AES演演算法

1.前言

對接資方的時候用到了AES加密演演算法，之前經常用但是沒好好梳理一下，這次有空就簡單梳理一下，方面日後整理學習。
AES是加密演演算法其中的一種，它是屬於對稱加密，對稱加密的意思就是，加密以及解密用的都是同一個Key。相比於非對稱加密RSA，SM2等，它的優點就是快。
為了瞭解AES，我們大概從以下幾個方面入手

• 金鑰支援的長度
• 常用的工作模式（ECB模式/CBC模式）
• Padding 的填充模式

2. 金鑰

金鑰是AES演演算法實現加解密的根本。AES 支援三種長度的金鑰: 128bit (16B), 192bit(24B) , 256bit(32B)。
AES256 安全性最高，AES128效能最優。本質是它們的加密處理輪數不同。

而我們預設的就是AES128，也就是會迴圈10輪。

public static String generateAESKey() {
	KeyGenerator keyGenerator = null;
	try {
		keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
	} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
		return null;
	}
        // 這裡程式碼祕鑰的長度，128,192,256
	keyGenerator.init(128);
	SecretKey key = keyGenerator.generateKey();
	byte[] keyExternal = key.getEncoded();
	return Base64.encodeBase64String(keyExternal);
}

我們可以從如下圖看出，生成的key的祕鑰陣列大小為 16，其中有些字元不是正常顯示的ASCII。
也就是說, 我們可以隨機生成一段長度為16、24、32大小的字串也可以充當祕鑰。

System.out.println(RandomUtil.randomString(16));

當然這種祕鑰我理解是不安全的，不建議使用

3. 工作模式

3.1. ECB模式

ECB 模式是最簡單塊密碼加密模式，加密前根據加密塊大小（AES 128位元）分成若干塊，之後將每塊使用相同的金鑰單獨加密，在該模式下，每個明文塊的加密都是獨立的，互不影響的。解密同理。
優勢

• 簡單
• 有利於平行計算

缺點

• 相同的明文塊經過加密會變成相同的密文塊，因此安全性較差。

3.2. CBC模式

CBC模式引入一個新的概念：初始向量IV。IV的作用和MD5的"加鹽"有些類似，目的是防止同樣的明文塊始終加密成相同的密文塊。
CBC模式原理:在每個明文塊加密前會讓那個明文塊和IV向量先做互斥或操作。IV作為初始化變數，參與第一個明文塊的互斥或，後續的每個明文塊和它前一個明文塊所加密出的密文塊相互斥或，這樣相同的明文塊加密出來的密文塊顯然不一樣。
優勢

• 安全性更高

缺點

• 無法平行計算，效能上不如ECB
• 引入初始向量IV，增加複雜度

4. 常用的填充方式

AES 演演算法在對明文加密的時候，並不是把整個明文加密成一整段密文，而是把明文拆分成幾組獨立的明文塊，每一個明文塊的長度128bit（16B），最後不足128bit(16B),會根據不同的Padding 填充模式進行填充，然後進行加密。
總結：加密過程是先處理pading，後加密。解密過程是先進行分塊解密，最後在處理Padding。
例如：一段明文的長度198bit，按照128bit 拆分，第二個之後70bit，不足128bit，就需要對明文塊進⾏填充（Padding）。

4.1 NoPadding

不做任何填充，要求明文必須是16位元組的整數倍。

4.2 PKC5Padding(推薦)

明文塊少於128bit（16B）,在明文塊的末尾補足相應數量的字元，且每個位元組的值等於缺少的字元數。
如 明文:{1,2,3,4,5,6,7,8, a,b,c},缺少5個位元組，則補全為{1,2,3,4,5,6,7,8, a,b,c,5,5,5,5,5,5}

4.3 ISO10126Padding

明文塊少於128bit（16B）,在明文塊的末尾補足相應數量的字元，最後一個字元值等於缺少的字元數，其他字元填充亂數
如 明文{1,2,3,4,5,6,7,8, a,b,c},缺少5個位元組，則補全為{1,2,3,4,5,6,7,8, a,b,c,e,i,o,p,k,5}
具體介面使用，請根據自己的業務需求去選擇。

5. AES程式碼範例

private static final String KEY_ALGORITHM = "AES";
private static final String ENCODING = StandardCharsets.UTF_8.name();
private static final String AES_ECB_MODE = "AES/ECB/PKCS5Padding";
private static final String AES_CBC_MODE = "AES/CBC/PKCS5Padding";

// 因為AES塊 為16位元組，所以IV必須為16位元組
private static final String IV = RandomUtil.randomString(16);
private static final IvParameterSpec ips = new IvParameterSpec(IV.getBytes());

5.1 對稱key的生成

// key只要在16、24、32大小即可

public static String generateAESKey() {
	KeyGenerator keyGenerator = null;
	try {
		keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
	} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
		return null;
	}
	keyGenerator.init(128);
	SecretKey key = keyGenerator.generateKey();
	byte[] keyExternal = key.getEncoded();
	return Base64.encodeBase64String(keyExternal);
}

5.2 加密

public static String encrypt(String content, String key) {
	try {
		byte[] bytesKey = Base64.decodeBase64(key);
		SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(bytesKey, KEY_ALGORITHM);
		Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_ECB_MODE);// 建立密碼器
		byte[] byteContent = content.getBytes(ENCODING);
		cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);// 初始化
		byte[] result = cipher.doFinal(byteContent);// 加密
		return Base64.encodeBase64String(result);
	} catch (Exception e) {
	}
	return null;
}

5.3 解密

public static String decrypt(String content, String key) {
	try {
		byte[] bytesKey = Base64.decodeBase64(key);
		SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(bytesKey, KEY_ALGORITHM);
		Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_ECB_MODE);// 建立密碼器
		cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);// 初始化
		byte[] result = cipher.doFinal(Base64.decodeBase64(content));// 解密
		return new String(result);
	} catch (Exception e) {
	}
	return null;
}

備註：如果是CBC的模式，只要在cipher.init加入向量的ips即可