常用加解密算法 - AES/CBC（一）

AES 加解密的核心原理

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准），它是一种对称加密算法（加密和解密使用同一密钥），具有以下特点：

• 分组加密
  将明文分成128位（16字节）的块，按块进行加密，支持密钥长度为128位、192位、256位（密钥越长安全性越高）。
• 替代-置换网络
  通过字节替换、行移位、列混淆、轮密钥加等操作，对数据进行多层非线性变换，确保加密强度。
• 高效性
  硬件和软件实现均高效，适用于各种设备和场景。

主要应用场景与实例

数据传输加密（网络通信）

• 场景需求
  保护网络中传输的数据不被窃听或篡改。
• 典型例子
  • HTTPS协议：网站通过TLS/SSL协议实现加密通信，其中AES是默认的对称加密算法（如AES-256-GCM），用于加密浏览器与服务器之间的网页内容、用于账户密码等数据。
  • VPN（虚拟专用网络）：如OpenVPN、IPsec VPN中，AES用于加密远程访问的数据流，确保企业内部网络通信安全（例如：员工通过VPN访问公司服务器时的文件传输）。
  • 即时通讯软件：微信、WhatsApp的消息加密采用AES算法，对聊天内容、文件传输进行加密，防止中间人攻击。

存储数据加密（硬盘、云端）

• 场景需求：保护存储在设备或云端的数据，即使存储介质丢失或被入侵，数据也无法被破解。
• 典型例子
  • 硬盘加密：Windows BitLocker、macOS FileVault对硬盘进行全磁盘加密，核心算法采用AES（AES-256），加密用户的系统文件、个人数据（如文档、照片）。
  • 云存储服务：Dropbox、Good Drive在存储用户文件时，使用AES对文件进行加密（用户上传后先加密再存储，下载时解密），防止云端服务器被攻击导致数据泄露。
  • 移动设备加密：iPhone的Touch ID/Face ID解锁功能背后，AE用于加密手机存储的指纹、面容数据及用户隐私信息。

物联网（IoT）与嵌入式设备

• 场景需求：物联网设备（如智能家电、传感器）的数据传输和本地存储需轻量化加密。
• 典型例子：
  • 智能家居设备：小米智能门锁、华为智能摄像头与云端的通信使用AES加密，确保用户开销密码、监控视频不被截获。
  • 工业传感器：工厂中的传感器采集数据后，通过AES加密传输至中央控制系统，防止工业数据被恶意篡改（如能源行业的管道压力数据传输）。
  • RFID标签加密：部分高安全性RFID标签（如金融IC卡、电子护照）使用AES对用户身份信息加密，防止标签被伪造或信息窃取（身份证芯片内的个人信息保护）。

金融与支付系统

• 场景需求：金融交易对安全性要求极高，需确保账户信息、交易数据的机密性。
• 典型例子：
  • 银行卡交易：银联、Visa的POS机刷卡交易中，AES用于加密银行卡号、CVV码等敏感信息，防止刷卡时数据被侧录器窃取。
  • 电子钱包：支付宝、微信支付的资金转账数据，通过AES加密传输，同时本地存储的支付密码也以AES加密形式保存。
  • 区块链加密：部分区块链平台（如以太坊）在智能合约数据存储和传输中使用AES，保护用户账户余额、交易记录等信息。

AES加解密的技术优势与挑战

• 优势
  • 安全性高：至今未被发现实质性的破解方法，是目前全球应用最广泛的对称加密标准。
  • 效率均衡：相对非对称加密（如RSA），AES加解密速度快，适合处理大量数据（如视频流、文件传输）。
• 挑战
  • 密钥管理：对称加密的密钥需安全传输和存储（通常结合非对称加密传输密钥，如RSA），否则密钥泄露会导致数据全被破解。
  • 量子计算威胁：未来量子计算机可能对AES-256等算法构成潜在威胁（但目前尚未有实际破解案例），因此各国也在研发抗量子加密算法（如NIST的后量子密码标准）。

