AES加密算法详解与解析

了解AES加密算法

在信息安全的世界里，AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是一个绕不开的名字。它被广泛应用于数据加密，从 HTTPS 安全通信到磁盘加密，几乎无处不在。

1. 什么是 AES？

AES 是一种对称加密算法，这意味着加密和解密都使用同一个密钥。它由比利时密码学家 Joan Daemen 和 Vincent Rijmen 设计，并在 2001 年被美国国家标准与技术研究院（NIST）选定为新的加密标准，用来取代过时的 DES（Data Encryption Standard）。

AES 具有以下特点：
✅ 安全性高：采用分组加密方式，支持 128、192 和 256 位密钥长度，至今仍然未被实质性攻破。
✅ 性能优秀：AES 在硬件和软件上都能高效运行，适用于各种计算平台。
✅ 广泛应用：被政府、金融、互联网等众多领域采用，甚至美国 NSA 也用 AES-256 来保护机密信息。

2. AES 的加密原理

AES 采用分组加密方式，即它一次处理固定大小的数据块（128 比特）。AES 主要包含以下几个核心操作：

🔹 1. 轮密钥加（AddRoundKey）

每一轮加密都要将数据与子密钥进行异或（XOR）运算，确保数据的混淆性。

🔹 2. 字节代换（SubBytes）

使用 S 盒（Substitution Box）进行字节级别的替换，增强密码的非线性性。

🔹 3. 行移位（ShiftRows）

数据的行进行循环移位，使其扩散，增加加密的复杂度。

🔹 4. 列混淆（MixColumns）（仅在前 N-1 轮执行）

对数据列进行数学变换，进一步增强数据的混淆性。

🔹 5. 轮密钥扩展（Key Expansion）

通过特定的密钥调度算法，从初始密钥生成多个轮密钥，确保不同轮次的加密数据不同。

AES-128 需要执行 10 轮（AES-192 执行 12 轮，AES-256 执行 14 轮），最终得到密文。解密过程是加密的逆过程。

3. Java 实现 AES 加解密

Java 提供了 javax.crypto 包，可以方便地实现 AES 加密和解密。以下是 AES-128 的示例代码，使用 AES/CBC/PKCS5Padding 模式，确保加密数据的安全性。

🔹 代码示例

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.SecureRandom;
import java.util.Base64;

public class AESUtil {

    // 生成 16 字节的 AES 密钥
    public static SecretKey generateKey() throws Exception {
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
        keyGen.init(128); // AES-128
        return keyGen.generateKey();
    }

    // 生成 16 字节的随机 IV（初始化向量）
    public static IvParameterSpec generateIv() {
        byte[] iv = new byte[16];
        new SecureRandom().nextBytes(iv);
        return new IvParameterSpec(iv);
    }

    // AES 加密
    public static String encrypt(String data, SecretKey key, IvParameterSpec iv) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, iv);
        byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData);
    }

    // AES 解密
    public static String decrypt(String encryptedData, SecretKey key, IvParameterSpec iv) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, iv);
        byte[] decryptedData = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptedData));
        return new String(decryptedData, StandardCharsets.UTF_8);
    }

    // 测试 AES 加密解密
    public static void main(String[] args) {
        try {
            SecretKey key = generateKey(); // 生成密钥
            IvParameterSpec iv = generateIv(); // 生成 IV
            String originalText = "Hello, AES!";
            
            String encryptedText = encrypt(originalText, key, iv);
            String decryptedText = decrypt(encryptedText, key, iv);

            System.out.println("原始文本: " + originalText);
            System.out.println("加密后: " + encryptedText);
            System.out.println("解密后: " + decryptedText);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}