补码方式"
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_CBC_PADDING);
                //偏移
                IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(IV_SEED.getBytes(ENCODING));
                //选择加密
                cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec, iv);
                //根据待加密内容生成字节数组
                byte[] encrypted = cipher.doFinal(content.getBytes(ENCODING));
                //返回base64字符串
                return Base64Utils.encodeToString(encrypted);
            } catch (Exception e) {
                LOGGER.info("AES_CBC encrypt exception:" + e.getMessage());
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }else {
            LOGGER.info("AES_CBC encrypt: the aesKey is null or error!");
            return null;
        }
    }
    /**
     * AES_CBC解密
     * 
     * @param content 待解密内容
     * @param aesKey  密码
     * @return
     */
    public static String decryptCBC(String content, String aesKey){
        if(StringUtils.isBlank(content)){
            LOGGER.info("AES_CBC decrypt: the content is null!");
            return null;
        }
        //判断秘钥是否为16位
        if(StringUtils.isNotBlank(aesKey) && aesKey.length() == 16){
            try {
                //对密码进行编码
                byte[] bytes = aesKey.getBytes(ENCODING);
                //设置解密算法，生成秘钥
                SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(bytes, AES_ALGORITHM);
                //偏移
                IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(IV_SEED.getBytes(ENCODING));
                // "算法/模式/补码方式"
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_CBC_PADDING);
                //选择解密
                cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec, iv);
                //先进行Base64解码
                byte[] decodeBase64 = Base64Utils.decodeFromString(content);
                //根据待解密内容进行解密
                byte[] decrypted = cipher.doFinal(decodeBase64);
                //将字节数组转成字符串
                return new String(decrypted, ENCODING);
            } catch (Exception e) {
                LOGGER.info("AES_CBC decrypt exception:" + e.getMessage());
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }else {
            LOGGER.info("AES_CBC decrypt: the aesKey is null or error!");
            return null;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        // AES支持三种长度的密钥：128位、192位、256位。
        // 代码中这种就是128位的加密密钥，16字节 * 8位/字节 = 128位。
        String random = RandomStringUtils.random(16, "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz1234567890");
        System.out.println("随机key:" + random);
        System.out.println();
        System.out.println("---------加密---------");
        String aesResult = encrypt("测试AES加密12", random);
        System.out.println("aes加密结果:" + aesResult);
        System.out.println();
        System.out.println("---------解密---------");
        String decrypt = decrypt(aesResult, random);
        System.out.println("aes解密结果:" + decrypt);
        System.out.println();
        System.out.println("--------AES_CBC加密解密---------");
        String cbcResult = encryptCBC("测试AES加密12456", random);
        System.out.println("aes_cbc加密结果:" + cbcResult);
        System.out.println();
        System.out.println("---------解密CBC---------");
        String cbcDecrypt = decryptCBC(cbcResult, random);
        System.out.println("aes解密结果:" + cbcDecrypt);
        System.out.println();
    }
}

4.3 Ausführungsergebnisse

随机key:golrtt58318fx7ol
---------加密---------
aes加密结果:Xy8W9lCeVue9Ao36z+duM7D7WeS5tdBihIMb1q9KpNg=
---------解密---------
aes解密结果:测试AES加密12
--------AES_CBC加密解密---------
aes_cbc加密结果:xs3ypQXyd62P9jB0+RvOqxFnHIHBIlVdqoZLuqYNBLw=
---------解密CBC---------
aes解密结果:测试AES加密12456

4.4 Online-Überprüfung