Java使用AES加密和解密的實例詳解
Java使用AES加密和解密的實例詳解
前言：
AES的基本要求是，采用對稱分組密碼體制，密鑰長度的最少支持為128、192、256，分組長度128位，算法應(yīng)易于各種硬件和軟件實現(xiàn)。1998年NIST開始AES第一輪分析、測試和征集，共產(chǎn)生了15個候選算法。1999年3月完成了第二輪AES2的分析、測試。2000年10月2日美國政府正式宣布選中比利時密碼學(xué)家Joan Daemen 和 Vincent Rijmen 提出的一種密碼算法RIJNDAEL 作為 AES. 在應(yīng)用方面，盡管DES在安全上是脆弱的，但由于快速DES芯片的大量生產(chǎn)，使得DES仍能暫時繼續(xù)使用，為提高安全強(qiáng)度，通常使用獨(dú)立密鑰的三級DES。但是DES遲早要被AES代替。流密碼體制較之分組密碼在理論上成熟且安全，但未被列入下一代加密標(biāo)準(zhǔn)。
AES加密數(shù)據(jù)塊和密鑰長度可以是128比特、192比特、256比特中的任意一個。
AES加密有很多輪的重復(fù)和變換。大致步驟如下：
1、密鑰擴(kuò)展（KeyExpansion），
2、初始輪（Initial Round），
3、重復(fù)輪（Rounds），每一輪又包括：SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey，
4、最終輪（Final Round），最終輪沒有MixColumns。
AES是一種對稱的加密算法，可基于相同的密鑰進(jìn)行加密和解密。Java采用AES算法進(jìn)行加解密的邏輯大致如下：
1、生成/獲取密鑰
2、加/解密
1.1生成密鑰
密鑰的生成是通過KeyGenerator來生成的。通過獲取一個KeyGenerator實例，然后調(diào)用其generateKey()方法即可生成一個SecretKey對象。大致邏輯一般如下：
private SecretKey geneKey() throws Exception {
//獲取一個密鑰生成器實例
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM);
SecureRandom random = new SecureRandom();
random.setSeed("123456".getBytes());//設(shè)置加密用的種子，密鑰
keyGenerator.init(random);
SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
return secretKey;
}
上述生成密鑰的過程中指定了固定的種子，每次生成出來的密鑰都是一樣的。還有一種形式，我們可以通過不指定SecureRandom對象的種子，即不調(diào)用其setSeed方法，這樣每次生成出來的密鑰都可能是不一樣的。
private SecretKey geneKey() throws Exception {
//獲取一個密鑰生成器實例
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM);
SecureRandom random = new SecureRandom();
keyGenerator.init(random);
SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
return secretKey;
}
通過KeyGenerator的init(keySize)方法進(jìn)行初始化，而不是通過傳遞SecureRandom對象進(jìn)行初始化也可以達(dá)到上面的效果，每次生成的密鑰都可能是不一樣的。但是對應(yīng)的keySize的指定一定要正確，AES算法的keySize是128。
private SecretKey geneKey() throws Exception {
//獲取一個密鑰生成器實例
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM);
keyGenerator.init(128);
SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
return secretKey;
}
但是這種每次生成出來的密鑰都是不同的情況下，我們需要把加密用的密鑰存儲起來，以供解密的時候使用，不然就沒法進(jìn)行解密了。
1.2密鑰的存儲
密鑰SecretKey里面最核心的內(nèi)容就是其中的密鑰對應(yīng)的字節(jié)數(shù)組，可以通過SecretKey的getEncoded()方法獲取。然后把它存儲起來即可。最簡單的方式就是直接寫入一個文件中。
//把上面的密鑰存起來
Path keyPath = Paths.get("D:/aes.key");
Files.write(keyPath, secretKey.getEncoded());
1.3獲取存儲的密鑰
獲取存儲的密鑰的核心是把密鑰的字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的SecretKey。這可以通過SecretKeySpec來獲取，其實現(xiàn)了SecretKey接口，然后構(gòu)造參數(shù)里面將接收密鑰的字節(jié)數(shù)組。
private SecretKey readKey(Path keyPath) throws Exception {
//讀取存起來的密鑰
byte[] keyBytes = Files.readAllBytes(keyPath);
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(keyBytes, ALGORITHM);
return keySpec;
}
1.4加解密
Java采用AES算法進(jìn)行加解密的過程是類似的，具體如下：
1、指定算法，獲取一個Cipher實例對象
Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);//算法是AES
2、生成/讀取用于加解密的密鑰
SecretKey secretKey = this.geneKey();
3、用指定的密鑰初始化Cipher對象，同時指定加解密模式，是加密模式還是解密模式。
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
4、通過update指定需要加密的內(nèi)容，不可多次調(diào)用。
cipher.update(content.getBytes());
5、通過Cipher的dofinal()進(jìn)行最終的加解密操作。
byte[] result = cipher.doFinal();//加密后的字節(jié)數(shù)組
