AES（Advanced Encryption Standard）是目前广泛使用的一种对称加密算法。它的加密速度快、强度高，被广泛应用于文件加密、传输加密等领域。本文将带你一步一步了解 Java 中的 AES 加密，包括 分组模式（Block Mode） 和 填充方式（Padding） 的概念，并结合代码示例说明其使用。

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参考https://doubao.blog.csdn.net/article/details/142977064

一、AES 基本概念

AES 是对称加密算法，这意味着加密和解密使用同一个密钥。AES 支持三种密钥长度：128 位、192 位 和 256 位。AES 是基于 分组加密（Block Cipher） 的算法，每次加密固定长度的明文块（通常是 128 位，即 16 字节），如果明文不足 16 字节，需要进行填充（Padding）。

二、分组模式和填充方式

1. 分组模式（Block Cipher Mode）

AES 是分组加密算法，每次只能加密一个固定长度的块，为了加密长度不定的明文，需要采用不同的分组模式。常见的分组模式包括：

• ECB（Electronic Codebook）模式：每个明文块独立加密。这种方式简单，但是安全性较低，因为相同的明文块会得到相同的密文块，容易被攻击。
• CBC（Cipher Block Chaining）模式：每个明文块在加密前先与前一个密文块进行异或操作。需要一个初始向量（IV）来确保每次加密得到不同的密文。
• CFB（Cipher Feedback）模式：将前一密文块作为输入生成伪随机数流，然后与明文块异或得到密文块。
• OFB（Output Feedback）模式：与 CFB 类似，但它将上一次的输出反馈作为下一次加密输入，而不是使用密文块。
• CTR（Counter）模式：将一个计数器的输出作为输入来生成伪随机数流，与明文块异或，属于流模式加密。

其中，CBC 模式和CTR 模式比较常用，因为它们提供了更好的安全性。

2. 填充方式（Padding）

AES 的分组长度是固定的 128 位（16 字节），但实际明文长度往往不是 16 字节的倍数，因此需要填充。常见的填充方式有：

• PKCS5Padding：最常用的填充方式，填充的每个字节的值为剩余填充的字节数。
• PKCS7Padding：与 PKCS5Padding 类似，但可以用于大于 8 字节分组的加密算法。
• NoPadding：不进行填充，但要求输入的明文长度必须是分组大小的整数倍。

三、Java 实现 AES 加密

接下来，我们通过 Java 代码来实现 AES 加密，结合不同的 分组模式 和 填充方式 进行示例。

1. AES-ECB 模式

ECB 模式是最简单的 AES 加密方式，代码如下：

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import java.util.Base64;

public class AesEcbExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 生成 AES 密钥
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
        keyGen.init(128); // 选择 AES-128
        SecretKey secretKey = keyGen.generateKey();

        // 初始化加密器，指定 AES/ECB/PKCS5Padding
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);

        // 加密
        String plaintext = "Hello AES in ECB mode";
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());

        // 输出密文（Base64 编码）
        System.out.println("加密后的密文：" + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
    }
}

在 ECB 模式下，相同的明文块会产生相同的密文块，容易被攻击，因此不推荐使用。

2. AES-CBC 模式

CBC 模式相对更安全，它使用了初始向量（IV）来确保加密结果的随机性。以下是 CBC 模式的示例：

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import java.util.Base64;

public class AesCbcExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 生成 AES 密钥
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
        keyGen.init(128); 
        SecretKey secretKey = keyGen.generateKey();

        // 随机生成 IV
        byte[] iv = new byte[16];
        IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv);

        // 初始化加密器，指定 AES/CBC/PKCS5Padding
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, ivSpec);

        // 加密
        String plaintext = "Hello AES in CBC mode";
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());

        // 输出密文（Base64 编码）
        System.out.println("加密后的密文：" + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
    }
}

CBC 模式需要初始向量（IV），它确保每次加密同样的明文时，生成不同的密文块，从而提升了安全性。

3. AES-CTR 模式

CTR 模式是一种流模式加密，它将计数器作为输入，加密后生成密钥流，再与明文异或得到密文。以下是示例：

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import java.util.Base64;

public class AesCtrExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 生成 AES 密钥
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
        keyGen.init(128); 
        SecretKey secretKey = keyGen.generateKey();

        // 随机生成计数器 (IV)
        byte[] iv = new byte[16];
        IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv);

        // 初始化加密器，指定 AES/CTR/NoPadding
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CTR/NoPadding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, ivSpec);

        // 加密
        String plaintext = "Hello AES in CTR mode";
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());

        // 输出密文（Base64 编码）
        System.out.println("加密后的密文：" + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
    }
}

CTR 模式的优点在于，它不需要填充，因为每个明文字节都直接与伪随机密钥流异或。

四、总结

在 Java 中，使用 AES 加密时，需要考虑以下几点：

1. 分组模式：不同的分组模式决定了 AES 的安全性和效率。CBC 和 CTR 模式是比较推荐的安全选项，而 ECB 模式由于容易遭受攻击，应尽量避免使用。
2. 填充方式：明文的长度如果不是 16 字节的整数倍，需要使用填充方式。PKCS5Padding 是最常见的选择，而 NoPadding 适用于流模式（如 CTR 模式）加密。
3. 密钥长度：AES 支持 128 位、192 位、256 位的密钥长度，通常 128 位密钥已经足够安全，而 256 位密钥提供了更高的安全保障。

使用 AES 加密时，一定要谨慎选择分组模式和填充方式，确保安全性和兼容性。希望通过本文，你对 Java 中的 AES 加密有了更深入的了解。