综合应用

实际场景中，AES常与其他算法配合使用，例如：

• AES+HMAC：加密后用哈希消息消息认证码（如SHA-256）确保数据完整性和身份验证（如HTTPS中的数据传输）。
• AES+RSA：用RSA非对称加密传输AES密钥，再用AES加密量数据（如电子邮件加密工具GPG的工具模式）。

Java中AES加解密示例

# example.txt
This is an AES encrypt/decrypt example file.

import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.security.InvalidAlgorithmParameterException;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;
import java.util.Base64;

/**
 * 文件加密工具（AES-256-CBC）
 * 使用 AES-256-CBC 模式加密文件程序，包含文件读取、加密处理和写入操作
 * 这个例子使用 CBC 模式（需要初始化向量 IV）和 PKCS5Padding 填充方式，适合加密大文件。
 * 注意 IV 需要随密文一起存储或传输。
 */
public class FileEncryptor {

    private static final String ALGORITHM = "AES";
    private static final String TRANSFORMATION = "AES/CBC/PKCS5Padding";

    // 生成随机密钥
    public static SecretKey generateKey(int keySize) throws NoSuchAlgorithmException {
        KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM);
        keyGenerator.init(keySize);
        return keyGenerator.generateKey();
    }

    // 生成初始化向量
    public static IvParameterSpec generateIv() {
        byte[] iv = new byte[16];
        SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
        return new IvParameterSpec(iv);
    }

    // 加密文件
    public static void encryptFile(SecretKey key, IvParameterSpec iv, File inputFile, File outputFile) throws NoSuchPaddingException, NoSuchAlgorithmException, InvalidAlgorithmParameterException, InvalidKeyException, IOException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, iv);

        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(inputFile);
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream(outputFile);
             CipherOutputStream cos = new CipherOutputStream(fos, cipher)) {
            byte[] buffer = new byte[4096];
            int bytesRead;
            while ((bytesRead = fis.read(buffer)) != -1) {
                cos.write(buffer, 0, bytesRead);
            }
        }
    }

    // 解密文件
    public static void decryptFile(SecretKey key, IvParameterSpec iv, File inputFile, File outputFile) throws IOException, NoSuchPaddingException, NoSuchAlgorithmException, InvalidAlgorithmParameterException, InvalidKeyException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, iv);

        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(inputFile);
             CipherInputStream cis = new CipherInputStream(fis, cipher);
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream(outputFile)) {
            byte[] buffer = new byte[4096];
            int bytesRead;
            while ((bytesRead = cis.read(buffer)) != -1) {
                fos.write(buffer, 0, bytesRead);
            }
        }
    }

    // 把密钥转换成字符串（用于存储或传输密钥）
    public static String keyToString(SecretKey secretKey) {
        return Base64.getEncoder().encodeToString(secretKey.getEncoded());
    }

    // 把字符串转换成密钥（用于后续加解密）
    public static SecretKey stringToKey(String keyString) {
        byte[] keyBytes = Base64.getDecoder().decode(keyString);
        return new SecretKeySpec(keyBytes, ALGORITHM);
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 生成密钥
            SecretKey key = generateKey(256);

            // 生成IV
            IvParameterSpec iv = generateIv();

            // 文件路径
            File originalFile = new File("example.txt");
            File encryptedFile = new File("example.encrypted");
            File decryptedFile = new File("example.decrypted");

            // 加密文件
            encryptFile(key, iv, originalFile, encryptedFile);
            System.out.println("文件加密完成");

            // 解密文件
            decryptFile(key, iv, encryptedFile, decryptedFile);
            System.out.println("文件解密完成");

            // 保存密钥
            String keyString = keyToString(key);
            System.out.println("密钥=" + keyString);

            // 加载密钥
            SecretKey loadKey = stringToKey(keyString);
            System.out.println("密钥转换成功");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}