JAVA AES加密与解密

一、AES加密简介

AES加密算法是密码学中的高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES），又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。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。

AES 是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法。明确地说，AES 是一个迭代的、对称密钥分组的密码，它可以使用128、192 和 256 位密钥，并且用 128 位（16字节）分组加密和解密数据。与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。通过分组密码返回的加密数据 的位数与输入数据相同。迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换（permutations ）和替换(substitutions）输入数据。

AES加密有很多轮的重复和变换。大致步骤如下：

1、密钥扩展（KeyExpansion）。
2、初始轮（Initial Round）。
3、重复轮（Rounds），每一轮又包括：SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey。
4、最终轮（Final Round），最终轮没有MixColumns。

二、AES在JAVA中的使用

JCE，Java Cryptography Extension，在早期JDK版本中，由于受美国的密码出口条例约束，Java中涉及加解密功能的API被限制出口，所以Java中安全组件被分成了两部分: 不含加密功能的JCA（Java Cryptography Architecture ）和含加密功能的JCE（Java Cryptography Extension）。

JCA和JCE的API体系架构

JCE的API都在javax.crypto包下，核心功能包括：加解密、密钥生成（对称）、MAC生成、密钥协商。

（1）. 加解密

加解密功能由Cipher组件提供，其也是JCE中最核心的组件。

1. Cipher的几个知识点：

a. Cipher在使用时需以参数方式指定transformation
b. transformation的格式为algorithm/mode/padding，其中algorithm为必输项，如: AES/DES/CBC/PKCS5Padding
c. 缺省的mode为ECB，缺省的padding为PKCS5Padding
d. 在block算法与流加密模式组合时, 需在mode后面指定每次处理的bit数, 如DES/CFB8/NoPadding, 如未指定则使用缺省值, SunJCE缺省值为64bits
e. Cipher有4种操作模式: ENCRYPT_MODE(加密), DECRYPT_MODE(解密), WRAP_MODE(导出Key), UNWRAP_MODE(导入Key)，初始化时需指定某种操作模式

算法/模式/填充                 16字节加密后数据长度       不满16字节加密后长度
AES/CBC/NoPadding                   16                          不支持
AES/CBC/PKCS5Padding                32                          16
AES/CBC/ISO10126Padding             32                          16
AES/CFB/NoPadding                   16                          原始数据长度
AES/CFB/PKCS5Padding                32                          16
AES/CFB/ISO10126Padding             32                          16
AES/ECB/NoPadding                   16                          不支持
AES/ECB/PKCS5Padding                32                          16
AES/ECB/ISO10126Padding             32                          16
AES/OFB/NoPadding                   16                          原始数据长度
AES/OFB/PKCS5Padding                32                          16
AES/OFB/ISO10126Padding             32                          16
AES/PCBC/NoPadding                  16                          不支持
AES/PCBC/PKCS5Padding               32                          16
AES/PCBC/ISO10126Padding            32                          16

可以看到，在原始数据长度为16的整数倍时，假如原始数据长度等于16*n，则使用NoPadding时加密后数据长度等于16*n，其它情况下加密数据长 度等于16*(n+1)。在不足16的整数倍的情况下，假如原始数据长度等于16*n+m[其中m小于16]，除了NoPadding填充之外的任何方 式，加密数据长度都等于16*(n+1)；NoPadding填充情况下，CBC、ECB和PCBC三种模式是不支持的，CFB、OFB两种模式下则加密 数据长度等于原始数据长度。

2. 对称加密的算法与密钥长度选择

推荐使用AES算法。一般认为128bits的密钥已足够安全，如果可以请选择256bits的密钥。注意：

a. 密钥长度是在生成密钥时指定的，如：

KeyGenerator generator = KeyGenerator.getInstance("AES/CBC/PKCS5PADDING");
generator.init(256);
SecretKey key = generator.generateKey();

3. 加密示例代码

/**
     * 根据密钥对指定的明文plainText进行加密.
     *
     * @param plainText 明文
     * @return 加密后的密文.
     */
    public static final String encrypt(String plainText) {
        Key secretKey = getKey("fendo888");
        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
            byte[] p = plainText.getBytes("UTF-8");
            byte[] result = cipher.doFinal(p);
            BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder();
            String encoded = encoder.encode(result);
            return encoded;
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } 
    }

