一、什么是AES?

高级加密标准(英语:Advanced Encryption Standard,缩写:AES),是一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES,已经被多方分析且广为全世界所使用。

那么为什么原来的DES会被取代呢,原因就在于其使用56位密钥,比较容易被破解。而AES可以使用128、192、和256位密钥,并且用128位分组加密和解密数据,相对来说安全很多。完善的加密算法在理论上是无法破解的,除非使用穷尽法。使用穷尽法破解密钥长度在128位以上的加密数据是不现实的,仅存在理论上的可能性。统计显示,即使使用目前世界上运算速度最快的计算机,穷尽128位密钥也要花上几十亿年的时间,更不用说去破解采用256位密钥长度的AES算法了。

目前世界上还有组织在研究如何攻破AES这堵坚厚的墙,但是因为破解时间太长,AES得到保障,但是所用的时间不断缩小。随着计算机计算速度的增快,新算法的出现,AES遭到的攻击只会越来越猛烈,不会停止的。

AES现在广泛用于金融财务、在线交易、无线通信、数字存储等领域,经受了最严格的考验,但说不定哪天就会步DES的后尘。

二、AES加密方式简析

* AES加密是对称加密,128、192、256分别表示密钥的长度

* AES的加密方式会将明文拆分成不同的块进行加密,例如一个256 位的数据用128的密钥(16个字节)加密,则分成

    明文1(128位)    明文2(128位)

    加密

    密文1(128位)    密文2(128位)

填充:

  如果明文不是128位(16字节)的则需要填充,即在明文某个地方补充到16个字节整数倍的长度,加解密时需要采用同样的填充方式,否则无法解密成功,以下是几种填充方式

    ** NoPadding
    不进行填充,但是这里要求明文必须要是16个字节的整数倍,这个可以使用者本身自己去实现填充,除了该种模式以外的其他填充模式,如果已经是16个字节的数据的话,会再填充一个16字节的数据

    ** PKCS5Padding(默认)
    在明文的末尾进行填充,填充的数据是当前和16个字节相差的数量,例如:
      未填充明文
    1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11

      填充明文(缺少五个满足16个字节)
    1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,5,5,5,5,5

 由于使用PKCS7Padding/PKCS5Padding填充时,最后一个字节肯定为填充数据的长度,所以在解密后可以准确删除填充的数据

    ** ISO10126Padding
    在明文的末尾进行填充,当前和16个字节相差的数量填写在最后,其余字节填充随机数,例如:
      未填充明文
    1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11

      填充明文(缺少五个满足16个字节)
    1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,c,b,4,1,5

模式

  模式是需要制定AES对明文进行加密时使用的模式(这里并不涉及具体的加密方法,只是加密步骤上的不同模式,在加解密时同样需要相同的模式,否则无法成功),一共提供了五种模式,模式的基本原理是近似的,但是细节上会有一些变化,如下:

    ** ECB模式(默认)电码本模式 Electronic Codebook Book

    这个模式是默认的,就只是根据密钥的位数,将数据分成不同的块进行加密,加密完成后,再将加密后的数据拼接起来,过程如下:

    明文(64字节) 密钥(16字节)

    明文1(16字节)  明文2(16字节)  明文3(16字节)  明文4(16字节)

    密文1(16字节)  密文2(16字节)  密文3(16字节)  密文4(16字节)

    密文(64字节)

    优点:简单、速度快、可并行
    缺点:如果明文块相同,则生成的密文块也相同,这样会导致安全性降低


    ** CBC模式   密码分组链接模式 Cipher Block Chaining

    为了解决ECB模式的密文块相同的缺点,CBC的模式引入了一个初始向量概念,该向量必须是一个与密钥长度相等的数据,在第一次加密前,会使用初始化向量与第一块数据做异或运算,生成的新数据再进行加密,加密第二块之前,会拿第一块的密文数据与第二块明文进行异或运算后再进行加密,以此类推,解密时也是在解密后,进行异或运算,生成最终的明文。过程如下:

    明文(63字节) 密钥 (16字节) 初始向量iv(16字节)

      明文1(16字节) 明文2(16字节) 明文3(16字节) 明文4+一个0(16字节) 

    异或  +初始向量        +密文1         +密文2         +密文3

      密文1(16字节) 密文2(16字节) 密文3(16字节) 密文4(16字节) 

    密文(64字节)

    这里需要注意如下几点:
    1.向量必须是一个与密钥长度相等的数据
    2.由于在加密前和解密后都会做异或运算,因此我们的明文可以不用补全,不是16个字节的倍数也可以,CBC中会自动用0补全进行异或运算
    3.在解密时是解密后才会再做异或运算,保证数据解密成功
    4.由于自动进行了补全,所以解密出的数据也会在后面补全0,因此获取到数据时,需要将末尾的0去除,或者根据源数据长度来截取解密后的数据

