常用加密算法之 AES 简介及应用

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引言

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是一种​​广泛使用的对称分组加密算法​​，它使用相同的密钥进行加密和解密操作，以其高安全性、高效率和支持多种密钥长度的特点，成为保护数据安全的基石技术之一。

AES的设计基于替代-置换网络（SPN）结构，能够有效抵抗多种密码攻击，保障数据在传输和存储过程中的机密性与完整性。

一、AES算法核心原理

AES是一种​​分组密码算法​​，它将明文数据分成固定长度的块进行处理，每个块的大小为128位（16字节）。其加密过程通过多轮循环的替换和置换操作实现。

1. 密钥与轮数

AES支持三种不同长度的密钥，每种密钥对应不同的加密轮数：

• AES-128​​：128位密钥，10轮加密

•​​ AES-192​​：192位密钥，12轮加密

•​​ AES-256​​：256位密钥，14轮加密

密钥长度越长，安全性越高，但计算开销也相应增加。

2. 加密过程

AES的加密过程包含四个核心操作，每轮都会执行这些操作（最后一轮略有不同）：

  1. ​字节替换（SubBytes）​​：通过一个称为S盒（Substitution box）的非线性替换表，将输入数据的每个字节替换为另一个字节，增加算法的非线性特性，增强安全性。

  2. ​​行移位（ShiftRows）​​：将数据矩阵的每一行进行循环左移操作：第一行不变，第二行左移1字节，第三行左移2字节，第四行左移3字节。这打破了列的独立性，增强了扩散效果。

  3. ​​列混淆（MixColumns）​​：将每列视为有限域GF(2^8)上的多项式，与一个固定多项式进行模乘运算，使每个输出字节依赖于输入列中的所有字节，实现列内的扩散（​​最后一轮省略此步骤​​）。

  4. ​​轮密钥加（AddRoundKey）​​：将当前数据状态与当前轮的轮密钥进行简单的按位异或（XOR）操作。​​轮密钥由初始密钥通过密钥扩展算法生成​​，每一轮使用的轮密钥都不同。

3. 密钥扩展

密钥扩展算法将初始密钥扩展成多个轮密钥（子密钥）。扩展过程使用非线性变换和循环移位操作，确保每轮加密使用不同的密钥，极大增强了安全性。

4. 解密过程

AES的解密过程是加密过程的逆操作，使用相同的密钥，但以相反的顺序执行逆操作（InvSubBytes、InvShiftRows、InvMixColumns）和应用轮密钥。

二、AES的工作模式与填充

1. 常见工作模式

AES有多种工作模式，以适应不同的应用场景：
• ​ECB（电子密码本）​​：最简单的工作模式，但安全性较低，相同的明文会生成相同的密文。

• ​​CBC（密码块链接）​​：引入初始化向量（IV），增强安全性，是广泛使用的模式之一。

• ​​CTR（计数器模式）​​：将块密码转换为流密码，适用于流加密场景。

• ​​GCM（伽罗瓦/计数器模式）​​：提供加密和认证功能，适用于需要保证数据完整性和机密性的场景。

工作模式全称特点适用场景
ECBElectronic Codebook简单，并行计算，相同明文生成相同密文，安全性较低简单数据加密，不推荐用于加密大量重复模式的数据
CBCCipher Block Chaining引入初始化向量(IV)，链接模式，安全性高于ECB文件加密，SSL/TLS
CTRCounter将分组密码转换为流密码，并行加密，需唯一计数器实时流媒体加密，高速网络通信
GCMGalois/Counter Mode提供加密和认证功能，高效并行处理需要同时保证机密性和完整性的场景，如SSH

2. 填充模式

当数据长度不是128位（16字节）的整数倍时，需要进行填充。常见的填充模式包括：

• ​​PKCS5/PKCS7 Padding​​：最常用的填充方案。如果需要填充n个字节，则每个填充字节的值都是n。

• ​​Zero Padding​​：用0x00字节填充不足的部分。需注意无法区分填充值和实际数据，可能需额外记录数据长度。

• ​​No Padding​​：要求明文长度必须是块大小的整数倍。

三、SpringBoot 集成 AES 加密算法实战

下文 以 Java AES/CBC/PKCS5Padding 为例，实现 加密解密

PKCS5Padding 和 PKCS7Padding 填充方式一致

1. Maven 依赖

首先，在项目的 pom.xml文件中添加以下依赖：

<dependencies><!-- Bouncy Castle Provider 用于支持 PKCS7Padding --><dependency><groupId>org.bouncycastle</groupId><artifactId>bcprov-jdk18on</artifactId><version>1.72</version> <!-- 请检查最新版本 --></dependency><!-- Apache Commons Lang 用于字符串操作 --><dependency><groupId>org.apache.commons</groupId><artifactId>commons-lang3</artifactId><version>3.12.0</version> <!-- 请检查最新版本 --></dependency>
</dependencies>

