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【数据安全】Java AES加密和解密

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19 August 2023
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Java AES Encryption and Decryption

1.概述

对称密钥分组密码在数据加密中起着重要作用。这意味着加密和解密都使用相同的密钥。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，我们将学习如何在JDK中使用Java Cryptography Architecture（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位的密钥（秘密密钥）来加密和解密128位块中的数据。下图显示了高级AES算法：

Encryption

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

3.AES变化

AES算法有六种操作模式：

  • ECB（电子代码簿）
  • CBC（密码块链接）
  • CFB（密码反馈）
  • OFB(输出反馈)
  • CTR（计数器）
  • GCM（伽罗瓦/计数器模式）

我们可以应用这种操作模式来加强加密算法的效果。此外，操作模式可以将分组密码转换为流密码。每种模式都有其长处和短处。让我们快速回顾每一个。

3.1. ECB

这种操作模式是最简单的。明文被划分为大小为128位的块。然后用相同的密钥和算法对每个块进行加密。因此，它对同一块产生相同的结果。这是该模式的主要弱点，不建议用于加密。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使用带有IV的明文块xor。然后将结果加密到密文块。在下一个块中，它使用加密结果与明文块异或，直到最后一个块。

在这种模式下，加密不能并行化，但解密可以并行化。它还需要填充数据。

3.3.CFB

此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以获得密文。然后CFB对加密结果进行加密以异或明文。它需要IV。

在这种模式下，解密可以并行化，但加密不能并行化。

3.4.OFB

此模式可以用作流密码。首先对IV进行加密，然后利用加密结果对明文进行异或运算，得到密文。

它不需要填充数据，也不会受到嘈杂块的影响。

3.5.CTR

这种模式使用计数器的值作为IV。它与OFB非常相似，但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，并得到了NIST的推荐。GCM模型输出密文和认证标签。与算法的其他操作模式相比，该模式的主要优点是其效率。

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

3.7.加密后的数据大小

如前所述，AES具有128位或16字节的块大小。AES不会改变大小，密文大小等于明文大小。此外，在ECB和CBC模式中，我们应该使用类似PKCS 5的填充算法。因此，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，我们需要再添加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在ECB模式中不使用。

4.1.输入数据

AES的输入数据可以是基于字符串、文件、对象和密码的。

4.2.密钥

AES中有两种生成密钥的方法：从随机数生成密钥，或者从给定的密码派生密钥。

在第一种方法中，密钥应该由加密安全（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。让我们定义一种生成大小为n（128、192和256）位的AES密钥的方法：

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，可以使用类似PBKDF2的基于密码的密钥推导函数从给定密码推导AES密钥。我们还需要一个salt值来将密码转换为密钥。盐也是一个随机值。

我们可以将SecretKeyFactory类与PBKDF2WithHmacSHA256算法一起使用，从给定的密码生成密钥。

让我们定义一种方法，通过65536次迭代和256位的密钥长度从给定密码生成AES密钥：

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.初始化矢量（四）

IV是一个伪随机值，并且具有与加密的块相同的大小。我们可以使用SecureRandom类生成随机IV。

让我们定义一种生成IV的方法：

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

5.加密和解密

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密钥和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init（）方法配置了一个密码实例，该方法具有密钥IV和加密模式。最后，我们通过调用doFinal（）方法来加密输入字符串。此方法获取输入的字节数，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);
}

让我们编写一个用于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 = "baeldung";
    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. File

现在让我们使用AES算法对文件进行加密。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读取到内存中，尤其是在文件很大的情况下。相反，我们一次加密一个缓冲区。

对于解密文件，我们使用类似的步骤，并使用DECRYPT_MODE初始化密码，如前所述。

再次，让我们定义一个用于加密和解密文本文件的测试方法。在这种方法中，我们从测试资源目录中读取baeldung.txt文件，将其加密到一个名为baeldung.encrypted的文件中，然后将该文件解密到一个新文件中：

@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/baeldung.txt");
    File inputFile = resource.getFile();
    File encryptedFile = new File("classpath:baeldung.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。加密和解密步骤与字符串输入部分中所示的步骤相同。然后，我们可以使用实例化的密码和提供的密钥来执行加密。

让我们写一个测试方法：

@Test
void givenPassword_whenEncrypt_thenSuccess() 
    throws InvalidKeySpecException, NoSuchAlgorithmException, 
    IllegalBlockSizeException, InvalidKeyException, BadPaddingException, 
    InvalidAlgorithmParameterException, NoSuchPaddingException {
    
    String plainText = "www.baeldung.com";
    String password = "baeldung";
    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。对象应该是可序列化的。让我们从定义学生类开始：

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.结论

在本文中，我们学习了如何在Java中使用AES算法对字符串、文件、对象和基于密码的数据等输入数据进行加密和解密。此外，我们还讨论了AES的变化和加密后数据的大小。

和往常一样，文章的完整源代码是可用的

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