Java AES加密和解密
1.概述
對稱密鑰塊密碼在數據加密中起重要作用。這意味著同一密鑰可用於加密和解密。高級加密標準（AES）是一種廣泛使用的對稱密鑰加密算法。
在本教程中，我們將看到如何使用JDK中的Java密碼體系結構（JCA）來實現AES加密和解密。
2. AES算法
AES算法是一種迭代的對稱密鑰塊密碼，它支持128、192和256位的加密密鑰（秘密密鑰），以對128位的塊中的數據進行加密和解密。下圖顯示了高級AES算法：
如果要加密的數據不滿足128位的塊大小要求，則必須對其進行填充。填充是將最後一塊填充為128位的過程。
3. AES變體
AES算法具有六種操作模式：
- ECB（電子密碼本）
- CBC（密碼塊鏈接）
- CFB（密碼反饋）
- OFB（輸出反饋）
- 點擊率（計數器）
- GCM（Galois /計數器模式）
可以應用操作模式以增強加密算法的效果。此外，操作模式可以將分組密碼轉換為流密碼。每種模式都有其優勢和劣勢。讓我們快速回顧一下。
3.1。ECB
這種操作模式是最簡單的。明文分為大小為128位的塊。然後，將使用相同的密鑰和算法對每個塊進行加密。因此，對於相同的塊它會產生相同的結果。這是此模式的主要缺點，不建議用於加密。它需要填充數據。
3.2。CBC
為了克服ECB的弱點，CBC模式使用初始化向量（IV）來增強加密。首先，CBC將明文塊xor與IV一起使用。然後，它將結果加密到密文塊。在下一個塊中，它將使用加密結果與明文塊進行異或，直到最後一個塊。
在這種模式下，加密不能並行化，但解密可以並行化。它還需要填充數據。
3.3。 CFB
此模式可用作流密碼。首先，它對IV進行加密，然後將其與純文本塊進行異或運算以獲得密文。然後，CFB將加密結果加密以對明文進行異或。它需要IV。
在這種模式下，解密可以並行化，但加密不能並行化。
3.4。OFB
此模式可用作流密碼。首先，它加密IV。然後，它使用加密結果對明文進行異或運算以獲得密文。
它不需要填充數據，也不會受到噪聲塊的影響。
3.5。CTR
該模式將計數器的值用作IV。它與OFB非常相似，但是它每次使用計數器而不是IV對其進行加密。
此模式具有兩個優點，包括加密/解密並行化，並且一個塊中的噪聲不會影響其他塊。
3.6。 GCM
此模式是CTR模式的擴展。 GCM已受到NIST的高度重視並推薦使用。 GCM模型輸出密文和認證標籤。與該算法的其他運算模式相比，此模式的主要優點是效率高。
在本教程中，我們將使用AES/CBC/PKCS5Padding算法，因為該算法已在許多項目中廣泛使用。
3.7。加密後的數據大小
如前所述，AES的塊大小為128位或16個字節。 AES不會更改大小，並且密文大小等於明文大小。另外，在ECB和CBC模式下，我們應該使用類似於PKCS 5.的填充算法PKCS 5.因此，加密後的數據大小為：
ciphertext_size (bytes) = cleartext_size + (16 - (cleartext_size % 16))為了用密文存儲IV，我們需要再增加16個字節。
4. AES參數
在AES算法中，我們需要三個參數：輸入數據，秘密密鑰和IV。 ECB模式下不使用IV。
4.1。輸入數據
AES的輸入數據可以是基於字符串，文件，對象和密碼的。
4.2。密鑰
在AES中生成密鑰的方法有兩種：從隨機數生成或從給定密碼生成。
在第一種方法中，應該從像SecureRandom類這樣的加密安全（偽）隨機數生成器生成秘密密鑰。
為了生成密鑰，我們可以使用KeyGenerator類。讓我們定義一種用於生成大小為n （128、192和256）位的AES密鑰的方法：
public static SecretKey generateKey(int n) throws NoSuchAlgorithmException {
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
keyGenerator.init(n);
SecretKey key = keyGenerator.generateKey();
return key;
}在第二種方法中，可以使用基於密碼的密鑰派生功能（例如PBKDF2）從給定的密碼派生AES秘密密鑰。我們還需要一個鹽值來將密碼轉換為密鑰。鹽也是一個隨機值。
我們可以將SecretKeyFactory類與PBKDF2WithHmacSHA256算法一起使用，以根據給定的密碼生成密鑰。
讓我們定義一種方法，該方法可通過65,536次迭代和256位密鑰長度從給定密碼生成AES密鑰：
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是偽隨機值，其大小與加密的塊相同。我們可以使用SecureRandom類生成隨機IV。
讓我們定義一種生成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。串
要實現輸入字符串加密，我們首先需要根據上一節生成密鑰和IV。下一步，我們使用getInstance()方法從Cipher類創建一個實例。
此外，我們使用帶有秘密密鑰，IV和加密模式的init()方法配置密碼實例。最後，我們通過調用doFinal()方法對輸入字符串進行加密。此方法獲取輸入字節並以字節為單位返回密文：
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);
}為了解密輸入字符串，我們可以使用DECRYPT_MODE初始化密碼來解密內容：
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);
}讓我們編寫一個用於加密和解密字符串輸入的測試方法：
@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。文件
現在，讓我們使用AES算法加密文件。步驟是相同的，但是我們需要一些IO類來處理文件。讓我們加密一個文本文件：
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();
}請注意，不建議嘗試將整個文件（尤其是大文件）讀入內存。相反，我們一次加密一個緩衝區。
為了解密文件，我們使用類似的步驟，並使用DECRYPT_MODE初始化密碼， DECRYPT_MODE 。
再次，讓我們定義一個用於加密和解密文本文件的測試方法。在這種方法中，我們從測試資源目錄中讀取baeldung.txt文件，將其加密為一個名為baeldung.encrypted的文件，然後將該文件解密為一個新文件：
@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/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。基於密碼
我們可以使用從給定密碼派生的密鑰進行AES加密和解密。
為了生成密鑰，我們使用getKeyFromPassword()方法。加密和解密步驟與字符串輸入部分中顯示的步驟相同。然後，我們可以使用實例化的密碼和提供的密鑰來執行加密。
讓我們寫一個測試方法：
@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。目的
為了加密Java對象，我們需要使用SealedObject類。該對象應可Serializable 。讓我們從定義Student類開始：
public class Student implements Serializable {
private String name;
private int age;
// standard setters and getters
}
接下來，讓我們加密Student對象：
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;
}稍後可以使用正確的密碼對加密對象進行解密：
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;
}讓我們寫一個測試用例：
@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);
}六，結論
總之，我們已經學習瞭如何使用Java中的AES算法來加密和解密輸入數據，例如字符串，文件，對象和基於密碼的數據。此外，我們討論了AES的變化以及加密後數據的大小。