2. java 工具类AESUtil .java

/*** AES/CBC/PKCS5Padding 加密解密工具类 (JDK 8 原生支持)* 注意：密钥和IV需要妥善管理，不建议硬编码在代码中* PKCS5Padding 和 PKCS7Padding 填充方式一致*/
public class AESUtil {// 加密算法、模式、填充方式private static final String ALGORITHM = "AES";private static final String TRANSFORMATION = "AES/CBC/PKCS5Padding"; // 使用 JDK 原生支持的 PKCS5Padding// 默认密钥和初始化向量（IV），建议从外部配置读取private static final String DEFAULT_KEY = "abcdefghigklmnop"; // 16字节 密钥（必须为16、24或32字节）private static final String DEFAULT_IV = "abcdefghigklmnop"; // 16字节  初始化向量（必须为16字节）/*** AES/CBC/PKCS5Padding 加密* @param plaintext 待加密的明文* @return Base64编码的加密字符串*/public static String encrypt(String plaintext) {return encrypt(plaintext, DEFAULT_KEY, DEFAULT_IV);}/*** AES/CBC/PKCS5Padding 加密* @param plaintext 待加密的明文* @param keyStr 密钥（必须为16、24或32字节）* @param ivStr 初始化向量（必须为16字节）* @return Base64编码的加密字符串*/public static String encrypt(String plaintext, String keyStr, String ivStr) {if (plaintext == null || plaintext.isEmpty()) {
//            throw new IllegalArgumentException("Plaintext cannot be null or empty");return "";}try {// 将密钥和IV转换为字节数组并封装SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(keyStr.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), ALGORITHM);IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(ivStr.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));// 获取并初始化Cipher对象Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION); // 使用 JDK 原生支持的 PKCS5Paddingcipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);// 执行加密操作byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plaintext.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));// 返回Base64编码的字符串return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);} catch (Exception e) {throw new RuntimeException("Encryption failed", e);}}/*** AES/CBC/PKCS5Padding 解密* @param ciphertext Base64编码的密文* @return 解密后的明文*/public static String decrypt(String ciphertext) {return decrypt(ciphertext, DEFAULT_KEY, DEFAULT_IV);}/*** AES/CBC/PKCS5Padding 解密* @param ciphertext Base64编码的密文* @param keyStr 密钥（必须与加密时使用的密钥一致）* @param ivStr 初始化向量（必须与加密时使用的IV一致）* @return 解密后的明文*/public static String decrypt(String ciphertext, String keyStr, String ivStr) {if (ciphertext == null || ciphertext.isEmpty()) {return "";
//            throw new IllegalArgumentException("Ciphertext cannot be null or empty");}try {// 将密钥和IV转换为字节数组并封装SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(keyStr.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), ALGORITHM);IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(ivStr.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));// 获取并初始化Cipher对象Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION); // 使用 JDK 原生支持的 PKCS5Paddingcipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);// 先将Base64编码的字符串解码byte[] encryptedBytes = Base64.getDecoder().decode(ciphertext);// 执行解密操作byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(encryptedBytes);// 返回解密后的字符串return new String(decryptedBytes, StandardCharsets.UTF_8);} catch (Exception e) {throw new RuntimeException("Decryption failed", e);}}/*** 测试示例*/public static void main(String[] args) {String originalText = "hello AES CBC";// 加密String encryptedText = encrypt(originalText);System.out.println("加密后 (Base64): " + encryptedText);// 解密String decryptedText = decrypt(encryptedText);System.out.println("解密后: " + decryptedText);// 验证System.out.println("解密是否成功: " + originalText.equals(decryptedText));}
}

四、前端 Vue 中使用 AES-CBC-Pkcs7 加密解密

1. 安装 CryptoJS 库

首先，使用 npm 或 yarn 安装 crypto-js：

npm install crypto-js
# 或
yarn add crypto-js

2. 创建工具文件 AESUtils.js

创建一个单独的 JavaScript 文件（如 cryptoUtils.js）来存放加密解密函数，方便复用：

import CryptoJS from 'crypto-js';
// const CryptoJS = require('crypto-js'); //引用AES源码js
const key = CryptoJS.enc.Utf8.parse("abcdefghigklmnop"); //密钥
const iv = CryptoJS.enc.Utf8.parse("abcdefghigklmnop"); //密钥偏移量// 加密方法 - AES-CBC-Pkcs7
export function EncryptCBCPkcs7(word) {const encrypted = CryptoJS.AES.encrypt(word, key, {iv: iv,mode: CryptoJS.mode.CBC,padding: CryptoJS.pad.Pkcs7});return encrypted.toString();
}// 解密方法 - AES-CBC-Pkcs7
export function DecryptCBCPkcs7(word) {const decrypt = CryptoJS.AES.decrypt(word, key, {iv: iv,mode: CryptoJS.mode.CBC,padding: CryptoJS.pad.Pkcs7});return decrypt.toString(CryptoJS.enc.Utf8);
}

3. 测试使用

// 引入js
import { EncryptCBCPkcs7,DecryptCBCPkcs7 } from '@/utils/AESUtils';
//编写测试方法
function test(){try {const encrypted = EncryptCBCPkcs7('Hello, World!');console.log('加密结果:', encrypted);const decrypted = DecryptCBCPkcs7(encrypted);console.log('解密结果:', decrypted);} catch (error) {console.error('错误:', error);}
}

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