4. 解密示例代码

/**
     * 根据密钥对指定的密文cipherText进行解密.
     *
     * @param cipherText 密文
     * @return 解密后的明文.
     */
    public static final String decrypt(String cipherText) {
        Key secretKey = getKey("fendo888");
        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
            BASE64Decoder decoder = new BASE64Decoder();
            byte[] c = decoder.decodeBuffer(cipherText);
            byte[] result = cipher.doFinal(c);
            String plainText = new String(result, "UTF-8");
            return plainText;
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

其中的getKey()

public static Key getKey(String keySeed) {  
        if (keySeed == null) {  
            keySeed = System.getenv("AES_SYS_KEY");  
        }  
        if (keySeed == null) {  
            keySeed = System.getProperty("AES_SYS_KEY");  
        }  
        if (keySeed == null || keySeed.trim().length() == 0) {  
            keySeed = "abcd1234!@#$";// 默认种子  
        }  
        try {  
            SecureRandom secureRandom = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");  
            secureRandom.setSeed(keySeed.getBytes());  
            KeyGenerator generator = KeyGenerator.getInstance("AES");  
            generator.init(secureRandom);  
            return generator.generateKey();  
        } catch (Exception e) {  
            throw new RuntimeException(e);  
        }  
}

三.AESUtils帮助类

package com.fendo.MD5;
import java.io.IOException;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;
import javax.crypto.BadPaddingException;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import sun.misc.BASE64Decoder;
import sun.misc.BASE64Encoder;
/**   
 * @Title: AESUtils.java 
 * @Package com.fendo.MD5 
 * @Description: TODO
 * @author fendo
 * @date 2017年9月11日 下午5:48:17 
 * @version V1.0   
*/
public class AESUtils {
    private static final String encodeRules = "fendo";
    /**
     * 加密
     * 1.构造密钥生成器
     * 2.根据ecnodeRules规则初始化密钥生成器
     * 3.产生密钥
     * 4.创建和初始化密码器
     * 5.内容加密
     * 6.返回字符串
     */
    public static String AESEncode(String content) {
        try {
            //1.构造密钥生成器，指定为AES算法,不区分大小写
            KeyGenerator keygen = KeyGenerator.getInstance("AES");
            //2.根据ecnodeRules规则初始化密钥生成器
            //生成一个128位的随机源,根据传入的字节数组
            SecureRandom random = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
            random.setSeed(encodeRules.getBytes());
            keygen.init(128, random);
            //3.产生原始对称密钥
            SecretKey original_key = keygen.generateKey();
            //4.获得原始对称密钥的字节数组
            byte[] raw = original_key.getEncoded();
            //5.根据字节数组生成AES密钥
            SecretKey key = new SecretKeySpec(raw, "AES");
            //6.根据指定算法AES自成密码器
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
            //7.初始化密码器，第一个参数为加密(Encrypt_mode)或者解密解密(Decrypt_mode)操作，第二个参数为使用的KEY
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
            //8.获取加密内容的字节数组(这里要设置为utf-8)不然内容中如果有中文和英文混合中文就会解密为乱码
            byte[] byte_encode = content.getBytes("utf-8");
            //9.根据密码器的初始化方式--加密：将数据加密
            byte[] byte_AES = cipher.doFinal(byte_encode);
            //10.将加密后的数据转换为字符串
            //这里用Base64Encoder中会找不到包
            //解决办法：
            //在项目的Build path中先移除JRE System Library，再添加库JRE System Library，重新编译后就一切正常了。
            String AES_encode = new String(new BASE64Encoder().encode(byte_AES));
            //11.将字符串返回
            return AES_encode;
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalBlockSizeException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BadPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //如果有错就返加nulll
        return null;
    }
    /** 
     * AES加密 
     * @param content 待加密的内容 
     * @param encryptKey 加密密钥 
     * @return 加密后的byte[] 
     * @throws Exception 
     */  
    public static byte[] aesEncryptToBytes(String content, String encryptKey) throws Exception {  
        KeyGenerator kgen = KeyGenerator.getInstance("AES");  
        kgen.init(128, new SecureRandom(encryptKey.getBytes()));  
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");  