通過以上幾步就完成了使用AES算法進(jìn)行加解密的操作了。其實第4、5步是可以合在一起的，即在進(jìn)行doFinal的時候傳遞需要進(jìn)行加解密的內(nèi)容。但是如果update指定了加密的內(nèi)容，而doFinal的時候也指定了加密的內(nèi)容，那最終加密出來的結(jié)果將是兩次指定的加密內(nèi)容的和對應(yīng)的加密結(jié)果。
byte[] result = cipher.doFinal(content.getBytes());
以下是一次加解密操作的完整示例。
public class AESTest {
private static final String ALGORITHM = "AES";
/**
* 生成密鑰
* @return
* @throws Exception
*/
private SecretKey geneKey() throws Exception {
//獲取一個密鑰生成器實例
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM);
SecureRandom random = new SecureRandom();
random.setSeed("123456".getBytes());//設(shè)置加密用的種子，密鑰
keyGenerator.init(random);
SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
//把上面的密鑰存起來
Path keyPath = Paths.get("D:/aes.key");
Files.write(keyPath, secretKey.getEncoded());
return secretKey;
}
/**
* 讀取存儲的密鑰
* @param keyPath
* @return
* @throws Exception
*/
private SecretKey readKey(Path keyPath) throws Exception {
//讀取存起來的密鑰
byte[] keyBytes = Files.readAllBytes(keyPath);
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(keyBytes, ALGORITHM);
return keySpec;
}
/**
* 加密測試
*/
@Test
public void testEncrypt() throws Exception {
//1、指定算法、獲取Cipher對象
Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);//算法是AES
//2、生成/讀取用于加解密的密鑰
SecretKey secretKey = this.geneKey();
//3、用指定的密鑰初始化Cipher對象，指定是加密模式，還是解密模式
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
String content = "Hello AES";//需要加密的內(nèi)容
//4、更新需要加密的內(nèi)容
cipher.update(content.getBytes());
//5、進(jìn)行最終的加解密操作
byte[] result = cipher.doFinal();//加密后的字節(jié)數(shù)組
//也可以把4、5步組合到一起，但是如果保留了4步，同時又是如下這樣使用的話，加密的內(nèi)容將是之前update傳遞的內(nèi)容和doFinal傳遞的內(nèi)容的和。
// byte[] result = cipher.doFinal(content.getBytes());
String base64Result = Base64.getEncoder().encodeToString(result);//對加密后的字節(jié)數(shù)組進(jìn)行Base64編碼
System.out.println("Result: " + base64Result);
}
/**
* 解密測試
*/
@Test
public void testDecrpyt() throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
SecretKey secretKey = this.geneKey();
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
String content = "pK9Xw4zqTMXYraDadSGJE3x/ftrDxIg2AM/acq0uixA=";//經(jīng)過Base64加密的待解密的內(nèi)容
byte[] encodedBytes = Base64.getDecoder().decode(content.getBytes());
byte[] result = cipher.doFinal(encodedBytes);//對加密后的字節(jié)數(shù)組進(jìn)行解密
System.out.println("Result: " + new String(result));
}
}
1.5使用存儲的密鑰進(jìn)行加解密示例
@Test
public void test() throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM);
keyGenerator.init(128);
SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
//把上面的密鑰存起來
Path keyPath = Paths.get("D:/aes.key");
Files.write(keyPath, secretKey.getEncoded());
//讀取存起來的密鑰
SecretKey key = this.readKey(keyPath);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
cipher.update("Hello World".getBytes());
//密文
byte[] encryptBytes = cipher.doFinal();
System.out.println(Base64.getEncoder().encodeToString(encryptBytes));
//用取出來的密鑰進(jìn)行解密
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
//明文
byte[] decryptBytes = cipher.doFinal(encryptBytes);
System.out.println(new String(decryptBytes));
}
在上面的示例中，我們先生成了一個密鑰，然后把它保存到本地文件中，然后再把它讀出來，分別用以加密和解密。而且我們加密和解密都是用的同一個Cipher對象，但是在使用前需要重新通過init方法初始化加解密模式。
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