    优点:每次加密密钥不同,加强了安全

    CBC的方式解决了EBC的缺点,但是也有其缺点:
    1.加密无法并行运算,但是解密可以并行,必须在前一个块加密完成后,才能加密后块,并且也需要填充0在后面,所以并不适合流数据(不适合的原因可能是,需要满足128位的数据之后才能进行加密,这样后面才不会有0的补全)
    2.如果前一个数据加密错误,那么后续的数据都是错的了
    3.两端需要同时约定初始向量iv


    ** CFB模式: 密码反馈模式 Cipher FeedBack
    这个模式只使用了加密方法,原理是用到了一个数值异或运算之后再进行一次异或运算,值不改变的原理。并且在加密的时候,如果数据并不满足一个密钥的字节,那么只做保存,待满足一个密钥的字节后再进行加密 过程如下:

    加密:

    明文(260个字节) iv(128个字节)

    明文1(128个字节)    明文2(128个字节)      明文3(4个字节)

    (iv+key)异或 明文1 (密文1+key)异或 明文1  (密文1+key)异或明文3

    密文1(128个字节)     密文2(128个字节)      密文3(4个字节)


    解密:

    密文(260个字节) iv(128个字节)密钥(128字节)

    密文1(128个字节)      密文2(128个字节)      密文3(4个字节)

    (iv+key)异或密文1   (密文1+key)异或密文2    (密文1+key)异或密文3

    明文1 (128个字节)     明文2  (128个字节)      明文3(4个字节)

    这里需要注意如下几点:
    1.加解密时会返回一个num,这个num表示还需要几个数字,才会使用上一个密文加密,否则一直使用上上一个
    2.加解密时也需要传入字符串的长度
    3.由于解密时使用的都是密文来进行解密,并没有使用上一次解密的明文,因此解密也可以并行
    4.由于CFB模式并不需要补全,或者一个完整的128字节才能加解密,综合第三点,所以适合流数据的传输。
    5.CFB模式不止有CFB128(即与密钥长度一致),还有CFB1 和CFB8 即加解密1或8位后,再调用一次加密器生成新的值,这样可以使加密更安全,但是就会处理更多的运算,CFB1的运算时间是CFB8的八倍 CFB128的128倍
    6.使用CFB128或者CFB8的时候传入的length单位是字节,CFB1是length的单位是位。
    7.使用CFB1和CFB8的时候,num值会始终为0

    优点:解密可同步,可以传入非16字节倍数的数据,适合流数据

    CFB模式当然也有一个缺点,解密的时候可以并行解密,但是加密的时候并不可以并行加密。并且也需要选择iv


    ** OFB模式: 输出反馈模式 Output FeedBack
    该模式与CFB类似,但是是将iv或者上一个iv加密后的数据加密,生成的key与明文做异或运算,解密时采用的是同样的方法,利用了异或运算的对称性来进行加解密,除了这一点,其余与CFB一致

    加密/解密:

    CFB:
    (iv+key)异或 明文1 (密文1+key)异或 明文1       (密文1+key)异或明文3

    OFB
    (iv+key)异或明文1 ((iv+key)+key)异或明文1  (((iv+key)+key)+key)异或明文3

    优点:与CFB一样,方便传输流数据

    缺点:由于依赖上一次的加密结果,所以并不能并行处理,特性是解密步骤完全一致,因此使用方法上不会有区别。


    ** CTR模式: 计算器模式 Counter
    OFB不能并行的原因就在于需要上一次的iv进行加密后的结果,因此在CTR中我们将(iv+key)+key替换成了(iv+1)+key,这样我们就不需要依赖上一次的加密结果了。对比如下:

    OFB
    (iv+key)异或明文1 ((iv+key)+key)异或明文1  (((iv+key)+key)+key)异或明文3

    CTR
    (iv+key)异或明文1 ((iv+1)+key)异或明文1    (((iv+1)+1)+key)异或明文3

    优点:由于加解密可以并行,因此CTR模式的加解密速度也很快

    缺点:iv+1的获取比较负责,需要获取瞬时iv

三、提供两个示例

1、java mysql 通用aes加密算法

通用的aes加密,使用场景,插入数据时,使用java进行加密数据,查询时,通过sql进行解密,不用取出再遍历解密

注:to_base64只适用mysql5.6之后的,之前的没有这个函数,不适用,可以使用HEX,UNHEX ,当然java要用对应的方法解密

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
 
import sun.misc.BASE64Decoder;
import sun.misc.BASE64Encoder;
 
/**
 * java使用AES加密解密 AES-128-ECB加密
 * 与mysql数据库aes加密算法通用
 * 数据库aes加密解密
 * -- 加密
 *    SELECT to_base64(AES_ENCRYPT('www.gowhere.so','jkl;POIU1234++=='));
 *    -- 解密
 *    SELECT AES_DECRYPT(from_base64('Oa1NPBSarXrPH8wqSRhh3g=='),'jkl;POIU1234++==');
 * @author 836508
 *
 */
public class MyAESUtil {
 