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, new SecretKeySpec(kgen.generateKey().getEncoded(), "AES"));  
        return cipher.doFinal(content.getBytes("utf-8"));  
    }  
    /**
     * 解密
     * 解密过程：
     * 1.同加密1-4步
     * 2.将加密后的字符串反纺成byte[]数组
     * 3.将加密内容解密
     */
    public static String AESDecode(String content) {
        try {
            //1.构造密钥生成器，指定为AES算法,不区分大小写
            KeyGenerator keygen = KeyGenerator.getInstance("AES");
            //2.根据ecnodeRules规则初始化密钥生成器
            //生成一个128位的随机源,根据传入的字节数组
            SecureRandom random = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
            random.setSeed(encodeRules.getBytes());
            keygen.init(128, random);
            //3.产生原始对称密钥
            SecretKey original_key = keygen.generateKey();
            //4.获得原始对称密钥的字节数组
            byte[] raw = original_key.getEncoded();
            //5.根据字节数组生成AES密钥
            SecretKey key = new SecretKeySpec(raw, "AES");
            //6.根据指定算法AES自成密码器
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
            //7.初始化密码器，第一个参数为加密(Encrypt_mode)或者解密(Decrypt_mode)操作，第二个参数为使用的KEY
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
            //8.将加密并编码后的内容解码成字节数组
            byte[] byte_content = new BASE64Decoder().decodeBuffer(content);
            /*
             * 解密
             */
            byte[] byte_decode = cipher.doFinal(byte_content);
            String AES_decode = new String(byte_decode, "utf-8");
            return AES_decode;
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalBlockSizeException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BadPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //如果有错就返加nulll
        return null;
    }
    /** 
     * AES解密 
     * @param encryptBytes 待解密的byte[] 
     * @param decryptKey 解密密钥 
     * @return 解密后的String 
     * @throws Exception 
     */  
    public static String aesDecryptByBytes(byte[] encryptBytes, String decryptKey) throws Exception {  
        KeyGenerator kgen = KeyGenerator.getInstance("AES");  
        kgen.init(128, new SecureRandom(decryptKey.getBytes()));  
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");  
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec(kgen.generateKey().getEncoded(), "AES"));  
        byte[] decryptBytes = cipher.doFinal(encryptBytes);  
        return new String(decryptBytes);  
    }  
    /** 
     * base 64 加密 
     * @param bytes 待编码的byte[] 
     * @return 编码后的base 64 code 
     */  
    public static String base64Encode(byte[] bytes){  
        return new BASE64Encoder().encode(bytes);  
    }  
    /** 
     * base 64 解密 
     * @param base64Code 待解码的base 64 code 
     * @return 解码后的byte[] 
     * @throws Exception 
     */  
    public static byte[] base64Decode(String base64Code) throws Exception{  
        return StringUtils.isEmpty(base64Code) ? null : new BASE64Decoder().decodeBuffer(base64Code);  
    }  
    /** 
     * 将base 64 code AES解密 
     * @param encryptStr 待解密的base 64 code 
     * @param decryptKey 解密密钥 
     * @return 解密后的string 
     * @throws Exception 
     */  
    public static String aesDecrypt(String encryptStr, String decryptKey) throws Exception {  
        return StringUtils.isEmpty(encryptStr) ? null : aesDecryptByBytes(base64Decode(encryptStr), decryptKey);  
    }  
    /** 
     * AES加密为base 64 code 
     * @param content 待加密的内容 
     * @param encryptKey 加密密钥 
     * @return 加密后的base 64 code 
     * @throws Exception 
     */  
    public static String aesEncrypt(String content, String encryptKey) throws Exception {  
        return base64Encode(aesEncryptToBytes(content, encryptKey));  
    }
    public static void main(String[] args) {
        String[] keys = {
                "", "root"
        };
        System.out.println("key | AESEncode | AESDecode");
        for (String key : keys) {
            System.out.print("key:"+key + " | ");
            String encryptString = AESEncode(key);
            System.out.print(encryptString + " | ");
            String decryptString = AESDecode(encryptString);
            System.out.println(decryptString);
        }
    }
}