    // 加密
    public static String Encrypt(String sSrc, String sKey) throws Exception {
        if (sKey == null) {
            System.out.print("Key为空null");
            return null;
        }
        // 判断Key是否为16位
        if (sKey.length() != 16) {
            System.out.print("Key长度不是16位");
            return null;
        }
        byte[] raw = sKey.getBytes("utf-8");
        SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(raw, "AES");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");//"算法/模式/补码方式"
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec);
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(sSrc.getBytes("utf-8"));
        return new BASE64Encoder().encode(encrypted);//此处使用BASE64做转码功能,同时能起到2次加密的作用。
    }
 
    // 解密
    public static String Decrypt(String sSrc, String sKey) throws Exception {
        try {
            // 判断Key是否正确
            if (sKey == null) {
                System.out.print("Key为空null");
                return null;
            }
            // 判断Key是否为16位
            if (sKey.length() != 16) {
                System.out.print("Key长度不是16位");
                return null;
            }
            byte[] raw = sKey.getBytes("utf-8");
            SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(raw, "AES");
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec);
            byte[] encrypted1 = new BASE64Decoder().decodeBuffer(sSrc);//先用base64解密
            try {
                byte[] original = cipher.doFinal(encrypted1);
                String originalString = new String(original,"utf-8");
                return originalString;
            } catch (Exception e) {
                System.out.println(e.toString());
                return null;
            }
        } catch (Exception ex) {
            System.out.println(ex.toString());
            return null;
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        /*
         * 此处使用AES-128-ECB加密模式,key需要为16位。
         */
        String cKey = "jkl;POIU1234++==";
        // 需要加密的字串
        String cSrc = "www.gowhere.so";
        System.out.println(cSrc);
        // 加密
        String enString = MyAESUtil.Encrypt(cSrc, cKey);
        System.out.println("加密后的字串是:" + enString);
 
        // 解密
        String DeString = MyAESUtil.Decrypt(enString, cKey);
        System.out.println("解密后的字串是:" + DeString);
    }
}

2、java  AES-128-CBC加密模式

package com.zhongzhi.utils;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
/**
 * @Classname ZzSecurityHelper
 * @Description TODO
 * @Date 2019/6/24 16:50
 * @Created by whd
 */
public class ZzSecurityHelper {
    /*
     * 加密用的Key 可以用26个字母和数字组成 使用AES-128-CBC加密模式,key需要为16位。
     */
    private static final String key="hj7x89H$yuBI0456";
    private static final String iv ="NIfb&95GUY86Gfgh";
    /**
     * @author miracle.qu
     * @Description AES算法加密明文
     * @param data 明文
     * @param key 密钥,长度16
     * @param iv 偏移量,长度16
     * @return 密文
     */
    public static String encryptAES(String data) throws Exception {
        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/NoPadding");
            int blockSize = cipher.getBlockSize();
            byte[] dataBytes = data.getBytes();
            int plaintextLength = dataBytes.length;

            if (plaintextLength % blockSize != 0) {
                plaintextLength = plaintextLength + (blockSize - (plaintextLength % blockSize));
            }

            byte[] plaintext = new byte[plaintextLength];
            System.arraycopy(dataBytes, 0, plaintext, 0, dataBytes.length);

            SecretKeySpec keyspec = new SecretKeySpec(key.getBytes(), "AES");
            IvParameterSpec ivspec = new IvParameterSpec(iv.getBytes());  // CBC模式,需要一个向量iv,可增加加密算法的强度

            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keyspec, ivspec);
            byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext);

            return ZzSecurityHelper.encode(encrypted).trim(); // BASE64做转码。

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

    /**
     * @author miracle.qu
     * @Description AES算法解密密文
     * @param data 密文
     * @param key 密钥,长度16
     * @param iv 偏移量,长度16
     * @return 明文
     */
    public static String decryptAES(String data) throws Exception {
        try
        {
            byte[] encrypted1 = ZzSecurityHelper.decode(data);//先用base64解密

            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/NoPadding");
            SecretKeySpec keyspec = new SecretKeySpec(key.getBytes(), "AES");
            IvParameterSpec ivspec = new IvParameterSpec(iv.getBytes());

            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keyspec, ivspec);

            byte[] original = cipher.doFinal(encrypted1);
            String originalString = new String(original);
            return originalString.trim();
        }
        catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
    /**
     * 编码
     * @param byteArray
     * @return
     */
    public static String encode(byte[] byteArray) {
        return new String(new Base64().encode(byteArray));
    }

    /**
     * 解码
     * @param base64EncodedString
     * @return
     */
    public static byte[] decode(String base64EncodedString) {
        return new Base64().decode(base64EncodedString);
    }
}

参考文章:

JAVA实现AES加密、解密_DamonREN的博客-CSDN博客_aes解密 java

AES加密方式简析_xy371661665的博客-CSDN博客_aes加密规则

java mysql 通用aes加密算法_一朵纯洁的小白花的博客-CSDN博客

https://my.oschina.net/u/3784129/blog/3066112

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